JP2016034226A - 直流電源監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 太陽光発電用直流電力監視システムにおいて、電源配線を削減するための電池内蔵化が小型化および低コスト化の促進を妨げている。本発明は、これを解決し、低コストで、小型の直流電力監視システムを可能にする。【解決手段】 第一の直流電源装置のプラス側電源端子およびマイナス側電源端子に接続される第一のプラス接続端子およびマイナス接続端子、第二の直流電源装置のマイナス側電源端子に接続される第二のプラス接続端子を備え、第一の直流電源装置に接続される第一のプラス接続端子および前記第一のマイナス接続端子から電源が供給されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、直流システムに使用される電流・電圧監視装置に関する。

ＣＯ２削減を目的に、太陽光発電設備の新設導入が急増している。しかし太陽光発電では、稼働時間が不安定という本質的な課題に加え、太陽光パネルの製造品質にバラツキが大きく、その安定で高効率な稼動システムや安価なメンテナンス体制の確立が、発電事業運営上の大きな課題として注目されている。そのためシステム動作の監視・制御や故障診断のために、低コストで信頼性の高い太陽電池監視システムへのニーズが高まっている。

現在の太陽光発電監視システムでは、モジュールからの引き出される多数の各給電線（ストリング）に直流電流センサを取り付け、直流出力電流を計測しその計測電力データを、ＡＤコンバータや情報処理装置（マイコン）で処理した後、その測定データを発電監視サーバに送信し、システム全体の発電情報と併せて判断して、発電パネルの故障個所を特定している。
このため直流電流センサを設置する際の、電源配線や通信配線等の設置コスト負担が大きい。通信配線は、電力線通信や無線通信を採用することで、配線が不要になるが、電源配線は、太陽電池のような直流電力給電システムでは、非接触給電は難しく、時間と労力をかけて電源配線を行っているのが現状である。また、電源配線をしない手段の一つとして、電池を内蔵するという手段もあるが、電池の寿命が問題となり、電池交換する場合多大な時間と労力が必要となる。特にメガソーラと呼ばれる巨大な太陽光発電設備では、それが顕著である。これ等のコスト負担が、その普及を妨げる最大の要因になっている。

また、昨今は太陽光発電設備やリチウムイオン電池などの蓄電装置が普及してきたことで、サーバや家電などへの直流給電が進んでいくと思われる。今後これらの直流システムにおける電力監視が必要となってくるが、前記問題と同様の問題が発生することは明白である。

この技術課題の解決のため、太陽光発電モジュールから電源を供給することで電源配線を不要にするという技術が周知である。
例えば、特許文献１には、太陽電池モジュールケーシング内に監視装置を備え、監視装置の電源を太陽電池モジュールから供給するという監視システムが示されている。これにより電源配線が不要となり、電源配線の労力とコストを削減できる。

また、非接触給電装置で電力線から電源を供給することで、電源配線を不要にするという技術が周知である。
例えば、特許文献２には、非接触給電装置を備え、電力線から非接触給電装置で電力を供給する監視システムが示されている。これにより、電源配線が不要になり、電源配線の労力とコストを削減できる。

また電池を備え、その電池から電源を供給することで電源配線を不要にするという技術が周知である。
例えば、特許文献３には、電池を備え、装置の電源をこの電池から供給するという電流計測システムが示されている。電池を備えることで、電源配線が不要となり、電源配線の労力とコストを削減できる。

特開２０１２−１１９６３２号公報 特開２０１１−１５１９７９号公報 特開２０１０−２３０６７０号公報

特許文献１の技術は、電源供給を太陽電池モジュールから行うため、電源配線は不要となるが、予め太陽電池モジュール内に監視装置を備えていなくてはならず、既存の太陽電池システムに取り付けることはできない。既に設置されている太陽電池システムも多く、それらに装着することは不可能である。

特許文献２の技術は、被計測電力線から非接触給電装置を使って、電力供給を行うことで電源配線が不要になるというシステムであるが、交流電力の場合は比較的容易に実現できるが、直流電力の場合は困難であるため、太陽光発電などの直流システムでは実現が不可能である。

特許文献３の技術は、電池を備えることで電源配線が不要となるが、一次電池の場合は、その電池の寿命が問題となり、電池交換する場合は、その交換の手間とコストが多大なものになってしまうという問題がある。二次電池の場合は、充電する必要があり、その手間とコストは同様に多大なものになってしまうという問題がある。

