JP6114016B2 - パワーコンディショナの制御方法およびパワーコンディショナ - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池から供給され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の制御方法およびパワーコンディショナに関する。

近年の再生可能エネルギーの利用に対する取り組みの増加に伴い、その発電量は無視できない情勢になりつつある。特に太陽光発電システムは急激な拡大が進んでおり、次世代のエネルギー源としての期待が高まっている。ＦＩＴ（固定価格買い取り制度）の導入により、住宅用のみならず、今後、公共・産業用のメガソーラーといった大規模な売電事業が盛んになると思われる。

ところで、太陽光発電システムのソーラーパネルは、故障知らずのメンテナンスフリーで２０年以上使えると言われている。ソーラーパネルには磨耗を伴うような可動部がなく、非常に安定的なシリコン結晶でできているためである（一般的な結晶型の場合）。しかし、実際には、ソーラーパネルにも故障や不具合の可能性があり、発電量のチェックや点検などを実施しないことにより、発電量低下による売電低下などにつながる可能性がある。ソーラーパネルの故障や不具合としては、例えば、配線部分の接続不良や落ち葉等により電流が集中してパネルが異常な発熱を起こす、セルが断線している、ＰＶパネル同士のケーブルが外れている等がある。

発生した不具合は、ユーザーからのクレームに基づくメーカーの保証サービスによって対処しているのが現状であるが、このような故障・不具合をユーザー自身が発電データから判断することは難しく、故障があっても気が付かない人がほとんどである。今後、太陽電池システムの大量導入と高経年化にともない、ソーラーパネルの故障・不具合を自動で監視、診断するソーラーパネル故障診断システムの必要性が高まってくると思われる。

従来のソーラーパネル故障診断システムは、接続箱や集電箱にセンサを設置し、発電量、電流値等を見て一定以上低下していれば故障と判断して該当太陽電池との接続を遮断し、または警告を行う処理を行っている。

なお、従来技術として、特許文献１には、太陽電池の出力電圧から、異常のあるストリングを検出する機能を有する太陽光発電装置が開示されている。

特開平１０−６３３５８号公報

しかし、ソーラーパネルは、天候や日射量、季節、時間帯によって発電量や電流値が大きく変動するため、発電量や電流値だけで故障・不具合を正確に判断することは困難である。また、部分陰とソーラーパネルの故障・不具合とを、発電量や電流値で区別することも困難である。

これらのことから、従来のソーラーパネル故障診断システムでは、故障・不具合が生じていないにも関わらず、故障・不具合が生じていると誤診断をしてしまう可能性がある。また、発電量や電流値だけでは判断できない故障・不具合もあり、故障・不具合が起こっていても発見できないことがある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ソーラーパネルの故障検出精度を向上できるパワーコンディショナの制御方法およびパワーコンディショナを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、太陽電池から供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷に電力を供給するパワーコンディショナの制御部における制御方法であって、前記パワーコンディショナには、複数の太陽電池ストリングが接続されており、前記制御部が前記太陽電池ストリングの発電量をそれぞれ検出するステップと、前記制御部が総発電量に対する前記各太陽電池ストリングの発電量の割合を計算してＭＰＰＴ制御を停止するか否かを決定するステップと、前記制御部が、前記ＭＰＰＴ制御を停止することを決定したときに、前記各太陽電池ストリングの電流あるいは電圧を変化させて前記各太陽電池ストリングの出力特性グラフを作成するステップと、前記制御部が、作成した出力特性グラフのデータと、前記パワーコンディショナに蓄積されている正常時の出力特性グラフのデータとを比較して前記太陽電池が正常であるか否か診断するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部が気象情報を取得するステップを更に含み、前記制御部が前記気象情報に基づいて、前記診断を行うか否かを決定することを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部が前記診断するステップの結果に基づき通知を行うステップを更に含むことを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部は、前記診断の際、正常ではないと判定した場合には、所定の判断基準に基づいて異常度合いを特定する。

