JP5888972B2 - 太陽光発電システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電システムに関わり、特に、太陽光発電システムにおいて発生するアーク放電の検出に関する。

直流回路系統の回路遮断器は、バイメタルを利用して過電流から回路を保護するサーマル要素と、短絡状態のように大きな電流が流れた場合に急速に回路遮断器を開く瞬時トリップ要素とを一般的に備えている。最近では、過負荷及び短絡回路の保護に加えて、アーク故障に対する直流回路保護の重要性が増している。アーク放電は、高温かつ安定な放電現象である。アークの発生により周囲部品の温度は上昇し、最終的にはケーブルや端子台等に発煙や発火を伴う。特に回路電圧が数百Ｖ程度の直流回路においては、放電現象が安定化すると共に電流の零点がないため、アークの消滅は容易ではない。

アーク故障の原因は、直列アークと並列アークに分けられる。直列アークは、電源および負荷と直列に発生する。例えば、配線のボルト接続部において、接続の緩みによりボルトが外れた箇所でアークが発生する。一方、並列アークは、正負の導体間が接触した場合に発生する。直列アークは、アークのインピーダンスにより負荷電流が低下するので、通常の回路遮断器の過電流保護回路では検出されない。並列アークは、太陽光発電等の小容量電源の場合、サーマル要素で検出できるが、電流の上昇が小さいため動作までに時間を要する。

特許文献１と特許文献２は、電力ケーブル上にアークが発生したとき、広帯域雑音がケーブル上に誘導される事象を利用してアーク故障の有無を判別している。広帯域信号はピックアップコイルを使用して検出される。信号の高周波成分を検知するには、ＡＤ変換器のサンプリング周波数の高周波化や、ノイズ混入による誤報防止対策が必要である。アーク故障の有無は判別できても、アークの故障箇所の特定はできないため、故障検出時にはシステム全体を停止する必要がある。

特許文献３は、電流のドリフトと電圧のドリフトの両方を感知することで、アーク故障の発生を検出している。様々な箇所に電流と電圧のセンサーを配置する必要と、煩雑なデータを処理する必要があるため、高コストなシステムになる。

特表２００６−５１７６７２号公報 特開２００９−２７８７４４号公報 特許第３８６４３８１号

太陽光発電システムは、直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナを備えている。パワーコンディショナからはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や
ＦＥＴ（Field Effect Transistor）による高周波スイッチングに伴う数ｋＨｚレベルの
ノイズが発生する。このスイッチングノイズは、パワーコンディショナの入力フィルタの作用により、通常、百数十ｋＨｚ以下に抑制されている。また太陽光発電システムには、システム全体がアンテナとして作用することにより、外来ノイズが侵入する。本発明は、このようなノイズの多い直流回路においても、アーク故障（直列アークと並列アーク）を
正確に検出することを目的としている。

本願に関わる太陽光発電システムは、入力側に第１の正極端子および第１の負極端子、出力側に第２の正極端子および第２の負極端子を有する第1の開閉器と、直流電力を出力
し、その出力が第１の正極端子および第１の負極端子に入力される太陽光発電パネルと、入力側に第３の正極端子および第３の負極端子、出力側に第４の正極端子および第４の負極端子を有する第２の開閉器と、第２の正極端子と第３の正極端子に接続される正極直流母線と、第２の負極端子と第３の負極端子に接続される負極直流母線と、第４の正極端子および第４の負極端子に接続され、太陽光発電パネルが出力する直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、第１〜第４の正極端子および第１〜第４の負極端子に掛かる電圧を取り込み、同極性の端子間の電圧差と異極性の端子間の電圧差からアークの発生およびアークの発生箇所を判別し、判別されたアークの発生箇所に基づいて第1の開閉
器および第２の開閉器の開閉動作を制御する開閉器集中制御装置とを備えている。

太陽光発電システムにおけるアーク故障検出が可能になる。また、故障箇所のみを選択的に切り離すことができるため、安定かつ信頼性の高い太陽光発電システムを供給することができる。

