JP2017220688A - 太陽光発電システム用の電流検出回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】 シャント抵抗に不具合が発生した場合における太陽電池モジュールからの発電電力の回収効率の低下を抑制することができる。【解決手段】 本発明の一実施形態に係る電流検出回路は、太陽電池モジュールから出力された電流が流れる電流路に設けられたシャント抵抗と、前記電流路に前記シャント抵抗と並列に設けられた半導体スイッチと、を備える。本発明の一実施形態に係る電流検出回路は、当該シャント抵抗の両端間の電圧差に基づいて当該シャント抵抗に流れる電流を検出するように構成される。本発明の一実施形態における半導体スイッチは、当該シャント抵抗の両端間の電圧差が所定の値よりも大きくなると通電するように構成される。【選択図】図2
Description
本発明は、太陽光発電システムの電流検出回路の改良に関し、より具体的には、太陽光発電システムの異常診断用の電流値を検出する電流検出回路の改良に関する。さらに具体的には、本発明は、シャント抵抗を用いた電流検出回路の改良に関する。
太陽光発電システムにおいては、太陽電池モジュールから出力される電流の値を検出し、この検出された電流値に基づいて当該太陽電池モジュール又は当該太陽電池モジュールが含まれるストリングの異常診断を行う異常診断システムが知られている(例えば、特開2010−123880号公報(引用文献1)参照)。
この太陽電池モジュールから出力される電流値は、カレントトランスやホール素子を備えた電流検出回路を用いて検出することができる。しかしながら、カレントトランスやホール素子を用いると回路構成が複雑になるという問題がある。
そこで、回路構成を簡素にするためにシャント抵抗を用いた電流検出回路が用いられている。このシャント抵抗を用いた電流検出回路では、太陽電池モジュールから出力された電流の電流路にシャント抵抗を直列に接続し、当該シャント抵抗の両端の電圧差を測定することにより、この測定された電圧差と当該シャント抵抗の抵抗値とに基づいて当該電流路に流れる電流が検出される。
しかしながら、シャント抵抗を用いた電流センサでは、電流路に直列にシャント抵抗が挿入されるため、当該シャント抵抗の劣化や破損が起こると、当該シャント抵抗におけるエネルギー損失が大きくなってしまう。特に、シャント抵抗と電流路との接続部に断線が起こると、太陽電池モジュールによって発電された電力を全く回収できなくなってしまう。シャント抵抗は電流路に直列に接続されるため、複数の太陽電池モジュールを直接に接続したストリングから発電電力を回収する場合には、ストリング全体からの発電電力の回収効率が劣化してしまう。
そこで、本発明は、シャント抵抗やシャント抵抗と電流路の接続部に不具合が発生した場合における太陽電池モジュールからの発電電力の回収効率の低下を抑制することができる電流検出回路を提供することを目的とする。本発明のこれら以外の目的は、明細書全体の記載を通じて明らかにされる。
本発明の一実施形態に係る電流検出回路は、太陽電池モジュールから出力された電流が流れる電流路に設けられたシャント抵抗と、前記電流路に前記シャント抵抗と並列に設けられた半導体スイッチと、を備える。本発明の一実施形態に係る電流検出回路は、当該シャント抵抗の両端間の電圧差に基づいて当該シャント抵抗に流れる電流を検出するように構成される。本発明の一実施形態における半導体スイッチは、当該シャント抵抗の両端間の電圧差が所定の値よりも大きくなると通電するように構成される。
当該実施形態によれば、シャント抵抗またはシャント抵抗と電流路の接続部が劣化又は破損するなどしてその抵抗値が増加し、その結果、当該シャント抵抗の両端間の電圧差が大きくなると半導体スイッチが通電する。このとき、当該太陽電池モジュールから出力された電流は当該半導体スイッチを含むバイパス電流路を流れ、劣化又は破損したシャント抵抗を迂回するため、抵抗値が増加したシャント抵抗に継続して電流が流れる場合よりも太陽電池モジュールからの発電電力の回収効率の低下を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る電流検出回路は、複数の太陽電池モジュールが直列に接続されたストリングに配置される。当該電流検出回路は、第1の端子と、前記電流路により前記第1の端子と接続された第2の端子とを備え、当該第1の端子は、当該ストリング内の太陽電池モジュールの負極に接続され、前記第2の端子は、当該ストリングにおいて前記太陽電池と直列に接続された他の太陽電池モジュールの正極に接続される。当該実施形態によれば、ストリングの電流路に組み込まれたシャント抵抗またはシャント抵抗と電流路の接続部に異常が起きた場合に、ストリング全体からの発電電力の回収効率が劣化することを抑制ないし防止することができる。
