JP2020089156A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電システムなどの発電システム内の漏電遮断器が作動した場合に、漏電の原因となる異常箇所が発電システムの内と外のいずれに存在しているかを容易に判別可能とする。【解決手段】低圧単相電力系統に接続される発電システムは、直流発電装置と、トランスレスインバーターと、漏電遮断器と、を備え、前記低圧単相電力系統の中性線の対地電圧および電力線の対地電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記対地電圧に関する情報を出力する出力手段と、をさらに備える。【選択図】図４

Description

本発明は、発電システムに関する。

発電システムの一例として、発電装置として太陽電池を備える発電システム（以下、太陽光発電システムという）について図１を参照して説明する。図１に示すように、従来の一般的な太陽光発電システム１０は、太陽電池アレイ１１と、インバーターを内部に備えるパワーコンディショナー１２と、漏電遮断器１３とを備える。太陽電池アレイ１１は、太陽光を受けて直流電力を発生させる。パワーコンディショナー１２は、太陽電池アレイ１１からの直流電力を交流電力に変換する。太陽電池アレイ１１およびパワーコンディショナー１２は、アースに接続されている。

太陽光発電システム１０は、太陽光発電システム１０を所有する需要家の配電盤１４を介して、電力会社が管理する低圧単相電力系統（低圧単相三線式）５０に接続されている。低圧単相電力系統５０には、さらに、他の需要家群の負荷（電気機器など）６１や発電システム６２が、需要家ごとに配電盤６４と漏電遮断器６３を介して接続されている。

太陽光発電システム１０が備える漏電遮断器１３は、太陽電池アレイ１１やパワーコンディショナー１２の異常によって漏電が発生した際に、電力系統５０と太陽光発電システム１０との電気的接続を遮断する。特に、太陽電池アレイ１１は大きな静電容量を有するので、太陽電池アレイ１１の異常に起因する漏電による事故（感電など）を防ぐために漏電遮断器１３は重要な役割を担う。

近年、パワーコンディショナー１２は、低価格化などを目的として、絶縁トランスを有しないトランスレス方式を採用しているものが多くなっている。パワーコンディショナー１２がトランスレス方式である場合、太陽光発電システム１０に異常がないにもかかわらず漏電遮断器１３が不正に作動してしまう、という問題が発生することが知られている（例えば特許文献１参照）。漏電遮断器１３の本来の機能は、太陽光発電システム１０の異常による漏電を遮断することであるが、上記の問題は、太陽光発電システム１０の外に位置する電力系統の異常によって漏電遮断器１３が誤作動することに起因する。

具体的には、他の需要家内や配電系統で漏電や地絡事故が発生すると、地絡電流により中性線（Ｏ相）に交流電位が印加される。これにより、静電容量を持つ太陽電池アレイ１１にも交流が印加され、静電容量を通して大地間に電流が流れる。この電流が漏電遮断器１３に漏れ電流として検出されると、太陽光発電システム１０に異常はないのに漏電遮断器１３が作動し、電力系統５０と太陽光発電システム１０との電気的接続が遮断されることがある。

この問題の解決方法として、太陽光発電システム１０が備える漏電遮断器１３の動作時限を、低圧単相電力系統５０に接続される他の需要家の漏電遮断器６３の動作時限よりも大きくすることが知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−２２４１２９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、他の需要家内で漏電が発生した場合には、太陽光発電システム１０内の漏電遮断器１３よりも他の需要家内の漏電遮断器６３が先に作動するため、太陽光発電システム１０内の漏電遮断器１３が作動することはないが、本来の漏電遮断器１３の機能の低下、すなわち、太陽光発電システム１０の異常に起因する漏電が発生した場合にこの漏電を遮断する反応性が鈍化してしまうという問題が招来される。

また、特許文献１に開示されている方法では、低圧単相電力系統５０の中性線の対地電圧を測定することで、漏電の原因が太陽光発電システム１０内にあるのか、太陽光発電システム１０外にあるのかを判別し、この判別結果に応じて漏電遮断器１３の動作時限を相対的に他の需要家の漏電遮断器６３の動作時限より大きく設定している。そのため、特許文献１に開示されている方法は、他の需要家内で生じた漏電に対しては機能するものの、電力会社が管理する低圧単相電力系統５０で漏電（地絡事故など）が発生した場合には機能しないという問題もある。

ここで図２を参照して、太陽光発電システム１０外の地絡事故として、低圧単相電力系統５０で地絡事故が発生した場合を説明する。図２において、太陽光発電システム１０および配電盤１４の構成、ならびに配電盤１４が低圧単相電力系統５０に接続されていることは図１と同様である。

