JP5888724B2 - 太陽電池アレイの診断装置、パワーコンディショナ、太陽電池アレイの診断方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池アレイの診断装置、パワーコンディショナ、太陽電池アレイの診断方法、及びプログラムに係り、特に、長期実使用状態における太陽電池アレイの電気特性を診断することができる太陽電池アレイの診断装置、パワーコンディショナ、太陽電池アレイの診断方法、及びプログラムに関する。

太陽光発電システムは、クリーンで安全なエネルギーとして注目を集めつつあるが、他の新エネルギーと同様、その初期投資が高価である点が欠点となっている。一般的に太陽電池の寿命は２０年といわれており、その寿命を元に経済価値が見積られている。しかし、使用開始からの早い時期に太陽電池に故障が生じ、かつそのままの状態で放置した場合には、長期にわたって大きな電力損失を招き、初期投資の回収がままならなくなる恐れがある。そのため、迅速なシステムの保守及び点検が重要になる。特に、複数の太陽電池モジュールが直並列に接続された太陽電池アレイにおいて、１つの太陽電池モジュールに故障が生じた場合には、故障した太陽電池モジュールを含む太陽電池アレイの並列方向または直列方向の他の故障していない太陽電池モジュールも発電に寄与できなくなる。現状では、１モジュールの大型化もあり、１モジュールに含まれる複数のセルを２から３クラスタに分けて、各クラスタにバイパスダイオードを並列に接続し、断線箇所などを迂回することで、１セルの故障が１モジュール全体に影響しない構造になっている。すなわち、故障箇所が含まれる１クラスタのみが発電しなくなる構造で、それだけ出力低下が抑えられている。

従来からの保守及び点検方法として、測定した太陽電池の電流−電圧特性を定められた基準状態の日射強度、セル温度、及び太陽光スペクトル分布等の環境因子に可能な範囲で換算することで、太陽電池出力の状態を分析することが行われている。この分析は、ある程度、日射条件の良い時に行われることが望ましい。しかし、この方法で既に設置された発電システムの太陽電池アレイを診断する場合、運転を一旦停止して、人により計測器を用いて測定しなければならない欠点があった。また、非常に多くの因子による影響が出力に含まれるため、１０％程度以下の低下では因子が特定しにくい。そこで、発電の行われていない時間帯、例えば夜などに、太陽電池モジュールストリング毎に電圧を印加して、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を定期的に自動取得することで、初期状態との違いから太陽電池アレイの状態を早期に診断し、故障を発見する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の技術によれば、システムの運転を停止することなく、また人による労力を要することなく、定期的かつ自動的にＩ−Ｖ特性を取得することができる。

特開２０１１−０６６３２０号公報

上記特許文献１の技術では、太陽電池の発電が行われていない状態でＩ−Ｖ特性を自動的に計測しているため、診断を目的とした計測のために労力を要し、発電を中断する時間が発生する、という問題がない。また、定期的に計測ができるため、早期に太陽電池アレイの電気的状態を診断し、故障を発見することができるという長所もある。

しかしながら、上記特許文献１の技術では、Ｉ−Ｖ特性を計測するために外部電源を用いたり、システム内に大容量の電源を備えたりすることが必要であり、システムや制御が複雑になると共に、コストもかかる、という問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、低コストかつ簡易な構成で、長期の実使用状態においても、太陽光照射時の発電を妨げることなく太陽電池アレイの電気特性を診断して、太陽電池アレイの故障を早期に発見することができる太陽電池アレイの診断装置、パワーコンディショナ、太陽電池アレイの診断方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の太陽電池アレイの診断装置は、太陽電池アレイに並列接続されるコンデンサを、該太陽電池アレイの測定対象部位からの電流で充電するための第１配線と、付加直流電源を備え、前記コンデンサの放電時の電圧と前記付加直流電源の電圧との合計電圧を、該太陽電池アレイの測定対象部位に印加するための第２配線と、前記太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、前記第１配線を選択して、前記コンデンサの充電時の前記測定対象部位の電圧及び電流を測定すると共に、前記第２配線を選択して、前記合計電圧を印加したときの前記測定対象部位の電圧及び電流を測定する測定手段と、前記測定手段により前記第１配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性と、前記第２配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性とを結合した結合電流−電圧特性の変化に基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断する診断手段と、を含んで構成されている。

本発明の太陽電池アレイの診断装置によれば、測定手段が、太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、太陽電池アレイの測定対象部位の電圧及び電流を測定する。太陽電池アレイの出力とは、電流、電圧、電力の少なくとも１つである。太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときとは、発電の開始時または終了時のような弱光下の環境であり、例えば、パワーコンディショナでは監視モードとなる時間帯のときである。このような時間帯に診断を行っても、発電の妨げとならない。また、測定手段は、太陽電池アレイに並列接続されるコンデンサ、すなわち発電時に使用されているコンデンサを、太陽電池アレイの測定対象部位からの電流で充電するための第１配線を選択して、コンデンサの充電時の測定対象部位の電圧及び電流を測定する。また、測定手段は、付加直流電源を備え、コンデンサの放電時の電圧と付加直流電源の電圧との合計電圧を、太陽電池アレイの測定対象部位に印加するための第２配線を選択して、合計電圧を印加したときの測定対象部位の電圧及び電流を測定する。そして、診断手段が、測定手段により第１配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性と、第２配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性とを結合した結合電流−電圧特性の変化に基づいて、測定対象部位の電気特性を診断する。

