JP2018124166A - アーク検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オプティマイザを備える太陽光発電システムの電気アークを検出する。
【解決手段】太陽光発電システム（１Ａ）では、太陽電池ストリング（１１）が電路（１２）を介してＰＣＳ（１３）に接続されている。太陽電池ストリング（１１）では、太陽電池モジュール（２１）と、太陽電池モジュール（２１）の出力電圧を最適化するオプティマイザ（２２）とを有する太陽電池ユニット（２０Ａ）の複数個が直列接続されている。アーク検出装置（３０Ａ）では、コンデンサ（３３ａ・３４ａ）がオプティマイザ（２２）を迂回するバイパス電流経路（３３ｂ・３４ｂ）を形成し、電流センサ（３１）が電路（１２）に設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源システムに適用されるアーク検出装置に関する。

太陽光発電システムは、太陽電池アレイを備え、該太陽電池アレイは、複数の太陽電池ストリングが並列接続されて構成され、各太陽電池ストリングは、複数の太陽電池モジュールが直列接続されて構成されている。一例として、各太陽電池ストリングにおいて発電された直流電力は、パワーコンディショニングシステム（Power Conditioning System，ＰＣＳ）にて適当な直流電力および／または適当な交流電力に変換される。

このような太陽光発電システムでは、システム内の回路等の故障によりアークを生じることがある。アークが発生した場合、アークの発生部分は高温になり、火災等を起こす恐れがある。そこで、太陽光発電システムは、アークの交流電流を電流センサにて計測することによりアークの発生を検出するアーク検出装置を備えている。

特許文献１に記載の構成では、太陽電池（光電発電機）にて発電された電力が、ＤＣ電力線を介してインバータに供給されている。ＤＣ電力線には電流センサが設けられ、この電流センサが計測する交流電流に基づいて、アークの発生の有無を検出するようになっている。

特表２０１４−５０９３９６号公報 特表２０１０−５２１７２０号公報 特表２０１２−５１０１５８号公報

近時の太陽光発電システムでは、太陽光エネルギーを、より効率的に電力に変換するために、上記ＰＣＳにて行われてきた電力の最適化を、太陽電池ストリング単位で行ったり、太陽電池モジュール単位で行うオプティマイザが利用されつつある。特許文献２・３には、上記オプティマイザの具体的な構成が開示されている。

しかしながら、上記オプティマイザを設けた太陽光発電システムにおいて、上記アークが発生した場合、電流センサにてアークの交流電流を検出することは困難である。これは、上記オプティマイザは、ＤＣ/ＤＣ変換回路を備えているためである。該ＤＣ／ＤＣ変換回路は、チョッパ式、フライバック式、フォワード式などの変換方式により直流電圧を変換しているが、何れの変換方式でも、回路中にコイル（インダクタ）が含まれている。このため、アークの交流成分が低減されることになる。また、電圧安定化のために回路中にコンデンサが挿入されており、該コンデンサにより、上記アークの交流電電流の高周波成分が流れてしまうことになる。その結果、上記電流センサにアークの交流電流が流れないことになる。

したがって、本発明の一態様は、オプティマイザが存在していても太陽光発電システムなどの直流電源システムに生じた電気アークを検出することができるアーク検出装置の提供を目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアーク検出装置は、入力端子に入力された直流電力を消費または変換する負荷装置と、前記入力端子に接続された電路と、発電または充放電する直流電源モジュールと、前記直流電源モジュールの出力電圧を最適化して前記電路に供給するオプティマイザとを有する直流電源ユニットの複数個を直列接続した直流電源ストリングと、を備えた直流電源システムに適用されるアーク検出装置であって、前記直流電源モジュールの一方の出力端子に一端部が接続され、前記オプティマイザの一方の出力端子に他端部が接続された第１コンデンサと、前記直流電源ストリングと前記負荷装置との間の前記電路において電流を計測する電流計測部と、前記電流計測部により計測された交流電流の高周波成分に基づきアークの有無を判定するアーク判定部と、を有することを特徴としている。

上記の構成によれば、直流電源モジュールは、オプティマイザおよび電路を介して負荷装置と接続され、第１コンデンサは前記オプティマイザを迂回する第１バイパス電流経路を形成し、電流計測部は、前記直流電源ストリングと前記負荷装置との間の前記電路にて電流を計測する。

従って、前記オプティマイザが存在する場合であっても、前記電路における前記電流計測部は、直流電源モジュールにて発生したアークの交流電流を計測することができる。これにより、前記アーク検出装置は、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。

なお、第１コンデンサは、前記オプティマイザの外部に設けられてもよいし、前記オプティマイザの内部に設けられてもよい。

上記態様に係るアーク検出装置では、第１コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサのインピーダンスと、前記オプティマイザの一方の入力端子および一方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、前記オプティマイザの入力端子どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスよりも小さくなる、という条件を満たすことが好ましい。

この場合、前記オプティマイザを介して前記直流電源モジュールの出力端子間を流れる交流電流よりも、前記オプティマイザ、第１コンデンサ、前記電路、および前記負荷装置を介して前記直流電源モジュールの出力端子間を流れる交流電流の方が多くなる。従って、前記直流電源システムにて発生したアークを確実に検出することができる。

