JP2015211606A - 直流発電システムおよび直流発電システムの保護方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク発生に対して保護を高めた直流発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】電流センサの信号のノイズに基づいて直流発電システムに発生するアークを検出するアークノイズ解析部と、アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、電流センサからの信号により各ストリングの出力電流変動を解析し、アークが検出された前後の電流値の変動に基づいて、アークの発生箇所を特定する電流変動解析部と、電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて開閉器の開閉を制御する開閉器制御部を有するアーク検出装置を備えるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流発電システムにおける並列アーク及び直列アークの検出およびアーク発生に対する保護に関する。

再生可能エネルギーの普及に伴い、メガソーラの建設が加速している。１ＭＷ容量のメガソーラではパネル枚数が約5000枚必要となり、広大な土地にパネルを敷き詰めることになる。太陽光発電システムは直流給電で、現在750V以下の低電圧が一般的であるが将来的には1000Vにまで達する可能性もある。さらに、ケーブルの劣化や塩害等により通電不良や接触抵抗が増加し、直流アーク故障事故（直列アーク、並列アーク）の発生確率が高まる。このような事故が発生した際にメガソーラのような巨大システムでは、事故箇所を特定するのは困難である。さらに、直列アークや並列アークが発生した際に流れる電流は遮断器がトリップする電流にまで達しない。このため、アークが発生した場合に、アークが継続しないように、太陽光発電システムの保護方法を確立する必要がある。

太陽光発電システムのアーク故障検出・保護に関しては、例えば特許文献１〜３に開示されている。特許文献１では、負荷に供給される電力と、光起電力パネルによって生成される電力の差分を求め、電力差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。または、負荷のノイズ電圧と光起電力パネルノイズ電圧を測定し、その差分を求め、両ノイズ電圧の差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。光起電力パネルで生成される電力と負荷の電力の差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。しかし、メガソーラのような大規模太陽光発電設備では、逆流防止ダイオードや配線ケーブルの損失やケーブルの劣化などによる電力損失が伴うため電力差だけでアークの発生を判断するのは困難である。

特許文献２では、電力線の端部と帰線にアーク検出器が設置され、過電流保護、アーク故障保護、逆電流保護を可能にしている。しかしながら、アークの検出は逆電流検知による並列アーク判定のみである。

特許文献３においては、電圧電流の変動によってアーク検出を行っているが、定電圧源を用いたときを想定している。太陽光発電システムの電圧電流特性は定電圧源とは異なる特性を有しており、判定方法が異なる。さらに、アーク発生位置やアークモードの判定を行っておらず、アーク故障箇所を特定できない。さらに、複数並列を想定しておらずアークの選択遮断技術が含まれていない。

特開２０１２−１１２９３７号公報 特開２０１１−９１９９５号公報 国際公開ＷＯ２００２／０３９５６１号

直流発電システムとしてのメガソーラは巨大なシステムであるゆえにアーク事故が発生した際に、事故が発生した箇所を特定するのは困難である。さらに、短絡電流が太陽光パネルの電圧電流特性で決まるため、アーク事故が発生しても開閉器は動作しない。故障区間のみを切り離し健全区間で継続運転を実現する必要がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、アーク発生箇所、アークモードを判定することで、アーク発生に対して保護を高めた直流発電システムを提供することを目的とする。

この発明は、複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムにおいて、それぞれのストリングは、出力側に、当該ストリングの出力電流を検出する電流センサと、当該ストリングの直流母線への接続を遮断する開閉器とを備え、電流センサの信号のノイズに基づいて直流発電システムに発生するアークを検出するアークノイズ解析部と、アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、電流センサからの信号により各ストリングの出力の電流変動を解析し、アークが検出された前後の電流変動に基づいて、アークの発生箇所を特定する電流変動解析部と、電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて開閉器の開閉を制御する開閉器制御部を有するアーク検出装置を備えたものである。

