JP2013247787A - 太陽光発電システム及び短絡電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最小限の追加設備により、瞬時に短絡部の検出、切り離しができ、経済性、安全性に優れた太陽光発電システム及び短絡検出装置を提供する。
【解決手段】複数の太陽電池モジュールを直列に接続した太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎと、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの直流電流の開閉を行う遮断器ＣＢとを接続する接続線Ｌ１に設けられ、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの直流電流により充電され、接続線Ｌ１の短絡時に、遮断器ＣＢをトリップさせる電流を放電する充放電部ＲＣを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、太陽光発電システムにおいて、短絡を検出する技術に関する。

太陽光発電システムは、太陽電池モジュールからの出力を、ＰＣＳ（パワーコンディショナ）と呼ばれる装置に接続することにより、所望の電力が得られるように構成されている。ＰＣＳは、基本的には、太陽光パネルからの直流を、交流に変換して、電力系統に出力するインバータ機能を有している。

このような太陽光発電システムにおける太陽電池モジュールは、大電力を得るために、複数が直列に接続されることにより、ストリングと呼ばれるグループを構成している。そして、複数のストリングをまとめた接続線は、接続箱において並列接続されることにより、出力用の一つの接続線に纏められて、ＰＣＳに接続される。

また、大規模なシステムの場合には、複数の接続箱の出力用の接続線が、並列箱において並列に接続されることにより、一つの接続線に纏められ、ＰＣＳに接続される。さらに、ＰＣＳには、複数の並列箱からの接続線が接続される。

なお、接続箱とＰＣＳとの間若しくは並列箱とＰＣＳとの間の接続線には、短絡等の事故が発生した場合に、ストリングをシステムから切り離して復旧作業を行うために、遮断器が設けられている。

特開平９−１８２２７９号公報

ところで、各ストリングからＰＣＳまでの接続線に流れる電流は、全て直流である。つまり、通常の接続線は、正（Ｐ）と負（Ｎ）の導線が被覆されたケーブルが並行している。この正負の導線が電気的に接続点をもつ現象が、短絡である。このような短絡は、被覆の経年劣化、被覆を動物が齧る、作業者が傷つける等により生じる。

一般的な電力系統においては、短絡が生じた場合、遮断器が動作するに十分なｋＡレベルの電流が流れるために、遮断器は瞬時に遮断する。一方、太陽光発電システムの場合、短絡が発生しても、遮断器による瞬時の遮断が難しい。

これは、以下のような理由による。まず、太陽電池モジュールの短絡電流値（Ｉｓｃ）は、動作電流値（Ｉｐｍ）の１１０％程度しかない。また、並列接続された複数のストリングからの電流が短絡点に流れ込んだとしても、電流値は、各ストリングの短絡電流値の数倍程度にしかならない。

しかも、太陽光発電システムの場合、発電により流れる電流値は、天候に大きく左右される。各太陽電池モジュールは、常態で１００％の出力が得られない場合がほとんどであるため、短絡点に流れ込む電流値はさらに低くなる。

一般的に、遮断器は定格電流の１０倍以上程度でなければ、短時間での遮断（トリップ状態）とはならない。このため、上記のような数倍程度の低い電流値では、遮断器による瞬時遮断は望めない。

ただし、このように短絡電流値が低いと、短絡を放置しても即座に故障にはならない。しかし、短絡により、ストリングからの電力が供給できない箇所が生じることになるため、発電される総電力量は減少してしまう。このような電力量の減少は、電力の買い取りがなされる場合には、損失となる。

また、短絡が発生してから、数分〜数十分経過すると、遮断器の内部温度が上がる。すると、定格電流が低下するため、トリップする可能性はある。しかし、トリップするまで短絡電流が流れ続けると、ケーブルが焼損する可能性が高くなる。

そこで、ストリングの並列数による短絡電流値と遮断器の遮断特性から選定されるケーブルサイズを、１サイズか２サイズ大きなものにする必要がある。このように、通常よりもケーブルサイズを上げることは、ストリング並列数、接続箱の数が増えるほど、コスト高につながる。

