JP2016075534A - 太陽光発電装置の故障診断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】故障クラスタ数を推定することができる太陽光発電装置の診断方法を提供する。【解決手段】所定時間毎に各ストリングの発電電力が定められた基準値よりも低下したか否かを判断し、所定回数連続して発電電力が基準値よりも低下したと判断した場合に当該ストリングを仮に故障と診断する第１の診断工程Ｐ１１と、前記仮に故障と診断したストリングの発電電力が、当該ストリングの太陽電池セルを１つ擬似的に故障させたときの発電電力により決定される診断基準値より低い場合に、前記仮に故障と診断したストリングを故障と断定的に診断をする第２の診断工程Ｐ１３と、前記故障と診断したストリングの発電電力を当該ストリングの太陽電池セルをＮ個擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力により決定される推定基準値より低い場合に、前記故障が断定されたストリングについて故障した太陽電池セルの数をＮ−１個と推定する推定工程Ｐ１７とを含む。【選択図】図６

Description

本発明は、太陽光発電装置の故障診断方法に関するものである。

太陽光発電装置としては、例えば、図１に示す構成の装置が知られている。図１に示す太陽光発電装置は、太陽光を光電変換して発電する太陽電池を搭載した複数のストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３がそれぞれ、各ストリングで発電したＤＣ電力をＡＣ電力に変換するパワコン１１と接続された構成を備えている。

図１の太陽光発電装置において故障を診断する手段を追加した構成が図２である。図２に示す太陽光発電装置の故障診断システム１０は、図１により説明した複数のストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３とパワコン１１とに加えて、各ストリングの電流電圧を計測する複数のセンサ１４と、センサ１４で測定した発電量を記録する測定器１５と、ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３への日射量を計測する日射量計１６と、測定した発電量に基づいて故障の診断を実行するサーバ１７とを備えて構成される。日射量計１６では、ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３への日射量が測定され、測定された日射量から想定される発電量が想定発電量として測定器１５に記録される。

図２の太陽光発電装置の故障診断システムにおいて発電運転中の故障診断は以下の手順で行なわれる。まず、ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３ごとに設置した電流電圧センサ１４により、ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３単位の発電電力を測定し測定器１５に記録する。次に、太陽光発電装置のストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３近傍に設置された日射量計１６から得られた想定発電電力を測定器１５に記録する。測定器１５はこれらの記録された発電電力データをサーバ１７に送信する。この発電電力データをサーバ１７が受信すると、サーバ１７は、診断対象ストリングの発電電力と、他のストリングの発電電力または日射量計１６で得られた想定発電電力の比較グラフ（発電電力−時間グラフ）を作成する。作成される発電電力−時間グラフの一例を図３に示す。図３においては、実線ａは他のストリングの発電電力または日射量計に基づいて算出される想定発電電力を示し、破線ｂは診断対象ストリングの発電電力を示している。

サーバは、図３に示す比較グラフにおいて診断対象ストリングの発電電力が他のストリング発電電力または想定発電電力より低ければ異常と判断し、保守者に通知する。通知を受けた保守者は現地調査を実施し、故障を確定させる。

また、特許文献１には、各ストリングの出力電圧を測定し相互比較することにより診断を行い、異常を通知する手法が記載されている。

特開平８−１８５２３５号公報

戸上電気、[online]、"PVドクターストリングトレーサ"、［平成26年9月2日検索］、インターネット〈URL：http://www.togami‐pv.jp/maintenance/〉 戸上電気、[online]、"PVドクターストリングトレーサ"、［平成26年9月2日検索］、インターネット〈URL： http://www.togami‐elec.co.jp/products/pdf/pv.pdf〉

しかしながら、従来の太陽光発電装置の故障診断方法には次のような問題がある。１つ目の問題は、発電モジュールは製造ロットごとに発電性能にバラつきがあるため、他との単純な比較による診断では精度が低下する恐れがあることである。２つ目の問題は、設置コストがかかることである。これは、従来の診断方法では、診断基準となる発電電力を得るために日射量計が必要な場合があるため、日射量計を設置するためのコストがかかるということである。ストリングが１つしかなく他と比較できない場合にも日射量計が必要である。３つ目の問題は、診断結果だけでは故障クラスタ数がわからないことである。従来技術で故障のあるストリングを発見できても、そのうちのいくつのクラスタが故障しているかは発電グラフから保守者が推定するしかない。４つ目の問題は修理作業に時間がかかることである。３つ目の問題に関して述べたように故障クラスタ数は保守者の推定によるため、これが誤っていると交換物品手配不足などが発生し修理作業に時間がかかる恐れがある。

