JP2016166773A - アーク検出装置およびアーク検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アークの発生を容易かつ高精度に検出する。
【解決手段】アーク検出装置（１２）は、電流センサ（３１）、第１フィルタ（３３）、第２フィルタ（３４）、高周波および低周波のパワースペクトルを生成するＦＦＴ処理部（４１）、高周波のパワースペクトルによりアークを検出するアーク検出部（４２）、低周波のパワースペクトルにより偽アークを判定する偽アークマスク部（４３）およびアーク有無判定部（４４）を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば太陽光発電システムに備えられるアーク検出装置およびアーク検出方法に関する。

近年、再生可能エネルギーを有効利用するシステムとして、太陽光発電システムが多数建造されている。これに伴い、太陽光発電システムのアーク故障に起因した火災事故の報告も増加している。

太陽光発電システムでは、アークが発生した場合に、アークによる火災を防止するために、迅速に回路を遮断する必要がある。このために、太陽光発電システムは、システム内でのアークの発生を検出するアーク検出装置を備えている。

太陽電池ストリングを有し、パワーコンディショナと接続されている太陽光発電システムにおいて、直列アークまたは並列アークであるアークが発生した場合にはアークによるノイズが生じる。この場合、太陽電池ストリング（直流電源）の出力線路には、パワーコンディショナのスイッチングノイズに対してアークによるノイズが重畳された信号が生じる。そこで、アーク検出装置では、上記出力線路の信号を取得し、その信号からアークの信号を取得してアークの発生を検出している。

この種のアーク検出装置には、特許文献１および２に開示された構成が知られている。特許文献１に開示された構成は、パワーコンディショナに接続された太陽光発電システムにおいて、次のような処理によりアークを検出している。まず、太陽光発電システムを流れる電流を検出し、検出した電流のパワースペクトルを求め、求めたパワースペクトルを複数の帯域に分割する。次に、分割した帯域内のパワースペクトルから、パワーコンディショナによる１以上の干渉信号（ノイズ）をフィルタリングし、帯域内の干渉信号ではない残りの信号を用いて、高電圧システム内における電気アークを検出している。また、干渉信号をフィルタリングする場合、１以上の周波数帯域において、１以上のピーク値を識別し、それら１以上の周波数帯域において、少なくとも部分的にパワースペクトルの大きさを減じている。すなわち、特許文献１の構成では、パワーコンディショナによる干渉信号の予め設定された周波数帯域（以下、規定周波数帯域と称する）を使用せずに、また、規定周波数帯域のパワースペクトルの大きさを減じた状態にて、アークを検出している。

一方、特許文献２に開示された構成は、太陽電池ストリングの出力線路を流れる電流のパワースペクトルではなく、発生したアークの大きさに応じたノイズがパワーコンディショナのスイッチングノイズに重畳されることを利用し、電圧のパワースペクトルを使用してアークを検出している。具体的には、太陽電池ストリングの出力線路から電圧センサにより電圧を検出し、検出した電圧から電圧のパワースペクトルを求め、求めたパワースペクトルに基づいて、アークを検出している。この場合には、パワーコンディショナのスイッチングノイズの周波数帯域を一定の周波数帯域とし、その周波数帯域のパワースペクトルをアーク検出の対象外とし、残りの周波数帯域のパワースペクトルに基づいてアークを検出している。

米国特許公開公報ＵＳ２０１２／０３１６８０４Ａ１（２０１２年１２月１３日公開） 特開２０１４−１３４４４５号公報（２０１４年７月２４日公開）

例えば、直列アークは、特許文献１の図４に記載されているように、ホワイトノイズであり、そのパワースペクトルは、上に凸の形状となる。ところで、太陽電池からパワーコンディショナへの出力電流は一般に直流電流にほぼ単一の周波数の交流電流が重畳した波形となる。太陽電池自体は直流電源であるにも関わらず、交流電流が重畳するのはパワーコンディショナのＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングによる影響である。しかしながら、パワーコンディショナの自立運転の起動時など、パワーコンディショナの運転状態が変化する場合の太陽電池からパワーコンディショナへの出力電流は、低電流となる。その結果、上記出力電流は、直流電流にほぼ単一の周波数の交流成分が重畳した波形にならず、図１０のように変化する。この場合、図１０のＥ部に示すように、電流波形の左側の崖の形状により、アーク（上記の上に凸の形状）に類似した周波数成分のノイズであるアーク類似ノイズ（以下、偽アークと称する）が発生する。このため、この偽アークはアークとして誤検出される恐れがある。