上記態様に係るアーク検出装置では、第１コンデンサの一端部と前記オプティマイザの一方の入力端子との間に第１コイルをさらに備えてもよい。この場合、第１バイパス電流経路を流れる交流電流が多くなり、前記電流計測部を流れる交流電流が多くなる。その結果、前記直流電源システムにて発生したアークを精度よく検出することができる。なお、第１コイルは、前記オプティマイザ内に設けられていてもよいし、前記オプティマイザの外部に設けられていてもよい。

ところで、前記オプティマイザによっては、該オプティマイザにおける入力端子と出力端子との間の各インピーダンスが大きい場合がある。

そこで、上記態様に係るアーク検出装置では、前記直流電源モジュールの他方の出力端子に一端部が接続され、前記オプティマイザの他方の出力端子に他端部が接続された第２コンデンサをさらに備えてもよい。

この場合、第２コンデンサは前記オプティマイザを迂回する第２バイパス電流経路を形成する。従って、前記オプティマイザにおける入力端子と出力端子との間の各インピーダンスが大きくても、前記電路における前記電流計測部は、前記直流電源モジュールにて発生したアークの交流電流を計測することができる。これにより、前記アーク検出装置は、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。

上記態様に係るアーク検出装置では、第１コンデンサおよび第２コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサおよび第２コンデンサのインピーダンスと、前記オプティマイザの一方の入力端子および一方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記オプティマイザの他方の入力端子および他方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、前記オプティマイザの入力端子どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスよりも小さくなる、という条件を満たすことが好ましい。

この場合、前記オプティマイザを介して前記直流電源モジュールの出力端子間を流れる交流電流よりも、前記オプティマイザ、第１コンデンサ、第２コンデンサ、前記電路、および前記負荷装置を介して前記直流電源モジュールの出力端子間を流れる交流電流の方が多くなる。従って、前記直流電源システムにて発生したアークを確実に検出することができる。

上記態様に係るアーク検出装置では、第２コンデンサの一端部と前記オプティマイザの他方の入力端子との間に第２コイルをさらに備えてもよい。この場合、第２バイパス電流経路を流れる交流電流が多くなり、前記電流計測部を流れる交流電流が多くなる。その結果、前記直流電源システムにて発生したアークを精度よく検出することができる。なお、第２コイルは、前記オプティマイザ内に設けられていてもよいし、前記オプティマイザの外部に設けられていてもよい。

本発明の一態様によれば、第１コンデンサはオプティマイザを迂回する第１バイパス電流経路を形成することにより、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、直流電源ストリングおよび負荷装置の間の電路における電流計測部は、直流電源にて発生したアークの交流電流を計測することができるので、アーク検出装置は、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。

本発明の実施形態１におけるアーク検出装置を示すものであって、アーク検出装置の要部を示す回路図である。 前記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。 前記太陽光発電システムに備えられたオプティマイザの構成を示す回路図である。 前記アーク検出装置におけるアーク検出処理部の構成を示すブロック図である。 （ａ）は太陽光発電システムにおいて、アークが発生していないときに電流センサにて検出された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図であり、（ｂ）は太陽光発電システムにおいて、アークが発生しているときに電流センサにて検出された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。 前記太陽光発電システムに備えられたオプティマイザの変形例の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態２における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。 前記アーク検出装置の要部構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３における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。 本発明の実施形態４におけるアーク検出装置を示すものであって、アーク検出装置の要部を示す回路図である。

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（太陽光発電システムの構成）
本実施形態の太陽光発電システムの構成について、図２に基づいて説明する。図２は、アーク検出装置３０Ａを備える太陽光発電システム１Ａ（直流電源システム）の構成を示す概略の回路図である。

図２に示すように、本実施形態の太陽光発電システム１Ａでは、複数の直流電源ユニットとしての太陽電池ユニット２０Ａが直列接続された直流電源ストリングとしての太陽電池ストリング１１と負荷装置としての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）１３とが接続されている。太陽電池ストリング１１は、電路１２を介してＰＣＳ１３の入力端子１３ａ・１３ａに接続されている。尚、本実施の形態では、太陽電池ストリング１１は１個として説明するが、必ずしもこれに限らず、後述する実施形態３に示すように、複数個の太陽電池ストリング１１が並列に設けられているとすることも可能である。

太陽電池ユニット２０Ａは、直流電源モジュールとしての太陽電池モジュール２１と切替器としてのオプティマイザ２２とを備えている。太陽電池モジュール２１は、パネル上に直列接続された複数の太陽電池セルを備えている。オプティマイザ２２は、太陽電池モジュール２１から電路を介しての電力を最適化して、出力電力を太陽電池ストリング１１の電路１２に供給するものである。これにより、太陽電池ストリング１１からＰＣＳ１３への電力の出力効率を向上することができる。尚、オプティマイザ２２の詳細については後述する。

ＰＣＳ１３は、太陽電池ストリング１１から入力端子１３ａ・１３ａに入力した直流電力を所定の交流電力に変換して外部の負荷装置としての電力系統１４に出力するものである。具体的には、ＰＣＳ１３は、コンバータ１３ｂ及びインバータ１３ｃを備えている。

コンバータ１３ｂは、太陽電池ストリング１１からの直流電力を所定の直流電力にＤＣ／ＤＣ変換する回路であり、例えば昇圧チョッパである。コンバータ１３ｂにて変換された直流電力は、インバータ１３ｃに供給される。