本発明の直流電源監視装置は、その装置の電源配線を不要にするため、電力計測装置、および被監視直流電源装置から引き出されるプラス側電源端子とマイナス側電源端子に接続される第一のプラス側電源接続端子とマイナス側電源接続端子、および前記被監視直流電源装置に接続される直流装置のマイナス側電源端子に接続される第二のプラス側電源接続端子を備え、本発明の直流電源監視装置の電源が前記第一のプラス側電源接続端子と前記のマイナス側電源接続端子から供給されることを特徴とする。

また、本発明の直流電源監視装置は、前記被監視直流電源装置が故障等により正常に電源供給が行われなくなった場合、一時的に電源を供給する蓄電装置、および前記蓄電装置から前記被監視直流電源装置への電流の逆流を防止する逆流防止装置を備えることを特徴とする。

また、本発明の直流電源監視装置は、前記電力計測装置、前記第一のプラス側電源接続端子、前記マイナス側電源接続端子、前記第二のプラス側電源接続端子、前記蓄電装置、前記逆流防止装置を同一単体のパーケージに封入したことを特徴とする。

また、本発明の直流電源監視装置は、前記電力計測装置、前記第一のプラス側電源接続端子、前記マイナス側電源接続端子、前記第二のプラス側電源接続端子、前記蓄電装置、前記逆流防止装置を複数備え、且つこれらを同一単体のパーケージに封入したことを特徴とする。

本発明の直流電源監視装置は、電力計測装置、および被監視直流電源装置から引き出されるプラス側電源端子とマイナス側電源端子に接続される第一のプラス側電源接続端子とマイナス側電源接続端子、前記被監視直流電源装置に接続される次段の直流電源装置のマイナス側電源端子に接続される第二のプラス側電源接続端子を備え、この直流電源監視装置の電源が前記第一のプラス側電源接続端子と前記第一のマイナス側電源接続端子から供給されるため、電源配線が不要で、電池内蔵の必要もない。

また、前記被監視直流電源装置が故障等により正常に電源供給が行われなくなった場合でも、一時的に電源を供給する蓄電装置を備えているため、安定した動作が可能となる。また前記蓄電装置から前記被監視直流電源装置への電流の逆流を防止する逆流防止装置を備えているため、直流電源装置への電流逆流も起こらない。

また、前記電力計測装置、前記第一のプラス側電源接続端子、前記マイナス側電源接続端子、記第二のプラス側電源接続端子、前記蓄電装置、前記逆流防止装置を同一単体のパーケージに封入したため、小型化を実現でき、且つ既存設備への取り付けが容易となる。

以上より、本発明は、特に太陽光発電等の直流電力システムで問題となる、電源配線が不要となり、配線設置コストや調整・保守コストの削減が可能で、また電池内蔵の必要もなくなり、小型化や低コスト化が推進できる。

本発明の直流電源監視装置の太陽光発電装置における接続を示すブロック図である。 本発明の実施例に係る直流電源監視装置のブロック図である。 同直流電源監視装置の一部を構成する電力計測装置のブロック図である。

構成

本発明の直流電源監視装置１００の構成について、実施例で説明する。
図１は、太陽光発電装置における本発明の直流電源監視装置１００の接続図を示している。直流電源監視装置１００の第一のプラス接続端子５０、マイナス接続端子６０が、第一の直流電源装置２００から引き出されるプラス側電源端子２５０、およびマイナス側電源端子２６０の夫々接続され、直流電源監視装置１００の第二のプラス側電源接続端子７０、第二の直流電源装置３００のマイナス側電源端子３８０に夫々接続される。つまり、直列接続される第一の直流電源装置２００と第二の直流電源装置３００の間に直流電源監視装置１００が接続されている。

太陽光発電装置の場合、前記直流電源装置２００および３００は太陽光モジュールに相当する。このように太陽光モジュールが直列接続されたものをストリングと呼んでいる。この直流電源監視装置１００は、太陽光モジュール間に直列接続されていることになる。
次に直流電源監視装置１００の内部構成について図２を用いて説明する。第一の直流電源装置２００のプラス側電源端子２５０に接続される第一のプラス接続端子５０に逆流防止装置１０を介して、電力計測装置３０、および蓄電装置２０が接続される。