この発明によれば、直流発電システム内で発生したアーク故障について、アーク発生箇所、アークモードを特定し、アーク故障区間のみを切り離すことが可能となる。

この発明の実施の形態１による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置の動作を説明するフロー図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの電流および電圧の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリングＡ内で直列アークが発生したときの電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの電流および電圧の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの電流および電圧の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの電流および電圧の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムの別の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのさらに別の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの電流および電圧の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態３による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態４による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。複数個の直流発電モジュール１Ａが直列接続されてストリングＡが形成されており、開閉器２Ａを介して直流母線２０に接続されている。同様に、複数個の直流発電モジュール１Ｂが直列接続されてストリングＢが、複数個の直流発電モジュール１Ｃが直列接続されてストリングＣが形成されており、それぞれ開閉器２Ｂ、２Ｃを介して直流母線２０に接続されている。メガソーラにおいてはこのようなストリングが多数設けられることが多いが、図１ではストリングＡ、ストリングＢ、ストリングＣの３つのストリングのみ図示している。開閉器２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・）の近くに電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が置かれており、電流センサ３の出力を入力してアークを検出するアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）が各回路に取り付けられている。直流母線はさらにパワーコンディショナ４側で合流する。直流発電モジュール１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）で発電された直流電力は、パワーコンディショナ４によって商用周波数の交流電力に変換されて、商用電力網を介して一般家庭や工場などの需要家に供給される。以降、直流発電モジュール１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）として太陽光発電モジュール（太陽光パネルとも称する）１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）を用いる太陽光発電システムを例に説明する。

図２は、本発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置１００の構成を示すブロック図である。入力部１１０は電流信号入力部１１１からなる。入力部１１０は開閉器２の近くに設置されている電流センサ３により検出される電流の信号データをアーク検出装置１００に取り込む。取り込まれたデータはアーク解析部１２０に伝送される。アーク解析部１２０はアークノイズ解析部１２１と電流変動解析部１２２からなる。アークノイズ解析部１２１は、アーク発生時の高周波ノイズを検知し、アーク発生を判定する。アークノイズ解析部１２１においてアーク発生と判定した後に、電流変動解析部１２２においてアーク発生箇所やアークモードを特定する処理を行う。電流変動解析部１２２では、アーク発生箇所が太陽光パネルと電流センサ３の間か、もしくは電流センサ３とパワーコンディショナ４の間かを判定する。さらに、アークのモードが直列アークか並列アークかを判定する。開閉器制御部１３０ではアークが発生した際に、健全な区間の運転を続けるために適切な開閉器２のみをトリップする指令を出す。最後に、出力部１４０の表示部１４１でアーク発生の有無、アーク発生箇所、アークモード、動作した開閉器を表示し、警報部１４２でアーク発生したと判断した際に警報を鳴らす。

図３は、本発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置１００の動作を説明するフロー図である。アーク検出装置１００において入力部１１０から入力される電流信号が更新（ステップＳ１）されると、アークノイズ解析部１２１でアークノイズ解析（ステップＳ２）が実施される。アークノイズ解析の結果、直流発電システム内のアーク発生を判定する（ステップＳ３）。ステップ２およびステップ３をアーク検出ステップと称する。アーク発生有と判定（ステップ４）されると、電流変動解析部１２２においてアーク発生前後の電流が解析される（ステップＳ６）。アーク発生無と判定された場合（ステップＳ５）には最初に戻る。電流変動解析部１２２では、所定期間の電流の信号データが保存されており、アーク発生有と判定された場合、アーク発生前後の電流の変動パターンを解析しアーク発生箇所とアークモードを決定する。アーク発生箇所が電流センサと太陽光パネルの間かどうかを判定（ステップＳ７）する。ステップ６およびステップ７を、アーク発生箇所特定ステップと称する。アーク発生箇所判定後、アークモードが直列アークかどうかを判定する（ステップＳ８、ステップＳ９）。また、アーク発生箇所特定ステップの後、開閉器を制御する開閉器制御ステップにおいて、開閉器を制御する。

直流アークには直列アークと並列アークが存在する。まず、直列アークについて説明する。負荷を受けた電線に不測の破損や切断が発生すると、それにつながっている回路部分の先端間にアークが形成される。直列アークは、太陽光パネルと太陽光パネルの間、太陽光パネルと開閉器の間、開閉器とパワーコンディショナの間、破損した電線の先端間などに発生するアークである。ケーブルの劣化や施工ミス、ねじの緩みなどで発生する。