インバータ１３ｃは、コンバータ１３ｂから供給された直流電力を例えば周波数６０Ｈｚ等の所定周波数の交流電力にＤＣ／ＡＣ変換する回路である。インバータ１３ｃにて変換された交流電力は、負荷装置である外部の電力系統１４に供給され消費される。

このように、本実施形態の太陽光発電システム１Ａでは、ＰＣＳ１３が設けられていることにより、太陽電池ストリング１１にて発電された直流電力を、電力系統１４との系統連系が可能となる所定の電圧及び周波数を有する交流電力に変換することができる。このことは、本発明の一態様において必須ではない。
（オプティマイザの構成）
図３は、オプティマイザ２２の構成を示す概略の回路図である。

図３に示すように、オプティマイザ２２は、第１接続端子２２ａ、該第１接続端子２２ａから太陽電池モジュール２１の正端子Ｐまでの経路及び太陽電池モジュール２１の負端子Ｎから第２接続端子２２ｃへの経路間に設けられたＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂ、第１接続端子２２ａと第２接続端子２２ｃとを直接結ぶ経路間に設けられた第１スイッチ回路２２ｄ、並びに該ＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂ及び該第１スイッチ回路２２ｄを制御する最大動作点制御部２２ｅを備えている。

前述したように、オプティマイザ２２は電路１２に挿入されており、該電路１２は、オプティマイザ２２の内部において第１スイッチ回路２２ｄによって開閉可能となっている。

ＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂは、コイルを備えており、太陽電池モジュール２１から入力された電力を、ＤＣ／ＤＣ変換して電路１２に出力する。このとき、オプティマイザ２２は、最大動作点制御部２２ｅによりＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂから最大の電力を出力するように制御する。

具体的には、最大動作点制御部２２ｅは、図示しない一次側電圧・電流監視部にて太陽電池モジュール２１の出力電圧・出力電流を監視し、オプティマイザ２２の二次側の出力、つまり電路１２への出力が最大になるように制御する。制御に際しては、最大動作点制御部２２ｅは、第１スイッチ回路２２ｄの開閉の制御を行う。

（オプティマイザの動作）
上記構成のオプティマイザ２２における一般的な動作について説明する。前述のように、オプティマイザ２２は、太陽電池モジュール２１からの電力を最適化して、太陽電池ストリング１１の電路１２に供給するものである。詳細には、オプティマイザ２２は、最大動作点制御部２２ｅの制御により、太陽電池モジュール２１から所定の閾値以上の電力が出力されている場合には、第１スイッチ回路２２ｄをオフにする。これにより、太陽電池モジュール２１から所定の閾値以上の電力がＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを介して電路１２に出力される。一方、オプティマイザ２２は、最大動作点制御部２２ｅの制御により、太陽電池モジュール２１から所定の閾値以上の電力が出力されていない場合には、第１スイッチ回路２２ｄをオンにする。これにより、太陽電池モジュール２１から所定の閾値以上の電力が得られないので、第１スイッチ回路２２ｄがオンされ、太陽電池ストリング１１の電路１２内で電流が流れる。

この結果、太陽電池モジュール２１は、所定の閾値以上の電力のみ電路１２に出力する。したがって、オプティマイザ２２は、太陽電池モジュール２１からの電力を最適化して、太陽電池ストリング１１の電路１２に供給することができる。
（アーク検出装置の構成）
ところで、前記構成の太陽光発電システム１Ａでは、例えば、太陽電池モジュール２１の内部回路の故障によりアークを生じることがある。アークが発生した場合、アークの発生部分は高温になり、火災等を起こす恐れがある。

図２に示すように、そこで、本実施の形態の太陽光発電システム１Ａは、アークが発生したときの交流電流を電流センサ３１（電流計測部）にて計測することによりアークを検出するアーク検出装置３０Ａを備えている。

図２に示すように、アーク検出装置３０Ａは、太陽電池ストリング１１の電路１２に設けられた前記電流センサ３１とアーク検出処理部３２（アーク判定部）とを備えている。

図４は、アーク検出装置３０Ａのアーク検出処理部３２の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、アーク検出処理部３２は、増幅器３２ａ、フィルタ３２ｂ、Ａ／Ｄ変換部３２ｃ及びＣＰＵ（central processing unit）３２ｄを備えている。

増幅器３２ａは、電流センサ３１にて計測された電流を増幅する。フィルタ３２ｂは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、増幅器３２ａから出力される電流のうち、所定周波数範囲の電流のみを通過させる。これにより、増幅器３２ａから出力される電流から、ＰＣＳ１３が備えるＤＣ−ＤＣコンバータからなるコンバータ１３ｂのスイッチングノイズを多く含む周波数成分の電流を排除できるようにしている。Ａ／Ｄ変換部３２ｃは、フィルタ３２ｂを通過したアナログの電流の信号をデジタル信号に変換し、ＣＰＵ３２ｄへ入力する。

ＣＰＵ３２ｄは、ＦＦＴ処理部３２ｄ１及びアーク有無判定部３２ｄ２を備えている。ＦＦＴ（FastFourier Transform：高速フーリエ変換）処理部３２ｄ１は、Ａ／Ｄ変換部３２ｃから入力された電流のデジタル信号に対して高速フーリエ変換を行い、電流のパワースペクトルを生成する。アーク有無判定部３２ｄ２は、ＦＦＴ処理部３２ｄ１が生成した電流のパワースペクトルに基づいて、アーク発生の有無を判定する。