太陽光発電システムの回路模式図である。 直列アークの発生と検出箇所を説明する図である。 直列アーク発生時の出力電圧を模式的に説明するグラフである。 並列アークの発生と検出箇所を説明する図である。 太陽光発電の電流・電圧特性を説明する図である。 並列アーク発生時の出力電圧の変化を模式的に説明するグラフである。 太陽光発電システムにおけるアークの発生箇所を特定する方法を説明する図である。

図１は、太陽光発電システム１００の一例を示す結線図である。太陽光発電パネル１Ａ〜１Ｃの出力ケーブル５ｐ、５ｎは、それぞれが遠隔操作可能な直流開閉器２Ａ〜２Ｃを介して、直流母線６ｐ、６ｎに接続されている。直流開閉器２Ａは、入力側になる端子２１ｐＡと端子２１ｎＡ、出力側になる端子２２ｐＡと端子２２ｎＡおよび操作電流が流れる操作コイル２０Ａを備えている。同様に、直流開閉器２Ｂは、端子２１ｐＢ、端子２１ｎＢ、端子２２ｐＢ、端子２２ｎＢおよび操作コイル２０Ｂを備えている。同様に、直流開閉器２Ｃは、端子２１ｐＣ、端子２１ｎＣ、端子２２ｐＣ、端子２２ｎＣおよび操作コイル２０Ｃを備えている。直流母線６ｐ、６ｎは定格電流の大きな直流開閉器３を介してパワーコンディショナ４に接続されている。直流開閉器３は、端子３１ｐ、端子３１ｎ、端子３２ｐ、端子３２ｎおよび操作コイル３０を備えている。パワーコンディショナ４は、端子４１ｐ、端子４１ｎを備えている。ここで、符号ｐは正極を、符号ｎは負極を、表す。

端子２１ｐＡ、端子２１ｎＡ、端子２２ｐＡ、端子２２ｐＡ、端子２１ｐＢ、端子２１ｎＢ、端子２２ｐＢ、端子２２ｎＢ、端子２１ｐＣ、端子２１ｎＣ、端子２２ｐＣ、端子２２ｎＣ、端子３１ｐ、端子３１ｎ、端子３２ｐ、端子３２ｎ、端子４１ｐ、端子４１ｎの出力は、電圧測定のために、それぞれ開閉器集中制御装置５０に入力される。開閉器集中制御装置５０は各端子の出力をもとに、アーク故障箇所を特定し、リレー部６０を介し
て、特定されたアークの発生箇所に対応する直流開閉器の開閉を制御する。リレー部６０から操作コイル２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、３０に操作電流が流れると、直流開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３がそれぞれ開になる。開閉器集中制御装置５０には、メインテナンス時に外部から直流開閉器２、３に対する外部指令６１が導入される。リレー部６０を開閉器集中制御装置５０とは別構成とし、外部指令６１がリレー部６０に直接入力されることもある。外部指令６１による開閉器制御が行われた場合、開閉動作に伴うアークが直流開閉器で発生することも考えられるので、誤動作を防ぐために、開閉器集中制御装置５０のアーク検出機能をマスク（一定時間停止すること）することが望ましい。

次に動作について説明する。アーク故障の形態として直列アークと並列アークの２種類が考えられる。直列アークとは、電源および負荷と直列にアークが発生する場合である。ボルト接続部の締付けトルク不足、通電部の腐食による接触抵抗の増大、外部振動、ケーブルへの張力印加等が原因となり、接続部が緩むとアークが発生する。アークはインピーダンスを有するため、直列回路の場合、回路に流れる電流は次の関係を満足する。
アーク発生前： Ｉ＝Ｖ／Ｒ アーク発生中： Ｉ＝（Ｖ−Ｕａ）／Ｒ
ここで、Ｉ：負荷電流、Ｖ：回路電圧、Ｒ：負荷の抵抗、Ｕａ：アーク電圧である。つまり、アークが発生すると、アーク電圧Ｕａの分だけ電圧が降下する。アーク発生により負荷電流Ｉは減少するため、通常の過電流検出方法では検出されない。