次に、並列アークについて説明する。並列アークは、極性が異なる２つの導体の間に不測の電流が流れた場合に発生する。これは動物が電線を噛んだ時や電線が劣化した時や、外部の力により電線が損傷した時などに発生し、絶縁体や保護機能の欠落をもたらし、極性が異なる金属部の接触を招くことで、アークが形成される。

図４は直列アーク６Ａが太陽光パネル１Ａと電流センサ３Ａの間で発生したときを示す概略図である。直列アーク６Ａと同様の直列アークは、太陽光パネル１Ｂと電流センサ３Ｂの間、または太陽光パネル１Ｃと電流センサ３Ｃの間の回路上でも起こりえる。ただし、対称性を有しているため、ここでは直列アーク６Ａが太陽光パネル１Ａと電流センサ３Ａで発生したときを例にして説明する。

直列アークや並列アークが発生すると一般に１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の範囲でアークノイズが発生する。アークノイズは1/fの特性を有しており、太陽光発電システム回路全体に微小のノイズを重畳させる。アークが発生していない時のノイズ強度と比較して、特に１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲において明確な違いがあるため、電流に重畳したアークノイズとして、少なくとも１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲の高周波ノイズを検知することで、アーク発生を判定できる。アークノイズの伝播は公知である。パワーコンディショナからのノイズをキャンセリングすることで容易に検知可能である。ただし、アーク発生をアークノイズのみで判定すると複数並列回路においては全てのアーク検出装置がアーク発生ありと判定してしまう。なぜなら、アークノイズが回路全体に伝播するためである。そこで、本特許ではアークノイズだけでなく、電流変動特性を解析することでアーク発生箇所とアークモードを特定可能なアーク判定方法を提案する。

図４の概略図で示す箇所で直列アークが発生した際の電流変動特性を図５に示す。本特許は電流変動のみで解析するが、電流変動はストリング間電圧によって決定されるため、便宜的に電圧電流特性曲線で電流変動を説明する。太陽光発電の電圧電流特性は日射強度により異なる。日射強度が大きいほど最大動作出力電流Ｉｐｍが増加し、日射強度が小さいほど最大動作出力電流Ｉｐｍは小さくなる。また、日射強度に依らず最大動作出力電圧Ｖｐｍは大きく変化しない。パワーコンディショナ４の制御によって常に最大電力となる動作点１１を継続する。そのため、最大動作出力電圧Ｖｐｍおよび最大動作出力電流Ｉｐｍの出力が通常時の動作点である。また、各ストリングにおいて、ストリング自身が正常なとき、負荷が開放の場合の出力電圧Ｖｏｃと負荷が短絡の場合の出力電流Ｉｓｃが決まり、負荷の状態に応じて動作点は、電圧電流特性曲線１０上となる。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）に、図４に示すストリングＡの箇所で直列アークが発生した前後における、ストリングＡの電流センサ３Ａ、およびストリングＢの電流センサ３Ｂで測定される電流信号を示す。図６（Ａ）は直流成分の電流信号である。ストリングＡの高電圧部で直列アーク６Ａが発生したときの直流電流成分による解析を考えると、図６（Ａ）に示すように、ストリングＡの電流センサ３Ａが観測する電流は低下し、その他の電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）が観測する電流は増加する。アークの発生により数μｓ〜数十μｓで電流が変動するため、アーク発生前後の電流変動は１ｍｓ以下と早く、天候やパワーコンディショナによる動作点の変動と比べると極めて速い。電流の低下量はアーク電圧と太陽光発電の電圧電流特性によって決まり、直列アーク６Ａが発生した際には、アーク発生により回路インピーダンスが増加し、ストリングＡを流れる電流は低下する。一方、直列アークが発生していないストリングＢ、Ｃの電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）の電流は増加する。