本発明の一実施形態における半導体スイッチはダイオードである。当該ダイオードは、例えば、そのカソードが前記第1の端子に接続されるとともにそのアノードが前記第2の端子に接続されるように配置される。当該実施形態によれば、シャント抵抗のまたはシャント抵抗と電流路の接続部を含めた抵抗値が異常に増加して、シャント抵抗両端の電圧差が当該ダイオードの順方向電圧降下よりも大きくなると、当該シャント抵抗をバイパスして、半導体スイッチを含むバイパス経路に電流が流れるようにすることができる。半導体スイッチとしてダイオードを用いる場合には、当該半導体スイッチにオン指令を行う駆動回路を設けなくとも、シャント抵抗の抵抗値の増加によって自動的にバイパス経路に電流を流すことができる。
一実施形態における半導体スイッチは、ショットキーバリアダイオードとすることができる。ショットキーバリアダイオードは、他の種類のダイオードと比較して順方向電圧降下が低いという特徴を有しているため、半導体スイッチとしてショットキーバリアダイオードを使用することにより、電流がバイパス経路を流れる際の損失を低減することができる。本発明に適用することができるダイオードはショットキーバリアダイオードに限られず、任意の種類のダイオードを適用することができる。
本発明によれば、シャント抵抗またはシャント抵抗と電流路の接続部に不具合が発生した場合における太陽電池モジュールからの発電電力の回収効率の低下を抑制することができる。
以下、適宜図面を参照し、本発明の様々な実施形態を説明する。なお、図面において共通の又は類似する構成要素には同一又は類似の参照符号が付されている。
図1は、本発明の一実施形態に係る電流検出回路が設けられた太陽光発電システムの機能を概略的に示すブロック図である。図示のとおり、この太陽光発電システムは、複数の太陽電池モジュールを含むアレイ13と、当該アレイ13からの直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナ14と、太陽電池モジュール5の状態値を収集するマネジメントユニット15と、を備える。
アレイ13は、複数のストリングを備えることができる。図1の例においては、ストリング11−1及びストリング11−2の2つのストリングが示されているが、アレイ13は任意の数のストリングを備えることができる。本明細書においては、ストリングを区別する必要がある場合を除き、アレイ13に含まれるストリングをストリング11と総称する。
ストリング11は、直列に接続された複数の太陽電池モジュールを備える。例えば、ストリング11−1はn個の太陽電池モジュール5−1〜5−nを直列に接続して成り、ストリング11−2はm個の太陽電池モジュール5−1〜5−mを直列に接続して成る。本明細書においては、太陽電池モジュールを区別する必要がある場合を除き、各ストリング11に含まれる太陽電池モジュールを太陽電池モジュール5と総称する。図1に示すように、ストリング11に含まれる複数の太陽電池モジュール5のうち両端にあるモジュール、例えばストリング11−1については太陽電池モジュール5−1及び太陽電池モジュール5−nがパワーコンディショナ14に接続される。
各ストリング11には、センサユニット10が設けられている。本発明の一実施形態に係るセンサユニット10は、太陽電池モジュール5と接続するための複数の外部端子を有している。例えば、図1に示すセンサユニット10は、自ユニットよりも上流側に配置された太陽電池モジュール5−4の正極端子5aに接続され当該正極端子5aからの電流が入力される外部端子10aと、当該外部端子10aと電流路を介して接続され当該電流路を流れる電流を太陽電池モジュール5−4よりも下流に配置された太陽電池モジュール5−3の負極端子5bに出力するための外部端子10bと、太陽電池モジュール5−3の正極端子5aに接続され当該正極端子5aからの電流が入力される外部端子10cと、当該外部端子10cと電流路を介して接続され当該電流路を流れる電流を太陽電池モジュール5−3よりも下流に配置された太陽電池モジュール5−2の負極端子5bに出力するための外部端子10dと、を有している。
