JP2018152996A - 分散型電源 - Google Patents

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康弘 坪田
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Abstract

【課題】地絡発生時に、発生した地絡がもらい地絡であるか否かをユーザが容易に判断できる分散型電源を提供する。
【解決手段】単相３線式配電線に接続される分散型電源は、発電装置と、前記発電装置の出力に基づき、前記単相３線式配電線のＷ相線とＵ相線間に供給する交流を生成する交流生成回路と、前記交流生成回路内のアースされていない箇所の対地電圧を検出する対地電圧検出回路と、前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力する出力部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、分散型電源に関する。
太陽光パネルとパワーコンディショナ（ＰＣＳ）とを組み合わせた一般的な分散型電源（太陽光発電システム）は、図１に示したように、系統ブレーカ及び漏電ブレーカを介して、柱上トランスと接続されている。
漏電ブレーカがトリップした場合、通常、分散型電源内で地絡（又は漏電）が発生している。そのため、漏電ブレーカがトリップした場合には、分散型電源内の地絡箇所を特定して地絡を解消する作業が行われるのであるが、分散型電源内で地絡が発生していないにも拘わらず、漏電ブレーカがトリップすることがある。
具体的には、図２に示したように、遠方で地絡（図２では、Ｗ相の地絡）が発生すると、地絡発生箇所から大地に流れ込んだ電流がアース線を通ってＯ相線に流れ込み、さらにＰＣＳ内及びＷ相線を通って地絡発生箇所に戻るという現象が生ずる。このような現象が生ずると、漏電ブレーカが異常電流を検知してトリップしてしまう。
既存のＰＣＳには、分散型電源内で発生した地絡を検出する地絡検出回路は内蔵されている（例えば特許文献１参照）。ただし、当該地絡検出回路は、上記のような現象（以下、もらい地絡と表記する）を検知できないものであるため、もらい地絡により漏電ブレーカがトリップしていた場合、地絡発生箇所の特定作業に時間がかかっていた。
特開２０１２−１１９３８２号公報
本発明は、上記現状に鑑みなされたものであり、本発明の課題は、地絡発生時（漏電ブレーカのトリップ時等）に、発生した地絡がもらい地絡であるか否かを、ユーザ（修理作業者等）が容易に判断できる分散型電源を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様の分散型電源は、単相３線式配電線に接続される分散型電源であって、発電装置と、前記発電装置の出力に基づき、前記単相３線式配電線のＷ相線とＵ相線間に供給する交流を生成する交流生成回路と、前記交流生成回路内のアースされていない箇所の対地電圧を検出する対地電圧検出回路と、前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力する出力部と、を備える。
すなわち、既に説明したように、もらい地絡の発生時には、柱上トランスのＯ端子とアース間に電流が流れるが、柱上トランスのＯ端子とアース間には、図３に示したように、接地抵抗ＲＧがある。そのため、もらい地絡が発生すると、Ｏ相線の対地電圧が変動するようになり、その結果として、“交流生成回路内のアースされていない箇所の対地電圧”も変動するようになる。そして、本発明の第１の態様の分散型電源は、当該対地電圧を監視する対地電圧検出回路と、前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す
検出結果情報を出力する出力部とを備えているのであるから、本発明の第１の態様の分散型電源のユーザ（修理作業者等）は、地絡発生時（漏電ブレーカのトリップ時等）に、発生した地絡がもらい地絡であるか否かを、出力部が出力する検出結果情報に基づき、容易に判断することが出来る。
また、上記課題を解決するため、本発明の第２の態様の分散型電源は、単相３線式配電線に接続される分散型電源であって、前記単相３線式配電線のＯ相線の対地電圧を検出する対地電圧検出回路と、前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力する出力部と、を備える。