特許文献１および２では、パワーコンディショナのスイッチングノイズに起因したアークの誤検出を回避する技術を記載しているが、低電流時に発生する偽アークへの対策は考慮されていない。

したがって、本発明は、低電流時に発生する偽アーク（アーク類似ノイズ）による誤検出を低減することができるアーク検出装置およびアーク検出方法の提供を目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明のアーク検出装置は、直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路の電流を検出する電流センサと、前記電流センサの出力信号から、パワースペクトルを生成するパワースペクトル変換部と、前記パワースペクトルの高周波成分に基づいて被疑アークを検出するアーク検出部と、前記パワースペクトルの低周波成分に基づいて偽アークが発生しているかどうかを判定する偽アーク判定部と、前記アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、偽アーク判定部にて偽アークが発生していないと判定された場合に、アーク有と判定する一方、前記アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定部にて偽アークが発生していると判定された場合に、アーク無と判定するアーク有無判定部とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、電流センサは、直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路の電流を検出する。パワースペクトル変換部は、電流センサの出力信号から、パワースペクトルを生成する。アーク検出部は、パワースペクトルの高周波成分に基づいて被疑アークを検出し、偽アーク判定部は、パワースペクトルの低周波成分に基づいて偽アークが発生しているかどうかを判定する。アーク有無判定部は、アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、偽アーク判定部にて偽アークが発生していないと判定された場合に、アーク有と判定する。一方、アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、偽アーク判定部にて偽アークが発生していると判定された場合に、アーク無と判定する。

したがって、電力変換回路（例えばＰＣＳ）が発生するノイズ（例えばスイッチングノイズ）の周波数帯域を予めチューニングしておくことが不要である。これにより、アーク検出装置は、アークの誤検出を抑制して、アークの発生を容易かつ高精度に検出することができる。

上記のアーク検出装置は、前記電流センサの出力信号から高周波の信号を取得する高周波取得部と、前記電流センサの出力信号から低周波の信号を取得する低周波取得部とを備え、前記パワースペクトル変換部は、前記高周波の信号および前記低周波の信号から、前記パワースペクトルの高周波成分としての高周波のパワースペクトル、および前記パワースペクトルの低周波成分としての低周波のパワースペクトルを生成する構成としてもよい。

上記の構成によれば、アーク検出装置は、高周波取得部により電流センサの出力信号から高周波の信号を取得し、低周波取得部により電流センサの出力信号から低周波の信号を取得し、パワースペクトル変換部により、高周波の信号および低周波の信号から、高周波のパワースペクトルおよび低周波のパワースペクトルを生成している。したがって、高周波取得部および低周波取得部を高性能かつ高価な回路（例えば高速かつ高分解能の専用Ａ／Ｄコンバータ）にて構成する必要がなく、ＣＰＵ内蔵の汎用のＡ／Ｄコンバータによる低コストの構成とすることができる。

上記のアーク検出装置において、前記偽アーク判定部は、第１の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、前記アークが偽アークであると判定し、前記第１の作動条件は、前記パワースペクトルの低周波成分のうち、最大のパワーを示す第１周期のパワーが第１の閾値よりも大きく、かつ前記第１周期の高調波または分数周波のパワーが第２の閾値よりも大きいという条件を含んでいる構成としてもよい。

上記の構成によれば、偽アーク判定部は、パワースペクトルの低周波成分のうち、最大のパワーを示す第１周期のパワーが第１の閾値よりも大きく（条件（１））、かつ第１周期の高調波または分数周波のパワーが第２の閾値よりも大きい（条件（２））、という第１の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、アークが偽アークであると判定する。これにより、アークが偽アークであるかどうかの判定を高精度に行うことができる。

すなわち、電流の信号の低周波には、電力変換回路のスイッチングノイズ等による周期的な鋸波形が現れ、これをＦＦＴ処理して得られる低周波のパワースペクトルには、第１周期のみならず、第１周期の高調波または分数周波のパワースペクトルが強く現れる。そこで、条件（１）にて上記鋸波形によるパワースペクトルの周期性を検出し、条件（２）にて第１周期の高調波または分数周波のパワースペクトルが際立つことを検出することにより、アークが偽アークであるかどうかの判定を高精度に行うことができる。

上記のアーク検出装置において、偽アーク判定部は、第２の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、前記アークが偽アークであると判定し、前記第２の作動条件は、前記第１周期の高調波または分数周波のパワーが、前記第１の閾値よりも小さく、かつ第３の閾値よりも大きいという条件を含んでいる構成としてもよい。