このように、太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、第１配線と第２配線とを各々選択することにより、コンデンサの充電時の電流−電圧特性と、コンデンサの放電時の電圧と付加直流電源の電圧との合計電圧印加時の電流−電圧特性とを取得することができ、これら２つの電流−電圧特性を結合することで結合電流−電圧特性を作成することができる。発電時に利用するコンデンサの弱光下での充放電特性を利用しているため、付加直流電源の容量を小さくすることができ、低コストかつ簡易な構成で、長期の実使用状態においても、太陽光照射時の発電を妨げることなく太陽電池アレイの電気特性を診断して、太陽電池アレイの故障を早期に発見することができる。

また、前記測定手段は、前記コンデンサの充電特性または放電特性、及び前記太陽電池アレイの電気特性に応じて、前記第１配線と前記第２配線とを切り替えることができる。これにより、例えば、第１配線を選択してコンデンサの充電特性から電流−電圧特性を測定する際に、コンデンサを開放電圧まで充電してから第２配線に切り替えることにより、すぐに開放電圧からコンデンサの放電ができ電流−電圧特性を測定することができる。

また、太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、最初に第２配線を選択して、コンデンサを付加直流電圧と共に測定対象部位に印加して、コンデンサから電荷を放電させ、第１配線に切り換え、再度完全に放電した後、充電特性を取得する。また、第１配線に切り替える前に付加直流電源を負極電圧まで減少させ、コンデンサの電荷を０にする方法も可能である。

また、本発明の太陽電池アレイの診断装置において、前記診断手段は、前記結合電流−電圧特性の所定の直線領域の傾きの変化、前記結合電流−電圧特性の所定の曲線領域の形状変化、及び前記結合電流−電圧特性の形状変化の少なくとも１つに基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断することができる。また、結合電流−電圧特性の曲線領域の形状や結合電流−電圧特性の初期形状との比較から、太陽電池セルだけでなく太陽電池モジュールストリング、太陽電池アレイの等価回路の変数を推算することでも診断ができる。これにより、容易に太陽電池アレイの状態を診断することができる。

また、前記太陽電池アレイは、複数のセルを接続した太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池モジュールストリングを複数個並列に接続して構成され、前記測定対象部位を、１つもしくは複数の太陽電池モジュールストリング、または１つもしくは複数の太陽電池モジュールとすることができる。これにより、測定対象部位を小さくすれば、故障や異常の範囲の特定が容易になり、測定対象部位を大きくすれば、回路構成を簡略化することができる。

また、本発明のパワーコンディショナは、上記の太陽電池アレイの診断装置を含んで構成されている。

また、本発明のパワーコンディショナにおいて、前記コンデンサは、前記太陽電池アレイの発電時に用いられる入力コンデンサであり、前記測定手段は、前記太陽電池アレイの発電時に出力電力を調整する際に用いられる電流センサ及び電圧センサを含むことができる。

また、本発明の太陽電池アレイの診断方法は、太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、前記太陽電池アレイに並列接続されるコンデンサを、該太陽電池アレイの測定対象部位からの電流で充電する時の前記測定対象部位の電圧及び電流を測定し、前記コンデンサの放電時の電圧と付加直流電源の電圧との合計電圧を、前記太陽電池アレイの測定対象部位に印加して、前記合計電圧を印加したときの前記測定対象部位の電圧及び電流を測定し、前記コンデンサの充電時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性と、前記合計電圧印加時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性とを結合した結合電流−電圧特性を作成し、作成した前記結合電流−電圧特性の変化に基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断する方法である。

また、本発明の太陽電池アレイの診断プログラムは、コンピュータを、上記の太陽電池アレイの診断装置を構成する各手段として機能させるためのプログラムである。

以上説明したように、本発明の太陽電池アレイの診断装置、パワーコンディショナ、太陽電池アレイの診断方法、及びプログラムによれば、太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、第１配線と第２配線とを各々選択することにより、コンデンサの充電時の電流−電圧特性と、コンデンサの放電時の電圧と付加直流電源の電圧との合計電圧印加時の電流−電圧特性とを取得することができ、これら２つの電流−電圧特性を結合することで結合電流−電圧特性を作成することができる。発電時に利用するコンデンサの弱光下での充放電特性を利用しているため、付加直流電源の容量を小さくすることができ、低コストかつ簡易な構成で、長期の実使用状態においても、太陽光照射時の発電を妨げることなく太陽電池アレイの電気特性を診断して、太陽電池アレイの故障を早期に発見することができる、という効果が得られる。