以下のように、電流の交流成分によりアークのモードおよび発生箇所を特定することもできる。アーク発生直後には電流が大きく変動するため、電流変動成分、すなわち交流成分を計測することでアークのモードおよび発生箇所を特定することができる。交流成分を観測可能なセンサは電源不要でコストも低いため、小サイズ・低コストなアーク検出器を実現できる。電流センサ３が交流電流センサの場合、交流成分のみが抽出されるため、アーク発生直後の電流変動特性によりアークのモードおよび発生箇所を解析することになる。図６（Ｂ）に示すように、アーク発生直後、ストリングＡの電流センサ３Ａが観測する電流の交流成分は負の位相となり、その他の電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）が観測する電流の交流成分は正の位相となる。この電流変動は、１秒以下でしか反応せず、アーク継続中は、電流変動がないため、アークが発生しているのにもかかわらず、アーク発生に関連した交流成分は０となる。そのため、アーク発生直後の電流変動に着目する必要がある。なお、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示す電流信号の細かい振動は、パワーコンディショナ４のスイッチングによる振動であり、直列アーク６Ａの発生とは直接関係ない。

次に、図７に示すように、パワーコンディショナ近くの直流母線で直列アーク６Ｂが発生したときを説明する。このとき、図８に示すように、各ストリングの出力電流は低下し、出力電圧は上昇する。よって、電流センサ３Ａが観測する電流の直流成分は低下する。直列アーク６Ａが発生した際と同様に、アーク発生により回路インピーダンスが増加し、ストリングＡを流れる電流は低下する。また、ストリングＢ、Ｃも同様に、電流の直流成分は低下する。このとき、ストリングＡ、Ｂ、Ｃの電流変動は回路の対称性から一致する。

電流センサ３が交流電流センサのとき、ストリングＡの電流センサ３Ａが観測する電流の交流成分は負の位相となり、その他の電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）が観測する電流の交流成分も負の位相となる。アーク発生後、交流電流センサで観測される電流変動は、１秒以下でしか反応せず、アーク発生継続中は、電流変動がないため、アークが発生しているのにもかかわらず電流変動は発生しない。そのため、アーク発生直後の電流変動に着目する必要がある。

次に、並列アークについて説明する。図９の概略図で示す箇所で並列アーク７Ａが発生した際の直流電流変動特性を考える。太陽光パネル１Ａと開閉器２Ａの間で並列アークが発生すると、図１０の電圧電流特性に示すように、ストリングＡの動作点は動作点１５となって、他ストリングから逆流するため、ストリングＡの電流センサ３Ａは過大な逆方向電流を観測する。一方、他ストリングでは動作点１６となり、電流センサ３Ｂ、３Ｃは短絡電流値と同等の電流値を観測する。このとき、電流センサ３Ｂ、３Ｃにおける電流値は、並列アーク電圧（１０Ｖ〜４０Ｖ）と太陽光発電特性曲線で決まる電流値となる。

次に、図９の概略図で示す箇所で並列アーク７Ａが発生した際の電流の交流成分特性を考える。電流センサ３を交流電流センサとした場合、交流成分のみが抽出されるためアーク発生直後の電流変動特性が重要となる。このとき、ストリングＡでは、電流が著しく低下するため、電流センサ３Ａは負位相の大きな交流電流を観測し、その他の電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）は短絡電流分増加した正の位相の交流電流を観測する。ストリングＡで観測される交流電流は、直列アーク６Ａ、６Ｂが発生した時と比較して、負位相の大きな電流となる。アーク発生後、交流電流センサで観測される電流変動は、１秒以下でしか反応せず、アーク発生継続中は、電流変動がないため、アークが発生しているのにもかかわらず電流変動は発生しない。そのため、アーク発生直後の電流変動に着目する必要がある。

次に、図１１の概略図で示す箇所で並列アーク７Ｂが発生した際の直流電流変動特性について説明する。パワーコンディショナ近くの直列給電母線で並列アーク７Ｂが発生すると、電流センサ（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、・・・）は、図１２に示す太陽光発電特性曲線１０の動作点１９、すなわち電圧１０Ｖ〜４０Ｖ（並列アーク電圧）で決まる電流、短絡電流に近い電流値を観測する。このとき、ストリングＡ、Ｂ、Ｃの電流変動は回路の対称性から一致する。