次に直流電源監視装置１００を構成する電力計測装置３０について、実施例で説明する。図３に示すように、電力計測装置３０は、レギュレータ３１、電流センサ３２、電圧センサ３３、ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔｅｎｄ）回路３４、マイクロコンピュータ３５、通信ユニット３６で構成されている。レギュレータ３１は、第二のプラス側電源接続端子７０から電源供給され、電流センサ３２、電圧センサ３４、ＡＦＥ回路３４、マイクロコンピュータ３５、通信ユニット３６に安定化した最適電圧を供給している。

レギュレータ３１は、一般的なレギュレータと同様に安定した電圧を生成する電源回路、および蓄電装置を備え最大の効率になるようにマネジメントする電源マネジメント回路で構成されている。
電流センサ３２は、一般に知られているようにホール素子などの電流検出装置で構成されており、外来ノイズの影響を考えて、スペクトル拡散変調方式やロックインアンプ方式などを用いて、耐ノイズ特性向上を図っている。
電圧センサ３３は、一般に知られている方式、例えば第一のプラス電源接続端子５０と第一のマイナス電源接続端子間の電圧を、差動アンプなどを用いて電圧をモニタする。
電流センサ３２および電圧センサ３３の出力は、ＡＦＥ回路３５に入力される。
ＡＦＥ回路３４は、一般に知られているように、増幅器、フィルタ、アナログ／デジタル変換器で構成されている。

通信ユニット３６は、送受信を行うＲＦフロントエンド回路、およびアンテナで構成されており、外来ノイズの影響を受けにくいようにスペクトル拡散変調方式などを用いて通信の耐ノイズ特性を向上させている。スペクトル拡散処理は、昨今マイクロコンピュータ３５で行っている場合が多い。
マイクロコンピュータ３５は、一般に知られているものと同様に、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、各種インターフェース、アナログ／デジタル変換器、デジタル／アナログ変換器などを備えている。各種の信号処理、構成ブロックのオフセット調整や回路定数調整、電力計測装置３０全体のコントロールを一元で行う。

前記レギュレータ３１、電流センサ３２、電圧センサ３３、ＡＦＥ回路３４、マイクロコンピュータ３５、通信ユニット３６で構成されている電力計測装置３０は、同一単体の半導体チップに集積されている。
また、逆流防止装置および蓄電装置波は、太陽光発電監視装置で一般的な高耐圧のダイオードおよびコンデンサで夫々構成される。
また、前記逆流防止装置１０、蓄電装置２０、電力計測装置３０が、同一単体のパッケージで封入されている。

動作

次に本発明の直流電源監視装置１００の動作について説明する。
太陽光発電装置では、図１における直流電源装置２００、および直流装置３００はそれぞれ１つの太陽光モジュールに相当する。直流電源装置２００、つまり１段目の太陽光モジュールと、直流電源装置３００、つまり２段目の太陽光モジュールとは直列接続されており、本発明の直流電源監視装置１００は、その直列接続されている太陽光モジュールの間に接続されている。この場合の被監視直流電源装置は、直流電源装置２００である。なお、太陽光モジュールの直列接続数は求める発電量に応じて任意であり、直流電源監視装置も必要に応じて、設置することが可能である。

図２を用いて、直流電源監視装置１００の動作を説明する。直流電電源監視装置１００を構成する電力計測装置３０の電源は、直流電源装置２００のプラス側電源端子２５０に接続されている直流電源監視装置１００のプラス接続端子から逆流防止装置１０を介して供給され、一連の役割に応じた動作を行うことができる。また、直流電源監視装置１００には、逆流防止装置１０を介して蓄電装置を備えており、直流電源装置２００が正常に動作している時に蓄電を行い、正常動作しなくなった時にその蓄電された電力を補助的に使って一連の動作を継続することができる。例えば、直流電源装置２００、つまり太陽光モジュールの１つが故障や陰になって電力が低下した時などには、蓄電装置２０から電源を供給することで電力計測装置３０を動作させ、直流電源装置２００、つまり太陽光モジュールの１つが動作異常であることを検出することが可能となる。

次に、直流電源監視装置１００を構成する電力計測装置３０の動作について図２を用いて説明する。
レギュレータ３１は、逆流防止装置１０を介して、直流電源装置２００から電源が供給され、一般的なレギュレータと同様に、電源回路で電圧を安定化し、且つ適切な電圧に調整した後、電力計測装置３０を構成する各機能ブロックに電源を供給する。また、蓄電装置、および電源マネジメント回路で電力変換が最大の効率になるようにマネジメントするようになっている。