所定のストリング11に設けられたセンサユニット10は、当該ストリング(又は当該ストリングに含まれている太陽電池モジュール5)が出力する電流、電圧、もしくは電力、又は当該ストリングに含まれる太陽電池モジュール5の温度等の状態値を測定することができる。センサユニット10により測定された太陽電池モジュール5の状態値は、異常診断のためにセンサユニット10のアンテナからマネジメントユニット15に送信される。センサユニット10は、測定された状態値に基づいて自ら異常診断を行い、その診断結果をマネジメントユニット15に送信してもよい。
マネジメントユニット15は、複数のセンサユニット10と無線通信可能に構成されている。一実施形態におけるマネジメントユニット15は、不図示のホストサーバと通信可能に接続されており、センサユニット10から受信した、当該センサユニット10が設けられているストリング11の状態値を当該ホストサーバに送信することができる。ホストサーバは、マネジメントユニット15を介して各センサユニットから受信した各ストリング11の状態値に基づいて、各ストリングに異常がないか診断する。異常(故障)診断は、公知の任意のロジックを用いて実行することができる。例えば、異常判定ロジックの一例が特開2010−123880号公報(段落[0033]、[0034]等参照)に記載されている。異常診断は、ホストサーバではなく、センサユニット10又はマネジメントユニット15で実行されてもよい。この場合、ホストサーバには診断結果が送信され、当該ホストサーバには、当該診断結果のログが蓄積される。
次に、図2を参照して、本発明の一実施形態に係るセンサユニット10の機能を説明する。図示のとおり、本発明の一実施形態に係るセンサユニット10は、外部端子10aと外部端子10bとを接続する電流路CP1と、外部端子10cと外部端子10dを接続する電流路CP2と、を備える。ストリング11においてセンサユニット10よりも上流に配置されている太陽電池モジュール5(例えば、太陽電池モジュール5−4)から出力された発電電流は、外部端子10aからセンサユニット10に入力される。この入力された電流は、電流路CP1を通って外部端子10bから太陽電池モジュール5−3に出力される。また、太陽電池モジュール5−3から出力された発電電流は、外部端子10cからセンサユニット10に入力され、電流路CP2を通って外部端子10dから太陽電池モジュール5−2に出力される。この電流路CP1及び電流路CP2は、回路基板上に形成された導体から成る。
また、本発明の一実施形態に係るセンサユニット10は、電流路CP1上に設けられたシャント抵抗Rsと、このシャント抵抗R1と並列に配置された半導体スイッチ21と、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差を増幅する増幅器22と、増幅器22から出力されたアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するAD変換器23と、外部端子10bと外部端子10cとの間に接続された電源ユニット24と、各種制御を行うマイクロコンピュータ25と、他のセンサユニット10やマネジメントユニット15との間で無線通信を行う無線ユニット26とを備える。
この図2の実施形態における電源ユニット24は、外部端子10bと外部端子10cとの間に配置されており、例えば、これらの端子を介して太陽電池モジュール5−3から供給される電力で充電されるコンデンサを備える。電源ユニット24は、マイクロコンピュータ25、無線ユニット26等のセンサユニット10に設けられている電子部品に電気的に接続されており、これらの電子部品に対する電源として機能する。
シャント抵抗Rsは、単一の抵抗素子、又は、直列及び/又は並列に接続された複数の抵抗素子から構成される。シャント抵抗Rsは、電流路CP1を電流が流れるときの両端間における電圧降下(つまり、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差)が、概ね数十mVとなるように構成される。一実施形態において、シャント抵抗Rsと外部端子10bとの接続点は、グラウンドに接続されている。