本願では、直流開閉器２、３の隣り合う同じ極性の端子間電圧を監視してアークの発生をアーク電圧として捕らえる。例えば、図２に示すように、直流開閉器２Ｂの端子２２ｐＢと直流開閉器３の端子３１ｐの間にある接続部で直列アークＡ１が発生したと仮定する。図３は端子２２ｐＢと端子３１ｐの間の電圧差を取り込んだ図を示している。太陽光の出力電流は数Ａ〜数百Ａ程度である。通常、出力ケーブル５のインピーダンスは小さいことから電圧自体はｍＶレベルの小さい値を示す。太陽光発電パネルの出力は、日射量変化により変動すると共に、パワーコンディショナ４の内部に設けられたスイッチング素子（ＩＧＢＴやＦＥＴ）による高周波スイッチングの影響を受けるため、脈動を伴う波形となる（図３参照）。パワーコンディショナ４は、太陽光発電パネル１Ａ〜１Ｃの出力状態を検知して、出力が最大になるように自動制御する。なお、端子２１ｐＢと端子２２ｐＢは隣り合う同じ極性の端子に該当するが、端子２１ｐＢと端子２１ｐＣは電流が通常流れない経路であるため隣り合う同じ極性の端子に該当しない。

直列アークの両端の電圧は、金属材料や、アークの長さ、電流値にも影響されるが、概ね１０Ｖ以上の値を示すことが知られている。直流アークが発生すると、端子２２ｐＢと端子３１ｐの間の電圧差は、時刻ｔ＝ＴＡで急激に変化する。電圧の変化量（電圧シフト）は１０Ｖ以上になるはずであるから、判定の電圧閾値Ｖth1として一般的には５Ｖ〜５
０Ｖ、アークが弱い場合は５Ｖ〜２０Ｖをみておく。ただし、雷やサージ電圧などの突発的なノイズを直列アークと誤判断しないために、電圧差の継続時間にも時間閾値Ｔth1を
設ける。サージ電圧の継続時間は、一般に、数百μｓ以下であることから、時間閾値Ｔth1として１ｍｓ〜１０ｍｓ程度を見込んでおけば、正しい判断が行える。

このような判断アルゴリズムであれば、データを格納するメモリを節約することができる。電圧差信号を随時読込み、時間閾値Ｔth1の時間分のデータを格納するだけのメモリ
があれば、電圧閾値Ｖth1以上の電圧差変化が時間閾値Ｔth1よりも長い間継続したかどうかを判定することができる。ウインドウ分のロガーデータで判断できるため必要メモリが少なく、アルゴリズムが平易であり検出精度が高い利点がある。また、直流開閉器群を集中監視制御するため、直流開閉器の手動操作に伴うアーク発生を誤検知する可能性を排除できる。

次に並列アーク発生の検出について述べる。図４に示すように、隣り合う正負極間で並
列アークＢ１が発生した場合を考える。商用交流電源では、正負極間のアーク短絡は相間短絡に相当する。商用交流電源のように電源容量が大きい場合は、大きな短絡電流が流れるため、過電流検出器にて検出可能である。しかしながら、太陽光発電の出力特性は、図５に示すように定電流、定電圧特性を示す。太陽光発電では、短絡回路になっても大きな電流は流れないから、バイメタルなどのサーマル（過電流）要素では検出できない、或いは、検出できたとしても検出までに時間がかかる。なお、端子２２ｐＢと端子２２ｎＣは、通常電流が流れる経路ではないため、隣り合う同じ極性の端子に該当しない。

図６は、図４における直流開閉器３の正負端子（３１ｐと３１ｎ）の電圧差をモニタしたグラフである。異極性の正負端子であるので、端子間には太陽光出力電圧である数百Ｖが入力されている。端子間に２線短絡が起きると直流開閉器３まで電流は流れず、並列アークＢ１でショートカットして電源側へ帰還する。あるいは、電流が逆流して、直流開閉器３を通って並列アークＢ１に流れ込む場合も考えられる。いづれにしても、時刻ｔ＝ＴＢにおいて電圧は急落し、数百Ｖ程度の回路電圧から１０Ｖ程度のアーク電圧まで低下することになる。急落幅でいえば、回路電圧とアーク電圧の差になるので、数百Ｖ程度になる。