すなわち、本発明の第２の態様の分散型電源は、Ｏ相線の対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力することが出来る構成を有している。そして、もらい地絡の発生時には、Ｏ相線の対地電圧が変動する（図３参照）のであるから、本発明の第２の態様の分散型電源のユーザは、地絡発生時（漏電ブレーカのトリップ時等）に、発生した地絡がもらい地絡であるか否かを、出力部が出力する検出結果情報に基づき、容易に判断することが出来る。
なお、本発明の各態様の分散型電源の出力部が出力する検出結果情報は、それに基づき、ユーザが、発生した地絡がもらい地絡であるか否かを判断できる情報であれば良い。従って、検出結果情報は、例えば、対地電圧検出回路により検出された最新の所定時間分の対地電圧の変動幅や、最新の所定時間分の対地電圧の時間変化パターン中の交流成分の実効値であっても良い。また、検出結果情報は、もらい地絡が発生しているか否かについての判定結果であっても良い。さらに、出力部は、ディスプレイ上への表示により、検出結果情報を出力するものであっても、分散型電源内の装置又は分散型電源外の装置がアクセス可能なメモリ上への記憶（保存）により、検出結果情報を出力するものであっても良い。
本発明の第２の態様の分散型電源に、前記交流生成回路は、直流を前記単相３線式配電線のＷ相線とＵ相線間に供給する交流に変換するためのインバータを含み、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所が、前記交流生成回路内の、前記インバータに直流を供給するための一対の配電線の中の一方の配電線である構成を採用しても良い。
また、本発明の各態様の分散型電源の対地電圧検出回路としては、具体的な構成の異なる様々なものを採用することが出来る。例えば、対地電圧検出回路として、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとの間の電位差を増幅する差動増幅回路を採用することが出来る。
対地電圧を正確に検出できるようにする（雑音電圧に起因する電圧が出力されないようにする）ために、対地電圧検出回路として、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとの間の電位差を増幅するアイソレーションアンプや、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとに一次側が接続された絶縁トランスと、前記絶縁トランスの出力を増幅する差動増幅回路とを含む回路を採用しても良い。絶縁トランスを含む対地電圧検出回路には、前記絶縁トランスが、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所又はアースに、直流成分除去用のコンデンサを介して接続されている構成を採用しておいても良い。
本発明によれば、地絡発生時に、発生した地絡がもらい地絡であるか否かをユーザが容易に判断できる分散型電源を提供することが出来る。
図１は、一般的な分散型電源（太陽光発電システム）の柱状トランスへの接続形態の説明図である。 図２は、もらい地絡の説明図である。 図３は、本発明の分散型電源の機能の説明図である。 図４は、本発明の第１実施形態に係る分散型電源の概略構成及び使用形態の説明図である。 図５は、第１実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。 図６は、第１実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。 図７は、第１実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。 図８は、第１実施形態に係る分散型電源の機能を説明するための図である。 図９は、第１実施形態に係る分散型電源の機能を説明するための図である。 図１０は、本発明の第２実施形態に係る分散型電源の概略構成及び使用形態の説明図である。 図１１は、第２実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。 図１２は、第２実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。 図１３は、第２実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路として使用可能な回路の説明図である。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を例示的に詳しく説明する。
《第１実施形態》
図４に、本発明の第１実施形態に係る分散型電源の概略構成及び使用形態を示す。
本実施形態に係る分散型電源は、太陽光パネル３０とパワーコンディショナ（以下、ＰＣＳと表記する）１０とを組み合わせた装置である。