これに対処するため、ケーブル毎に、保護装置を設けることも可能である。この保護装置は、直流用の変流器（ＣＴ）と、ＣＴから検出された電流値が一定値以上の場合に作動する保護リレー（ＯＣＲ）とを備えている。短絡が生じた場合、ＣＴからの検出値に応じて、ＯＣＲが瞬時に動作して、遮断器を遮断させることができる。

しかし、この場合、高い精度のＣＴ及びＯＣＲを必要とする。また、ケーブル毎に保護装置を設けるとともに、保護装置用の専用のケーブルの敷設も必要となる。このため、保護装置の設置は、コスト高になる。なお、定格電流が低い遮断器を選択することは、定常状態でもトリップする可能性が生じるため、非現実的である。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、最小限の追加設備により、瞬時に短絡箇所の検出、切り離しができ、経済性、安全性に優れた太陽光発電システム及び短絡検出装置を提供することにある。

上記のような目的を達成するため、本発明の実施形態である短絡検出装置は、複数の太陽電池モジュールを有する発電部と前記発電部からの直流電流の開閉を行う遮断器とを接続する接続線に設けられ、前記発電部からの直流電流により充電され、前記接続線の短絡時に、前記遮断器をトリップさせる電流を放電する充放電部を有することを特徴とする。

第１の実施形態の太陽光発電システムの接続図 充放電部の構成例を示す接続図 第２の実施形態の太陽光発電システムの接続図 第３の実施形態の太陽光発電システムの接続図 接続箱と並列箱を介して接続された太陽光発電システムの接続図

［Ａ．第１の実施形態］
本実施形態の短絡検出装置を、図１及び図２を参照して説明する。
［１．構成］
［１−１．太陽光発電システム］
まず、本実施形態が適用される太陽光発電システムは、図１に示すように、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ、接続箱ＣＭＢ、パワーコンディショナＰＣＳを有している。各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎは、複数の太陽光パネルを直列に接続した発電部である。

接続箱ＣＭＢは、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの電力を一つの接続線Ｌ１に纏めることにより、パワーコンディショナＰＣＳに接続する装置である。太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎは、複数の接続線Ｌ２に接続されている。これらの接続線Ｌ２は、接続箱ＣＭＢ内において、互いに並列に接続されて、さらに接続線Ｌ１に接続されている。接続線Ｌ１、Ｌ２としては、直流回路部用のケーブルを用いることができる（後述する接続線Ｌ４、５も同様）。

接続箱ＣＭＢ内には、開閉器ＤＳ１〜ｎ、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎ、遮断器ＣＢが設けられている。開閉器ＤＳ１〜ｎは、異常発生時、点検時等に、各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎの切り離しを行う機器である。このため、開閉器ＤＳ１〜ｎは、各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの接続線Ｌ２ごとに接続されている。

逆流防止ダイオードＤ１〜ｎは、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ側への電流の流れを抑止するダイオードである。この逆流防止ダイオードＤ１〜ｎは、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ間で電圧にアンバランスが生じた際に、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ間の逆電流を防止するために挿入される。このため、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎは、各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ側がアノード、外部への出力側がカソードとなるように、接続線Ｌ２ごとに接続されている。

遮断器ＣＢは、短絡時に、パワーコンディショナＰＣＳと、同一の接続箱ＣＭＢに接続された全ての太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎとの切り離しを行う機器である。このため、遮断器ＣＢは、接続線Ｌ１に接続されている。

［１−２．充放電部］
そして、本実施形態の短絡検出装置は、充放電部ＲＣにより構成されている。この充放電部ＲＣは、遮断器ＣＢとパワーコンディショナＰＣＳとの間の接続線Ｌ１に接続されている。充放電部ＲＣは、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの直流電流により充電され、短絡事故によりゼロ電位となった短絡箇所に向かって放電することにより、遮断器ＣＢをトリップさせる。

充放電部ＲＣは、たとえば、コンデンサ、電気二重層キャパシタ、二次電池等により構成できる。図２は、コンデンサＣを、接続線Ｌ１における正側の導線Ｐと負側の導線Ｎとの間に接続した例である。電気二重層キャパシタ、二次電池等であっても、接続構成は同様である。コンデンサ、電気二重層キャパシタは、二次電池よりも安価である。