ここで、電力系統５０の電力線（Ｕ相またはＷ相）が何等かの理由で地絡した場合、電力線からの地絡電流がアースされている中性線（Ｏ相）に流れ、本来は対地間電圧が０Ｖであるはずの中性線の電圧が変動することがある。このように中性線の電圧が変動すると、大きな静電容量を有する太陽電池アレイ１１に接続されたアースから太陽光発電システム１０内に地絡電流が侵入し、この地絡電流に起因して漏電遮断器１３が誤作動することがある。なお、太陽光発電システム１０における太陽電池アレイ１１の静電容量は、他の需要家（太陽光発電システムを有さない需要家）内の機器の静電容量に比べて大きいため、地絡電流が太陽光発電システム１０内へとより侵入しやすく、そのため、他の需要家の漏電遮断器６３に比べて太陽光発電システム１０内の漏電遮断器１３が作動しやすい。このように、太陽光発電システム１０には異常が存在しないにもかかわらず漏電遮断器１３が作動してしまうという従来からの問題は、特許文献１に開示されている方法を適用したとしても依然として残る。この場合、漏電が発生した真の異常箇所の特定が困難となり、早急な修復が困難になる。

また、電力系統５０側での地絡事故等の異常は、継続的に異常が発生し続ける場合もあれば、断続的に異常（地絡）が発生する場合もある。後者の一例としては、屋外の電線（電力線が絶縁物で被覆されたケーブル）が、屋外に設置された金属性のポール等に（例えば、台風や強風などにより）断続的に接触し、電線の絶縁物が削れ、その結果、電線内の芯線と上記のポールが断続的に、又は一定の条件下で（例えば、台風などの強風時のみ）接触することがある。この場合、継続的には地絡が発生せず、特殊な条件のときにだけ断続的に地絡が発生することとなり、その異常箇所の特定はより困難となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、太陽光発電システムなどの発電システム内の漏電遮断器が作動した場合に、漏電の原因となる異常箇所が発電システムの内と外のいずれに存在しているかを容易に判別可能とすることにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、直流発電装置と、トランスレスインバーターと、漏電遮断器と、を備える、低圧単相電力系統に接続される発電システムであって、前記低圧単相電力系統の中性線の対地電圧および電力線の対地電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された前記対地電圧に関する情報を出力する出力手段と、をさらに備える発電システムである。

従来の太陽光発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。 従来の太陽光発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナーの構成を模式的に示すブロック図である。 正常時における単相三線の対地電圧の波形の一例を示す図である。 異常時における単相三線の対地電圧の波形の一例を示す図である。 異常時における単相三線の対地電圧の波形の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る太陽光発電システム２０の構成を模式的に示すブロック図である。太陽光発電システム２０は、例えば、需要家の住宅１００内に設置され、配電盤２４を介して低圧単相電力系統（低圧単相三線式）５０に接続されている。配電盤２４にはさらに、需要家の住宅１００内で使用される電気機器などの負荷２５が接続されている。太陽光発電システム２０によって発電された電力は、負荷２５に供給されるとともに、余剰電力は低圧単相電力系統５０へ送電される。また、太陽光発電システム２０の発電電力が少ない場合や夜間には、低圧単相電力系統５０から負荷２５へ電力が供給される。

太陽光発電システム２０は、太陽電池アレイ２１と、パワーコンディショナー２２と、漏電遮断器２３とを備える。太陽電池アレイ２１は、太陽光を受けて直流電力を発生させる。パワーコンディショナー２２は、太陽電池アレイ２１からの直流電力を交流電力に変換する。太陽電池アレイ２１およびパワーコンディショナー２２は、アースに接続されている。漏電遮断器２３は、漏電が発生した際に太陽光発電システム２０と低圧単相電力系統５０との電気的接続を遮断する。前述したように、漏電は、太陽光発電システム２０内の太陽電池アレイ２１またはパワーコンディショナー２２の異常によって、または太陽光発電システム２０外の低圧単相電力系統５０において、発生し得る。漏電遮断器２３は、これらのいずれが原因である場合にも、太陽電池アレイ２１のような大きな静電容量を有する装置を備えていれば作動する。以下に説明するように、漏電の原因となった異常箇所が太陽光発電システム２０の内部か外部かを判別する機能が、パワーコンディショナー２２にさらに備えられている。

図４は、本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナー２２の構成を模式的に示すブロック図である。図４に示されるように、パワーコンディショナー２２は、トランスレスインバーター２２１と、検出手段２２２と、出力手段２２３と、記録手段２２４と、制御手段２２５とを備える。トランスレスインバーター２２１には、太陽電池アレイ２１で発生した直流電力が入力される。トランスレスインバーター２２１は、太陽電池アレイ２１から供給された直流電力を交流電力に変換し、Ｕ相、Ｏ相、およびＷ相からなる単相三線に交流電力を出力する。