上記の構成によれば、偽アーク判定部は、第１周期の高調波または分数周波のパワーが、第１の閾値よりも小さく、かつ第３の閾値よりも大きい（条件（３））、という第２の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、アークが偽アークであると判定する。これにより、アークが偽アークであるかどうかの判定をさらに高精度に行うことができる。

すなわち、第１の作動条件では、上記鋸波形を維持したまま鋸波形の振幅が時間とともに増大または減少するなどの変化がある場合に、条件（１）を満たさなくなる可能性がある。一方、上記鋸波形の特徴が特に強い場合（条件（３））には、アークが偽アークと判定することができ、これにより、アークが偽アークであるかどうかの判定を高精度に行うことができる。

上記のアーク検出装置において、前記アーク検出部は、前記高周波のパワースペクトルにおいて、前記高周波のパワースペクトルの下の領域の面積を特徴量とし、前記特徴量を所定の閾値と比較することによりアークを検出する構成としてもよい。

上記の構成によれば、高周波のパワースペクトルにおいて、アークを含む場合の高周波のパワースペクトルは上に盛り上がった状態となる一方、アークを含まない場合の高周波のパワースペクトルはほぼ平坦な状態となる。したがって、高周波のパワースペクトルの下の領域の面積を特徴量とし、その特徴量を所定の閾値と比較することによりアークを高精度に検出することができる。

本発明のアーク検出方法は、直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路の電流を検出する電流検出工程と、前記電流検出工程にて検出した電流の信号から、パワースペクトルを生成するパワースペクトル変換工程と、前記パワースペクトルの高周波成分に基づいて被疑アークを検出するアーク検出工程と、前記パワースペクトルの低周波成分に基づいて偽アークが発生しているかどうかを判定する偽アーク判定工程と、前記アーク検出工程にて被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定工程にて偽アークが発生していないと判定した場合に、アーク有と判定する一方、前記アーク検出工程にて被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定工程にて偽アークが発生していると判定した場合に、アーク無と判定するアーク有無判定工程とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記のアーク検出装置と同様の作用効果を奏する。

本発明の構成によれば、直流電源に接続される電力変換回路の発生するノイズの影響を抑制して、直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路でのアークの発生を容易かつ高精度に検出することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態のアーク検出装置を備えた太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。 図１に示したアーク検出装置の構成を示すブロック図である。 アークが発生している状態の高周波の電流のパワースペクトル（ＦＦＴ波形）を示すグラフである。 図２に示した出力線路を流れる電流の低周波における時間領域の波形図である。 図２に示した出力線路を流れる電流の低周波のパワースペクトル（ＦＦＴ波形）を示すグラフである。 図２に示したアーク検出部の動作を示すフローチャートである。 図２に示した偽アークマスク部の動作を示すフローチャートである。 図２に示したアーク有無判定部の動作を示すフローチャートである。 図１に示した太陽光発電システムの変形例を示す概略の回路図である。 パワーコンディショナの運転状態が変化する場合の消費電流の変化を示す波形図である。

（太陽光発電システムの概要）
本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、本発明の実施の形態のアーク検出装置を備えた太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。

図１に示すように、太陽光発電システム１は、複数の太陽電池ストリング（直流電源）１１、アーク検出装置１２、接続箱１３およびパワーコンディショニングシステム（以下、ＰＣＳ（Power Conditioning System）と称する）１４を備えている。

太陽電池ストリング１１は、多数の太陽電池モジュール２１が直列接続されて形成されている。各太陽電池モジュール２１は、直列接続された複数の太陽電池セル（図示せず）を備え、パネル状に形成されている。複数の太陽電池ストリング１１は太陽電池アレイ１５を構成している。各太陽電池ストリング１１は、接続箱１３を介してＰＣＳ（電力変換回路）１４と接続されている。

ＰＣＳ１４は、各太陽電池ストリング１１から入力した直流電力を交流電力に変換して出力する。

接続箱１３は、各太陽電池ストリング１１を並列に接続している。具体的には、各太陽電池ストリング１１の一方の端子と接続されている出力線路（電力線路）２２ａ同士を接続し、各太陽電池ストリング１１の他方の端子と接続されている出力線路（電力線路）２２ｂ同士を接続している。なお、出力線路２２ｂには逆流防止用のダイオード２３が設けられている。

アーク検出装置１２は、本実施の形態において、太陽電池ストリング１１毎に、太陽電池ストリング１１の出力線路２２ａに設けられている。

（アーク検出装置１２）
図２は、アーク検出装置１２の構成を示すブロック図である。図２に示すように、アーク検出装置１２は、電流センサ３１、増幅器３２、第１フィルタ（高周波取得部）３３、第２フィルタ（低周波取得部）３４、Ａ／Ｄ変換部３５およびＣＰＵ（central processing unit）３６を備えている。