ＰＣＳ１０は、単相３線式配電線によって柱上トランス４０と接続される、単相出力のＰＣＳである。ＰＣＳ１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、ＤＣ／ＡＣインバータ１３と、制御部２０と、表示部２２と、対地電圧検出回路２５とを、備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１（以下、コンバータ１１とも表記する）は、太陽光パネル３０からの直流電圧を昇圧するための昇圧チョッパ回路である。ＤＣ／ＡＣインバータ１３（以下、インバータ１３とも表記する）は、コンバータ１１からの直流電圧を交流電圧に変換するための回路である。図示してあるように、コンバータ１１の各出力端子は、ＡＣリアクトル１４及び連系リレー１５を介して、単相３線式配電線のＷ相線又はＵ相線と接続されている。また、コンバータ１１からの直流電圧をインバータ１３に供給するための一対の配電線１８ｐ、１８ｍ間には、インバータ１３への供給電圧を平滑化するためのコンデンサ１２が設けられている。なお、配電線１８ｐが、高電位側（正側）の配電線であり、配電線１８ｍが、高電位側（正側）の配電線である。
対地電圧検出回路２５は、配電線１８ｍの電圧ＤＣＶ（−）の対地電圧（本実施形態では、フレームグランドＦＧに対する電圧）を検出する回路である。
対地電圧検出回路２５としては、様々な回路を使用することが出来る。例えば、図５に示した回路、すなわち、ＤＣＶ（−）とアース間の電位差を増幅する差動増幅回路を、対地電圧検出回路２５として使用することが出来る。また、図６に示した回路、すなわち、ＤＣＶ（−）とアース間の電位差を増幅するアイソレーションアンプを、対地電圧検出回路２５として使用することも出来る。
図７に示したように、コンデンサＣと絶縁トランスＩＴと差動増幅回路とを組み合わせた回路を、対地電圧検出回路２５として使用することが出来る。この対地電圧検出回路２５（図７）におけるコンデンサＣは、直流成分を除去するためのコンデンサである。ＤＣＶ（−）の絶対値が小さい場合等には、絶縁トランスＩＴの一次側に、ＤＣＶ（−）とアースとを直接接続しておいても良い。
入力・出力間が絶縁されていないと、雑音電圧に起因する電圧がアンプから出力されるため、通常、入力・出力間が絶縁されている対地電圧検出回路２５（図６、図７）の方が、入力・出力間が絶縁されていない対地電圧検出回路２５（図５）よりも、対地電圧を正確に検出できる。また、入力・出力間が絶縁されていれば、後段の回路（制御部２０）を保護することも出来る。従って、そのような観点からは、入力・出力間が絶縁されている対地電圧検出回路２５を採用しておくことが好ましい。
表示部２２（図４）は、ＰＣＳ１０の筐体に取り付けられている、文字を表示可能なＬＣＤディスプレイである。制御部２０は、ＰＣＳ１０内の各部を統合的に制御する装置（ユニット）である。制御部２０は、プロセッサ、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ、ゲートドライバ、他装置（コンピュータ）との通信インターフェース等から構成されている。
制御部２０が、各部（コンバータ１１、インバータ１３及び連系リレー１５）に対して行う制御は、一般的なＰＣＳ内の制御部が各部に対して行う制御と同様のものである。すなわち、制御部２０は、太陽光パネル３０から最大電力が取り出されるようにコンバータ１１を制御すると共に、系統と同位相の交流が出力されるようにインバータ１３を制御する。また、制御部２０は、漏電ブレーカ（図示略）のトリップや停電等が発生した場合には、連系リレー１５をオフすると共に、コンバータ１１及びインバータ１３の動作を停止させる。
ただし、制御部２０は、対地電圧検出回路２５の出力に基づき、以下の処理を行うように構成（プログラミング）されている。
制御部２０は、対地電圧検出回路２５の出力の変動幅が閾値幅よりも大きくなることを常時監視している。ここで、閾値幅とは、もらい地絡が発生している可能性がある変動幅の下限値として予め設定されている値のことである。
対地電圧検出回路２５の出力の変動幅が閾値幅よりも大きくなった場合、制御部２０は、制御部２０内のフラッシュＲＯＭに、当該変動幅と現在日時とからなる変動幅情報を記憶すると共に、もらい地絡が発生している可能性があることを示すメッセージを表示部２２に表示する。なお、フラッシュＲＯＭ上の変動幅情報の数が所定数であった場合、制御部２０は、フラッシュＲＯＭ上の最古の変動幅情報を今回の変動幅情報で書き換える。そして、制御部２０は、対地電圧検出回路２５の出力の変動幅の監視を再び開始する。