本発明は、上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、設置コストが抑制しながらも従来の診断方法に比べて診断精度の向上が得られるとともに、故障クラスタ数を推定することができる、太陽光発電装置の診断方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、太陽光発電装置の複数の太陽電池セルで構成されるストリングにおける故障を診断する方法であって、所定時間ごとに各ストリングの発電電力がストリング毎に定められた基準値よりも低下したか否かを判断し、当該判断において所定回数連続して各ストリングの発電電力がストリング毎に定められた基準値よりも低下したと判断した場合に当該ストリングを仮に故障と診断する第１の診断工程と、前記仮に故障と診断したストリングの発電電力が、当該ストリングの太陽電池セルを１つ擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力により決定される診断基準値より低い場合に、前記仮に故障と診断したストリングを故障と断定的に診断をする第２の診断工程と、前記故障と診断したストリングの発電電力を、当該ストリングの太陽電池セルをＮ個擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力により決定される推定基準値より低い場合に、前記故障が断定されたストリングについて故障した太陽電池セルの数をＮ−１個と推定する推定工程と、を含み、前記ストリング毎に定められた基準値は、診断対象のストリングの設置当時の発電電力に基づいて設定されることを特徴する太陽光発電装置の故障診断方法である。

太陽光発電装置の構成を示す図である。 太陽光発電装置において故障を診断する手段を追加した構成を示す図である。 発電電力−時間グラフを示す図である。 太陽光発電装置の故障診断システムを示す図である。 ストリング内において故障クラスタが発生したときの状態を示す図である。 太陽光発電装置の故障診断システムにおける故障診断方法の処理フローを示す図である。 １日の各時刻における発電電力の推移を示すグラフを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図４は、本実施形態の太陽光発電装置の故障診断システムを示す図である。太陽光発電装置の故障診断システム１は、太陽光を光電変換して発電する太陽電池を搭載した複数のストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３と、各ストリングで発電したＤＣ電力をＡＣ電力に変換するパワコン１１と、各ストリングの電流電圧を計測する複数のセンサ１４と、測定した発電量を記録してサーバ１７に送信する測定器１５と、測定された発電量に基づいて故障の診断を実行するサーバ１７とを備えて構成される。

複数のストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３は、太陽電池セルの集合体である。図５に示すように、所定数の太陽電池セルＣが配線材で連結されて１つのクラスタＫという単位を形成しており、複数のクラスタＫのそれぞれに対応してバイパスダイオードが設けられ、複数のクラスタＫが１つのモジュールＭを構成している。さらに、複数のモジュールＭ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４が集合して１つのストリングＳを構成している。ストリングＳで発生した電力は出力配線１２からパワコンに出力される。かかる太陽光発電装置では、例えばストリングＳ１のクラスタＫ２内のセルが故障した場合、図５に示すように、そのクラスタＫ２に対応するバイパスダイオード１３が導通状態とされることにより、故障セルが存在するクラスタＫ２が出力配線から電気的に切り離される。この切り離し動作により、故障したストリング内が過熱することを防止している。

次に、本実施形態の太陽光発電装置の故障診断システムにおける故障診断方法について以下に説明する。図６は本実施形態の太陽光発電装置の故障診断システムにおける故障診断方法の処理フローを示す図である。ここでは、ストリングＳ１に故障が発生した場合を例に挙げて説明する。図７は、１日の各時刻における発電電力の推移を示すグラフであり、（ａ）は設置当初の発電電力を示し、（ｂ）は現在の発電電力を示し、（ｃ）は設置当初に擬似故障させた発電電力を示している。

まず、ストリング設置工事時に正常運転時における各ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３の発電電力Ｗ_{ａ．ｂａｓｅ}〜Ｗ_{ｃ．ｂａｓｅ}を一定時刻（例えば３０分おきの時刻）ごとに測定し、サーバ１７に送信する（Ｐ１）。また、ストリング設置工事時にクラスタ単位で擬似故障を発生させる（Ｐ２）。擬似故障時における各ストリングの発電電力Ｗ_{ａ．ｆａｉｌ♯}〜Ｗ_{ｃ．ｆａｉｌ♯}を一定時刻（例えば３０分おきの時刻）ごとに測定し、サーバ１７に送信する（Ｐ３）。ステップＰ１からＰ３の処理により、サーバ１７は、下記表１に示すようなストリング毎に測定された設置時の発電電力を一定時刻ごとに発電電力データとして複数の時刻（例えば３０分おきの時刻）について予め保持している。

