JP2019109059A

JP2019109059A - 異常診断装置および異常診断方法

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Publication number: JP2019109059A
Application number: JP2017240371A
Authority: JP
Inventors: 浩輔藤田; Kosuke Fujita; 孝則林; Takanori Hayashi
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-07-04

Abstract

【課題】簡素な構成でユーザに煩わしい手順を強いることなく、太陽電池を任意の診断単位で異常診断し、異常診断の信頼性の向上を図る。【解決手段】異常診断装置６は、太陽電池のストリング１の発電電流を計測する電流センサ４の時系列データと、太陽電池と同じ日射角度の日射強度を今日計測する日射センサの時系列データとに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する。また、異常診断装置６は、発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによってストリング１の発電効率の状態を診断する【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池の異常を診断する技術に関する。

近年においては、量的に莫大かつ無公害なエネルギーの１つとして太陽光発電が期待されている。この太陽光発電は、太陽の光エネルギーを吸収して電気エネルギーに変換しており、該変換を可能とする素子として太陽電池が使用されている。

太陽電池はセルを基本単位とし、必要枚数のセルを配列して屋外で利用できように樹脂や強化ガラスなどで保護してパッケージ化した単位をモジュールと呼び、さらに複数枚のモジュールを直列に接続した単位をストリングと呼ぶ。

太陽光発電所においては、ストリングが大量に配置されている。このストリングなどには可動部品が無く、一般的に故障し難いと言われているものの、長期間の設置により劣化が進んで発電効率の低下や部分的な故障が生じるおそれがある。

そこで、近年、太陽電池の異常を診断する技術の開発が進められている。この異常診断の技術としては、例えば特許文献１が公知となっている。ここではパワーコンディショナー（ＰＣＳ）からの発電量や日射量，気温などの気象観測データ及び時刻情報などを組み合わせて異常検出を行う。

特開２０１１−２１６８１１

特許文献１によれば、検出された日射量や気温などに基づき算出される理論発電量と、実際に電力検出器が計測した発電量との比率を算出し、算出された比率に基づき太陽電池の異常診断が実施される。

しかしながら、特許文献１の理論発電量の算出にはＰＣＳから出力される発電量に加えて気温などの気象観測データも必要とするため、装置構成が大きくなり、コストが高騰するおそれがある。

また、理論発電量を算出するためには、あらかじめ太陽光パネルのシステム出力量［ｋＷｈ］や標準状態の日射量［ｋＷｈ／ｍ²］などのスペックが必要であるから、異常判定を正確に実施するためには前記スペックを正しく登録しなければならず、この点でユーザにとって煩わしい手順を強いる場合もあった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、簡素な構成でユーザに煩わしい手順を強いることなく、太陽電池を任意の診断単位で異常診断し、異常診断の信頼性の向上を図ることを解決課題としている。

（１）本発明の一態様は、任意の診断単位における太陽電池の異常を診断する異常診断装置であって、
前記太陽電池における前記診断単位の発電電流を計測する電流センサのデータと、日射強度を計測する日射センサのデータとに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する発電効率低下指標算出部と、
前記発電効率低下指標算出部にて算出された発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによって発電効率の状態を診断する発電効率診断部と、を備える。

（２）本発明の他の態様は、任意の診断単位における太陽電池の異常を、コンピュータにより診断する異常診断方法であって、
前記太陽電池における前記診断単位の発電電流を計測する電流センサのデータと、日射強度を計測する日射センサのデータとに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する発電効率低下指標算出ステップと、
前記発電効率低下指標算出ステップにて算出された発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによって発電効率の状態を診断する発電効率診断ステップと、を有する。

本発明によれば、簡素な装置構成でユーザに煩わしい手順を強いることなく、太陽電池を任意の診断単位で異常診断し、異常診断の信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る異常診断装置の設置状態を示す概略図。同異常診断処理手順を示すチャート図。発電電力と日射強度との関係図。季節による日射強度への影響を示すグラフ。（ａ）は３月〜５月（春季）の日射強度と発電電流との相関関係を示すグラフ、（ｂ）は６月〜８月（夏季）の日射強度と発電電流との相関関係を示すグラフ、（ｃ）は９月〜１０月（秋季）の日射強度と発電電流との相関関係を示すグラフ、（ｄ）は１１月〜２月（冬季）の日射強度と発電電流との相関関係を示すグラフ。発電量低下指標の範囲を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態に係る異常診断装置を説明する。この異常診断装置は、太陽電池の発電電力と日射強度との強い相関関係に着目し、その発電電力および日射強度の情報を用いて太陽電池の異常診断を実施する。