また、本発明は、前記制御部は、前記異常度合いについて通知を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部は、前記異常度合いに基づいて、出力抑制あるいは出力停止の制御を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記制御部は、出力抑制あるいは停止の制御を行う場合には、当該制御の内容についても通知を行うことを特徴とする。

また、本発明は、前記太陽電池ストリングは、一または複数の太陽電池モジュールを有することを特徴とする。

また、本発明は、太陽電池から供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷に電力を供給するパワーコンディショナであって、前記太陽電池の故障診断を行う制御部を備え、前記パワーコンディショナには、複数の太陽電池ストリングが接続されており、前記制御部は、前記太陽電池ストリングの発電量をそれぞれ検出し、総発電量に対する前記各太陽電池ストリングの発電量の割合を計算してＭＰＰＴ制御を停止するか否かを決定し、前記ＭＰＰＴ制御を停止することを決定したときに、前記各太陽電池ストリングの電流あるいは電圧を変化させて前記各太陽電池ストリングの出力特性グラフを作成して、作成した出力特性グラフのデータと、前記パワーコンディショナに蓄積されている正常時の出力特性グラフのデータとを比較して前記太陽電池の故障診断を行うことを特徴とする。

本発明は、ソーラーパネルの故障検出精度を向上させることができる。

本発明に係るパワーコンディショナが適用されるパワーコンディショナシステムの構成の実施形態を示す図である。 本発明のパワーコンディショナの動作を説明するフローチャートである。 故障診断モードでのパワーコンディショナの動作を説明するフローチャートである。 正常時の出力特性を示す図である。 部分陰時の出力特性を示す図である。 インターコネクタ不良時の出力特性を示す図である。 結晶セル割れ時の出力特性を示す図である。 バイパスダイオード故障時の出力特性を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係るパワーコンディショナが適用されるパワーコンディショナシステムの構成の実施形態を示す図である。図１に示すパワーコンディショナシステムは、太陽電池（ＰＶ）１−１〜１−３と、パワーコンディショナ１０と、ＡＣ系統２と、負荷３とにより構成される。パワーコンディショナ１０は、太陽電池１−１〜１−３から供給される直流電力を交流電力に変換して、負荷３に電力を供給するとともに、商用の電力系統であるＡＣ系統２と連系する。太陽電池１−１〜１−３は、複数のソーラーパネル（太陽電池モジュール）が直列に接続されたストリング単位の太陽電池であり、ここでは例として３ストリングとしている。

パワーコンディショナ１０は、電力検出回路１１−１〜１１−３と、ストリング開閉器１２−１〜１２−３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３−１〜１３−３と、ＤＣ／ＡＣインバータ１４と、連系リレー１５と、制御部１６と、通信部１７とを備える。

電力検出回路１１−１〜１１−３は、ストリング単位の太陽電池１−１〜１−３のそれぞれの電流値、電圧値を測定する。ストリング開閉器１２−１〜１２−３は、必要に応じて該当太陽電池１−１〜１−３からの電力を遮断するときにオフする。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３−１〜１３−３は、太陽電池１−１〜１−３の発生電圧をＤＣ／ＡＣインバータ１４で使える電圧（例えば２００ＶのＡＣならば３００〜３７０Ｖ、以下、リンク電圧という）に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータ１４は、直流のリンク電圧から商用の５０Ｈｚや６０Ｈｚの交流に変換する。連系リレー１５は、必要に応じてＡＣ系統２から遮断する時にオフさせる。

制御部１６は、従来のパワーコンディショナを制御する機能に加え、ソーラーパネルの故障・不具合を診断する機能を備える。制御部１６は、総発電量に対するストリング単位の各太陽電池１−１〜１−３の発電量の割合を計算して故障・不具合の可能性を判定する。制御部１６は、該当太陽電池のソーラーパネルが故障・不具合の可能性ありと判定すると、故障・不具合診断モードに遷移する。故障・不具合診断モードでは、制御部１６は、故障の種類、故障の度合い（レベル）程度を判定し、種類、度合い（レベル）に応じて該当太陽電池１−１〜１−３の出力抑制または遮断といった制御を行う。通信部１７は、外部から気象情報等を受信する。本発明のパワーコンディショナは、これらの構成により、ソーラーパネルの故障を精度よく検知し、その故障の種類と故障の度合い（レベル）から、最適な制御を行うものである。