図１１の概略図で示す箇所で並列アーク７Ａが発生した際の電流の交流成分特性を考える。電流センサ３を交流電流センサとした場合、交流成分のみが抽出されるためアーク発生直後の電流変動特性が重要となる。このとき、ストリングＡでは電流は増加するため、電流センサ３Ａは正の位相の交流電流を観測する。その他の電流センサ（３Ｂ、３Ｃ、・・・）が観測する電流も短絡電流分増加するため、正の位相の交流電流となる。この電流変動は、１秒以下でしか反応せず、アーク発生継続中は、電流変動がないため、アークが発生しているのにもかかわらず電流変動は発生しない。そのため、アーク発生直後の電流変動に着目する必要がある。

開閉器制御部１３０の動作、すなわち開閉器制御ステップの動作については、アーク発生箇所を判定した上で決定する。図４の直列アーク６Ａが発生した際には、直流電流成分が低下したストリングＡのアーク検出装置１００Ａが電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。電流センサ３が交流電流センサの場合も同様に、負位相の交流電流が観測されたストリングＡのアーク検出装置１００Ａが電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。

これによって太陽光発電から流れる電流が止まり直列アークを消弧できる。開閉器２Ａがトリップされると、ストリングＢおよびストリングＣの動作点は動作点１３から動作点１１に戻るため電流値が元に戻り、直流発電システムはストリングＢとストリングＣとで動作を継続できる。

図７の直列アーク６Ｂが発生した際には、直流電流成分が低下したストリングＡ、ストリングＢ、ストリングＣのアーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。これによって太陽光発電から流れる電流が止まり直列アークを消弧できる。

電流センサ３が交流電流センサの場合も同様に、負位相の交流電流を観測したストリングＡ、ストリングＢ、ストリングＣのアーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。これによって太陽光発電から流れる電流が止まり直列アークを消弧できる。

図９の並列アーク７Ａが発生した際には、直流電流成分が極めて低下し、逆電流が流れたストリングＡのアーク検出装置１００Ａが電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。交流成分を観測する場合も同様に、負位相の大きな電流値の交流電流を観測したストリングＡのアーク検出装置１００Ａが電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。直列アーク６Ａ、６Ｂの交流電流値と比較すると１Ａ以上大きな負位相の交流電流が観測されるため、直列アーク６Ａ、６Ｂの電流変動と区別可能である。そのため、電流閾値を設定することで直列アーク６Ａ、６Ｂと並列アーク７Ａを区別できる。

図１１の並列アーク７Ｂが発生した際には、直流電流成分変動が一定時間継続したときにセンサの信号が入力されたアーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。交流成分を観測する場合は、並列アーク７Ｂが発生すると直流母線のストリング間電圧がアーク電圧程度（２０Ｖ〜３０Ｖ）となり、パワーコンディショナが停止する。そのため、全ての電流が０となるため、そのとき観測される負位相の交流電流値によりアーク発生を特定し、アーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。

以上のように、アークノイズ解析部１２１においてアークが発生したと判断されたとき、それぞれのストリングのアーク検出装置１００の電流変動解析部１２２においてアーク発生前後の電流変動を解析し、アーク発生後の電流動作から、自己のストリングにおいてアークが発生したと判断して自己の開閉器２をトリップする。同様にアーク発生後の電流動作から、自己のストリングより外でアークが発生したと判断し、自己の開閉器２をトリップする。

図４や図９で示したようにストリングＡ内でアークが発生した場合は、まずストリングＡの開閉器２Ａがトリップされ、ストリングＢやストリングＣの動作点は動作点１１に戻り、電流も同様に戻るため、開閉器２Ｂや開閉器２Ｃをトリップせずに済む。また、図７で示したようにストリング外で直列アークが発生した場合は、図８に示す、正常動作の電流特性曲線上の動作点１４の電流値が継続するため、所定時間これらの動作点が継続する場合は全ての開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップすることになり、直流発電システムが保護される。また、図１１で示したようにストリング外で並列アークが発生した場合は、パワーコンディショナ４が停止し、全ての電流センサ（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、・・・）が０となり、それに伴い開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップし、直流発電システムが保護される。

なお、本特許は図１３のように電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が開閉器と太陽光パネルの間に設置されている場合も同様の保護方法でアークを検出することができる。なぜならば、開閉器が閉じている間の電流変動は同じであるからである。