電圧差の急激な変化という点では、並列アークの故障判定アルゴリズムに、直列アークの場合と同じ方法を採用することができる。つまり、時間閾値Ｔth2（１ｍｓ〜１０ｍｓ
）の間に、正または負の電圧閾値Ｖth2（５Ｖ〜５０Ｖ，アークが弱い場合は５Ｖ〜２０
Ｖ）の電圧差が継続して発生しているか否かで、並列アーク故障の有無を判定することができる。

以上の原理を応用すれば、アーク故障の発生箇所を簡単に知ることができるので、直流開閉器にて故障箇所のみを切り離す。一般的に、直列アークを検出した場合、故障発生区間の電源側の開閉器（該当物が無い場合は負荷側）を開放する。並列アークを検出した場合は、故障発生区間の電源側および負荷側の開閉器を開放する。例えば、図７において、端子２１ｐＢと端子２１ｎＢの電圧差からアーク故障が検知され、他の測定点からはアーク故障が検知されなければ、太陽光発電パネル１Ｂにおいて直流開閉器２Ｂの端子間で並列アークＢ２が発生したことになる。直流開閉器２Ｂのみを開放すれば、故障領域だけを切り離すことになる。健全な領域は継続運転が可能であり、切り離し後、故障領域を点検・補修する。

端子２２ｐＢと端子３１ｐの電圧差からアーク故障が検知され、それ以外の測定点ではアーク故障が検知されない場合は、図７に示すように、直流開閉器２Ｂの正極電路から直流母線６ｐまでの間で直列アークＡ２が発生していることを意味する。直流開閉器２Ｂを開放すれば、太陽光発電パネル１Ｂからの電力供給は停止するが、他の健全回路からの出力は維持される。全停をする必要がないうえに、故障領域のみを点検・補修することができるので、システムの信頼性が向上する。

端子３１ｐと端子３１ｎの間でアーク故障を検出し、かつ、端子２１ｐＡと端子２１ｎＡの間、端子２１ｐＢと端子２１ｎＢの間、および端子２１ｐＣと端子２１ｎＣの間でもアーク故障が検出された場合、並列アークＢ３が発生したと推定される。この場合、直流開閉器３、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを開放する必要がある。パワーコンディショナ４の内部開閉器、ないしは直流開閉器３を開放しただけでは、パワーコンディショナ４の負荷側を保護するのみである。太陽光出力は継続するので、並列アークＢ３による故障は解除されないで継続する。本発明によれば、アーク故障を除去できるので、開閉器にて故障箇所のみを開離することで、アーク故障による被害の拡大を防ぐことができる。また、低インピーダンスのケーブル両端電圧をモニタするため、出力（アーク電圧）を検知しやすい。

アークの発生箇所としては様々な箇所が想定されうる。本願では、アーク発生箇所ごとに保護すべき直流開閉器を予め設定しているので、どこでどのようなアーク故障が発生しても、自動的に検出・開放できる。保護すべき直流開閉器は、故障を開放することのできる直流開閉器の前後で判別する。直流開閉器を手動操作した場合、あるいは、パワーコンディショナ４の内部開閉器を操作した場合、各開閉器でアークが発生するため、誤検出の発生が想定されるが、本発明では、直流開閉器およびパワーコンディショナ４の動作を集中監視することで、意図的な操作に伴うアーク発生を区別することができる。誤検出による不要動作がなくなり、システム全体の電力供給信頼性を高められる。

アークによる故障箇所や直流開閉器の開放箇所などの開閉器制御に関する情報および、パワーコンディショナにおける制御情報は、開閉器集中制御装置５０とパワーコンディショナ４の間で共有していることが好ましい。通常、パワーコンディショナ４は、最大出力となるように自動制御しているので、太陽光発電パネルの１つが開放された情報をパワーコンディショナ４の制御側へ送信すれば、パワーコンディショナ４の出力制御機能を維持することができる。