次に、本発明のパワーコンディショナの動作を図２のフローチャートに基づいて説明する。なお、以下では、太陽電池１−１〜１−３は、特に区別しない場合、太陽電池１と記載する。

太陽電池１が発電を開始し、パワーコンディショナ１０が駆動を始めると、通信部１７は、その日の天候情報を外部より受信する。天候情報は、ソーラーパネルの故障・不具合診断を実施するか否か等の判断に用いる。

まず、電力検出回路１１−１〜１１−３で各太陽電池１−１〜１−３の電流値、電圧値を測定して発電量を求める（Ｓ１０１）。次に、制御部１６は、外部より受信した気象情報によりソーラーパネルの故障診断を行うかどうかを判定する（Ｓ１０２）。天候不順の日は、発電量のデータが不安定となり、正確な故障診断が難しくなるため、制御部１６は、例えば、晴天の日は故障診断を行うと判定し、それ以外の日は故障診断を行わないと判定する。なお、Ｓ１０１で求めた発電量が一定値以上であるか否かで、晴天であるか否かを判断してソーラーパネルの故障診断を行うかどうかを判定するようにしてもよい。

制御部１６は、故障診断を行うと判定した場合（Ｓ１０２でＹｅｓの場合）、総発電量に対する各太陽電池１の発電量の割合を計算し（Ｓ１０３）、故障・不具合の可能性を判定する（Ｓ１０４）。

故障・不具合の可能性の判定は、ある一定時間の総発電量に対する各太陽電池の発電量の割合と予め設定された基準値とを比較して行う。予め設定された基準値は、ソーラーパネルの容量、設置条件等に基づいて初期設定で事前に入力できるようにしてもよいし、駆動中に測定した情報に、時間帯や季節によって変化する情報を加味してそこから割り出してもよい。

制御部１６は、該当太陽電池の発電割合が基準値より著しく低く、該当太陽電池のソーラーパネルに故障・不具合の可能性ありと判定した場合（Ｓ１０４でＹｅｓの場合）は、故障診断モードに遷移する（Ｓ１０５）。制御部１６は、Ｓ１０２において故障診断を行わないと判定した場合（Ｎｏの場合）、およびＳ１０４において該当太陽電池の発電割合が基準値より低くない場合（Ｎｏの場合）は、処理を終了する。

次に、故障診断モードでのパワーコンディショナの動作を図３のフローチャートに基づいて説明する。

制御部１６は、故障診断モードに遷移すると、該当太陽電池のＭＰＰＴ制御を中断し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３−１〜１３−３を制御して電流あるいは電圧を変化させて出力特性グラフを作成する（Ｓ２０１）。次に、制御部１６は、作成した出力特性グラフ（現在の出力特性グラフ）のデータと、パワーコンディショナに内蔵された不揮発性メモリに蓄積されている正常時の出力特性グラフのデータとを比較して、現在の出力特性グラフが正常か否かを判定する（Ｓ２０２）。図４に正常時の出力特性グラフの例を示す。

制御部１６は、比較の結果、現在の出力特性グラフが正常時の出力特性グラフとほぼ一致した場合、すなわち現在の出力特性が正常であると判定した場合（Ｓ２０２でＹｅｓの場合）は、ＭＰＰＴ制御を再開する（Ｓ２０３）。制御部１６は、現在の出力特性が正常時の出力特性と異なる場合、すなわち現在の出力特性が正常でないと判定した場合（Ｓ２０２でＮｏの場合）は、雲や樹木等の影により部分的に出力が弱くなる部分陰でありか否かを判定する（Ｓ２０４）。部分陰であるか否かの判定は、現在の出力特性グラフのデータと、パワーコンディショナに内蔵された不揮発性メモリに蓄積されている部分陰時の出力特性グラフのデータとを比較して行う。部分陰時の出力特性グラフは、図５に示すように段カーブとなる。