なお、遮断器ＣＢをトリップさせる電流値は、上記のように、定格電流の１０倍〜２０倍程度が一般的である。このため、充放電部ＲＣの容量も、これに従ったものを選択することが考えられる。ただし、遮断器ＣＢの種類や温度条件によってもトリップする電流値は異なる。このため、充放電部ＲＣは、遮断器ＣＢをトリップさせる放電電流ＲＣＲを放電できればよく、その容量は特定の値に限定されない。

［２．作用］
以上のような本実施形態の動作を説明する。まず、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎが発電を開始して、その電圧が一定の値以上になると、充放電部ＲＣへの充電が開始する。充放電部ＲＣの容量一杯まで充電されると、それ以上は充電されなくなる。このため、全ての発電電流は、パワーコンディショナＰＣＳに供給される。

その後、図中Ｘに示すように、接続箱ＣＭＢとパワーコンディショナＰＣＳとの間において、短絡事故が発生したとする。すると、短絡により、短絡点Ｘの電位がゼロになるので、短絡点Ｘに向かって、充放電部ＲＣが即時放電する。これにより流れる放電電流ＲＣＲによって、遮断器ＣＢがトリップする。このため、短絡点Ｘが、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎから切り離される。

［３．効果］
本実施形態によれば、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎと遮断器ＣＢとの間に、充放電部ＲＣを設けることにより、短絡発生時、充放電部ＲＣからの放電電流ＲＣＲにより、遮断器ＣＢを強制遮断できる。このように、充放電部ＲＣという最小限の追加設備によって、短絡の検出、短絡点と太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎの切り離しが可能となる。したがって、精度が高く高価な保護装置を多数設けたり、サイズの大きなケーブルを多数設ける必要がなくなり、経済性、安全性に優れる。

［Ｂ．第２の実施形態］
図３を参照して、第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分については、説明を省略する。

［１．構成］
［１−１．太陽光発電システム］
まず、本実施形態が適用される太陽光発電システムの構成を説明する。本システムは、図３に示すように、各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎからの接続線Ｌ２ごとに、開閉器ＤＳ１〜ｎに代えて、遮断器（第２の遮断器）ＣＢ１〜ｎが設けられている。この遮断器ＣＢ１〜ｎは、接続線Ｌ２に設けられた遮断器（第２の遮断器）ＣＢと同様である。

［１−２．充放電部］
そして、本実施形態においては、複数の充放電部ＲＣ１〜ｎが、接続線Ｌ１ではなく、各接続線Ｌ２における逆流防止ダイオードＤ１〜ｎと遮断器ＣＢ１〜ｎとの間に設けられている。

［２．作用］
以上のような本実施形態の動作を説明する。まず、各太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎが発電を開始して、その電圧が一定の値以上になると、各充放電部ＲＣ１〜ｎへの充電が開始する。各充放電部ＲＣ１〜ｎの容量一杯まで充電されると、それ以上は充電されなくなる。このため、全ての発電電流は、パワーコンディショナＰＣＳに供給される。

その後、図中Ｘに示すように、パワーコンディショナＰＣＳと接続箱ＣＭＢ間において、短絡事故が発生したとする。すると、短絡点Ｘに向かって、充放電部ＲＣ１〜ｎが即時放電する。これにより流れる放電電流ＲＣＲ１は、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎの順方向となるので、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎを超えて流れて、遮断器ＣＢがトリップする。このため、短絡点Ｘが、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎから切り離される。

一方、図中Ｙに示すように、太陽電池ストリングＰＶ１と接続箱ＣＭＢ間において、短絡事故が発生したとする。すると、短絡点Ｙに向かって、充放電部ＲＣ１が即時放電する。これにより流れる放電電流ＲＣＲ２によって、遮断器ＣＢ１がトリップする。このため、短絡が発生した太陽電池ストリングＰＶ１が、システムから切り離される。なお、他の太陽電池ストリングＰＶ２〜ｎと接続箱ＣＭＢ間で短絡事故が発生した場合も、同様である。