以上の処理が完了した時点で太陽光発電装置の運用を開始する（Ｐ４）。運用開始後、センサ１４および測定器１５は、現在の各ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３ごとの発電電力Ｗ_{ａ．ｎｏｗ}〜Ｗ_{ｃ．ｎｏｗ}を測定し、サーバ１７に送信する（Ｐ５）。サーバ１７は、１日に数回、定時に、ストリングの故障を仮に診断する一次診断を実行する。まず各ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３の合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}を算出し（Ｐ６）、設置工事時の同時刻の各ストリングＳ１、Ｓ２、Ｓ３の合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を算出し（Ｐ７）、算出した合計発電電力に基づいて発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を算出する（Ｐ８）。合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}は、ステップＰ５においてサーバ１７に送信された発電電力Ｗ_{ａ．ｎｏｗ}＋Ｗ_{ｂ．ｎｏｗ}＋Ｗ_{ｃ．ｎｏｗ}を合計することにより算出できる。合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}は、ステップＰ１においてサーバ１７に送信された発電電力Ｗ_{ａ．ｂａｓｅ}＋Ｗ_{ｂ．ｂａｓｅ}＋Ｗ_{ｃ．ｂａｓｅ}を合計することにより算出できる。算出した発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}（図７（ａ）から図７（ｂ）に示すＸ％減の変化）は経年劣化や天候による変化率を示すと考えられる。

さらに、得られた発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}に、ステップＰ１で予め測定しておいた設置時における同時刻の各ストリングの発電電力（Ｗ_{ａ．ｂａｓｅ}〜Ｗ_{Ｃ．ｂａｓｅ}）を乗じて想定発電電力（Ｗ_{ａ．ｓｉｍ}〜Ｗ_{Ｃ．ｓｉｍ}）を求め（図７（ｂ）参照）、現在の同時刻の各クラスタ発電電力（Ｗ_{ａ．ｎｏｗ}〜Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}）と比較する（Ｐ９）。ステップＰ９の比較の結果、現在の発電電力（Ｗ_{ａ．ｎｏｗ}〜Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}）の方が低いストリングがあるかを判断し（Ｐ１０）、Ｙｅｓの場合は、現在の発電電力の方が低いストリングを故障と仮診断（一次診断）する（Ｐ１１）。本実施形態では、図７（ｂ）に示すように、ストリングＳ３については、Ｗ_{Ｃ．ｓｉｍ}＞Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}を満たすので、現在の発電電力の方が低いストリングＳ３があると判断し、ストリングＳ３を故障と仮診断する。サーバ１７は、ステップＰ６からステップＰ１０の処理を繰り返して、ステップＰ１０において所定回数連続して同じストリングについて現在の発電電力の方が低いと判断した場合に、ステップＰ１１においてそのストリングを故障と仮診断することが好ましい。

一次診断で故障と仮診断された場合にサーバ１７は、ストリングの故障を断定する二次診断を行なう。まず、ステップＰ１１で故障と仮診断された被疑ストリングＳ３の現在の発電電力Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}がステップＰ３で予め測定しておいたクラスタ擬似故障数１のときの発電電力Ｗ_{Ｃ．ｆａｉｌ１}以下か否かを判断する（Ｐ１２）。このとき、予め記録しておいたクラスタ擬似故障数１のときの発電電力Ｗ_{Ｃ．ｆａｉｌ１}を発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}をかけて被疑ストリングＳ３の現在の発電電力Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}と比較を行なう。ステップＰ１２でＹｅｓならば被疑ストリングＳ３を故障と断定する（Ｐ１３）。ステップＰ１２でＮｏならばストリングは異常なしと判定する（Ｐ２０）。

次いでサーバ１７は、故障したクラスタの数を推定する。クラスタ擬似故障数Ｎ＝２として被疑ストリングＳ３の現在の発電電力Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}がクラスタ擬似故障数２のときの発電電力Ｗ_{Ｃ．ｆａｉｌ２}以下かを判断する（Ｐ１４）。ステップＰ１４でＹｅｓならば、さらにステップＰ１４と同様に被疑ストリングＳ３の現在の発電電力Ｗ_{Ｃ．ｎｏｗ}がクラスタ擬似故障数Ｎのときの発電電力Ｗ_{Ｃ．ｆａｉｌ♯}以下かを判断する（Ｐ１５）。ステップＰ１５でＹｅｓの場合は、さらにＮ＝Ｎ＋１としてステップＰ１５に戻って判断を続ける（Ｐ１６）。