制御部１６は、比較の結果、現在の出力特性グラフが部分陰時の出力特性グラフとほぼ一致した場合、すなわち部分陰であると判定した場合（Ｓ２０４でＹｅｓの場合）は、該当太陽電池のＭＰＰＴ制御を再開する（Ｓ２０５）。制御部１６は、現在の出力特性が部分陰時の出力特性と異なる場合（Ｓ２０４でＮｏの場合）は、故障・不具合データと比較して故障・不具合の種類、度合い（レベル）を判定する（Ｓ２０６）。

パワーコンディショナ１０は、内蔵された不揮発性メモリに故障パターン（故障・不具合の出力特性データ）のデータベースを蓄積しており、制御部１６は、現在の出力特性データと故障・不具合の出力特性データとを比較することにより故障・不具合の種類、度合い（レベル）の推定が可能となる。

各故障・不具合時の出力特性にはグラフの形状、動作点に特徴的な傾向が見られる。例えば、インターコネクタ不良は、図６に示すように正常時に比べて電圧値が低下する。結晶セル割れの故障は、図７に示すように電流値が低下、電圧値が上昇している。バイパスダイオード故障の場合、図８に示すように電流値が大きく低下する。このように、出力特性グラフの形状、動作点を比較することにより故障・不具合の推定が可能となる。なお、ここで上げているものは、故障・不具合の一部であり、パワーコンディショナの不揮発性メモリにはここで上げた故障・不具合以外の出力特性もデータベースに蓄積されており、判定することが可能である。

また、各々の故障には、表１に示すように、故障の度合いがランク付けされている。Ａは故障の度合いが最も高い重度の故障（停止させた方がよい）であり、Ｂは中度の故障、Ｃは軽度の故障（停止させなくてもよい）である。さらに、故障の度合いによって許容出力低下の割合が設定されている。

制御部１６は、故障・不具合の種類、度合い（レベル）を判定すると、判定した故障毎に、出力低下が、許容されている出力低下の範囲内か否かを判定する（Ｓ２０７）。制御部１６は、許容されている出力低下の範囲内である場合、ＭＰＰＴ制御を再開する（Ｓ２０８）。例えば、故障診断モードにおいて結晶セル割れの故障と判定された場合、故障の度合いがＢであるので、出力低下が２０％以内の場合は、許容出力低下の範囲内であるため発電を継続する。さらに、制御部１６は、表示部に軽度の故障で運転継続中であることを表示させる（Ｓ２０９）。表示はパワーコンディショナ１０の表示部にさせても良いし、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）等のタブレット端末に送信してタブレット端末の表示部に表示させても良い。

制御部１６は、Ｓ２０７において出力低下が、許容されている出力低下の範囲を超えている場合（Ｎｏの場合）、太陽電池１との接続を遮断する（Ｓ２１０）。例えば、故障診断モードにおいて結晶セル割れの故障と判定された場合、出力低下が２０％以上の時は太陽電池１との接続を遮断する。さらに、制御部１６は、パワーコンディショナまたはタブレット端末等に、故障によって該当太陽電池の発電を停止中であることを表示させ、およびメーカーに問い合わせるよう警告を表示させる（Ｓ２１１）。

本発明では、故障・不具合の診断精度を上げるために該当太陽電池のＭＰＰＴ制御を一度中断しなければならない。このため、天気の情報を外部より取り入れることで、天候不順の日は故障診断を行わないこととするのが望ましい。また、天候不順の日は、発電量のデータが不安定となり、正確な故障診断が難しくなる。このため、故障診断は、ＭＰＰＴ制御の中断が最小限となり、正確なデータを取得できる晴天の日に実施することが望ましい。