電流センサ３１は、出力線路２２ａを流れる電流を検出する。増幅器３２は、電流センサ３１にて検出された電流を増幅する。

第１フィルタ３３は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、増幅器３２から出力される電流のうち、所定周波数範囲の高周波の電流のみを通過させる。本実施の形態において、第１フィルタ３３が通過させる周波数範囲は２５ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚである。第１フィルタ３３は、通過させる周波数範囲を上記の範囲とすることにより、ＰＣＳ１４のノイズが多く発生する周波数帯域の信号を排除している。

なお、第１フィルタ３３および第２フィルタ３４の出力を合わせて、ダイナミックレンジが広い高性能のＡ／Ｄコンバータに入力する構成してもよい。

第２フィルタ３４は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、増幅器３２から出力される電流のうち、所定周波数範囲の低周波電流のみを通過させる。本実施の形態において、第２フィルタ３４が通過させる周波数範囲は２５Ｈｚ〜５００Ｈｚである。第２フィルタ３４は、通過させる周波数範囲を上記の範囲とすることにより、アーク検出部４２が検出するアークが真のアークではない偽アーク（アーク類似ノイズ）によるものかどうかを判定するための低周波の信号を取得している。

なお、第２フィルタ３４が通過させる周波数範囲の上限を５００Ｈｚとした場合には、サンプリングレートが１ｍｓｅｃと遅くなり、ＣＰＵの負担を軽減することができる。すなわち、第１フィルタ３３に加えて第２フィルタ３４を経由する信号を受けるＣＰＵは、高速の処理が要求されず、安価なものを使用することができる。

Ａ／Ｄ変換部３５は、第１および第２フィルタ３３，３４を通過したアナログの電流の信号を、それぞれ専用のＡ／Ｄ変換ポートへ入力し、それら信号をデジタル信号に変換する。変換した信号はＣＰＵ３６へ出力する。なお、ＣＰＵ３６は、図２にＣＰＵ３６´として示すように、Ａ／Ｄ変換部３５を内蔵していてもよい。

ＣＰＵ３６は、ＦＦＴ処理部（パワースペクトル変換部）４１、アーク検出部４２、偽アークマスク部（偽アーク判定部）４３およびアーク有無判定部４４を備えている。

ＦＦＴ処理部４１は、第１フィルタ３３を通過し、Ａ／Ｄ変換部３５から入力した高周波の電流のデジタル信号、および第２フィルタ３４を通過し、Ａ／Ｄ変換部３５から入力した低周波の電流のデジタル信号に対してＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を行い、それぞれの信号についてのパワースペクトルを生成する。以下、高周波の電流の信号のパワースペクトル、および低周波の電流の信号のパワースペクトルは、単に、高周波のパワースペクトル、および低周波のパワースペクトルと称する。

アーク検出部４２は、ＦＦＴ処理部４１から入力した高周波のパワースペクトに含まれるアークノイズすなわちアークを検出する。ただし、アーク検出部４２が検出するアークには、真のアークではない上記の偽アークが含まれている。したがって、アーク検出部４２が検出するアークは、正確にはアークの疑いがある被疑アークである。

アーク検出部４２によるアーク検出の手法は、特許文献１や特許文献２に開示されている手法など、従来公知の手法を使用することができる。あるいは、一例として、下記の手法を用いることができる。

図３は、アークが発生している状態の高周波のパワースペクトル（ＦＦＴ波形）を示すグラフである。図３は両対数グラフであり、アークが発生している場合、パワースペクトルは盛り上がった状態（上方へ湾曲した状態）となる。したがって、パワースペクトルの下の領域（図３の網目の領域）の面積は、アークを検出する場合の特徴量（特徴量Ｃ）とすることができる。すなわち、アーク検出部４２では、アークを検出する場合に、高周波のパワースペクトルから求めた特徴量Ｃ（網目の領域の面積）を閾値Ｋと比較することにより、アークを検出することができる。

なお、閾値Ｋは、アークが発生していない状態の網目の領域の面積とアークが発生している状態の網目の領域の面積とから決定することができる。

さらに、アーク検出部４２は、上記の動作を例えば所定時間毎に繰り返し行い、この繰り返しの動作において、連続して所定回数（例えば１０回）以上、アークを検出した場合に、アーク検出との検出結果を出力する。