したがって、前記異常診断装置による太陽電池の異常診断には、電流センサと日射センサの２種類のセンサのみを使用すればよい。また、前記異常診断装置は、任意の診断単位（セル，モジュール，ストリングなど）で異常を診断することができる。以下、一例として太陽電池のストリングを診断対象とした前記異常診断装置を説明する。

≪設置例・構成例≫
図１に基づき前記異常診断装置を説明する。図１中の１は太陽電池のストリングを示し、該太陽電池はｎ個のストリング１群を有しているものとする。ここでは太陽電池のストリング１の出力（発電電力）をそれぞれ計測する電流センサ４と、日射強度を計測する日射センサ２とを使用する。この電流センサ４は、ストリング１ごとに設置され、各ストリング１の発電電力を計測する。

一方、日射センサ２は、太陽電池の日射角度と同じ角度となるように設置されるため、発電所単位で１個あるいは接続箱５の単位で１個を設置すればよい。ここでは発電所単位で１個の日射センサ２が設置されているものとする。

この日射センサ２および各電流センサ４の計測情報は、ＰＣＳ７を経由することなく、前記異常診断装置６にダイレクトに入力される。ただし、各電流センサ４の計測した各ストリング１の発電電流の情報は、各集積箱５への集積後に前記異常診断装置６に入力される。このとき前記異常診断装置（解析装置）６は、入力情報（日射強度および発電電力の情報）を解析して各ストリング１の異常を診断する。

具体的には前記異常診断装置６は、コンピュータにより構成され、通常のコンピュータのハードウェアリソース（例えばＣＰＵ,ＲＡＭやＲＯＭなどの主記憶装置，ＳＳＤやＨＤＤなどの補助記憶装置など）を備える。このハードウェアリソースとソフトウェアリソース（ＯＳ，アプリケーションなど）の協働により、前記異常診断装置６は、図示省略の時系列データ収集部，発電効率低下指標算出部，異常発生判定部を実装する。

ここでは前記発電効率低下指標算出部は、前記時系列データ収集部により収集された電流センサ４および日射センサ２の計測情報の時系列データに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する。

また、前記異常発生判定部は、前記発電効率低下指標算出部で算出された発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによって各ストリング１の状態を診断する。

≪動作処理内容≫
図２に基づき前記異常診断装置６の動作処理、即ち前記異常診断装置６で実行されるストリング１の異常診断方法の処理ステップ（手順）を説明する。なお、実運用においては、図２に示すステップ（手順）を定期的に実行してもよく、またリアルタイムに連続して繰り返して実行してもよいものとする。

Ｓ０１：処理が開始されると前記異常診断装置６は、前記時系列データ収集部を通じて電流センサ４および日射センタ２の計測情報の時系列データを収集する。すなわち、前記時系列データ収集部は、各電流センサ４で計測された各ストリング１の発電電流の情報をデジタルサンプリングして時系列データを取得する。

同様に日射センサ２で計測されて入力された日射強度の情報をデジタルサンプリングして時系列データを取得する。この時系列データにおける計測間隔は、任意に定めてよいが、例えば１０分間隔や１分間隔に設定することが好ましい。

Ｓ０２：前記異常診断装置６の前記発電効率低下指標算出部は、Ｓ０１で取得した時系列データに含まれる最新時刻ｔの計測値に基づき発電効率低下指標を算出する。

すなわち、前記発電効率低下指標算出部は、各ストリング１における時刻ｔの発電電流のデータと時系列の日射強度のデータとを用いて、各ストリング１の発電効率の低下度合を発電効率低下指標として求める。ここで発電電流と日射強度との間には、式（１）の関係式が成り立っている。