検出手段２２２は、単相三線（Ｕ相、Ｏ相、Ｗ相）の少なくとも１つの相の対地電圧を検出する。例えば、検出手段２２２は、単相三線の電圧を直接監視してもよいし、あるいは、漏電遮断器２３が単相三線の電圧を監視し、検出手段２２２は漏電遮断器２３から単相三線の電圧値を取得するのであってもよい。また、検出手段２２２は、漏電遮断器２３のステータスを検出する。例えば、検出手段２２２は、漏電遮断器２３から、漏電遮断器２３が作動している（それによって、太陽光発電システム２０と低圧単相電力系統５０との電気的接続が遮断されている）か否かを示すステータス情報を取得する。

制御手段２２５は、パワーコンディショナー２２の各部の動作を制御する。制御手段２２５は、検出手段２２２によって検出された単相三線（Ｕ相、Ｏ相、Ｗ相）の少なくとも１つの相の対地電圧に関する情報を、出力手段２２３から出力させる。対地電圧に関する情報は、対地電圧の値であってもよいし、対地電圧の値が所定値以上であるかどうかを表す情報であってもよい。所定値は、任意の値に設定することが可能である。例えば、Ｏ相（中性線）の対地電圧が用いられる場合には、実効電圧値１０Ｖ、２０Ｖ、５０Ｖなどの値を所定値として設定することができる。あるいは、Ｕ相またはＷ相（電力線）の対地電圧が用いられる場合には、実効電圧値１１０Ｖ、１２０Ｖ、１５０Ｖなどの値を所定値として設定することができる。制御手段２２５は、さらに、漏電遮断器２３のステータス情報を出力手段２２３から出力させてもよい。

制御手段２２５はまた、検出手段２２２によって検出された単相三線（Ｕ相、Ｏ相、Ｗ相）の少なくとも１つの相の対地電圧に関する情報を、記録手段２２４に記録させる。例えば、検出された対地電圧の値と時刻とを関連付けた時系列情報を記録手段２２４に記録することとしてもよい。制御手段２２５は、さらに、漏電遮断器２３のステータス情報を（例えば時系列情報として）記録手段２２４に記録させてもよい。

出力手段２２３は、検出手段２２２によって検出された単相三線の対地電圧に関する情報、または漏電遮断器２３のステータス情報を、ＬＥＤなどによる発光信号、またはアラーム音などの音声信号として出力する。あるいは、出力手段２２３は、これらの情報を電子データとして外部の機器へ無線または有線で送信してもよい。

図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、検出手段２２２によって検出された単相三線の対地電圧の波形の一例を示す図である。図５Ａは、漏電（地絡）が発生していない正常時におけるＯ相（中性線）とＵ相（電力線）の対地電圧の波形を表している。なお、Ｗ相の波形はＵ相の波形を位相１８０°ずらしたものであるため、図５ＡではＷ相の波形を省略している。図５Ｂは、低圧単相電力系統５０のＷ相の電力線が地絡した異常時におけるＯ相とＵ相の対地電圧の波形を表している。図５Ｃは、図５Ｂと同じ異常時におけるＯ相、Ｕ相、およびＷ相の対地電圧の波形を表している。

図５Ａの正常時において、Ｕ相の対地電圧の実効値は１００Ｖであり、Ｏ相の対地電圧は地電位と同じ０Ｖを示している。一方、電力線に地絡が生じた図５Ｂおよび５Ｃの異常時には、地絡電流がＯ相に流れ込んで、Ｏ相に、地絡した電力線の電圧が減衰した電圧による電圧変動が現れる。そして、Ｏ相の電圧がこのように変動するため、Ｕ相の電圧は、実効値１００Ｖの交流にＯ相の変動電圧が重畳した値となる。

したがって、例えば、漏電遮断器２３が作動した時に、検出手段２２２によって検出されたＯ相の対地電圧の実効値が所定電圧値（一例として、検出誤差などを考慮し１０Ｖ）を超えていれば、低圧単相電力系統５０側で、すなわち太陽光発電システム２０の外で漏電が発生したと判断することができる。また反対に、漏電遮断器２３が作動した時に、検出手段２２２によって検出されたＯ相の対地電圧の実効値が当該所定電圧値を超えていなければ、低圧単相電力系統５０側ではなく、太陽光発電システム２０の内部で漏電が発生したと判断することができる。なお、検出手段２２２によって検出されたＵ相またはＷ相のいずれか一方の対地電圧の実効値が、所定電圧値（一例として、検出誤差などを考慮し１１０Ｖ）を超えているか否かを判断基準としてもよい。