上述したように、本発明は、複数のソーラーパネルが直列に接続された太陽電池のストリング単位の故障を誤診断なく診断することができる。
さらに、本発明は、故障の種類と故障の重さを判別して、故障の種類、故障の重さに応じてストリングごとに出力抑制、または遮断といった制御を行い、ソーラーパネルが故障していても最適な制御により、安全かつ最小限の発電量低下で発電を継続することができる。
また、従来の故障診断システムでは多くのセンサ類が必要だったのに対し、本発明は、従来のパワーコンディショナの機能を利用するため、従来の故障診断システムよりも安価に故障を診断できる。

１−１〜１−３ 太陽電池（ＰＶ）
２ ＡＣ系統
３ 負荷
１０ パワーコンディショナ
１１−１〜１１−３ 電力検出回路
１２−１〜１２−３ ストリング開閉器
１３−１〜１３−３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ ＤＣ／ＡＣインバータ
１５ 連系リレー
１６ 制御部
１７ 通信部

Claims (9)

1. 太陽電池から供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷に電力を供給するパワーコンディショナの制御部における制御方法であって、
   前記パワーコンディショナには、複数の太陽電池ストリングが接続されており、
   前記制御部が前記太陽電池ストリングの発電量をそれぞれ検出するステップと、
   前記制御部が総発電量に対する前記各太陽電池ストリングの発電量の割合を計算してＭＰＰＴ制御を停止するか否かを決定するステップと、
   前記制御部が、前記ＭＰＰＴ制御を停止することを決定したときに、前記各太陽電池ストリングの電流あるいは電圧を変化させて前記各太陽電池ストリングの出力特性グラフを作成するステップと、
   前記制御部が、作成した出力特性グラフのデータと、前記パワーコンディショナに蓄積されている正常時の出力特性グラフのデータとを比較して前記太陽電池が正常であるか否か診断するステップと、
   を含むことを特徴とするパワーコンディショナの制御方法。
2. 前記制御部が気象情報を取得するステップを更に含み、
   前記制御部が前記気象情報に基づいて、前記診断を行うか否かを決定することを特徴とする請求項１に記載のパワーコンディショナの制御方法。
3. 前記制御部が前記診断するステップの結果に基づき通知を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項1または２に記載のパワーコンディショナの制御方法。
4. 前記制御部は、前記診断の際、正常ではないと判定した場合には、所定の判断基準に基づいて異常度合いを特定することを特徴とする請求項１から３に記載のパワーコンディショナの制御方法。
5. 前記制御部は、前記異常度合いについて通知を行うことを特徴とする請求項４に記載のパワーコンディショナの制御方法。
6. 前記制御部は、前記異常度合いに基づいて、出力抑制あるいは出力停止の制御を行うことを特徴とする請求項４から５に記載のパワーコンディショナの制御方法。
7. 前記制御部は、出力抑制あるいは停止の制御を行う場合には、当該制御の内容についても通知を行うことを特徴とする請求項６に記載のパワーコンディショナの制御方法。
8. 前記太陽電池ストリングは、一または複数の太陽電池モジュールを有することを特徴とする請求項１から７に記載のパワーコンディショナの制御方法。
9. 太陽電池から供給された直流電力を交流電力に変換して、負荷に電力を供給するパワーコンディショナであって、
   前記太陽電池の故障診断を行う制御部を備え、
   前記パワーコンディショナには、複数の太陽電池ストリングが接続されており、
   前記制御部は、前記太陽電池ストリングの発電量をそれぞれ検出し、総発電量に対する前記各太陽電池ストリングの発電量の割合を計算してＭＰＰＴ制御を停止するか否かを決定し、前記ＭＰＰＴ制御を停止することを決定したときに、前記各太陽電池ストリングの電流あるいは電圧を変化させて前記各太陽電池ストリングの出力特性グラフを作成して、作成した出力特性グラフのデータと、前記パワーコンディショナに蓄積されている正常時の出力特性グラフのデータとを比較して前記太陽電池の故障診断を行うことを特徴とするパワーコンディショナ。

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