式（１）によれば、発電電流と日射強度とに強い相関関係が認められ、発電電流と日射強度とに図３の関係性が成立する。すなわち、日射強度が弱い場合に発電電流が小さければ正常である一方、発電電流が大きければ異常と認められる。また、日射強度が強い場合に発電電流が小さければ異常である一方、発電電流が大きければ正常と認められる。

そこで、発電電流と日射強度との強い相関関係を前提に前記異常診断装置６は、発電効率の低下度合を示す指標として、発電効率の低下指標「ＰＩ」を式（２）のように定義して設定する。

式（２）中の「Ｉ」はストリング１の発電電流を示し、「Ｇ」は日射強度を示し、「ｔ」は時系列データ中の時刻を示し、「ｍ」は式（２）の分母が「０」となるのを防ぐための微小値を示している。

また、「ｓｃａｌｅ（）」は、最大値が「１」，最小値が「０」になるように変形する正規化（以降、［０，１］正規化）を示している。なお、「ｓｃａｌｅ（Ｉ）（ｔ）」および「ｓｃａｌｅ（Ｇ）」（ｔ）］は、時刻ｔで計測した発電電流と日射強度を正規化した値を示している。

このときストリング１の発電電流「Ｉ」と日射強度「Ｇ」とは、それぞれ太陽電池および日射センサの定格値により最大値と最小値が分かるので、「０，１」正規化によって基準を合わせることができる。また、ストリング１の故障などで発電電流「Ｉ」が「０［Ａ］」の場合、発電効率低下指標「ＰＩ」は無限大に発散してしまうため、分母に微小値「ｍ」を加えている。この微小値「ｍ」の値は、例えば「ｓｃａｌｅ（Ｉ）（ｔ）＝０」かつ「ｓｃａｌｅ（Ｇ）（ｔ）＝１」のときに「ＰＩ（ｔ）＝１００」としたければ、「ｍ＝１０^-2」とすればよい。

ここで定義された発電効率低下指標「ＰＩ」には、季節性の影響を受けないという特徴を持つ。すなわち、日射強度は、図４中の矢印Ｐに示すように、秋から冬場にかけて低下する傾向にある。

しかしながら、図５（ａ）〜（ｄ）に示すように、式（１）の発電電力と日射強度との強い相関関係は、季節の推移に従って崩れるわけではない。また、発電効率低下指標「ＰＩ」は、式（１）に示すように、温度の影響を受けないため、季節に関係なく、年間を通して利用できる指標といえる。

Ｓ０３：前記異常診断装置６の前記異常発生判定部において、Ｓ０２で算出された発電効率低下指標「ＰＩ」が、あらかじめ設定された正常時における発電効率低下指標「ＰＩ」の範囲に収まるか否かによりストリング１の異常診断を実施し、処理を終了する。以下に処理内容の詳細を説明する。

（１）まず、発電効率低下指標「ＰＩ」の範囲を、あらかじめ正常・注意・危険の３領域（範囲）に分けて設定する（Ｓ０３−１）。この発電効率低下指標「ＰＩ」の範囲は、次の方法（手順）により設定する。

すなわち、Ｓ０１，Ｓ０２の方法によりストリング１に異常が生じていない状態、即ち正常時のストリング１の発電効率低下指標「ＰＩ」を、一定期間（例えば一週間など）求める（Ｓ０３−１１）。この一定期間分の発電効率低下指標「ＰＩ」に基づき平均「μ」と標準偏差「σ」とを算出する（Ｓ０３−１２）。この算出には式（３）（４）を用いることができる。

式（３）（４）中の「Ｎ」はサンプルデータの総数を示し、「ｘ_i」はｉ番目のデータの値を示している。ただし、Ｓ０３−１１において、日射の無い時間帯（夜間など）のセンサ２，４の計測データを含めて発電効率低下指標「ＰＩ」を算出すると、平均「μ」と標準偏差「σ」とが極端小さくなり、以降における「ＰＩ」の範囲設定に不備が生じるおそれがある。

そこで、Ｓ０３−１１においては、平均「μ」と標準偏差「σ」の算出に使用するセンサ２，４の計測データから「日射強度＝０」の時間帯を除外し、日射のある時間帯（例えば６：００〜１８：００）の該計測データに限定する。この時間帯は、季節に応じて適宜に設定を変更してもよいものとする。