増幅器22は、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差を増幅し、増幅された電圧信号をAD変換器23に出力するように構成される。具体的には、増幅器22は、入力抵抗R1と、入力抵抗R2と、オペアンプOpと、バイパスコンデンサC1、C2と、負帰還抵抗R3と、を備える。入力抵抗R1は、その一端がシャント抵抗RSの一端と外部端子10aとの接続点に接続されるとともに、その他端がオペアンプOpの非反転入力端子に接続されている。入力抵抗R2は、その一端がシャント抵抗RSの他端と外部端子10bとの接続点に接続されるとともに、その他端がオペアンプOpの反転入力端子に接続されている。入力抵抗R1及び入力抵抗R2の抵抗値は、互いに等しくなるように設定される。入力抵抗R1とオペアンプOpの非反転入力端子との接続点は、バイパスコンデンサC1を介してグラウンドに接続されており、また、入力抵抗R2とオペアンプOpの反転入力端子との接続点は、バイパスコンデンサC2を介してグラウンドに接続されている。このような構成により、増幅器22は、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差を、負帰還抵抗R3の抵抗値と入力抵抗R2の抵抗値との比に応じた増幅率で増幅することができる。つまり、増幅器22は、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差を所定の増幅率で増幅したアナログ電圧信号を出力する。増幅器22から出力されたアナログ電圧信号は、上述したように、AD変換器23においてデジタル電圧信号に変換され、マイクロコンピュータ25に入力される。
マイクロコンピュータ25は、AD変換器23からのシャント抵抗Rsの端子間の電位差を示すデジタル電圧信号と、シャント抵抗Rsの抵抗値と、増幅器22の増幅率とに基づいて、電流路CP1に流れる電流の電流値を算出することができる。また、マイクロコンピュータ25は、算出したCP1の電流値やシャント抵抗Rsの両端間の電圧差に基づいて、センサユニット10が設けられているストリング11における異常の有無を診断することができる。マイクロコンピュータ25は、ストリング11に異常が発生したと判断した場合には、当該ストリングを識別するIDとともに異常の発生を示す異常検出信号を、無線ユニット26を介して、マネジメントユニット15やホストサーバに送信することができる。なお、マイクロコンピュータ25は、センサユニット10を流れる電流の電流値以外にも、センサユニット10の各種内蔵センサから取得したストリング11の状態値(例えば、電圧値、電力値、温度等)に取得し、この状態値に基づいて、ストリング11に異常がないか診断することができる。異常(故障)診断は、公知の任意のロジックを用いて実行することができる。また、マイクロコンピュータ25は、測定されたストリング11の状態値の平均値算出やピーク値算出といった様々な演算処理を行うこともできる。
図2に示した実施形態における無線ユニット26は、マイクロコンピュータ25の制御に基づいて、ストリング11に異常があることを示す信号や各種状態値を他の通信装置(例えば、他のセンサユニット10や後述するマネジメントユニット15)に無線送信するように構成される。この無線ユニット26は、例えば、Zigbee(登録商標)、Bluetooth(登録商標)等の近距離無線用の規格や、IEEE802.11系の無線LANやWiMAX等の無線通信規格を用いて無線通信を行うように構成される。無線ユニット26は、マネジメントユニット15との距離に応じて、マネジメントユニット15に対して情報を直接無線送信してもよいし、近傍にある他のセンサユニット10にまず送信し、当該他のセンサユニット10からマネジメントユニット15に対して送信するようにしてもよい(つまり、複数のセンサユニット10によりマルチホップ通信を行ってもよい)。
半導体スイッチ21は、上述したように、電流路CP1においてシャント抵抗Rsと並列に設けられる。半導体スイッチ21の詳細について図3を参照してさらに説明する。図3は、本発明の一実施形態において用いられる半導体スイッチの一例を模式的に示す概略図である。図3に示すように、本発明の一実施形態における半導体スイッチ21は、ダイオード31を備える。このダイオード31は、そのアノードが外部端子10aに接続されるとともに、そのカソードが外部端子10bに接続されるように電流路CP1に配置される。