本実施の形態のパワーコンディショナを備えた太陽光発電システムの構成を示す概略図である。 切替部の詳細を概略的に示した図である。 太陽電池セルの等価回路を示す図である。 暗状態の太陽電池モジュールにおいて（Ａ）シミュレーションにより求めた電圧Ｖ_Ｌに対する電流−Ｉ_Ｄ及び−Ｉ_ｓｈの関係を示す図、及び（Ｂ）Ｉ−Ｖ特性を示す図である。 Ｉ−Ｖ特性の電流依存領域及び電圧依存領域を説明するための図である。 本実施の形態のパワーコンディショナにおける太陽電池アレイの診断処理ルーチンを示すフローチャートである。 電圧フローを示すフローチャートである。 直流電源電圧の印加電圧周波数１０Ｈｚの場合における過渡現象の電流及び電圧の測定値を示すグラフである。 直流電源電圧の印加電圧周波数１００Ｈｚの場合における過渡現象の電流及び電圧の測定値を示すグラフである。 電圧フロー及び電流フローで取得されたＩ−Ｖ特性を示すグラフである。 電流フローを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１に、本実施の形態のパワーコンディショナ１０を備えた太陽光発電システムの概略構成を示す。本実施の形態のパワーコンディショナ１０は、太陽光を電力に変換する太陽電池アレイ１２に接続されている。太陽電池アレイ１２は、複数の太陽電池モジュール１４を直列接続した太陽電池モジュールストリング１６を、複数個並列に接続して構成されている。ここでは、結晶系太陽電池を想定しｎ列の太陽電池モジュールストリング１６が並列に接続されているものとする。薄膜太陽電池では、１モジュールの電圧が約１００Ｖ〜２００Ｖと高いため、それに適した構成を想定するものとする。

また、太陽電池モジュールストリング１６を構成する太陽電池モジュール１４は、複数の太陽電池セルを直列、並列、または直並列に接続した太陽電池２０、及び太陽電池２０と並列に接続され、太陽電池２０の故障時に迂回して通電されるバイパスダイオード２１で構成されている。

パワーコンディショナ１０は、太陽電池アレイ１２と接続されており、太陽電池アレイ１２を流れる電流の電流値を検出して検出値を出力する電流センサ２２、太陽電池アレイ１２の両端子間の電圧を検出して検出値を出力する電圧センサ２４、入力コンデンサ２６、電流センサ２２及び電圧センサ２４の検出値に基づいて、太陽電池アレイ１２の出力電力が最大になる点を追従するＭＰＰＴ（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ）制御を行うＭＰＰＴ制御部２８、太陽電池アレイ１２から出力された直流電流を交流電流に変換して負荷へ出力するためのＤＣ−ＡＣインバータ３０、発電時と診断時とで配線の切り替えを行うためのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、及び切替部３２、太陽電池アレイ１２の診断処理の制御を行うＣＰＵ３４、並びに各種情報を記憶したメモリ３５を含んで構成されている。

電流センサ２２及び電圧センサ２４は、発電時と診断時とで共通に使用することができる。ただし、電圧センサ２４については、電圧の測定部位が発電時と診断時とで異なるため、スイッチＳＷ１により切り替える。スイッチＳＷ１には接点ａ、ｂが設けられており、発電時には接点ａ、診断時には接点ｂに接続することにより、電圧センサ２４による電圧の測定部位を切り替えることができる。なお、電流センサ２２については、電流の測定部位が発電時と診断時とで同じであるので、切り替えは行わない。

スイッチＳＷ２は、オン状態とオフ状態とを切り替えるためのスイッチであり、発電時にはオン状態、診断時にはオフ状態となる。

切替部３２には、発電時と診断時とで配線の切り替えを行うためのスイッチＳＷ３ｉが太陽電池モジュールストリング１６各々に対応して設けられている。ｉは、１〜ｎ列のうち、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６に対応していることを示している。

図２を参照して、切替部３２の構成について、より詳細に説明する。なお、図２は、ｎ列目の太陽電池モジュールストリング１６及びその診断機能に対応する部分を抜き出した概略図である。

スイッチＳＷ３ｎには、接点ｏ、ａ、ｂ、ｃが設けられている。接点ｏは、発電時に接続される接点であり、接点ｏと太陽電池モジュールストリング１６との間には、ブロッキングダイオード１８が設けられている。接点ａは、診断時に接続される接点であり、接点ａと太陽電池モジュールストリング１６との間には、可変直流電源４０が設けられている。接点ｂは、診断時に接続される接点であり、接点ｂは、さらに接点ｂ１とｂ２とに分岐する。接点ｂ１と太陽電池モジュールストリング１６との間には、抵抗４１Ａが設けられており、接点ｂ１は、入力コンデンサ２６を充電させる際に選択される。接点ｂ２と太陽電池アレイ１２の正極側との間には、抵抗４１Ｂが設けられており、接点ｂ２は、入力コンデンサ２６を放電する際に選択される。充電には夕暮れ時等における太陽電池からの低い定電流で充電されるため、抵抗を考慮しなくてもよい。従って、図２に示すように抵抗４１Ａを設けた構成としてもよいし、抵抗４１Ａを設けない構成としてもよい。抵抗４１Ａを設けた場合には、時定数の調整することができるため充電速度を調整することができる。

また、パワーコンディショナ１０と太陽電池アレイ１２とは、太陽電池アレイ１２で発電された電力を取り出すための発電用配線３６、及び診断時に用いられる診断用配線３８で接続されている。診断用配線３８は、さらに、電圧依存領域（詳細は後述）のＩ−Ｖ特性を取得する際に用いられる診断用配線３８ａ（第２配線）と、電流依存領域（詳細は後述）のＩ−Ｖ特性を取得する際に用いられる診断用配線３８ｂ（第１配線）とを含んで構成されている。スイッチＳＷ３ｉの切り替えにより、パワーコンディショナ１０と太陽電池アレイ１２とが、発電時には、パワーコンディショナ１０と太陽電池アレイ１２とが発電用配線３６により接続され、スイッチＳＷ２がオンとなる。診断時には、スイッチＳＷ２をオフとし、パワーコンディショナ１０と太陽電池アレイ１２とが診断用配線３８ａまたは３８ｂにより接続される。