（太陽光発電システム及びアーク検出装置の動作）
次に、太陽光発電システム１Ａ及びアーク検出装置３０Ａの動作について、図５の（ａ）（ｂ）に基づいて説明する。図５の（ａ）は、太陽光発電システム１Ａにおいて、アークが発生していないときに電流センサ３１にて検出された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。図５の（ｂ）は、太陽光発電システム１Ａにおいて、アークが発生しているときに電流センサ３１にて検出された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。

前述したように、太陽電池ストリング１１の各太陽電池モジュール２１は直流の電力を発電し、その電力は、電路１２を通ってＰＣＳ１３へ入力される。ＰＣＳ１３は、入力された直流電力を交流電力に変換し、出力する。

図５の（ａ）に示すように、各太陽電池モジュール２１が直流の電力を発電して太陽電池ストリング１１に直流電力を流している場合に、太陽光発電システム１Ａの太陽電池モジュール２１に断線等が発生せず、アークが発生していなければ、電流センサ３１にて検出される電流はアークの交流電流を含まず、この電流をＦＦＴ処理部３２ｄ１にて高速フーリエ変換した波形は、全ての周波数０〜１００ｋ（ｈｚ）において例えば略−８０ｄｂのパワースペクトルとなる。

図５の（ｂ）に示すように、一方、太陽光発電システム１Ａの太陽電池モジュール２１が直流の電力を発電して太陽電池ストリング１１に直流電力を流している場合に、いずれかの太陽電池モジュール２１においてアークが発生すると、電流センサ３１にて検出される電流は、太陽電池ストリング１１の出力電流である直流電流にアークの交流成分が重畳されたものとなり、この電流をＦＦＴ処理部３２ｄ１にて高速フーリエ変換した波形は、例えば特に周波数０〜４０ｋ（ｈｚ）において例えば略−７０ｄｂ〜略−４０ｄｂのパワースペクトルとなる。

したがって、アーク検出処理部３２は、電流センサ３１から入力された信号の高周波成分に基づいて、太陽電池モジュール２１でのアークの発生を検出することができる。

図２に示すように、本実施の形態の太陽光発電システム１Ａでは、各太陽電池モジュール２１は、各オプティマイザ２２にそれぞれ並列接続されている。

そして、例えば、図３に示すオプティマイザ２２の内部の回路において、第１スイッチ回路２２ｄを切断して太陽電池モジュール２１が電路１２に電力を供給しているときに、太陽電池モジュール２１にアークの発生があったとする。この場合に、オプティマイザ２２のＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂは図示しないコイルを備えており、コイルは高周波電流を通さない。この結果、太陽電池モジュール２１にアークの発生があったとしても、電路１２に交流電流が流れないので、電路１２に設けられた電流センサ３１は、太陽電池モジュール２１のアーク発生を検知することができない。

図１に示すように、そこで、本実施の形態の太陽光発電システム１Ａのアーク検出装置３０Ａでは、太陽電池モジュール２１の正端子Ｐ（出力端子）に一端部が接続され、電路１２における一方の電路１２ａ、すなわちオプティマイザ２２の第１接続端子２２ａ（出力端子）に他端部が接続されたコンデンサ３３ａ（第１コンデンサ）により、正端子側迂回路３３ｂ（第１バイパス電流経路）が形成される。また、太陽電池モジュール２１の負端子Ｎ（出力端子）に一端部が接続され、電路１２における一方の電路１２ｂ、すなわちオプティマイザ２２の第２接続端子２２ｃ（出力端子）に他端部が接続されたコンデンサ３４ａ（第２コンデンサ）により、負端子側迂回路３４ｂ（第２バイパス電流経路）が形成される。

従って、オプティマイザ２２が存在する場合であっても、電路１２における電流センサ３１は、太陽電池モジュール２１にて発生したアークの交流電流を計測することができる。これにより、アーク検出装置３０Ａは、太陽光発電システム１Ａにオプティマイザ２２が存在する場合であっても、太陽光発電システム１Ａにて発生したアークを検出することができる。

尚、正端子側迂回路３３ｂにはコンデンサ３３ａが存在していると共に、負端子側迂回路３４ｂにはコンデンサ３４ａが設けられており、コンデンサ３３ａ・３４ａは直流電流を通さない。この結果、正端子側迂回路３３ｂ及び負端子側迂回路３４ｂによる電路１２と太陽電池モジュール２１との短絡により、オプティマイザ２２による最適な電力の取り出しが抑制されるということはない。

ここで、コンデンサ３３ａのインピーダンス、すなわち一方の電路１２ａから太陽電池モジュール２１の正端子Ｐへのコンデンサ３３ａを介した正端子側迂回路３３ｂのインピーダンスをＺ_{ｐａｓｓＰ}とする。また、オプティマイザ２２における第１接続端子２２ａからＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを介した太陽電池モジュール２１の正端子Ｐ（オプティマイザの一方の入力端子と同等）までのインピーダンスをＺ_Ｐとする。