さらに、本特許は図１４のようにアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）と電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が一体型であった場合にも同様のアーク解析でアーク保護を実現可能とする。電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）から出力される電流をアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）に伝送可能であれば設置場所の限定はない。

実施の形態２．
本特許は図１５の逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）が備え付けられた太陽光発電システムへの適用も含む。逆流防止ダイオード５は、太陽光パネル１からパワーコンディショナ４へ流れるケーブル、すなわち正極側のケーブルに対して電流が流れる向きに設置される場合と、パワーコンディショナ４から太陽光パネル１側へ流れるケーブル、すなわち負極側のケーブルに対して電流が流れる向きに設置される場合がある。以下では、正極側のケーブルに逆流防止ダイオード５が設置されている場合を例にして説明する。

図１６の概略図で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）がある場合で、電流センサ３Ａと太陽光パネル１Ａ間で直列アークが発生した際の電流変動特性は図５と同じである。太陽光パネル１Ａと電流センサ３Ａの間で直列アーク６Ａが発生すると、電流センサ３Ａの電流は低下しアーク発生後の動作点１２の電流値となる。そのため、直流電流成分、交流電流成分ともに逆流防止ダイオードがない場合と同様の電流変動特性となる。

図１７の概略図で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）がある場合で、複数ストリングが接続された直流母線とパワーコンディショナ４の間で直列アーク６Ｂが発生した際の電流変動特性は図８と同じである。この場合、それぞれのストリングの電流センサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの電流は低下する。このとき、それぞれのストリングにおいて、アーク発生後の動作点１４の電流値となる。そのため、直流電流成分、交流電流成分ともに逆流防止ダイオードがない場合と同様の電流変動特性となる。

図１８の概略図で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・・）がある場合で、ストリングＡにおいて並列アーク７Ａが発生した際の電圧電流変動特性を図１９で示す。逆流防止ダイオードが接続された太陽光発電システム内の太陽光パネル１Ａと電流センサ３Ａの間で並列アーク７Ａが発生したときの直流電流成分を考える。電流センサ３Ａの電流は０となる。ストリングＢ、Ｃの電流は、ストリングＡの電流が０となった分を補ってパワーコンディショナ４に電力を供給しようとするため、電流値が増加し、動作点１８の電流値となる。交流電流成分の場合は、電流センサ３Ａは電流が大きく低下した変動分の交流成分を観測し、ストリングＢ、Ｃの電流センサ３Ｂ、３Ｃは電流の増加に対応した交流電流を観測する。

図２０の概略図で示すように、逆流防止ダイオードがある場合で、並列アーク７Ｂが発生した際の電流変動特性は図１２と同じである。電流センサ３Ａの電流は増加しアーク発生後の動作点１９となる。動作点１９の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）となり、太陽光発電の電圧電流特性曲線１０から電流は短絡電流Iscに近い値となる。ストリングＢやストリングＣのアーク発生後の電流値はストリングＡの動作点１９の電流値と一致する。

開閉器制御部１３０の動作については、図１６、図１７、図２０の場合には図４、図７、図１１の場合の開閉器動作指令と同じである。図１８で示すように並列アークが発生した際には、電流低下量に閾値を設定することで、並列アーク７Ａが発生したストリングをアーク検出装置１００Ａが特定し、電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。

実施の形態３．
図２１は本発明の実施の形態３による直流発電システムの構成を示す概略回路図である。実施の形態１および実施の形態２では、それぞれのストリングに備えられたアーク検出装置１００が自己のストリングの開閉器２をトリップするかどうかを判断するようにした。本実施の形態３では、それぞれのストリングに備えられた電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、・・・）から送られてきたデータを一つのアーク検出装置２００で解析処理し、アーク発生箇所判定、アークモード判定、適切な開閉器動作指令を出力するよう構成されている。