また、入力コンデンサ２６は、発電時の入力コンデンサ２６として機能するだけでなく、診断時には、太陽電池アレイ１２のＩ−Ｖ特性を取得するために、その充電特性または放電特性が利用される。

また、電流センサ２２及び電圧センサ２４は、ＭＰＰＴ制御に用いられる電流及び電圧を検出する機能だけでなく、診断時には、太陽電池アレイ１２のＩ−Ｖ特性を取得するための電流及び電圧を検出するためのセンサとしても用いられる。

ここで、本実施の形態における診断の原理について説明する。

まず、暗状態における太陽電池アレイの出力のＩ−Ｖ特性について、図３に示す太陽電池セルの等価回路を用いて説明する。この等価回路で負荷に流れる電流Ｉ_Ｌは、下記（１）式で表される。ただし、Ｉ_ｐｈは光発生電流、Ｉ_Ｄはｐｎ接合の順方向電流、及びＩ_ｓｈはｐｎ接合の漏れ電流である。

Ｉ_Ｌ＝Ｉ_ｐｈ−Ｉ_Ｄ−Ｉ_ｓｈ ・・・（１）
また、電流Ｉ_ｐｈは、日射強度に比例して発生することから、下記（２）式で表される。ただし、λは波長、Ｅ（λ）は入射光の波長分布、及びＲ（λ）は太陽電池アレイの分光感度特性である。

Ｉ_ｐｈ＝∫Ｅ（λ）・Ｒ（λ）ｄλ ・・・（２）
また、電流Ｉ_Ｄとｐｎ接合にかかる順電圧Ｖ_Ｊとの関係は、下記（３）式で表され、電流Ｉ_ｓｈとＶ_Ｊとの関係は、下記（４）式で表される。ただし、Ａはｐｎ接合の材料特性による係数、Ｂは材料による係数、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは素電荷、及びＲ_ｓｈは接合欠陥による分路抵抗である。

（３）式及び（４）式は、光電流発生点を中心に考えた電圧Ｖ_Ｊの関数となっている。電圧Ｖ_Ｊは直列抵抗Ｒ_Ｓと負荷抵抗Ｒ_Ｌにより下記（５）式のように表せる。ただし、Ｖ_Ｌは負荷両端、つまり太陽電池出力端子間の電圧である。

Ｖ_Ｊ−Ｉ_Ｌ・Ｒ_Ｓ＝Ｖ_Ｌ ・・・（５）

（５）式を（３）式及び（４）式に代入して、さらに（１）式に代入すると、下記（６）式が得られる。

ここで、暗状態、つまりＥ＝０ｋＷ／ｍ^２であればＩ_ｐｈ＝０となる。太陽電池モジュールは、半導体ダイオードとして機能する太陽電池セルを直列、並列、または直並列に接続したものであるから、ダイオードとしての電気特性を取得し、（６）式に当てはめることで、その状態を各パラメータにより把握することができる。

太陽電池アレイの電気的な故障については、直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈの値の変化として表れると想定できる。そこで、太陽光発電システムの設置時等における正常時の太陽電池モジュールストリングにおけるＩ−Ｖ特性を取得し、これを初期の基準特性として、等価回路を基に各パラメータを算出しておき、直列抵抗及び分路抵抗などの基準値を求めておく。直列抵抗及び分路抵抗で推算が難しい場合は、太陽電池モジュールストリング、太陽電池アレイとしての太陽電池セル以外の回路パラメータ分析を行う。

図４（Ａ）に、（６）式を用いて、ある１個の太陽電池モジュールについてシミュレーションにより求めた電圧Ｖ_Ｌに対する（１）式における電流−Ｉ_Ｄ及び−Ｉ_ｓｈを示す。これより、−Ｉ_ｓｈはＶ_Ｌ＜２０ＶでＩ_Ｌに占める比率が支配的となり、−Ｉ_ＤはＶ_Ｌ＞２５ＶでＩ_Ｌに占める比率が支配的となる。そこで、同図（Ｂ）に示すように、太陽電池のＩ−Ｖ特性から、（６）式の性質に基づいて、直列抵抗Ｒ_Ｓは２５Ｖ以上の直線領域で、分路抵抗Ｒ_ｓｈは２０Ｖ以下の直線領域で、その傾きからＲ_Ｓ及びＲ_ｓｈを求める。なお、負電圧ではバイパスダイオードが働くため、分路抵抗Ｒ_ｓｈを求めるのは、０Ｖ以上の直線領域を使用する。また、特性によっては曲線部分や他の形状変化との整合から、直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈ、また太陽電池セル以外の太陽電池モジュールストリング、太陽電池アレイとしての回路定数を推算してもよい。ここでは、太陽電池モジュールが１個の例について説明したが、診断の対象となる太陽電池モジュールの直並列数に応じて、直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈを求める領域は異なる。