また、コンデンサ３４ａのインピーダンス、すなわち太陽電池モジュール２１の負端子Ｎから他方の電路１２ｂへのコンデンサ３４ａを介した負端子側迂回路３４ｂのインピーダンスをＺ_{ｐａｓｓＮ}とする。また、オプティマイザ２２における第２接続端子２２ｃからＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを介した太陽電池モジュール２１の負端子Ｎ（オプティマイザの他方の入力端子と同等）までのインピーダンスをＺ_Ｎとする。そして、太陽電池モジュール２１の負端子Ｎおよび正端子Ｐ間におけるオプティマイザ２２のインピーダンスをＺ_ｉｎとする。

上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、太陽電池モジュール２１の正端子ＰからインピーダンスＺ_ｉｎを経由して太陽電池モジュール２１の負端子Ｎに流れる交流電流よりも、正端子Ｐから、インピーダンスＺ_{ｐａｓｓＰ}およびインピーダンスＺ_Ｐを経由し、電路１２ａ、ＰＣＳ１３、電路１２ｂを経由し、かつ、インピーダンスＺ_{ｐａｓｓＮ}およびインピーダンスＺ_Ｎを経由して、負端子Ｎに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。すなわち、下記の条件式（１）を満たすことが望ましい。
（Ｚ_{ｐａｓｓＰ}，Ｚ_Ｐ，Ｚ_{ｐａｓｓＮ}，Ｚ_Ｎの合成インピーダンス）＝｛（１／Ｚ_{ｐａｓｓＰ}）＋（１／Ｚ_Ｐ）｝^−１＋｛（１／Ｚ_{ｐａｓｓＮ}）＋（１／Ｚ_Ｎ）｝^−１＋≦Ｚ_ｉｎ ・・・（１）。

従って、例えばＬＣＲメータを用いて、オプティマイザ２２におけるインピーダンスＺ_ｉｎ，Ｚ_Ｐ，Ｚ_Ｎを測定し、該測定の結果と上記条件式（１）とを用いて、コンデンサ３３ａ，３４ａのインピーダンスＺ_{ｐａｓｓＰ}，Ｚ_{ｐａｓｓＮ}を容易に決定することができる。

さらに、上記条件式（１）を参照すると、Ｚ_Ｎ≪Ｚ_ｉｎの場合にはインピーダンスＺ_{ｐａｓｓＮ}はどのような値でもよいことが理解できる。従って、インピーダンスＺ_ＮがインピーダンスＺ_ｉｎよりも著しく小さい場合、インピーダンスＺ_{ｐａｓｓＮ}を有するコンデンサ３４ａを省略することができる。

尚、前述した説明では、図３に示すように、オプティマイザ２２には、電路１２を開閉する第１スイッチ回路２２ｄのみが設けられていた。しかし、必ずしもこれに限らず、例えば、図６に示すように、第１接続端子２２ａと太陽電池モジュール２１の正端子Ｐとの間に第２スイッチ回路２２ｆを備えたバイパス経路２２ｇを設けることが可能である。

図６は、本実施の形態のオプティマイザ２２の変形例の構成を示す回路図である。

図６に示すオプティマイザ２２では、第２スイッチ回路２２ｆが、最大動作点制御部２２ｅによって、開閉制御される。

すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂによるＤＣ／ＤＣ変換は、電力の損失を伴う。このため、ＤＣ／ＤＣ変換を行わなくてもよい程度に十分な出力が太陽電池モジュール２１から得られているのであれば、むしろＤＣ／ＤＣ変換を行わない方が、太陽光発電システム１Ａの発電効率の観点からいえば好ましい。この理由は、太陽電池モジュール２１からの出力をＤＣ／ＤＣ変換するとＤＣ／ＤＣ変換による出力損失が生じ、結果として、オプティマイザ２２の出力が、ＤＣ／ＤＣ変換しない場合よりも小さくなってしまう場合があるからである。

そこで、最大動作点制御部２２ｅは、太陽電池モジュール２１からＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを介した電力を監視する。そして、太陽電池モジュール２１からＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを介して出力される電力が所定の値よりも大きい場合には、第２スイッチ回路２２ｆをオンにする。これにより、オプティマイザ２２の第１接続端子２２ａからＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂを通らずに太陽電池モジュール２１の正端子Ｐに電流が流れる。

この結果、ＤＣ／ＤＣ変換部２２ｂでの電力の損失を抑制することができる。

尚、本実施形態では、コンデンサ３３ａ・３４ａおよび迂回路３３ｂ・３４ｂは、オプティマイザ２２の外部に設けられているが、オプティマイザ２２の内部に設けられていてもよい。また、上述のように、インピーダンスＺ_Ｎの大きさが著しく小さい場合、オプティマイザ２２における第２接続端子２２ｃからオプティマイザ２２を介して太陽電池モジュール２１の負端子Ｎに交流電流が流れるので、コンデンサ３４ａおよび負端子側迂回路３４ｂは不要となる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態を図７及び図８に基づいて説明する。尚、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

前記実施形態１の太陽光発電システム１Ａでは、一個の太陽電池ユニット２０Ａに対して、一個の太陽電池モジュール２１と一個のオプティマイザ２２とが設けられていた。これに対して、本実施形態の太陽光発電システム１Ｂ（直流電源システム）では、一個の太陽電池モジュール２１を構成する複数個の直列接続毎の太陽電池セル２１ｂに対してオプティマイザ２２がそれぞれ設けられている点が異なっている。