開閉器集中制御装置５０をパワーコンディショナ４の制御部と一体化しても同じ効果が得られる。この場合、開閉器集中制御装置５０とパワーコンディショナ４の制御電源を共有化できるので、小型化のメリットがある。一方、端子間の電圧検知のため、多数の検出信号を開閉器集中制御装置５０に取込むが、各検出信号を絶縁ないしは、高インピーダンスで結合させる必要がある。電圧信号はコンデンサ分圧や、数ＭΩレベルの高抵抗、光結合等の従来技術を適用することで、開閉器開放時においても、開閉器集中制御装置における必要な絶縁性能を確保できる。

本発明は太陽光出力について説明したが、直列アーク故障については、交流回路でも負荷電流が低下するため同じことが言える。また、並列アーク故障においても、交流電源の出力が小さい場合（商用電源と連系しない独立な自家発電機）では、やはり、故障電流が上昇しない場合が想定されるので、同様のことがいえるため、本願を適用することができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 太陽光発電パネル 、２ 直流開閉器、３ 直流開閉器、４ パワーコンディショナ、５ 出力ケーブル、６ 直流母線、５０ 開閉器集中制御装置、６０ リレー部、１００ 太陽光発電システム

Claims (9)

1. 入力側に第１の正極端子および第１の負極端子、出力側に第２の正極端子および第２の負極端子を有する第1の開閉器と、
   直流電力を出力し、その出力が前記第１の正極端子および前記第１の負極端子に入力される太陽光発電パネルと、
   入力側に第３の正極端子および第３の負極端子、出力側に第４の正極端子および第４の負極端子を有する第２の開閉器と、
   前記第２の正極端子と前記第３の正極端子に接続される正極直流母線と、
   前記第２の負極端子と前記第３の負極端子に接続される負極直流母線と、
   前記第４の正極端子および前記第４の負極端子に接続され、前記太陽光発電パネルが出力する直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、
   前記第１〜第４の正極端子および前記第１〜第４の負極端子に掛かる電圧を取り込み、同極性の端子間の電圧差と異極性の端子間の電圧差からアークの発生およびアークの発生箇所を判別し、判別されたアークの発生箇所に基づいて前記第1の開閉器および前記第２の開閉器の開閉動作を制御する開閉器集中制御装置とを備えている太陽光発電システム。
2. 前記開閉器集中制御装置は、第１の電圧閾値と第１の時間閾値が予め設定されていて、隣り合う同極性の端子間の電圧差が、前記第１の電圧閾値以上変化した状態が前記第１の時間閾値よりも長い間継続した場合にアークが発生したと判別することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
3. 前記開閉器集中制御装置は、前記第１の電圧閾値が５Ｖ〜５０Ｖの範囲に、前記第１の時間閾値が１ｍｓ〜１０ｍｓの範囲に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
4. 前記開閉器集中制御装置は、第２の電圧閾値と第２の時間閾値が予め設定されていて、隣り合う異極性の端子間の電圧差が、前記第２の電圧閾値よりも小さくなった状態が前記第２の時間閾値よりも長い間継続した場合にアークが発生したと判別することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
5. 前記開閉器集中制御装置は、前記第２の電圧閾値が５Ｖ〜５０Ｖの範囲に、前記第２の時間閾値が１ｍｓ〜１０ｍｓの範囲に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の太陽光発電システム。
6. 前記開閉器集中制御装置は、外部から入力される指令に基づいて前記第1の開閉器または前記第２の開閉器の開閉動作を制御することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
7. 前記開閉器集中制御装置は、外部から入力される指令に基づいて前記第1の開閉器または前記第２の開閉器の開閉動作を制御する場合、アークの発生箇所の特定を一定期間停止することを特徴とする請求項６に記載の太陽光発電システム。
8. 前記パワーコンディショナと前記開閉器集中制御装置は一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
9. 前記パワーコンディショナは、前記開閉器集中制御装置で行われている前記第1の開閉器または前記第２の開閉器の開閉状態を共有し、この共有した開閉状態に基づいて、出力を制御することを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電システム。
   

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