電流センサ３２は、電流を非接触で磁気に変換する磁気検出装置、例えば被測定電流の流れる電力線をリング状の磁性体で囲んで磁気を発生させる磁気検出装置で電流を磁気に変換し、この磁気をホール素子で電圧に変換することで電流測定を行う。
この時、一般に知られているように、スペクトル拡散変調やロックインアンプなどを使うことで妨害ノイズに対する耐性を向上することができる。

電圧センサ３３は、一般的に使われているオペアンプ構成のもので十分である。ＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔｅｎｄ）回路は、前記電流センサ３２および電圧センサ３３が検出した電流および電圧を、増幅し、不要なノイズを削除し、信号波形を整えた後、デジタル信号に変換して、マイクロコンピュータ３４に伝達する。なお、アナログ回路のオフセットや性能は、マイクロコンピュータ３５からのデジタルアシスト技術で調整を行うことで特性を満足できる。

通信ユニット３６は、アンテナを介してＲＦフロントエンド回路で送信および受信を行う。通常電力計測の場合、比較的小容量データ、つまりデータ転送レートは数十ｂｐｓ程度で充分であるが、高ノイズという厳しい環境下で確実にデータが転送されることが必須であるため、通信方式としては、スペクトル拡散通信方式のＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ）を使うことが多い。送信時は、マイクロコンピュータ３５から入力される信号をデジタル／アナログ変換して、直行変調、電力増幅した後、アンテナから送信する。受信時は、アンテナで受信した信号の内、希望する信号だけを取り出し、それを直行復調、増幅して、アナログ／デジタル変換した後、マイクロコンピュータ３５に入力する。送信回路だけでなく、受信回路も備えることで、外部サーバなどからこの電流計測装置３０に対して測定条件や必要なデータの要求を出すこともできる。

マイクロコンピュータ３５は、ＡＦＥ回路からの情報をＣＰＵで演算処理して希望のデータ、例えば電流値や電力値等に集約する。この時、予め決められた所定の測定条件での演算処理だけでなく、前記通信ユニット３６を介してサーバなどから送信されてくるダイナミックな要求に応じたデータの演算処理も行う。
また、前述した電流センサや通信ユニットのスペクトル拡散変復調の一連の処理や制御などを行う。
また、電流センサで問題となるホール素子のオフセット調整や各ブロックの特性を最適化するための回路定数調整も行う。
また、電流計測装置３０全体のコントロール、および構成ブロック毎のコントロールを一元で行う。これにより、常に最適で安定で最適な動作状態に保つことができる。

また、一般に太陽光発電装置は、前述のストリングを並列に接続したアレイが複数並列接続されて、太陽光発電装置が構成される。メガソーラと呼ばれる大規模な太陽光発電装置の場合、その数が膨大で、その監視・制御や故障診断・点検を行う電力監視システムが重要となっている。本発明の直流電力監視装置は、太陽光モジュール毎に取り付け、太陽光モジュール毎に電力監視を行うことができる。この場合、個々の電流計測装置のマイクロコンピュータ３５に識別子（ＩＤ）を予め記憶させておき、外部サーバなどがマスタ（親機）として、電流計測装置３０がスレーブ（子機）として通信を行うことで、１：Ｎの多重通信、つまり複数の太陽光モジュール毎の電力計測装置との情報のやり取りが可能となり、個々の直流電源監視装置に対して独立して制御を行うことで、電力監視システムが構築できる。

太陽光発電装置に太陽光モジュールを実装する場合は、通常接続ボックスと呼ばれる装置で太陽光モジュールを接続していく。本発明の場合は、本発明の直流監視装置がそれを兼ねていることになる。つまり、太陽光モジュール２００から引き出されているプラス電源端子およびマイナス電源端子を小型パッケージ化された本発明の直流電源監視装置１００の露出されているプラス接続端子口１およびマイナス接続端子口１にそれぞれ差し込み、次段の太陽光モジュール３００から引き出されているマイナス電源端子を本発明の直流電力監視装置の露出されているプラス接続端子口２にそれぞれ差し込むことで太陽光モジュールの接続が完了する。これをモジュール数に応じて行うことで、例えばストリングの構成ができる。