（太陽光発電システムの構成）
図７は、本実施形態のアーク検出装置３０Ｂを備える太陽光発電システム１Ｂの構成を示す概略の回路図である。図８は、アーク検出装置３０Ｂの要部構成を示す回路図である。

図７に示すように、本実施形態の太陽光発電システム１Ｂでは、一個の太陽電池ユニット２０Ｂ（直流電源ユニット）は、一個の太陽電池モジュール２１を有している。また、一個の太陽電池モジュール２１では、直列接続された複数個の太陽電池セル２１ｂ（直流電源モジュール）毎にオプティマイザ２２がそれぞれ設けられ、複数のオプティマイザ２２が電路１２を介して直列接続されている。

詳細には、太陽電池モジュール２１は、パネル２１ａ上において、複数の直列接続された太陽電池セル２１ｂが一方の端部で折り返されて２列に配されており、図７における紙面下側には、太陽電池セル正端子Ｐ１と太陽電池セル負端子Ｎ１とが外部接続用端子として設けられている。このため、この太陽電池セル正端子Ｐ１及び太陽電池セル負端子Ｎ１に、オプティマイザ２２の各端子が接続される。この結果、本実施形態の太陽電池ユニット２０Ｂは、直列接続された複数個の太陽電池セル２１ｂに対して一個のオプティマイザ２２が接続され、複数個のオプティマイザ２２が電路１２を介して直列接続されたたものからなっている。

したがって、本実施形態の太陽電池ユニット２０Ｂでは、太陽電池モジュール２１における直列接続された太陽電池セル２１ｂ毎に最大の電力が出力できる回路となっている。そして、直列接続された複数の太陽電池セル２１ｂから出力された電力は、各オプティマイザ２２を直列に接続する電路１２に出力され、ＰＣＳ１３を介して電力系統１４にて使用されるようになっている。

しかしながら、このような太陽電池ユニット２０Ｂを備えた太陽光発電システム１Ｂにおいては、一個の直列接続された太陽電池セル２１ｂにアークが発生した場合、電路１２に交流電流が流れない。このため、アーク検出装置３０Ｂは、電流センサ３１にてアークの発生を示す交流電流を検知することができない。

そこで、本実施形態のアーク検出装置３０Ｂでは、前記実施形態１のアーク検出装置３０Ａと同様に、電路１２と一個の直列接続された太陽電池セル２１ｂとを直接接続する迂回路を設け、その迂回路にコンデンサを設けている。

図８に示すように、具体的には、一個のオプティマイザ２２における入力側の電路１２と、直列接続された複数の太陽電池セル２１ｂの一方の取り出し端子である太陽電池セル正端子Ｐ１との間にコンデンサ３５ａ（第１コンデンサ）を有する正端子側迂回路３５ｂを設けている。また、該オプティマイザ２２における出力側の電路１２と、直列接続された複数の太陽電池セル２１ｂの他方の取り出し端子である太陽電池セル負端子Ｎ１との間にコンデンサ３６ａ（第２コンデンサ）を有する負端子側迂回路３６ｂを設けている。

これにより、太陽電池モジュール２１における各直列接続された複数の太陽電池セル２１ｂの一部にアークが発生したときには、正端子側迂回路３５ｂ及び負端子側迂回路３６ｂに交流電流が流れるので、電路１２に挿入された電流センサ３１にて、交流電流を検知することができる。この結果、電流センサ３１にて、太陽電池モジュール２１にて発生したアークを検出できるようになる。

尚、これ以外の構成については、実施形態１の太陽光発電システム１Ａ及びアーク検出装置３０Ａと同じであるので、その説明を省略する。

尚、本実施形態では、コンデンサ３５ａ・３６ａおよび迂回路３５ｂ・３６ｂは、オプティマイザ２２の外部に設けられているが、オプティマイザ２２の内部に設けられていてもよい。また、インピーダンスＺ_Ｎの大きさが著しく小さい場合、コンデンサ３６ａおよび負端子側迂回路３６ｂは不要となる。

〔実施形態３〕
本発明のさらに他の実施形態を図９に基づいて説明する。尚、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

前記実施の形態１の太陽光発電システム１Ａでは、太陽電池ストリング１１は１個のみであった。これに対して、本実施の形態の太陽光発電システム１Ｃ（直流電源システム）では、太陽電池ストリング１１は複数個からなっている点が異なっている。

（太陽光発電システムの構成）
図９は、本実施の形態の太陽光発電システム１Ｃの構成を示すブロック図である。

図９に示すように、本実施の形態の太陽光発電システム１Ｃは、電路１５・１６にそれぞれ接続された太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂを備えると共に、さらに接続箱１７、ＰＣＳ１３、及び電力系統１４を備えている。この結果、本実施の形態の太陽光発電システム１Ｃは、２個の太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂを並列に備えている。尚、本実施形態では、太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂは２個となっているが、必ずしもこれに限らず、太陽光発電システム１Ｃが備える太陽電池ストリング１１の数は、３個以上であってもよい。