偽アークマスク部４３は、ＦＦＴ処理部４１から入力した低周波のパワースペクトルに基づいて、偽アークが発生しているかどうか判定し、偽アークが発生していると判定した場合には、偽アークマスクを作動させる。この偽アークマスクを作動させるとは、アーク検出部４２によるアーク発生との検出結果を無効とすることである。

偽アークとは、例えばＰＣＳ（Power Conditioning System）１４のスイッチングノイズによって生じた低周波の信号が、図１０に記載されたような非対称な電流波形となり、間歇的な低周波であっても急峻な電流変化が高周波領域の周波数成分として現れることでアークとして検出される現象である。本願発明者は鋭意研究の結果、このようにして偽アークが生じることを見出した。

図４は、偽アーク現象が発生したときの出力線路２２ａを流れる電流の低周波における時間領域の波形図である。図４に示すように、偽アークのデータには、共通の特徴として、時間領域の電流波形に鋸波状の周期成分が見られる。

図５は、偽アーク現象が発生したときの出力線路２２ａを流れる電流の低周波のパワースペクトル（ＦＦＴ波形）を示すグラフである。図５に示すように、図４に示した鋸波形をフーリエ変換すると、第１周期（基本周期）周波数（例えば２２１Ｈｚ）、第２周期周波数（基本周期周波数の２倍の高調波）、および１／２周期周波数（基本周期周波数の１／２の分数周波）において、パワースペクトルが大きくなる。このように低周波領域で第１周期（基本周期）周波数およびその分数周波数と高調波のパワーが増大することから偽アークが発生していることがわかるため、このときにアーク検出部４２によるアーク発生との検出結果を無効とすればよい。

なお、上記２２１Ｈｚは、実際の計測において、偽アークが発生したときの周波数であり、第２フィルタ３４は、検出対象として２２１Ｈｚの２次高調波および１／２分数周波を含めるために、通過周波数範囲を２５Ｈｚ〜５００Ｈｚとしている。

アーク有無判定部４４は、アーク検出部４２でのアークの検出結果、および偽アークマスク部４３での、アーク検出部４２が検出したアークが偽アークかどうかの判定結果に基づき、太陽光発電システム１におけるアーク発生の有無について最終的な判定を行う。

（アーク検出装置１２の動作）
上記の構成において、アーク検出装置１２の動作を以下に説明する。

第１フィルタ３３は、電流センサ３１にて出力線路２２ａから検出され、増幅器３２にて増幅された電流の信号のうち、２０ｋＨｚ〜１２５ｋＨｚの周波数範囲の信号（高周波の信号）を通過させる。第２フィルタ３４は、電流センサ３１にて出力線路２２ａから検出され、増幅器３２にて増幅された電流の信号のうち、２５Ｈｚ〜５００Ｈｚの周波数範囲の信号（低周波の信号）を通過させる。これら信号は、Ａ／Ｄ変換部３５によりデジタル信号に変換され、ＣＰＵ３６へ入力される。

ＦＦＴ処理部４１は、Ａ／Ｄ変換部３５から入力した高周波の電流のデジタル信号、およびＡ／Ｄ変換部３５から入力した低周波の電流のデジタル信号に対してＦＦＴ処理を行い、それぞれの信号についてのパワースペクトルを生成する。アーク検出部４２は、ＦＦＴ処理部４１から入力した高周波の電流のパワースペクトに含まれるアークノイズすなわちアークを検出する。

図６は、アーク検出部４２の動作を示すフローチャートである。図６に示すように、アーク検出部４２は、まずカウンタｎをリセットする(Ｓ１１)。ＦＦＴ処理部４１は、Ａ/Ｄ変換部３５から出力された高周波の電流の信号を所定時間毎に入力し(Ｓ１２)、ＦＦＴ処理（ＦＦＴ解析）して、図３に示したように、高周波のパワースペクトルを生成する(Ｓ１３)。

次に、アーク検出部４２は、生成したパワースペクトルの特徴量Ｃ（図３に示した網目の領域の面積）を算出し(Ｓ１４)、算出した特徴量Ｃを閾値Ｋと比較する(Ｓ１５)。その結果、特徴量Ｃが閾値Ｋ以下であれば(Ｓ１６)、Ｓ１１へ戻る。

一方、特徴量Ｃが閾値Ｋよりも大きければ(Ｓ１６)、カウンタｎに１を加算し(Ｓ１７)、カウンタｎの値が４以上かどうかを判定する(Ｓ１８)。この判定の結果、ｎが４未満であればＳ１２へ戻る。一方、ｎが４以上であれば、アークを検出したとの検出結果を出力して(Ｓ１９)、処理を終了する。