［３．効果］
本実施形態によれば、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎごとに充放電部ＲＣ１〜ｎ、遮断器ＣＢ１〜ｎを設けることにより、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎ側で短絡が発生した時であっても、充放電部ＲＣ１〜ｎからの放電により、遮断器ＣＢ１〜ｎを強制遮断できる。このため、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎのうち、短絡が発生したもののみを切り離すことができるので、発電量の低下を最小限に留めることができる。

遮断電流が大きい遮断器ＣＢについては、複数の充放電部ＲＣ１〜ｎからの放電電流ＲＣＲ１が使用され、遮断電流が小さくて済む遮断器ＣＢ１〜ｎについては、各充放電部ＲＣ１〜ｎの単独の放電電流ＲＣＲ２が使用される。このため、各充放電部ＲＣ１〜ｎの容量を小さくすることができる。小容量で安価な充放電部ＲＣ１〜ｎを用いると、その数によっては、大容量で高コストの充放電部ＲＣを用いるよりもコストの削減となる場合がある。また、接続箱ＣＭＢ内において、小容量で小型の充放電部ＲＣ１〜ｎを用いると、大容量で大型の充放電部ＲＣを用いる場合よりも、レイアウトがしやすくなる。

さらに、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎと太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎとの間に、充放電部ＲＣ１〜ｎが設けられているので、逆流防止ダイオードＤ１〜ｎのアノード側に充放電部ＲＣ１〜ｎが来る。このため、パワーコンディショナＰＣＳと接続箱ＣＭＢとの間の短絡のみならず、太陽電池ストリングＰＶ１〜ｎとの間の短絡についても検出できる。

［Ｃ．第３の実施形態］
図４を参照して、第３の実施形態を説明する。なお、第２の実施形態と同様の部分については、説明を省略する。

［１．構成］
本実施形態においては、図４に示すように、各遮断器ＭＣＢ、ＭＣＢ１〜ｎが、トリップ警報出力接点ＡＬ、ＡＬ１〜ｎを有している。このトリップ警報出力接点ＡＬ、ＡＬ１〜ｎは、遮断器の開閉状態を出力する接点である。トリップ警報出力接点ＡＬ、ＡＬ１〜ｎには、出力用の信号線Ｌ３を介して、接続箱ＣＭＢの外部の装置に接続されている。外部の装置としては、本システムの制御装置、故障表示装置等が考えられる。

［２．作用］
以上のような本実施形態の動作を説明する。図中Ｘに示すように、パワーコンディショナＰＣＳと接続箱ＣＭＢ間において、短絡事故が発生した場合、短絡点Ｘに向かって、充放電部ＲＣ１〜ｎが即時放電する。すると、その放電電流ＲＣＲ１により、遮断器ＭＣＢがトリップする。このとき、トリップ警報出力接点ＡＬは、閉状態（接点メーク）となり、外部に信号を出力する。

また、図中Ｙに示すように、太陽電池ストリングＰＶ１と接続箱ＣＭＢ間において、短絡事故が発生した場合、短絡点Ｙに向かって、充放電部ＲＣ１が即時放電する。すると、その放電電流ＲＣＲ２により、遮断器ＭＣＢ１がトリップする。このとき、トリップ警報出力接点ＡＬ１は、閉状態となり、外部に信号を出力する。なお、他の太陽電池ストリングＰＶ２〜ｎと接続箱ＣＭＢ間で短絡事故が発生した場合も、同様に、トリップ警報出力接点ＡＬ２〜ｎから、信号が出力される。

［３．効果］
本実施形態によれば、短絡により遮断器ＭＣＢ、ＭＣＢ１〜ｎがトリップ状態となったことを、制御装置や故障表示装置等の外部に通知することができる。このため、問題が生じた部分を分離するのみならず、その部分を明確に認識させることが可能となる。したがって、優れた故障点トレースを実現でき、早期の対処ができる。