本発明の一実施形態におけるダイオード31は、その順方向電圧降下がシャント抵抗Rsまたはシャント抵抗Rsと電流路の接続部に異常がない場合(つまり、シャント抵抗Rsの抵抗値が定格抵抗値に近接した値である場合)のシャント抵抗Rsの両端間の電圧差よりも小さくなるように構成される。例えば、ダイオード31の順方向電圧降下は、約0.4V〜約0.8Vの範囲内の任意の値に設定される。これにより、シャント抵抗Rsに異常がない場合には、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差がダイオード31の順方向電圧降下よりも小さいため、ダイオード31は導通せず、電流路CP1を流れる電流はシャント抵抗Rsを通過する。一方、シャント抵抗Rsの劣化、シャント抵抗Rsと電流路CP1との断線、及びこれら以外の理由により、シャント抵抗Rsの抵抗値が異常に上昇した場合には、ダイオード31が導通し、電流路CP1を流れる電流の一部又は全部は、シャント抵抗Rsではなく半導体スイッチ21(ダイオード31)経由で外部端子10aから外部端子10bに流れる。
本発明の一実施形態におけるダイオード31は、ショットキーバリアダイオードとすることができる。ショットキーバリアダイオードは、他の種類のダイオードと比較して順方向電圧降下が低いという特徴を有しているため、半導体スイッチとしてショットキーバリアダイオードを使用することにより、電流がバイパス経路を流れる際の損失を低減することができる。ただし、当該ショットキーバリアダイオードの順方向電圧降下は、シャント抵抗Rsに異常がない場合のシャント抵抗Rsの両端間の電圧差よりも大きい点に留意されたい。
また、マイクロコンピュータ25は、AD変換器23から入力されたデジタル電圧信号に基づいて、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差が所定の値以上になったことを検出すると、シャント抵抗Rsに異常が生じたと判断し、シャント抵抗Rsの異常が生じたことを示す検出信号を生成することができる。この検出信号は、無線ユニット26を介してマネジメントユニット15やホストサーバに送信される。図2に示した回路においては、シャント抵抗Rsが断線した場合であっても、半導体スイッチ21の両端間の電圧差を示すデジタル電圧信号がマイクロコンピュータ25に入力されるので、マイクロコンピュータ25は、シャント抵抗Rsが劣化してその抵抗値が増加した場合だけでなく、シャント抵抗Rsが破損してシャント抵抗Rsに全く電流が流れることができない場合でも、半導体スイッチ21の両端に生じる電圧差に基づいてシャント抵抗Rsに異常が発生したことを検出することができる。このような検出信号もマネジメントユニット15やホストサーバに送信される。太陽光発電システムのオペレータは、この検出信号に基づいて異常が検出されたシャント抵抗Rsを特定し、当該シャント抵抗Rsの点検や修理を行うことができる。
半導体スイッチ21として、ダイオード以外にも様々なスイッチを用いることができる。例えば、半導体スイッチ21として電界効果トランジスタ(FET)を用いる例を図4に示す。図4に示すように、本発明の一実施形態におけるFET41は、そのソースが外部端子10aに接続されるとともにドレインが外部端子10bに接続されるように電流路CP1に配置される。また、FET41のゲートには、マイクロコンピュータ25から駆動信号が供給される。したがって、FET41は、マイクロコンピュータ25からの駆動信号に基づいてオンオフ制御され、オン時には外部端子10aから入力された電流がFET41を通って外部端子10bに流れる。マイクロコンピュータ25は、AD変換器23から入力されるデジタル電圧信号に基づいてシャント抵抗Rsの両端間の電圧差を監視し、この電圧差が所定の閾値以上になったときに、FET41のゲートに駆動信号を供給するように構成される。
この閾値は、シャント抵抗Rsに正常に動作している場合のシャント抵抗Rsの両端間の電圧差よりも大きい値、例えば、約60mV〜約120mVの範囲内の任意の値に設定される。これにより、シャント抵抗Rsに異常がない場合には、シャント抵抗Rsの両端間の電圧差が閾値よりも小さいためFET41はオフされており、電流路CP1を流れる電流はシャント抵抗Rsを通過する。一方、シャント抵抗Rsに異常が発生してその抵抗値が増加したことによってシャント抵抗Rsの両端間の電圧差が当該閾値よりも大きくなると、FET41のソース−ドレイン間が導通し、電流路CP1を流れる電流の一部又は全部が、半導体スイッチ21(FET41)経由で外部端子10aから外部端子10bに流れるようになる。