次に、偽アークマスク部４３の動作について説明する。図７は、偽アークマスク部４３の動作を示すフローチャートである。

図７に示すように、偽アークマスク部４３は、まずカウンタａ，ｂをリセットする(Ｓ３１)。ＦＦＴ処理部４１は、Ａ/Ｄ変換部３５から出力された低周波の電流の信号を所定時間毎に入力し(Ｓ３２)、ＦＦＴ処理（ＦＦＴ解析）して、図５に示したように、低周波のパワースペクトルを生成する(Ｓ３３)。

次に、偽アークマスク部４３は、生成したパワースペクトルにおける山形の形状のピークとなる周波数を抽出し(Ｓ３４)、特徴量を算出する。その後、Ｓ３６〜Ｓ３８およびＳ４２の動作、ならびにＳ３９〜Ｓ４２の動作を行う。

Ｓ３４において、低周波のパワースペクトルがピーク（最大）となる周波数は、図５の例では、第１周期周波数（基本周期周波数、２２１Ｈｚ）であり、パワーの順序は、第１周期周波数、第２周期周波数（基本周期周波数の２倍の高調波、４４２Ｈｚ）、１／２周期周波数（基本周期周波数の１／２の分数周波（１１０．５Ｈｚ））となっている。また、Ｓ３５において、特徴量は、低周波のパワースペクトルにおけるピーク（第１周期）のパワー値、および低周波のパワースペクトルにおける全周波パワー値（全周波数（２５Ｈｚ〜５００Ｈｚ）のパワーの合計値）である。

Ｓ３６に示す作動条件Ａ（第１の作動条件）は、下記の条件（１）かつ条件（２）である。
（１）（ピークのパワー値／全周波パワー値）＞０．５
（２）（２倍周期のパワー値／全周波パワー値）＞０．０１
なお、条件（１）に関し、０．３（あるいは０．５×（全周波パワー値））は、第１の閾値と見なすことができ、条件（２）に関し、０．０１（あるいは０．０１×（全周波パワー値））は、第２の閾値と見なすことができる。

ここで示した０．５などの個別数値は、低周波のスペクトルの刻みが約８Ｈｚである場合に適用される。周波数の刻みが異なる場合には、数値も変化し得る。

作動条件Ａは次の点を意図したものである。すなわち、電流の信号の低周波に現れる鋸波形をＦＦＴ処理部４１にてフーリエ変換すると、第１周期のみならず、第２周期（または１／２周期）のパワースペクトルが強く現れる。そこで、条件（１）にて上記鋸波形によるパワースペクトルの周期性を検出し、条件（２）にて第２周期（または１／２周期）のパワースペクトルが際立つことを検出する。これにより、電流の信号の低周波に現れる鋸波形の特徴を捉え、偽アークのデータに共通の特徴を検出するようにしている。なお、第２周期周波数に代えて、１／２周期周波数（基本周期周波数の１／２の分数周波（１１０．５Ｈｚ））を使用してもよい。

また、Ｓ３９に示す作動条件Ｂ（第２の作動条件）は、下記の（３）である。
（３）（２倍周期のパワー値／全周波パワー値）＞０．０３
なお、条件（３）に関し、０．０３（あるいは０．０３×（全周波パワー値））は、第３の閾値と見なすことができる。

作動条件Ｂは次の点を意図したものである。すなわち、作動条件Ａのみであると、上記鋸波形を維持したまま鋸波形の振幅が時間とともに増大または減少するなどの変化がある場合に、条件（１）を満たさなくなる可能性がある。そこで、鋸波形の特徴が特に強い場合には、条件（３）のみで偽アークマスクが作動するように、ＯＲ条件として、作動条件Ｂを加えている。

Ｓ３６では、作動条件Ａを満たすかどうか判定し、満たさない場合にはＳ３１へ戻る。一方、作動条件Ａを満たす場合には、Ｓ３７において、カウンタａの値を１加算し、Ｓ３８において、カウンタａの値が５以上となったどうか判定する。この判定の結果、カウンタａの値が５未満であれば、Ｓ３２へ戻る。一方、カウンタａの値が５以上であれば、Ｓ４２において、偽アークマスクを作動させる。このように、作動条件Ａに基づく動作では、作動条件Ａ（上記（１）および（２）の条件）を連続５回以上満たす場合に、偽アークマスクを作動させるようになっている。ここで、偽アークマスクとは、アーク検出部４２にて検出されたアーク（被疑アーク）を偽アークとする処理、すなわちアーク検出部４２によるアークの検出を無効とする処理である。