例えば、ストリングＡの太陽光パネル１Ａと電流センサ３Ａの間で並列アーク７Ａが発生すると、ストリングＡの電流センサ３Ａにおける電流値は図１０に示す動作点１５の電流値となり、ストリングＢの電流センサ３Ｂ、およびストリングＣの電流センサ３Ｃにおける電流値は図１０に示す動作点１６の電流値になる。また、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生すると、各ストリングの電流センサ３における電流値は図１２に示す動作点１９の電流値になる。ここで、図１０に示す動作点１６の電流値と図１２に示す動作点１９の電流値はほとんど同じ電流値である。実施の形態１や実施の形態２の構成では、それぞれのストリングで単独にアーク発生を判断するため、ストリングＢやストリングＣでは、並列アークがストリングＡで発生したか直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で発生したかを判断するのは難しい。このため、実施の形態１では、自己のストリング外でアークが発生したと判断した場合は、所定時間動作点が継続する場合に自己のストリングを切り離すよう開閉器をトリップさせることとした。

本実施の形態３では、図２１に示すように、アーク検出装置２００が全てのストリングの電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、・・・）からの信号を入力して、総合的に判断することにより、アーク発生箇所を適切に判断できる。すなわち、図１０で示すように、ストリングＡにおける電流値が動作点１５の電流値となり、他のストリングにおける電流値が動作点１６の電流値となった場合は、ストリングＡにおいて並列アーク７Ａが発生したと判断でき、この場合は開閉器２Ａのみをトリップさせる。一方、図１２で示すように、全てのストリングの電流値が動作点１９の電流値となった場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生したと判断でき、直ちに、全てのストリングの開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップさせる。

以上のように、それぞれのストリングに備えられた電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・・）の信号を一つのアーク検出装置２００において解析することにより、アーク発生箇所をより適切に判断でき、それぞれの開閉器に対してより適切な指令を送ることができる。特に、ストリング外でアークが発生した場合に、実施の形態１のように、異常な電流値が所定時間継続するのを待つことなく、直ちに全てのストリングを切り離せるというメリットがある。

実施の形態４．
図２２は、本発明の実施の形態４による直流発電システムの構成を示す概略回路図である。実施の形態４では、それぞれのストリングに備えられたアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、・・・）が、自己のストリングでアークが発生したかどうかを判断し、判断結果をアーク発生箇所特定装置２０１に送信する。アーク発生箇所特定装置２０１では、全てのアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、・・・）からの信号を入力して総合的に判断することにより、アーク発生箇所を特定する。

アーク発生箇所特定装置２０１は、全てのストリングのアーク検出装置１００から、それぞれ自己のストリング外で並列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生したと判断し、全てのストリングの開閉器２（２Ａ、２Ｂ、・・・）をトリップするように全てのアーク検出装置１００に指令を送信する。全てのストリングのアーク検出装置１００から、それぞれ自己のストリング外で直列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で直列アークが発生したと判断し、全てのストリングの開閉器２（２Ａ、２Ｂ、・・・）をトリップするように全てのアーク検出装置１００に指令を送信する。

一方、アーク発生箇所特定装置２０１は、ある一つのストリングのアーク検出装置、例えばストリングＡのアーク検出装置１００Ａから自己のストリングで並列アークが発生したとの判断結果が入力され、他のストリングのアーク検出装置からは自己のストリング外で並列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、ストリングＡ以外の開閉器はトリップさせないとの指令を、ストリングＡ以外のアーク検出装置または開閉器に送信する。直列アークの場合も同様である。

以上において、自己のストリングでアークが発生したと判断したアーク検出装置は、自己の開閉器を直ちにトリップする。一方、自己のストリング外でアークが発生したと判断したアーク検出装置は、アーク発生箇所特定装置２０１からの信号を待って自己の開閉器をトリップする。

本実施の形態４による直流発電システムによれば、ストリング外でアークが発生した場合に、実施の形態１のように、異常な電流値が所定時間継続するのを待つのではなく、アーク発生箇所特定装置２０１かアーク発生箇所を特定するため、より適切なアーク発生箇所の特定を行える。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 太陽光パネル、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 開閉器、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 電流センサ、４ パワーコンディショナ、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ ダイオード、６Ａ、６Ｂ 直列アーク、７Ａ、７Ｂ 並列アーク、１００ アーク検出装置、１１０ 入力部、１２０ アーク解析部、１２１ アークノイズ解析部、１２２ 電流変動解析部、１３０ 開閉器制御部、１４０ 出力部、１４１ 表示部、１４２ 警報部