本実施の形態では、上記のように直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈを求めるために必要なＩ−Ｖ特性を、図５に示すように、電流依存領域と電圧依存領域との２つの領域に分け、太陽電池アレイの各列、つまり太陽電池モジュールストリング各々について、切替部３２により配線を切り替えて、各領域におけるＩ−Ｖ特性を取得する。「電流依存領域」は、図２に示す電流Ｉ_Ｌが正方向に流れる領域（僅かに発電している状態）であり、電流値がほぼ一定の領域をいう。また、「電圧依存領域」は、可変直流電源電圧の印加により、電流Ｉ_Ｌが逆方向に流れる領域であり、電圧の変化が少ない領域をいう。この２領域から得られた各特性を結合して、各太陽電池モジュールストリングのＩ−Ｖ特性全体（結合電流−電圧特性）が得られる。Ｉ−Ｖ特性は、セル温度に電圧が大きく影響を受けるため、開放電圧値がずれていたら、重なるよう近似、またはセル温度を推定した補正を行う。

後述するように、診断は、太陽光発電システムの運転開始時または終了時の発電に殆ど用いられない弱光下の状態において実施される。そして、「電流依存領域」では、この弱光下において入力コンデンサ２６を充電した際のＩ−Ｖ特性を取得する。また、「電圧依存領域」では、入力コンデンサ２６の放電に加え、可変直流電源電圧を加えて印加した際のＩ−Ｖ特性を取得する。

従って、例えば特許文献１のような手法では、直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈを求めるために必要なＩ−Ｖ特性を得るためには、図５中一点鎖線で囲まれた領域分の電源容量を必要とするのに対して、本実施の形態では、必要とする電源容量は、同図中破線で囲まれた領域分となり、電源容量が大幅に小さくなり、装置を低コストかつ簡易に構成することができる。

次に、本実施の形態のパワーコンディショナ１０の動作について説明する。太陽電池が発電している時間帯においては、スイッチＳＷ１は接点ａに接続、スイッチＳＷ２はオン状態、及びＳＷ３ｉは全て接点ｏに接続されており、発電用配線３６を介して太陽電池アレイ１２から電力が取り出され、負荷へ供給されるようになっている。

次に、図６を参照して、診断時の動作について説明する。ＣＰＵ３４が、図６に示す太陽電池アレイの診断処理ルーチンを実行することにより、各構成を制御して診断処理が実行される。

ステップ１００で、診断時期（診断周期に該当する日）及び診断時間帯か否かを判定する。診断周期は、故障の進行を推測して、例えば１０日おきなどの一定期間毎に行うように予め定めておく。また、システム設置当初は１ヶ月おきに、設置から１０年以降は１０日おきに行うようにするなど、推定される信頼度に応じて診断の周期を変化させてもよい。診断を実施する時間帯は、システムの運転開始時または停止時の弱光下に行う。診断には、高周波電圧で大電流を流して行うため、システム内に電流がある程度流れた後の状態で診断を実施する方が好ましい。また、発電は減少する時間帯であるから、日の出時に比べ発電時間への影響がない利点がある。そのため、本実施の形態では、夕暮れ時のシステムの運転停止時に診断を行う場合について説明する。パワーコンディショナ１０は、太陽電池アレイ１２からの出力（電圧、電流、発電量）が所定の閾値以下となった場合には、システムの運転停止時であると判断して、発電を停止し、交流出力側を切り離すため、監視モードに入り一定時間後ブレーカーを外すかどうかなどを判断する。本実施の形態の診断では、この時間帯を利用してＩ−Ｖ特性の取得を行う。通常の監視モードの時間内に診断が完了すれば、発電量に対する損失は全くない。また、その時間内に終わらなければ、数日かけて夕暮れ時に測定する方法も考えられる。従って、ＣＰＵ３４では、予め定めた診断周期に該当する日であって、かつ太陽電池アレイ１２からの電圧や電流が所定の閾値以下となって監視モードに入った場合に、診断時間帯であると判定する。診断時間帯であると判定された場合には、ステップ１０２へ移行し、診断時間帯ではないと判定された場合には、診断時間帯となるまで待機状態となる。

ステップ１０２では、何列目の太陽電池モジュールストリング１６かを示す変数ｉに１をセットして、ステップ１０４へ移行する。ステップ１０４では、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６について、電圧フロー（詳細は後述）を実施して、上記の電圧依存領域のＩ−Ｖ特性を取得する。次に、ステップ１０６へ移行し、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６について、電流フロー（詳細は後述）を実施して、上記の電流依存領域のＩ−Ｖ特性を取得する。

次に、ステップ１０８で、上記ステップ１０４で取得した電圧依存領域のＩ−Ｖ特性と、上記ステップ１０６で取得した電流依存領域のＩ−Ｖ特性とを結合し、Ｉ−Ｖ特性全体を作成する。次に、ステップ１１０で、上記ステップ１０８で作成したＩ−Ｖ特性全体から直列抵抗Ｒ_Ｓ、及び分路抵抗Ｒ_ｓｈを推算する。