図６に基づき発電効率低下指標「ＰＩ」の正常範囲，注意範囲，危険範囲の一例を説明する。ここでは発電効率低下指標「ＰＩ」の正常範囲（矢印Ｎに示す正常時の発電効率低下指標「ＰＩ」の範囲）は、平均「μ」と標準偏差「σ」から一定範囲内、即ち「μ−３σ」〜「μ＋３σ」の範囲内に設定されている。

また、発電効率低下指標「ＰＩ」の注意範囲（矢印Ｃに示す注意時の範囲）は、正常範囲を外れた範囲に設定されている。ここでは前記注意範囲は、「μ−３σ」未満かつ「μ−６σ」以上の範囲と、「μ＋３σ」超過かつ「μ＋６σ」以下の範囲とに設定されている。

さらに発電効率低下指標「ＰＩ」の危険範囲（矢印Ｄに示す危険時の範囲）は、正常範囲および注意範囲を外れた範囲に設定されている。ここでは前記危険範囲は、「μ−６σ」未満の範囲と、「μ＋６σ」超過の範囲とに設定されている。

なお、発電効率低下指標「ＰＩ」の前記各範囲は、図６の矢印Ｎ，Ｃ，Ｄに示す範囲に限定されるものではなく、他の範囲に設定してもよいものとする。また、発電効率低下指標「ＰＩ」を正常範囲，注意範囲，危険範囲ではなく、正常範囲と異常範囲の２領域（範囲）に設定してもよいものとする。

（２）つぎに診断対象のストリング１の電効率低下指標「ＰＩ」を時系列順に算出する。ここで算出された各電効率低下指標「ＰＩ」をＳ０３−１で定められた各範囲と比較し、どの範囲に収まるかを判定してストリング１の異常検出を実施する（Ｓ０３−２）。すなわち、電効率低下指標「ＰＩ」の収まる範囲に応じてストリングの正常・注意・異常が判定される。

ただし、正常範囲の発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ）」が、発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ＋１）」において注意範囲や危険範囲に移行しても、即時にストリング１に異常が発生したとは判定されない。

すなわち、ストリング１に異常が発生した場合、例えばパネル破損などで発電効率が低下した場合などでは、発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ）」は正常範囲から注意範囲や危険範囲に移行し、正常範囲に戻ることはない。

一方、厚雲などの影響で一部のストリング１には影が差している一方、日射センサ２には影が差していない場合などには、該ストリング１の発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ）」が正常範囲から注意範囲や危険範囲に移行するものの、時間の経過により厚雲などがなくなるため、「ＰＩ（ｔ＋１）」などでは正常範囲に戻る。

そうすると発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ）」が、注意範囲や危険範囲に移行したタイミングで異常が発生したと判定すると、異常を誤検出するおそれがある。そこで前記異常診断装置６においては、発電効率低下指標「ＰＩ（ｔ）」が注意範囲や危険範囲に移行した時点から「一定時間」経過後に正常範囲に戻らない場合に限り、異常が発生したものと判定する。

この場合の「一定時間」は、仕様などに応じて事前に任意に設定できるものの、厚雲などによる局所的な日陰は一時的であることが多いため、１時間程度の設定が好ましい。なお、前記異常診断装置６の判定結果は、モニタなどに出力することができ、また注意範囲や危険範囲と判定された場合には警報を発する設定することもできる。

このような前記異常診断装置６によれば、太陽電池のストリング１について安価で信頼性の高い異常診断が可能となる。すなわち、ストリング１の発電電流と日射強度との強い相関関係に着目し、季節性や気温の影響を受けることなく、年間を通じた信頼性の高い異常診断を提供することができる。

特に電流センサ４と日射センサ２という２種類のセンサだけの簡素な構成でストリング１の異常を診断可能なため、特許文献１のような温度情報などを必要せず、この点でセンサ数が少なくて済み、コストを抑制するこができる。

また、特許文献１のように理論発電量を算出するために、あらかじめ太陽光パネルのシステム出力量［ｋＷｈ］や標準状態の日射量［ｋＷｈ／ｍ²］などのスペックの登録も不要である。この点でユーザに煩わしい手順を強いることなく、使いやすい異常検出装置を提供することができる。さらに電流センサ４と日射センサ２だけあればよいので、既設の太陽電池の設備に前記異常診断装置６を容易に設置することもできる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載さされた範囲内で変形して実施することができる。例えば本発明は、ストリング１に限定されず、電流センサ４の計測位置を変更することで他の診断単位（セル，モジュール３など）における異常を診断することができる。