同様に、Ｓ３９では、作動条件Ｂを満たすかどうか判定し、満たさない場合にはＳ３１へ戻る。一方、作動条件Ｂを満たす場合には、Ｓ４０において、カウンタｂの値を１加算し、Ｓ４１において、カウンタｂの値が７以上となったどうか判定する。この判定の結果、カウンタｂの値が７未満であれば、Ｓ３２へ戻る。一方、カウンタｂの値が７以上であれば、Ｓ４２において、偽アークマスクを作動させる。このように、作動条件Ｂに基づく動作では、作動条件Ｂ（上記（３）の条件）を連続７回以上満たす場合に、偽アークマスクを作動させるようになっている。

次に、アーク有無判定部４４の動作について説明する。図８は、アーク有無判定部４４の動作を示すフローチャートである。

図８に示すように、偽アークマスク部４３は、アーク検出部４２がアークの検出動作を行い(Ｓ６１)、アーク（被疑アーク）を検出すると(Ｓ６２)、アーク検出部４２によるアーク検出前０．５秒以内の偽アークマスクフラグの有無を確認する(Ｓ６３)。

なお、偽アークマスクフラグは、偽アークマスクが作動していることを示すフラグである。したがって、偽アークマスクフラグが有りの状態は、偽アークマスク部４３による偽アークマスクが作動している状態（図７のＳ４２参照）である。また、アーク検出前０．５秒以内の偽アークマスクフラグの有無を確認しているのは、アーク検出時点（０秒）での偽アークマスクフラグの有無のみによりアークの有無を判定した場合には誤判定を起こす恐れがあり、それを防止するためである。すなわち、アーク検出部４２、偽アークマスク部４３およびアーク有無判定部４４の動作は、低周波のパワースペクトルに対する処理であり、応答が遅くなるので、その分の余裕をみている。また、０．５秒以内という時間は、一例であり、実験の結果得られた好適な時間である。

Ｓ６３での確認の結果、偽アークマスクフラグが無ければ(Ｓ６４)、アーク有無判定部４４は、さらに、アーク（被疑アーク）検出から０．１秒経過するのを待ち（Ｓ６５）、アーク検出から０．１秒経過するとアーク検出部４２によるアーク検出後０．１秒以内の偽アークマスクフラグの有無を確認する(Ｓ６６)。

なお、アーク検出後０．１秒以内の偽アークマスクフラグの有無を確認しているのは、Ｓ６３において、アーク検出前０．５秒以内の偽アークマスクフラグの有無を確認していることと同様の理由による。また、０．１秒以内という時間は、一例であり、時間応答に限界のある低周波信号の処理の結果が確定する時間遅れを勘案し、実験の結果得られた好適な時間である。

Ｓ６６での確認の結果、偽アークマスクフラグが無ければ(Ｓ６７)、アーク有の判定結果を出力する（Ｓ６８）。この判定結果は、アーク検出装置１２によるアーク有の検出結果として出力される。

一方、アーク有無判定部４４は、Ｓ６４またはＳ６７において偽アークマスクフラグが有りの場合、アーク検出部４２によるアーク検出という検出結果をマスクし、Ｓ６１に戻る(Ｓ６９)。すなわちＳ６９では、アーク検出部４２によるアーク検出を無効にし、アーク無の判定を行う。

（アーク検出装置１２の利点）
以上のように、アーク検出装置１２において、アーク有無判定部４４は、アーク検出部４２が高周波のパワースペクトル（出力線路２２ａを流れる電流の高周波領域のパワースペクトル）に基づいてアーク（被疑アーク）を検出し、偽アークマスク部４３が低周波のパワースペクトル（出力線路２２ａを流れる電流の低周波領域のパワースペクトル）に基づいて上記アーク（被疑アーク）を偽アークと判定しない場合にのみ、アーク有と判定する。すなわち、アーク有無判定部４４は、アーク検出部４２がアークを検出した場合であっても、偽アークマスク部４３がそのアークを偽アークと判定した場合には、アーク検出部４２によるアークの検出を無効とする。

上記の動作において、偽アークマスク部４３は、アーク検出部４２により検出されたアークが偽アークかどうかを低周波のパワースペクトルに基づいて判定しているので、低電流に起因した直流電流に単一の周波数で記述できない交流成分が重畳したときでもアークの誤検出を低減することができる。

また、アーク検出装置１２は、バンドパスフィルタとして、出力線路２２ａを流れる電流の高周波領域の信号を処理する第１フィルタ３３と、出力線路２２ａを流れる電流の低周波領域の信号を処理する第２フィルタ３４との２系統のフィルタを備えている。したがって、Ａ／Ｄコンバータ３５は高速かつ高分解能の高価なものでなく、ＣＰＵ３６に標準的に内蔵されて付加的なコストが零となる汎用品を適用した低コストの構成とすることができる。