また、制御部２０は、通信インターフェースに接続されたコンピュータから、所定の要求を受信した場合、当該他装置に、フラッシュＲＯＭ上の各（全）変動幅情報を送信するようにも構成されている。
以下、本実施形態に係る分散型電源に上記構成を採用している理由を説明する。
既に説明したように、もらい地絡の発生時には、柱上トランスのＯ端子とアース間に電流が流れるが、柱上トランスのＯ端子とアース間には、接地抵抗ＲＧがある。そのため、もらい地絡が発生すると、Ｏ相線の対地電圧が変動するようになり、その結果として、ＤＣＶ（−）も変動するようになる。
具体的には、図８に示したように、太陽光パネル３０の出力電圧が２５０Ｖであり、当該出力電圧がコンバータ１１により７０Ｖ昇圧されている状況を考える。この状況下におけるＤＣＶ（−）は、もらい地絡が発生していない場合には、−１６０Ｖとなる。
一方、もらい地絡が発生している場合、Ｏ相線の対地電圧が変動するため、図９に示したように、ＤＣＶ（−）も変動する。ただし、接地抵抗ＲＧの大きさ、及び、もらい地絡発生箇所を通って実際に流れる電流値により、変動幅は変化する。そのため、変動幅のみから、もらい地絡が発生しているか否かを判断することは出来ないが、他の情報（例えば、漏電ブレーカがトリップしたが、地絡検出回路では地絡が検出されていないという情報）があれば、変動幅からもらい地絡が発生している可能性があるか否かを判断できる。そのため、上記のように、ＰＣＳ１０内に対地電圧検出回路２５を設けると共に、制御部２０を、対地電圧検出回路２５の出力の変動幅が閾値幅よりも大きくなった場合に、制御部２０内のフラッシュＲＯＭに、当該変動幅と現在日時とからなる変動幅情報を記憶すると共に、もらい地絡が発生している可能性があることを示すメッセージを表示部２２に表示するように、構成しているのである。
《第２実施形態》
以下、上記した第１実施形態に係る分散型電源と異なる部分を中心に、本発明の第１実施形態に係る分散型電源の構成及び動作を説明する。
図１０に、本発明の第２実施形態に係る分散型電源の概略構成及び使用形態を示す。
本実施形態に係る分散型電源は、第１実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路２５（図４）を、対地電圧検出回路２６に置き換えたものである。
図１０に示してあるように、対地電圧検出回路２６は、単相３線式配電線のＯ相線の対地電圧（本実施形態では、ＦＧに対する電圧）を検出する回路である。
対地電圧検出回路２６としては、様々な回路を使用することが出来る。例えば、図１１に示した回路、すなわち、Ｏ相線とアース間の電位差を増幅する差動増幅回路を、対地電圧検出回路２６として使用することが出来る。また、図１２に示した回路、すなわち、Ｏ相線とアース間の電位差を増幅するアイソレーションアンプを、対地電圧検出回路２６として使用することも出来る。図１３に示したように、絶縁トランスＩＴと差動増幅回路とを組み合わせた回路を、対地電圧検出回路２５として使用することが出来る。
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る分散型電源は、Ｏ相線の対地電圧に基づき、もらい地絡が発生している可能性があることを示すメッセージの表示部２２への表示等を行う構成を有している。もらい地絡が発生すると、Ｏ相線の対地電圧が変動する。従って、本実施形態に係る分散型電源のユーザも、地絡発生時に、表示部２２に表示されるメッセージやコンピュータで読み出した変動幅から、発生した地絡がもらい地絡であるか否かを容易に判断することができる。
《変形例》
上記した各実施形態の分散型電源は、各種の変形を行えるものである。例えば、第１実施形態に係る分散型電源の対地電圧検出回路２５を、ＰＣＳ１０内の、単相３線式配電線
のＷ相線とＵ相線間に供給する交流を生成する回路（コンバータ１１とインバータ１３とを主要構成要素とした回路）内の他のアースされていない箇所（例えば、配電線１８ｐ）の対地電圧を検出する回路に変形することが出来る。各実施形態の分散型電源内の制御部２０を、対地電圧の変動幅の大きさによって表示部２２に表示させるメッセージを変えるものに変形しても良い。また、各実施形態の分散型電源内の制御部２０を、対地電圧の変動幅ではなく、対地電圧の時間変化パターン中の交流成分の実効値等を記憶するものに変形しても良い。
各実施形態の分散型電源を、具体的なハードウェア構成が上記したものとは異なる分散型電源（例えば、太陽光パネル３０ではない発電装置を備えた分散型電源）に変形しても良いことは、当然のことである。
１０ パワーコンディショナ（ＰＣＳ）
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ コンデンサ
１３ ＤＣ／ＡＣインバータ