Claims (15)

1. 複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムにおいて、
   それぞれのストリングは、出力側に、当該ストリングの出力電流を検出する電流センサと、当該ストリングの前記直流母線への接続を遮断する開閉器とを備え、
   前記電流センサの信号のノイズに基づいて前記直流発電システムに発生するアークを検出するアークノイズ解析部と、前記アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、前記電流センサからの信号により各ストリングの出力の電流変動を解析し、前記アークが検出された前後の前記電流変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定する電流変動解析部と、前記電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御部を有するアーク検出装置を備えたことを特徴とする直流発電システム。
2. 前記アークノイズ解析部は、少なくとも１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲の高周波ノイズに基づいてアークを検出することを特徴とする請求項１に記載の直流発電システム。
3. 前記電流センサは、直流電流成分を検出する電流センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
4. 前記電流センサは交流電流成分を検出する電流センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
5. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングにそれぞれ備えられ、それぞれのアーク検出装置は、自己の電流変動解析部において、前記アークが検出された前後の電流値の変動に基づいて、自己のストリングにおいてアークが発生したかどうかを特定し、自己のストリングにおいてアークが発生したことを特定した場合、自己のストリングに備えられた開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流発電システム。
6. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングにそれぞれ備えられ、それぞれのアーク検出装置は、自己の電流変動解析部において、前記アークが検出された前後の電流値の変動に基づいて、自己のストリングにおいてアークが発生したかどうかを特定し、自己のストリング外においてアークが発生したことを特定した場合、前記アークが検出された後の電流値が所定時間継続する場合、自己のストリングに備えられた開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流発電システム。
7. 前記各ストリングに備えられた各アーク検出装置から、自己のストリング外でアークが発生したかどうかの判断結果を受信するアーク発生箇所特定装置を備え、このアーク発生箇所特定装置は、全てのアーク検出装置から自己のストリング外でアークが発生したとの判断結果を受信した場合、前記各ストリングに備えられた各開閉器をトリップする指令を前記各アーク検出装置または前記各開閉器に出力することを特徴とする請求項６に記載の直流発電システム。
8. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングに備えられたそれぞれの電流センサからの信号を受信するように構成され、前記アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、前記電流変動解析部において前記それぞれの電流センサからの信号により各ストリングの電流変動を解析し、前記各ストリングの電流値の、前記アークが検出された前後の変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定し、前記開閉器制御部は、前記電流変動解析
   部におけるアーク特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流発電システム。
9. 前記電流変動解析部は、前記アークが検出された前後の電流値の変動に基づいて、発生したアークが直列アークか並列アークかを判定することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の直流発電システム。
10. 前記各ストリングは逆流防止ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の直流発電システム。
11. 複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、それぞれ開閉器を介して直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムの保護方法であって、
    前記ストリングに発生するノイズに基づいて前記直流発電システムに発生するアークを検出するアーク検出ステップと、
    前記アークが検出された場合に、前記複数のストリングの各ストリングの出力の電流変動を解析し、前記アークが検出された前後の前記電流変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定するアーク発生箇所特定ステップと、
    このアークの発生箇所の特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御ステップと
    を含むことを特徴とする直流発電システムの保護方法。
12. 前記アーク発生箇所特定ステップにおいて、前記アークが検出された後の電流値が低下する変動を観測した場合、当該ストリングにおいてアークが発生したと特定し、
    前記開閉器制御ステップにおいて、アークが発生したと特定したストリングの前記開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１１に記載の直流発電システムの保護方法。
13. 前記アーク発生箇所特定ステップにおいて、全てのストリングについて、前記アークが検出された後の電流値が低下する変動を観測した場合、前記全てのストリング外においてアークが発生したと特定し、
    前記開閉器制御ステップにおいて、前記全てのストリングの前記開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１１に記載の直流発電システムの保護方法。
14. 前記アークが検出された前後の電流値の変動に基づいて、発生したアークが直列アークか並列アークかを判定する、アークモード判定ステップを含むことを特徴とする請求項１１から１３のいずれか１項に記載の直流発電システムの保護方法。
15. 前記各ストリングは逆流防止ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項に記載の直流発電システムの保護方法。

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