以上のように、本発明の様々な実施形態によれば、シャント抵抗Rsに異常が生じてその抵抗値が増加した場合に半導体スイッチ21がオンされ、当該半導体スイッチ21を含むバイパス経路を経由して外部端子10aから外部端子10bへ電流が流れる。これにより、シャント抵抗Rsの抵抗値が所定の値以上になった場合には、電流の少なくとも一部が半導体スイッチ21を含むバイパス電流路経由で流れるため、抵抗値が異常に増加したシャント抵抗Rsに全電流が流れ続ける場合と比較して、太陽電池モジュールからの発電電力の回収効率の低下を抑制することができる。また、本発明の一実施形態に係る電流検出回路においては、シャント抵抗Rsが断線した場合であっても、半導体スイッチ21の両端間の電圧差に基づいてシャント抵抗Rsに異常が生じたことを検出することができる。
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。上述した各部材の素材、形状、及び配置は、本発明を実施するための実施形態に過ぎず、発明の趣旨を逸脱しない限り、様々な変更を行うことができる。
5−1〜5−m(5−n) 太陽電池モジュール
5a 正極端子
5b 負極端子
10 センサユニット
10a、10b、10c、10d 外部端子
21 半導体スイッチ
22 増幅器
23 AD変換器
24 電源ユニット
25 マイクロコンピュータ
26 無線ユニット
31 ダイオード
41 電界効果トランジスタ
5a 正極端子
5b 負極端子
10 センサユニット
10a、10b、10c、10d 外部端子
21 半導体スイッチ
22 増幅器
23 AD変換器
24 電源ユニット
25 マイクロコンピュータ
26 無線ユニット
31 ダイオード
41 電界効果トランジスタ
Claims (8)
- 太陽電池モジュールから出力された電流が流れる電流路に設けられたシャント抵抗と、
前記電流路に前記シャント抵抗と並列に設けられた半導体スイッチと、
を備え、
前記シャント抵抗の両端間の電圧差に基づいて当該シャント抵抗に流れる電流を検出するように構成された電流検出回路であって、
前記半導体スイッチは、前記電圧差が所定の値よりも大きくなると通電するように構成されることを特徴とする電流検出回路。 - 第1の端子と、
前記電流路により前記第1の端子と接続された第2の端子と、
をさらに備え、
前記太陽電池モジュールは所定のストリングに配置されており、
前記第1の端子は、前記太陽電池モジュールの負極に接続され、前記第2の端子は、前記所定のストリングにおいて前記太陽電池モジュールと直列に接続された他の太陽電池モジュールの正極に接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電流検出回路。 - 前記半導体スイッチがダイオードであり、
前記ダイオードは、前記電圧差が前記ダイオードの順方向電圧降下よりも大きいときに導通するように、当該ダイオードのカソードが前記第1の端子に接続されるとともに当該ダイオードのアノードが前記第2の端子に接続されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電流検出回路。 - 前記半導体スイッチがショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項3に記載の電流検出回路。
- 前記半導体スイッチが電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電流検出回路。
- 前記電界効果トランジスタは、前記電圧差が所定の閾値よりも大きいときにオンされることを特徴とする請求項5に記載の電流検出回路。
- 前記電圧差を増幅する増幅器と、
前記電圧差を示すアナログ電圧信号をデジタル電圧信号に変換するAD変換器と、
をさらに備える請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の電流検出回路。 - 前記シャント抵抗の一端がグラウンドに接続されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6に記載の電流検出回路。
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