１４ ＡＣリアクトル
２０ 制御部
２２ 表示部
２５、２６ 対地電圧検出回路
３０ 太陽光パネル
４０ 柱上トランス
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１（以下、コンバータ１１とも表記する）は、太陽光パネル３０からの直流電圧を昇圧するための昇圧チョッパ回路である。ＤＣ／ＡＣインバータ１３（以下、インバータ１３とも表記する）は、コンバータ１１からの直流電圧を交流電圧に変換するための回路である。図示してあるように、コンバータ１１の各出力端子は、ＡＣリアクトル１４及び連系リレー１５を介して、単相３線式配電線のＷ相線又はＵ相線と接続されている。また、コンバータ１１からの直流電圧をインバータ１３に供給するための一対の配電線１８ｐ、１８ｍ間には、インバータ１３への供給電圧を平滑化するためのコンデンサ１２が設けられている。なお、配電線１８ｐが、高電位側（正側）の配電線であり、配電線１８ｍが、低電位側（負側）の配電線である。
《第２実施形態》
以下、上記した第１実施形態に係る分散型電源と異なる部分を中心に、本発明の第２実施形態に係る分散型電源の構成及び動作を説明する。
対地電圧検出回路２６としては、様々な回路を使用することが出来る。例えば、図１１に示した回路、すなわち、Ｏ相線とアース間の電位差を増幅する差動増幅回路を、対地電圧検出回路２６として使用することが出来る。また、図１２に示した回路、すなわち、Ｏ相線とアース間の電位差を増幅するアイソレーションアンプを、対地電圧検出回路２６として使用することも出来る。図１３に示したように、絶縁トランスＩＴと差動増幅回路とを組み合わせた回路を、対地電圧検出回路２６として使用することが出来る。

Claims (7)

  1. 単相３線式配電線に接続される分散型電源であって、
    発電装置と、
    前記発電装置の出力に基づき、前記単相３線式配電線のＷ相線とＵ相線間に供給する交流を生成する交流生成回路と、
    前記交流生成回路内のアースされていない箇所の対地電圧を検出する対地電圧検出回路と、
    前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力する出力部と、
    を備えることを特徴とする分散型電源。
  2. 単相３線式配電線に接続される分散型電源であって、
    前記単相３線式配電線のＯ相線の対地電圧の対地電圧を検出する対地電圧検出回路と、
    前記対地電圧検出回路による前記対地電圧の検出結果を示す検出結果情報を出力する出力部と、
    を備えることを特徴とする分散型電源。
  3. 前記交流生成回路は、直流を前記単相３線式配電線のＷ相線とＵ相線間に供給する交流に変換するためのインバータを含み、
    前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所が、前記交流生成回路内の、前記インバータに直流を供給するための一対の配電線の中の一方の配電線である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の分散型電源。
  4. 前記対地電圧検出回路が、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとの間の電位差を増幅する差動増幅回路である、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の分散型電源。
  5. 前記対地電圧検出回路が、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとの間の電位差を増幅するアイソレーションアンプである、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の分散型電源。
  6. 前記対地電圧検出回路は、
    前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所とアースとに一次側が接続された絶縁トランスと、
    前記絶縁トランスの出力を増幅する差動増幅回路と
    を含む
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の分散型電源。
  7. 前記対地電圧検出回路の前記絶縁トランスが、前記交流生成回路内のアースされていない前記箇所又はアースに、直流成分除去用のコンデンサを介して接続されている、
    ことを特徴とする請求項６に記載の分散型電源。
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