次に、ステップ１１２で、太陽光発電システムの設置時等の正常時の太陽電池アレイ１２と診断用配線３８を含む計測端から見たＩ−Ｖ特性に基づいて、予め算出した直列抵抗の基準値Ｒ_Ｓ０、及び分路抵抗の基準値Ｒ_ｓｈ０と、上記ステップ１１０で推算された直列抵抗Ｒ_Ｓ、及び分路抵抗Ｒ_ｓｈとを比較する。これにより、太陽電池アレイ１２のｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６の電気特性を診断する。システム設置時等の初期の基準値を計測できない場合には、太陽電池モジュールの基本回路定数から求めたモジュールストリングとケーブル長などによる回路定数への影響を考慮して、初期状態における基準Ｉ−Ｖ特性を推測から定めておいてもよい。また、直列抵抗Ｒ_Ｓ、及び分路抵抗Ｒ_ｓｈの推測が難しい場合、モジュール、アレイとしての回路定数を推算する。

電気特性の診断は、例えば、Ｒ_ＳとＲ_Ｓ０との差、またはＲ_ｓｈとＲ_ｓｈ０との差が所定値以上の場合には、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６のいずれかの太陽電池２０に故障または故障の予兆ありと診断したり、Ｒ_Ｓ及びＲ_ｓｈの基準値からのずれ幅に応じて、どのような故障が生じているかを診断したり、過去の診断結果も踏まえて、Ｒ_ＳとＲ_Ｓ０との差、またはＲ_ｓｈとＲ_ｓｈ０との差などの回路定数の経時的変化からどのような故障が生じているか、または進行中であるかを診断したりすることができる。また、直列抵抗Ｒ_Ｓ及び分路抵抗Ｒ_ｓｈを用いた診断に加えて、予め記憶しておいた正常時または故障時のＩ−Ｖ特性のパターン（Ｉ−Ｖ特性の形状）と、上記ステップ１０８で作成したＩ−Ｖ特性全体のパターンとを比較することにより、故障か否か、または、どのような故障かを診断するようにしてもよい。ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６の診断結果を一旦メモリ３５に記憶する。

次に、ステップ１１４で、ｉ＝ｎとなったか否かを判定することにより、全ての太陽電池モジュールストリング１６について診断が終了したか否かを判定する。まだ全ての太陽電池モジュールストリング１６について診断が終了していない場合には、ステップ１１６へ移行して、ｉを１インクリメントして、ステップ１０４へ戻る。一方、ｉ＝ｎと判定された場合には、ステップ１１８へ移行し、メモリ３５に記憶された太陽電池モジュールストリング１６毎の診断結果を出力して、処理を終了する。診断結果は、外部接続された表示装置やプリンタ等にデータを出力して、表示装置に表示するようにしてもよいし、プリンタ等で印字出力するようにしてもよい。また、パワーコンディショナ１０自体に表示機能やプリンタ機能を備えるようにしてもよい。さらに、表示装置やプリンタ等の外部からの出力指示があるまでは、診断結果をメモリ３５に記憶しておき、出力指示を待って、診断結果を出力するようにしてもよい。

次に、図７を参照して、上記太陽電池アレイの診断処理のステップ１０４で実行される電圧フローについて詳細に説明する。

ステップ１０４０で、入力コンデンサ２６が太陽電池モジュールストリング１６の開放電圧と同じ電圧値まで充電が完了していることを確認する。充電が完了している場合には、スイッチＳＷ２をオフにし、太陽電池アレイ１２と負荷側との接続を切り離す。また、スイッチＳＷ１を接点ｂに接続し、スイッチＳＷ３ｉ以外のＳＷ３を接点ｃ（中立）に接続する。

次に、ステップ１０４２で、スイッチＳＷ３ｉを接点ａに切り替え、入力コンデンサ２６に可変直流電源４０を直列接続する。

次に、ステップ１０４４で、入力コンデンサ２６と可変直流電源４０との合計電圧を、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６に印加する。ここで、可変直流電源４０により印加される電圧Ｖ_ｐの形状は逆鋸波である。これは、入力コンデンサ２６が受動素子であるため、可変直流電源４０より電圧を印加するとすぐに入力コンデンサ２６からの放電が始まるため、印加電圧は急峻に立ち上がる必要があるためである。また、太陽電池の回路定数における直列抵抗とコンデンサ容量との２つの値の積から決まる時定数を考慮して、可変直流電源４０による印加電圧の周波数の値を適切に設定する。例えば、ある１モジュールの太陽電池とコンデンサの組み合わせでは、時定数τ＝４．６ｍｓのため、印加電圧の周波数は１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度であれば電圧の変化は緩やかになり、データのロギングが容易になる。各太陽電池の直列抵抗とパワーコンディショナのコンデンサ容量から適切な時定数を求め、可変直流電源の性能との兼ね合いから、適切な周波数を設定すればよい。