［Ｄ．他の実施形態］
本実施形態は、図５に示すように、並列箱ＣＭＢ−Ｐ１、Ｐ２からの接続線Ｌ４を介して、複数の接続箱ＣＭＢ１〜５、ＣＭＢ６〜１０をパワーコンディショナＰＣＳに接続するシステムにも適用可能である。並列箱ＣＭＢ−Ｐ１、Ｐ２は、複数の接続箱ＣＭＢ１〜５、６〜１０からの接続線Ｌ１に接続された接続線Ｌ５を、それぞれ互いに並列に接続し、さらに一つの接続線Ｌ４に纏めるものである。並列箱ＣＭＢ−Ｐ１、Ｐ２の接続線Ｌ５には、遮断器ＣＢ１〜５が設けられている。

このようなシステムの場合、たとえば、接続線Ｌ４に充放電部ＲＣを設ける。これにより、並列箱ＣＭＢ−Ｐ１、Ｐ２と、各接続箱ＣＭＢ１〜１０との間で生じた短絡について、各接続箱ＣＭＢ１〜１０ごとに、遮断器ＣＢ１〜５をトリップさせることができる。これにより、充放電部ＲＣの数、既存の設備の改造量、コストも節約できる。

なお、充放電部を設ける位置は、発電部からの直流電流により充電され、接続線の短絡時に、遮断器をトリップさせる電流を放電するできる位置であればよい。たとえば、一つの太陽電池ストリングからの直流電流が流れ、遮断器が設けられた接続線上でもよい。充放電部は、並列箱、接続箱の内部に設けても、外部に設けてもよい。なお、発電部、遮断器、充放電部、接続線、接続箱、並列箱の数についても、特定の数には限定されない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

Ｃ…コンデンサ
ＣＢ、ＣＢ１〜ｎ、ＭＣＢ、ＭＣＢ１〜ｎ…遮断器
ＣＭＢ、ＣＭＢ１〜１０…接続箱
ＣＭＢ−Ｐ１、Ｐ２…並列箱
Ｄ１〜ｎ…逆流防止ダイオード
ＤＳ１〜ｎ…開閉器
Ｌ１、２、４、５…接続線
Ｌ３…信号線
ＡＬ、ＡＬ１〜ｎ…トリップ警報出力接点
ＰＶ１〜ｎ…太陽電池ストリング
ＰＣＳ…パワーコンディショナ
ＲＣ、ＲＣ１〜ｎ…充放電部
ＲＣＲ、ＲＣＲ１、２…放電電流

Claims (6)

1. 複数の太陽電池モジュールを有する発電部と前記発電部からの直流電流の開閉を行う遮断器とを接続する接続線に設けられ、
   前記発電部からの直流電流により充電され、前記接続線の短絡時に、前記遮断器をトリップさせる電流を放電する充放電部を有することを特徴とする短絡検出装置。
2. 前記接続線は、複数の発電部を並列に接続するものであり、
   複数の発電部を並列に接続する接続線ごとに、前記充放電部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の短絡検出装置。
3. 前記遮断器が有するトリップ警報出力接点に接続された信号線を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の短絡検出装置。
4. 請求項１記載の短絡検出装置を備えた太陽光発電システムにおいて、
   前記接続線は、
   前記発電部からの電流を纏めて外部に出力する一つの第１の接続線と、
   複数の前記発電部を互いに並列に接続して、さらに第１の接続線に接続する複数の第２の接続線と、
   を有し、
   前記遮断器及び前記充放電部は、前記第１の接続線に設けられていることを特徴とする太陽光発電システム。
5. 請求項２記載の短絡検出装置を備えた太陽光発電システムにおいて、
   前記接続線は、
   前記発電部からの電流を纏めて外部に出力する一つの第１の接続線と、
   複数の前記発電部を互いに並列に接続して、さらに第１の接続線に接続する複数の第２の接続線と、
   を有し、
   前記遮断器は、前記第１の接続線に設けられた第１の遮断器と、前記第２の接続線にそれぞれ設けられた第２の遮断器と、
   を有し、
   前記充放電部は、前記第２の接続線にそれぞれ設けられていることを特徴とする太陽光発電システム。
6. 前記発電部に接続された第２の接続線には、それぞれ前記発電部側への電流を抑止する逆流防止ダイオードが接続され、
   前記充放電部は、前記逆流防止ダイオードと前記発電部との間に設けられていることを特徴とする請求項５記載の太陽光発電システム。

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