本実施形態の太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂは、多数の太陽電池モジュール２１が電路１５・１６のそれぞれに直列接続されている。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を備え、パネル状に形成されている。一方の太陽電池ストリング１１ａは、電路１５により接続箱１７を介してＰＣＳ１３と接続されている。他方の太陽電池ストリング１１ｂは、電路１６に接続されている。本実施の形態の太陽光発電システム１Ｃでは、一方の太陽電池ストリング１１ａに接続された太陽電池モジュール２１の個数と、他方の太陽電池ストリング１１ｂに接続された太陽電池モジュール２１の個数とは例えば同じとなっている。ただし、必ずしも同じである必要はない。

前記電路１６は、接続箱１７内の正分岐点１５ａ及び負分岐点１５ｂにおいて、電路１５と並列に接続されている。

接続箱１７の内部には、電路１５・１６毎に逆流防止ダイオード１７ａ・１７ｂが設けられ、各逆流防止ダイオード１７ａ・１７ｂは、対応する太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂに対して直列に接続されている。すなわち、逆流防止ダイオード１７ａは、電路１５において、正分岐点１５ａよりも一方の太陽電池ストリング１１ａ側に設けられている。これにより、一方の太陽電池ストリング１１ａから供給される電流に対して逆方向に電流が流れることを防止している。また、逆流防止ダイオード１７ｂは、電路１６において、正分岐点１５ａよりも他方の太陽電池ストリング１１ｂ側に設けられている。これにより、他方の太陽電池ストリング１１ｂから供給される電流に対して逆方向に電流が流れることを防止している。

（アーク検出装置の構成）
本実施形態の太陽光発電システム１Ｃでは、図９に示すように、アーク検出装置３０Ｃは、一つの電流センサ３１を備え、この電流センサ３１が電路１５における接続箱１７とＰＣＳ１３との間に設けられている。これにより、太陽電池ストリング１１ａ・１１ｂの何れかにおいて発生したアーク（直列アーク）を検出することができる。

（アーク検出装置の動作）
本実施形態の太陽光発電システム１Ｃにおける、接続箱１７の並列アークに関するアーク検出装置３０Ｃの動作について以下に説明する。尚、並列アークとは、太陽電池ストリング１１から接続箱１７に接続する一対の電路１５・１５間で発生するアークのことをいう。

例えば、一方の太陽電池ストリング１１ａ又は他方の太陽電池ストリング１１ｂのいずれかにおいて並列アークが発生し、逆流防止ダイオード１７ａ・１７ｂが逆バイアスの状態となった場合のことを考える。すなわち、例えば一方の太陽電池ストリング１１ａにおいて並列アークが発生し、一方の太陽電池ストリング１１ａの出力電圧が他方の太陽電池ストリング１１ｂの出力電圧よりも低下すると、逆流防止ダイオード１７ａは逆バイアスの状態となる。

この場合、逆流防止ダイオード１７ａにコンデンサ３７ａが並列接続されていなければ、一方の太陽電池ストリング１１ａにて発生した並列アークの交流電流は、逆流防止ダイオード１７ａによって阻止される。この結果、電流センサ３１は、並列アークの交流電流を計測することができない。

これに対して、本実施形態では、逆流防止ダイオード１７ａ・１７ｂにコンデンサ３７ａ・３７ｂが並列接続されている。このコンデンサ３７ａ・３７ｂは、アーク検出装置３０Ｃとしての一構成要素として機能する。

前記コンデンサ３７ａは、逆流防止ダイオード１７ａに対して並列接続され、逆流防止ダイオード１７ａに対するバイパス電流経路を形成している。また、コンデンサ３７ｂは、逆流防止ダイオード１７ｂに対して並列接続され、逆流防止ダイオード１７ｂに対するバイパス電流経路を形成している。

この結果。並列アークの交流電流はコンデンサ３７ａ・３７ｂを流れ、電流センサ３１は、並列アークの交流電流を計測することができる。したがって、アーク検出装置３０Ｃは、一方の太陽電池ストリング１１ａ又は他方の太陽電池ストリング１１ｂでの並列アークの発生を検出することができる。

このように、本実施形態の太陽光発電システム１Ｃでは、逆流防止ダイオード１７ａにコンデンサ３７ａが並列接続されているので、逆流防止ダイオード１７ａが逆バイアスの状態であっても、一方の太陽電池ストリング１１ａにて発生した並列アークの交流電流は、コンデンサ３７ａを介して流れる。このため、電流センサ３１により並列アークに基づく交流電流を計測することができる。これにより、アーク検出装置３０Ｃは、一方の太陽電池ストリング１１ａにて発生した並列アークを検出することができる。

尚、本実施形態の太陽光発電システム１Ｃのアーク検出装置３０Ｃでは、アーク（直列アークおよび並列アーク）を検出するために、例えば、電路１５における接続箱１７とＰＣＳ１３との間に一個の電流センサ３１を設けていた。

しかし、電流センサ３１の位置及び個数は、必ずしもこれに限定されるわけではない。

例えば、電路１５・１６の両方において、太陽電池モジュール２１と接続箱１７との間又はコンデンサ３７ａ・３７ｂが設けられたバイパス電流経路にそれぞれ電流センサ３１・３１を設けることが可能である。これにより、電路１５・１６のそれぞれにおいて発生した並列アークを検出することができる。