次に、ステップ１０４６で、ｉ列目の太陽電池モジュールストリング１６に、入力コンデンサ２６と可変直流電源４０との合計電圧を印加したときの過渡現象の電流及び電圧の測定値を検出する。図８に、可変直流電源４０による印加電圧の周波数が１０Ｈｚの場合、図９に、周波数が１００Ｈｚの場合の過渡現象の電流及び電圧の測定値を示す。ここで、Ｖ_Ｃは、入力コンデンサ２６の両端の電圧、Ｖ_Ｌは、Ｖ_Ｐ＋Ｖ_Ｃ、すなわち診断のために太陽電池アレイ１２に印加される電圧、Ｉ_Ｌは、電圧Ｖ_Ｌの印加により太陽電池アレイ１２に生じた太陽電池に流れ込む電流である。図８及び図９では、ある１モジュールの多結晶シリコン太陽電池を対象としており、直列抵抗の値が０．４６Ω、コンデンサの容量が１０ｍＦのものを用いて、診断回路を構成した。モジュールストリングでは、モジュール直列数倍に直列抵抗の値が増加するため、それだけ時定数は大きくなり、より低周波でも測定可能となる。そして、検出した電圧値及び電流値に基づいて、図１０に示すような、電圧依存領域のＩ−Ｖ特性を取得する。その後、診断処理（図６）へリターンする。

次に、図１１を参照して、上記太陽電池アレイの診断処理のステップ１０６で実行される電流フローについて詳細に説明する。

ステップ１０６０で、スイッチＳＷ３ｉを接点ｂ１に切り替えて、入力コンデンサ２６を一旦放電させる。スイッチＳＷ３ｉ以外のスイッチＳＷ３は、上記電圧フロー時と同様に、接点ｃに接続されたままである。

次に、ステップ１０６２で、スイッチＳＷ３ｉを接点ｂ２に切り替え、入力コンデンサ２６を、太陽電池モジュールストリング１６より充電する。

次に、ステップ１０６４で、上記ステップ１０６２の充電時の過渡現象における電流及び電圧の測定値を検出する。そして、検出した電圧値及び電流値に基づいて、図１０に示すような、電流依存領域のＩ−Ｖ特性を取得する。太陽電池モジュールストリングに適当な抵抗を介してコンデンサを接続し、コンデンサの充電によりＩ−Ｖ特性を取得する方法は、既に完成された技術であるが、本実施の形態では、コンデンサの充電特性を利用してＩ−Ｖ特性を取得する。なお、スイッチＳＷ３ｉの接点ｂ１とｂ２間での切替時に微弱電流が流れるため、例えば、１モジュールの太陽電池を対象として、抵抗４１Ａの値を充電時間も考慮して３Ωに設定することができる。その後、診断処理（図６）へリターンする。

以上説明したように、本実施の形態のパワーコンディショナによれば、太陽電池による発電の開始時または終了時（弱光下）である監視モードの時間を利用し、入力コンデンサのみの充電による特性から「電流依存領域」、及び入力コンデンサの放電特性と可変直流電源との合計電圧の印加による特性を用いた「電圧依存領域」各々でＩ−Ｖ特性を取得する。これら２領域におけるＩ−Ｖ特性を結合し、そのＩ−Ｖ特性全体の変化に基づいて、太陽電池モジュールストリングの電気特性の診断を自動的に行う。そのため、長期の実使用状態においても、発電中の運転を妨げることなく太陽電池アレイの電気特性を、定期的に初期状態と比較することで診断し、太陽電池アレイの故障を早期に発見することができる。また、診断に要する電源容量が小さくて済むため、低コストかつ簡易な構成で実現することができる。

また、本実施の形態では、図５に示したように、電流依存領域と電圧依存領域との境界電圧を開放電圧とすることで、入力コンデンサを、太陽電池モジュールストリングの開放電圧まで充電することが受動的に簡易に行え、また電源容量を抑えることができる。また、太陽電池に流れる電流が等価回路に示すダイオードと同じ方向、つまりＩ_Ｌの値が負の場合には、僅かにＩ−Ｖ特性が変わる太陽電池もあり、このような場合にも本境界区分が診断し易い。

なお、上記実施の形態では、電圧依存領域のＩ−Ｖ特性を取得する際に印加する電源として、入力コンデンサと可変直流電源とを用いる場合について説明したが、入力コンデンサと時定数をあわせれば、２次電池などの他の電力源となりうるデバイスまたは受動素子を付加電源の代わりとして用いてもよい。

また、高周波電圧を印加してＩ−Ｖ特性を取得することで、入力コンデンサの容量不足を懸念する必要がなく、また更に可変直流電源を簡易構造にすることができる。一方、図１０に、１０ＨｚとＬ成分の影響を受けた１００Ｈｚとの場合で比較して示したように、太陽電池モジュールのＩ−Ｖ特性は、印加する電圧の周波数で若干変わる場合がある。そこで、高周波電圧で取得されるＩ−Ｖ特性を、Ｌ成分を考慮した等価回路によりシミュレーションし、特性のずれを修正するようにすればよい。これにより、直流電源を簡易にしてもソフトウェアで修正することにより、正確に直列抵抗Ｒ_Ｓの値を取得することができる。

また、上記実施の形態では、本発明の太陽電池の診断装置をパワーコンディショナ内に設けた構成について説明したが、この構成に限定されない。既に設置されている太陽光発電システム日本発明を適用する場合には、パワーコンディショナの内部を若干変更し、本発明の診断装置を太陽電池アレイとパワーコンディショナとの間に配置した太陽光発電システムとして構成することもできる。

また、上記実施の形態では、太陽電池アレイの電気特性について診断する場合について説明したが、太陽電池モジュールのバイパスダイオードの電気特性も合わせて診断するようにしてもよい。この場合、入力コンデンサを、上記の太陽電池アレイの診断時とは逆電圧となるように充放電するとよい。