（変形例）
図９は図１に示した太陽光発電システム１の変形例を示す概略の回路図である。上記の実施の形態では、アーク検出装置１２を各太陽電池ストリング１１に個別に設けた例について示した。しかしながら、アーク検出装置１２の配置はこれに限定されない。すなわち、アーク検出装置１２は、図９に示すように、複数の太陽電池ストリング１１を備えた太陽光発電システム１において１個のみ設けられていてもよい。なお、図９の例では、アーク検出装置１２は、接続箱１３の後段、すなわち接続箱１３とＰＣＳ１４との間に設けられている。

また、アーク検出装置１２は、図９に示すように、接続箱１３とＰＣＳ１４との間に代えて、ＰＣＳ１４の筐体の内部に設けられていてもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、ノイズの発生源であるＰＣＳと接続されている太陽電池ストリングを備えた太陽光発電システムのアーク検出装置として利用することができる。

１ 太陽光発電システム
１１ 太陽電池ストリング（直流電源）
１２ アーク検出装置
１３ 接続箱
１４ パワーコンディショニングシステム（電力変換回路）
１５ 太陽電池アレイ
２１ 太陽電池モジュール
２２ａ 出力線路（電力線路）
２２ｂ 出力線路（電力線路）
３１ 電流センサ
３２ 増幅器
３３ 第１フィルタ（高周波取得部）
３４ 第２フィルタ（低周波取得部）
３６ ＣＰＵ
４１ ＦＦＴ処理部
４２ アーク検出部
４３ 偽アークマスク部（偽アーク判定部）
４４ アーク有無判定部

Claims (6)

1. 直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路の電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサの出力信号から、パワースペクトルを生成するパワースペクトル変換部と、
   前記パワースペクトルの高周波成分に基づいて被疑アークを検出するアーク検出部と、
   前記パワースペクトルの低周波成分に基づいて偽アークが発生しているかどうかを判定する偽アーク判定部と、
   前記アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定部にて偽アークが発生していないと判定された場合に、アーク有と判定する一方、前記アーク検出部が被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定部にて偽アークが発生していると判定された場合に、アーク無と判定するアーク有無判定部とを備えていることを特徴とするアーク検出装置。
2. 前記電流センサの出力信号から高周波の信号を取得する高周波取得部と、
   前記電流センサの出力信号から低周波の信号を取得する低周波取得部とを備え、
   前記パワースペクトル変換部は、前記高周波の信号および前記低周波の信号から、前記パワースペクトルの高周波成分としての高周波のパワースペクトル、および前記パワースペクトルの低周波成分としての低周波のパワースペクトルを生成することを特徴とする請求項１に記載のアーク検出装置。
3. 前記偽アーク判定部は、第１の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、前記アークが偽アークであると判定し、
   前記第１の作動条件は、前記パワースペクトルの低周波成分のうち、最大のパワーを示す第１周期のパワーが第１の閾値よりも大きく、かつ前記第１周期の高調波または分数周波のパワーが第２の閾値よりも大きいという条件を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のアーク検出装置。
4. 前記偽アーク判定部は、第２の作動条件が所定回数以上満たされた場合に、前記アークが偽アークであると判定し、
   前記第２の作動条件は、前記第１周期の高調波または分数周波のパワーが、前記第１の閾値よりも小さく、かつ第３の閾値よりも大きいという条件を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載のアーク検出装置。
5. 前記アーク検出部は、前記高周波のパワースペクトルにおいて、前記高周波のパワースペクトルの下の領域の面積を特徴量とし、前記特徴量を所定の閾値と比較することによりアークを検出することを特徴とする請求項１または２に記載のアーク検出装置。
6. 直流電源と電力変換回路とを接続する電力線路の電流を検出する電流検出工程と、
   前記電流検出工程にて検出した電流の信号から、パワースペクトルを生成するパワースペクトル変換工程と、
   前記パワースペクトルの高周波成分に基づいて被疑アークを検出するアーク検出工程と、
   前記パワースペクトルの低周波成分に基づいて偽アークが発生しているかどうかを判定する偽アーク判定工程と、
   前記アーク検出工程にて被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定工程にて偽アークが発生していないと判定した場合に、アーク有と判定する一方、前記アーク検出工程にて被疑アークを検出し、かつ、前記偽アーク判定工程にて偽アークが発生していると判定した場合に、アーク無と判定するアーク有無判定工程とを備えていることを特徴とするアーク検出方法。

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