また、前記異常診断装置６をクラウドシステム上で構成し、電流センサ４と日射センサ２の計測データを無線通信にて前記異常診断装置６に送信し、前記異常診断装置６の診断結果を発電所の監視室に配信するシステムとしてもよい。

１…ストリング（診断単位）
２…日射センサ
３…モジュール
４…電流センサ
５…接続箱
６…異常診断装置
７…ＰＣＳ

Claims

任意の診断単位における太陽電池の異常を診断する異常診断装置であって、
前記太陽電池における前記診断単位の発電電流を計測する電流センサのデータと、日射強度を計測する日射センサのデータとに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する発電効率低下指標算出部と、
前記発電効率低下指標算出部にて算出された発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによって発電効率の状態を診断する発電効率診断部と、
を備えることを特徴とする異常診断装置。
前記発電効率低下指標算出部は、
以下の式を用いて前記発電効率低下指標を算出することを特徴とする請求項１記載の異常診断装置。

「ＰＩ」は前記発電効率低下指数
「Ｉ」は診断単位の発電電流
「Ｇ」は日射強度
「ｍ」は分母が「０」となるのを防ぐための微小値
「ｔ」は計測時刻
「ｓｃａｌｅ（Ｇ）（ｔ）」および「ｓｃａｌｅ（Ｉ）（ｔ）」は、［０，１］正規化した時刻ｔの電流および日射強度
前記発電効率診断部は、あらかじめ前記ストリングの正常時に算出された一定期間分の前記発電効率低下指標の平均と標準偏差とを算出し、
前記平均と前記標準偏差から一定範囲を正常時の発電効率低下指標の範囲とすることを特徴とする請求項１または２記載の異常診断装置。
前記発電効率診断部は、前記一定期間分の前記発電効率低下指標から前記日照強度が「０」の時間帯を除く
ことを特徴とする請求項３記載の異常診断装置。
発電効率診断部は、前記正常時の発電効率低下指標の範囲から外れた時点から一定時間経過後に異常が発生したと判定する
ことを特徴とする請求項３または４記載の異常診断装置。
任意の診断単位における太陽電池の異常を、コンピュータにより診断する異常診断方法であって、
前記太陽電池における前記診断単位の発電電流を計測する電流センサのデータと、日射強度を計測する日射センサのデータとに基づき発電電流と日射強度との比率に応じた発電効率低下指標を算出する発電効率低下指標算出ステップと、
前記発電効率低下指標算出ステップにて算出された発電効率低下指標が、あらかじめ算出された正常時の発電効率低下指標の範囲に収まるか否かによって発電効率の状態を診断する発電効率診断ステップと、
を有することを特徴とする異常診断方法。
前記発電効率低下指標算出ステップは、
以下の式を用いて前記発電効率低下指標を算出することを特徴とする請求項６記載の異常診断方法。

「ＰＩ」は前記発電効率低下指数
「Ｉ」は診断単位の発電電流
「Ｇ」は日射強度
「ｍ」は分母が「０」となるのを防ぐための微小値
「ｔ」は計測時刻
「ｓｃａｌｅ（Ｇ）（ｔ）」および「ｓｃａｌｅ（Ｉ）（ｔ）」は、［０，１］正規化した時刻ｔの電流および日射強度
前記発電効率診断ステップは、あらかじめ前記ストリングの正常時に算出された一定期間分の前記発電効率低下指標の平均と標準偏差とを算出し、
前記平均と前記標準偏差から一定範囲を正常時の発電効率低下指標の範囲とすることを特徴とする請求項６または７記載の異常診断方法。
前記発電効率診断ステップは、前記一定期間分の前記発電効率低下指標から前記日照強度が「０」の時間帯を除く
ことを特徴とする請求項８記載の異常診断方法。
発電効率診断ステップは、前記正常時の発電効率低下指標の範囲から外れた時点から一定時間経過後に異常が発生したと判定する
ことを特徴とする請求項８または９記載の異常診断方法。