このように、本実施形態の太陽光発電システム２０によれば、漏電遮断器２３が作動した時に単相三線の中性線（Ｏ相）または電力線（Ｕ相またはＷ相）の対地電圧の情報を出力することで、漏電の原因となった異常箇所が太陽光発電システム２０の内部にあるのか外部にあるのかを判別することができる。また、対地電圧の情報を時系列情報として記録手段２２４に記録しておくことで、漏電が断続的に起きるような事故であっても、記録された時系列情報を参照すれば、同様に、漏電の異常箇所が太陽光発電システム２０の内部か外部かを判別することができる。

図４に示した本発明の一実施形態に係るパワーコンディショナー２２は、トランスレスインバーター２２１に加えて、検出手段２２２、出力手段２２３、記録手段２２４、および制御手段２２５の各手段を備える構成であるが、これら各手段の全部または一部が、パワーコンディショナー２２の外に設けられてもよい。例えば、記録手段２２４は、太陽電池アレイ２１の発電実績を表示する表示装置、情報端末、クラウドサーバー内に設けてもよいし、あるいは、中性線の電圧を測定する測定機器や漏電ブレーカー内に設けてもよい。また、上記表示装置、情報端末、またはクラウドサーバーを出力手段２２３として利用してもよく、単相三線の対地電圧に関する情報または漏電遮断器２３のステータス情報を電子データとしてこれら表示装置、情報端末、またはクラウドサーバーへ送信して表示するのであってもよい。

また、制御手段２２５は、漏電が低圧単相電力系統５０側で発生した（すなわち、上述したように、例えばＯ相の対地電圧の実効値が所定電圧値を超えている）場合に、感電などの事故を防止するために、パワーコンディショナー２２の動作を停止させたり、あるいは漏電遮断器２３を作動させて太陽光発電システム２０を低圧単相電力系統５０から遮断させたりしてもよい。さらに、制御手段２２５は、複数の閾値を用いてパワーコンディショナー２２および漏電遮断器２３の動作を制御してもよい。例えば、制御手段２２５は、検出手段２２２によって検出されたＯ相の対地電圧の実効値が第１の所定電圧値を超えた場合に、異常を知らせる信号を出力手段２２３から出力し、Ｏ相の対地電圧の実効値が第２の所定電圧値を超えた場合には、上述のようにパワーコンディショナー２２の動作を停止させあるいは漏電遮断器２３を作動させる制御を行ってもよい。

また、以上の実施形態では、発電装置として太陽電池アレイ２１を備えた太陽光発電システム２０を例にとって説明したが、本発明は、他の種類の直流発電装置を備えた発電システムにも適用可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

１０ 太陽光発電システム
１１ 太陽電池アレイ
１２ パワーコンディショナー
１３ 漏電遮断器
１４ 配電盤
２０ 太陽光発電システム
２１ 太陽電池アレイ
２２ パワーコンディショナー
２２１ トランスレスインバーター
２２２ 検出手段
２２３ 出力手段
２２４ 記録手段
２２５ 制御手段
２３ 漏電遮断器
２４ 配電盤
２５ 負荷
５０ 低圧単相電力系統
６１ 負荷
６２ 発電システム
６３ 漏電遮断器
６４ 配電盤
１００ 住宅

Claims (8)

1. 直流発電装置と、
   トランスレスインバーターと、
   漏電遮断器と、
   を備える、低圧単相電力系統に接続される発電システムであって、
   前記低圧単相電力系統の中性線の対地電圧および電力線の対地電圧の少なくとも一方を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された前記対地電圧に関する情報を出力する出力手段と、
   をさらに備える発電システム。
2. 前記対地電圧が所定の電圧値を超えているかどうかを判別する判別手段をさらに備え、
   前記出力手段は、前記対地電圧に関する情報として、前記判別手段による判別結果を出力する、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記出力手段は、前記対地電圧に関する情報として、前記検出手段によって検出された前記対地電圧の値を出力する、請求項１または２に記載の発電システム。
4. 前記出力手段は、前記漏電遮断器のステータス情報をさらに出力する、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電システム。
5. 前記検出手段によって検出された前記対地電圧の値を時系列情報として記録する記録手段をさらに備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の発電システム。
6. 前記記録手段は、前記漏電遮断器のステータスを時系列情報としてさらに記録する、請求項５に記載の発電システム。
7. 前記出力手段は、前記記録手段によって記録された時系列情報を出力する、請求項５または６に記載の発電システム。
8. 前記出力手段は、音、光、または電子データの形態で情報を出力する、請求項１から７のいずれか１項に記載の発電システム。

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