一方ステップＰ１５においてＮｏの場合は、サーバ１７は、クラスタ故障数はステップＰ１５で判定したＮよりも１つ少ないＮ−１と推定する（Ｐ１７）。サーバ１７は、クラスタ故障数の推定が完了したら、ストリングの故障の発生とクラスタ故障数を作業者に通知し（Ｐ１８）、作業者が故障数を踏まえた修理部材を持って現地にて修理実施する（Ｐ１９）。

上記の太陽光発電装置の故障診断システムによれば、設置当初に記録した発電電力を用いて、他との比較ではなく過去の自分自身との比較により診断を行うため、性能バラつきを考慮せずに容易に高い精度での診断が可能となる。ただし外部環境（経年劣化、季節や天候）の違いを考慮せず、単純に発電電力を比較しても無意味である。よって本発明ではまず全ストリングの設置当時と現在の合計発電電力を比較して発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を求め、それを設置時の各ストリング発電電力に乗じて、本来あるべき発電電力である想定発電電力を算出し、それを基準にして乖離の大小による「一次診断」を行なうこととなる。この「想定発電電力」は現在の全ストリング発電電力に基づいて算出されているため、先述の外部環境の違いが加味されており、精度の向上が期待できる。この一次診断によれば、過去の自分自身との比較により診断精度が向上する。

ただし上記の過去の自分自身との比較では、両者の発電電力の乖離が大きくない場合もある。その場合、正常であるにも関わらず（乖離があるため）故障と誤診断する恐れがある。そこで本発明では設置当初に疑似クラスタ故障を発生させて、その時のストリング発電電力を記録しておくことにより、その発電電力値を故障判定の閾値とする「二次診断」を行う。これにより、診断精度の更なる向上が期待できる。なお二次診断で閾値とするのは、疑似故障クラスタ数１の場合の発電電力である。この二次診断によれば、疑似故障データとの比較により診断精度が向上する。

上記の二次診断でストリング故障と診断されると、複数パターンの疑似故障ストリング発電電力と診断対象ストリング発電電力の比較によって、故障クラスタ数を推定する。なおこの発電電力の比較時にも発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を考慮することにより、精度の向上が期待できる。この推定工程によれば、故障クラスタ数を推定可能である。

１、１０ 太陽光発電装置の故障診断システム
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ ストリング
１１ パワコン
１２ 出力配線
１３ バイパスダイオード
１４ センサ
１５ 測定器
１６ 日射量計
１７ サーバ

Claims (5)

1. 太陽光発電装置の複数の太陽電池セルで構成されるストリングにおける故障を診断する方法であって、
   所定時間ごとに各ストリングの発電電力がストリング毎に定められた基準値よりも低下したか否かを判断し、当該判断において所定回数連続して各ストリングの発電電力がストリング毎に定められた基準値よりも低下したと判断した場合に当該ストリングを仮に故障と診断する第１の診断工程と、
   前記仮に故障と診断したストリングの発電電力が、当該ストリングの太陽電池セルを１つ擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力により決定される診断基準値より低い場合に、前記仮に故障と診断したストリングを故障と断定的に診断をする第２の診断工程と、
   前記故障と診断したストリングの発電電力を、当該ストリングの太陽電池セルをＮ個擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力により決定される推定基準値より低い場合に、前記故障が断定されたストリングについて故障した太陽電池セルの数をＮ−１個と推定する推定工程と、を含み、
   前記ストリング毎に定められた基準値は、診断対象のストリングの設置当時の発電電力に基づいて設定されることを特徴する太陽光発電装置の故障診断方法。
2. 前記ストリング毎に定められた基準値は、全ストリングの設置当時の合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}と現在の合計発電電力Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}とにより決定される発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を、診断対象のストリングの設置当時の発電電力に乗じて算出された想定発電電力であることを特徴とする請求項１記載の太陽光発電装置の故障診断方法。
3. 当該ストリングの太陽電池セルを１つ擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力と、当該ストリングの太陽電池セルをＮ個擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力とは、診断対象のストリングの設置当時に測定されたものであることを特徴とする請求項１または２に記載の太陽光発電装置の故障診断方法。
4. 前記診断基準値は、発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を、当該ストリングの太陽電池セルを１つ擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力に乗じて算出された値に決定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の太陽光発電装置の故障診断方法。
5. 前記推定基準値は、発電電力変化率Ｗ_{ｓｕｍ．ｎｏｗ}／Ｗ_{ｓｕｍ．ｂａｓｅ}を、当該ストリングの太陽電池セルをＮ個擬似的に故障させたときの当該ストリングの発電電力に乗じて算出された値に決定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の太陽光発電装置の故障診断方法。

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