メカニズムおよび効果

次に本発明の直流電源監視装置１００のメカニズムおよび効果について説明する。
電流センサ３２と電圧センサ３３とＡＦＥ（Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔｅｎｄ）回路３４と通信ユニット３６とレギュレータ３１とマイクロコンピュータ３５で構成される電力計測装置３０が同一単体の半導体チップに集積され、その電力計測装置３０と蓄電装置２０と逆流防止装置１０を同一単体のパッケージに封入し、第一の直流電源装置２００のプラス側電源端子２５０、マイナス側電源端子２６０に夫々接続する第一のプラス接続端子５０とマイナス接続端子６０と、第二の直流電源装置３００のマイナス電源端子３８０に接続される第二のプラス接続端子７０を備えることで、太陽光モジュールから引き出されているプラスおよびマイナス電源端子をパッケージングされた直流電源監視装置１００の露出したプラスおよびマイナス接続端子に差し込むだけで太陽光モジュールへの実装ができ、且つ直流電源監視装置１００の電源が太陽光モジュールから供給可能となるため、電池を内蔵することなく、電源配線フリーとなるだけでなく、実装が容易にできる直流電力監視装置が実現できる。
これにより、太陽光モジュール毎の電力監視も可能となるため、不良箇所の特定が容易になるだけでなく、劣化や影による電力低下による太陽光モジュールの発電電力のバラツキを踏まえたマネジメントが可能になり、常に最大効率で発電することができる。

また、外部との接続配線を全てないため、取り付けや保守の手間と時間が削減でき、そのコストも削減できるだけでなく、既存の電力伝送装置の電力線にも後から付加することが可能となる。新規の設備だけでなく、既に設置されている設備にも容易に取り付けることができるため、普及が促進できるという大きな効果がある。
本発明の直流電源監視装置は、太陽光発電装置だけでなく、今後普及が進む直流給電においても同様の効果があり、直流給電システムの拡大に伴い、この技術の活用が期待される。
以上により、本発明の直流電源監視装置により、外乱ノイズの影響を受けにくく、電池内蔵や配線が全く必要ない小型の電流計測装置が実現できるため、電力マネジメントシステムの普及が促進され、社会全体の省エネルギーに大きく貢献できる。

本発明の直流電源監視装置は、太陽光発電や燃料電池などの直流電源装置はもちろん、今後導入が進んでいくと思われる直流給電、例えば、データセンタ、オフィス、家庭での直流給電システムなどにおける電力監視システムで、有用性を発揮すると思われる。直流給電は、コスト性能比に優れ、今後一層の省エネ化のため大きな需要が広がると思われる。これに伴って、直流電力監視の需要も拡大していくと期待される。

１０：逆流防止装置
２０：蓄電装置
３０：電力計測装置
３１：レギュレータ
３２：電流センサ
３３：電圧センサ
３４：ＡＦＥ回路
３５：マイクロコンピュータ
３６：通信ユニット
５０：プラス側電源接続端子１
６０：マイナス側電源接続端子
７０：プラス側電源接続端子２
１００：直流電力監視装置
２００：直流電源装置１
２５０：プラス側電源端子１
２６０：マイナス側電源端子１
３００：直流電源装置２
３７０：プラス側電源端子２
３８０：マイナス側電源端子２

Claims (5)

1. 第一の直流電源装置のプラス側電源端子およびマイナス側電源端子に接続される第一のプラス接続端子およびマイナス接続端子、第二の直流電源装置のマイナス側電源端子に接続される第二のプラス接続端子を備えることを特徴とする直流電源監視装置。
2. 前記第一の直流電源装置に接続される前記第一のプラス接続端子および前記マイナス接続端子から電源が供給されることを特徴とする請求項１記載の直流電源監視装置。
3. 前記第一の直流電源装置からの電源供給に異常が発生した時に補助的に電源を供給する蓄電装置、および前記蓄電装置から前記第一の直流電源装置への電流の逆流を防止する逆流防止装置を備えることを特徴とする請求項１記載の電流電源監視装置。
4. 前記直流電源監視装置、および前記第一のプラス接続端子および前記マイナス接続端子、前記第二のプラス接続端子、前記蓄電装置、前記逆流防止装置を同一単体のパーケージに封入したことを特徴とする請求項１記載の直流電源監視装置。
5. 前記直流電源監視装置、前記第一のプラス接続端子および前記マイナス接続端子、前記第二のプラス接続端子、前記蓄電装置、前記逆流防止装置を複数備え、且つこれらを同一単体のパーケージに封入したことを特徴とする直流電源監視装置。

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