〔実施形態４〕
本発明のさらに他の実施形態を図１０に基づいて説明する。尚、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る太陽光発電システムにおけるアーク検出装置を示すものであって、アーク検出装置の要部を示す回路図である。図１０に示すように、本実施の形態の太陽光発電システム１Ｄ（直流電源システム）では、前記実施の形態１の太陽光発電システム１Ａに対して、太陽電池モジュール２１の正端子Ｐ、すなわちコンデンサ３３ａの一端部とオプティマイザ２２との間にコイル２５（第１コイル）が追加される点と、太陽電池モジュール２１の正端子Ｎ、すなわちコンデンサ３４ａの一端部とオプティマイザ２２との間にコイル２６（第２コイル）が追加される点とが異なり、その他の構成は同様である。

コイル２５，２６を追加することにより、正端子Ｐからコイル２５、インピーダンスＺ_ｉｎ、およびコイル２６を経由して負端子Ｎに流れる交流電流が少なくなる一方、正端子側迂回路３３ｂ、オプティマイザ２２、電路１２、ＰＣＳ１３、および負端子側迂回路３４ｂに流れる交流電流が多くなり、電流センサ３１を流れる交流電流が多くなる。その結果、アークの発生を精度よく検出することができる。

なお、コイル２５，２６は、オプティマイザ２２に内蔵されてもよい。また、上述のようにコンデンサ３４ａを省略した場合にはコイル２６を省略してもよい。また、前記実施の形態２の太陽光発電システム１Ｂ、および、前記実施の形態３の太陽光発電システム１Ｃにおいても、同様にコイル２５，２６を追加してもよい。

（付記事項）
尚、上記実施形態では、太陽光発電システムに本発明を適用しているが、これに限定されるものではなく、直流電源を備えた任意の電源システムに本発明を適用することができる。上記直流電源としては、太陽光発電装置の他に、水素燃料と空気中の酸素との電気化学反応により、水素燃料を利用して電気エネルギー（直流電力）を得ることが可能な燃料電池装置、電気エネルギーを蓄積する蓄電池、キャパシタなどの蓄電器、などが挙げられる。

本発明は上述した各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、異なる実施形態にそれぞれ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。

１Ａ・１Ｂ・１Ｃ・１Ｄ 太陽光発電システム（直流電源システム）
１１・１１ａ・１１ｂ 太陽電池ストリング
１２・１２ａ・１２ｂ 電路
１３ ＰＣＳ（負荷装置）
１４ 電力系統（負荷装置）
１５・１６ 電路
１５ａ 正分岐点
１５ｂ 負分岐点
１７ 接続箱
１７ａ・１７ｂ 逆流防止ダイオード
２０Ａ、２０Ｂ 太陽電池ユニット（直流電源ユニット）
２１ 太陽電池モジュール（直流電源モジュール）
２１ａ パネル
２１ｂ 太陽電池セル（直流電源モジュール）
２２ オプティマイザ
２２ａ 第１接続端子（出力端子）
２２ｂ ＤＣ／ＤＣ変換部
２２ｃ 第２接続端子（出力端子）
２２ｄ 第１スイッチ回路
２２ｅ 最大動作点制御部
２２ｆ 第２スイッチ回路
２２ｇ バイパス経路
２５ コイル（第１コイル）
２６ コイル（第２コイル）
３０Ａ・３０Ｂ・３０Ｃ アーク検出装置
３１ 電流センサ（電流計測部）
３２ アーク検出処理部（アーク判定部）
３３ａ・３５ａ コンデンサ（第１コンデンサ）
３３ｂ・３５ｂ 正端子側迂回路
３４ａ・３６ａ コンデンサ（第２コンデンサ）
３４ｂ・３６ｂ 負端子側迂回路
３７ａ・３７ｂ コンデンサ

Claims (6)

1. 入力端子に入力された直流電力を消費または変換する負荷装置と、
   前記入力端子に接続された電路と、
   発電または充放電する直流電源モジュールと、前記直流電源モジュールの出力電圧を最適化して前記電路に供給するオプティマイザとを有する直流電源ユニットの複数個を直列接続した直流電源ストリングと、
   を備えた直流電源システムに適用されるアーク検出装置であって、
   前記直流電源モジュールの一方の出力端子に一端部が接続され、前記オプティマイザの一方の出力端子に他端部が接続された第１コンデンサと、
   前記直流電源ストリングと前記負荷装置との間の前記電路において電流を計測する電流計測部と、
   前記電流計測部により計測された交流電流の高周波成分に基づきアークの有無を判定するアーク判定部と、
   を有することを特徴とするアーク検出装置。
2. 第１コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサのインピーダンスと、前記オプティマイザの一方の入力端子および一方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、前記オプティマイザの入力端子どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスよりも小さくなる、という条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載のアーク検出装置。
3. 第１コンデンサの一端部と前記オプティマイザの一方の入力端子との間に第１コイルをさらに備え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. 前記直流電源モジュールの他方の出力端子に一端部が接続され、前記オプティマイザの他方の出力端子に他端部が接続された第２コンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のアーク検出装置。
5. 第１コンデンサおよび第２コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサおよび第２コンデンサのインピーダンスと、前記オプティマイザの一方の入力端子および一方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記オプティマイザの他方の入力端子および他方の出力端子の間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、前記オプティマイザの入力端子どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスよりも小さくなる、という条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載のアーク検出装置。
6. 第２コンデンサの一端部と前記オプティマイザの他方の入力端子との間に第２コイルをさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載のアーク検出装置。

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