また、診断対象として想定した太陽電池は半導体であり、ＬＥＤなど他種の半導体でも本故障診断のプロセスは適用することができる。

なお、上記実施の形態では、太陽電池モジュールストリング毎に電気特性を診断する場合について説明したが、測定対象部位は、太陽電池モジュール毎、複数個の太陽電池モジュール毎、複数列の太陽電池モジュールストリング毎であってもよい。その場合、診断用配線を測定対象部位毎に接続し、配線切替用のスイッチを測定対象部位毎に設けることで、所望の測定対象部位毎の電気特性を診断することができる。測定対象部位の範囲が小さいほど、故障した太陽電池モジュールの特定が容易となり、測定対象部位の範囲が大きいほど、診断用の回路構成を簡略化することができる。

また、上記実施の形態では、パワーコンディショナ内のＣＰＵにより、電流センサ及び電圧センサで検出された電流値及び電圧値を取得してＩ−Ｖ特性を求めて、直列抵抗及び分路抵抗を演算して診断する場合、また曲線部分やＩ−Ｖ特性初期形状との比較から、セルやモジュール、アレイの等価回路の変数を推算する場合について説明したが、検出されたＩ−Ｖ特性データをそのまま出力し、外部接続されたパーソナルコンピュータ等の外部機器において診断したり、検出された電流値及び電圧値を、ネットワークを利用して診断センタ等のサーバへ転送し、診断センタ等で診断したりするようにしてもよい。

１０ パワーコンディショナ
１２ 太陽電池アレイ
１４ 太陽電池モジュール
１６ 太陽電池モジュールストリング
１８ ブロッキングダイオード
２０ 太陽電池
２１ バイパスダイオード
２２ 電流センサ
２４ 電圧センサ
２６ 入力コンデンサ
２８ ＭＰＰＴ制御部
３０ ＤＣ−ＡＣインバータ
３２ 切替部
３４ ＣＰＵ
３５ メモリ
３６ 発電用配線
３８ａ 診断用配線（第２配線）
３８ｂ 診断用配線（第１配線）
４０ 可変直流電源
４１Ａ、４１Ｂ 抵抗

Claims (8)

1. 太陽電池アレイに並列接続されるコンデンサを、該太陽電池アレイの測定対象部位からの電流で充電するための第１配線と、
   付加直流電源を備え、前記コンデンサの放電時の電圧と前記付加直流電源の電圧との合計電圧を、該太陽電池アレイの測定対象部位に印加するための第２配線と、
   前記太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、前記第１配線を選択して、前記コンデンサの充電時の前記測定対象部位の電圧及び電流を測定すると共に、前記第２配線を選択して、前記合計電圧を印加したときの前記測定対象部位の電圧及び電流を測定する測定手段と、
   前記測定手段により前記第１配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性と、前記第２配線選択時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性とを結合した結合電流−電圧特性の変化に基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断する診断手段と、
   を含む太陽電池アレイの診断装置。
2. 前記測定手段は、前記コンデンサの充電特性または放電特性、及び前記太陽電池アレイの電気特性に応じて、前記第１配線と前記第２配線とを切り替える請求項１記載の太陽電池アレイの診断装置。
3. 前記診断手段は、前記結合電流−電圧特性の所定の直線領域の傾きの変化、前記結合電流−電圧特性の所定の曲線領域の形状変化、及び前記結合電流−電圧特性の形状変化の少なくとも１つに基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断する請求項１または請求項２記載の太陽電池アレイの診断装置。
4. 前記太陽電池アレイは、複数のセルを接続した太陽電池モジュールを直列接続した太陽電池モジュールストリングを複数個並列に接続して構成され、
   前記測定対象部位を、１つもしくは複数の太陽電池モジュールストリング、または１つもしくは複数の太陽電池モジュールとした
   請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の太陽電池アレイの診断装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の太陽電池アレイの診断装置を含むパワーコンディショナ。
6. 前記コンデンサは、前記太陽電池アレイの発電時に用いられる入力コンデンサであり、前記測定手段は、前記太陽電池アレイの発電時に出力電力を調整する際に用いられる電流センサ及び電圧センサを含む請求項５記載のパワーコンディショナ。
7. 太陽電池アレイの出力が予め定めた閾値以下のときに、前記太陽電池アレイに並列接続されるコンデンサを、該太陽電池アレイの測定対象部位からの電流で充電する時の前記測定対象部位の電圧及び電流を測定し、
   前記コンデンサの放電時の電圧と付加直流電源の電圧との合計電圧を、前記太陽電池アレイの測定対象部位に印加して、前記合計電圧を印加したときの前記測定対象部位の電圧及び電流を測定し、
   前記コンデンサの充電時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性と、前記合計電圧印加時に測定した電圧及び電流から得られる電流−電圧特性とを結合した結合電流−電圧特性を作成し、
   作成した前記結合電流−電圧特性の変化に基づいて、前記測定対象部位の電気特性を診断する
   太陽電池アレイの診断方法。
8. コンピュータを、請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の太陽電池アレイの診断装置を構成する各手段として機能させるための太陽電池アレイの診断プログラム。