JP6132919B2 - 直流発電システムおよび直流発電システムの保護方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流発電システムにおける並列アーク及び直列アークの検出およびアーク発生に対する保護に関する。

再生可能エネルギーの普及に伴い、メガソーラの建設が加速している。１ＭＷ容量のメガソーラではパネル枚数が約5000枚必要となり、広大な土地にパネルを敷き詰めることになる。太陽光発電システムは直流給電で、現在750V以下の低電圧が一般的であるが将来的には1000Vにまで達する可能性もある。さらに、ケーブルの劣化や塩害等により通電不良や接触抵抗が増加し、直流アーク故障事故（直列アーク、並列アーク）の発生確率が高まる。このような事故が発生した際にメガソーラのような巨大システムでは、事故箇所を特定するのは困難である。さらに、直列アークや並列アークが発生した際に流れる電流は遮断器がトリップする電流にまで達しない。このため、アークが発生した場合に、アークが継続しないように、太陽光発電システムの保護方法を確立する必要がある。

太陽光発電システムのアーク故障検出・保護に関しては、例えば特許文献１〜３に開示されている。特許文献１では、負荷に供給される電力と、光起電力パネルによって生成される電力の差分を求め、電力差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。または、負荷のノイズ電圧と光起電力パネルノイズ電圧を測定し、その差分を求め、両ノイズ電圧の差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。光起電力パネルで生成される電力と負荷の電力の差が閾値より大きい場合に警報状態をセットする。しかし、メガソーラのような大規模太陽光発電設備では、逆流防止ダイオードや配線ケーブルの損失やケーブルの劣化などによる電力損失が伴うため電力差だけでアークの発生を判断するのは困難である。

特許文献２では、電力線の端部と帰線にアーク検出器が設置され、過電流保護、アーク故障保護、逆電流保護を可能にしている。しかしながら、アークの検出は逆電流検知による並列アーク判定のみである。

特許文献３においては、電圧電流の変動によってアーク検出を行っているが、定電圧源を用いたときを想定している。太陽光発電システムの電圧電流特性は定電圧源とは異なる特性を有しており、判定方法が異なる。さらに、アーク発生位置やアークモードの判定を行っておらず、アーク故障箇所を特定できない。さらに、複数並列を想定しておらずアークの選択遮断技術が含まれていない。

特開２０１２−１１２９３７号公報 特開２０１１−９１９９５号公報 国際公開ＷＯ２００２／０３９５６１号

直流発電システムとしてのメガソーラは巨大なシステムであるゆえにアーク事故が発生した際に、事故が発生した箇所を特定するのは困難である。さらに、短絡電流が太陽光パネルの電圧電流特性で決まるため、アーク事故が発生しても開閉器は動作しない。故障区間のみを切り離し健全区間で継続運転を実現する必要がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、アーク発生箇所、アークモードを判定することで、アーク発生に対して保護を高めた直流発電システムを提供することを目的とする。

この発明は、複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムにおいて、それぞれのストリングは、出力側に、当該ストリングの出力電圧と出力電流を検出する電圧電流センサと、当該ストリングの直流母線への接続を遮断する開閉器とを備え、電圧電流センサの信号のノイズに基づいて直流発電システムに発生するアークを検出するアークノイズ解析部と、アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、電圧電流センサからの信号により各ストリングの出力の電圧電流動作点を解析し、電圧電流動作点の、アークが検出された前後の変動に基づいて、アークの発生箇所を特定する電圧電流変動解析部と、電圧電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて開閉器の開閉を制御する開閉器制御部を有するアーク検出装置を備えたものである。

この発明によれば、直流発電システム内で発生したアーク故障について、アーク発生箇所、アークモードを特定し、アーク故障区間のみを切り離すことが可能となる。

この発明の実施の形態１による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置の動作を説明するフロー図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの電圧電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの電圧電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの電圧電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの電圧電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムの別の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による直流発電システムのさらに別の概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング外で直列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング内で並列アークが発生したときの電圧電流の変動を説明するための線図である。 この発明の実施の形態２による直流発電システムにおいてストリング外で並列アークが発生したときの状態を説明するための概略図である。 この発明の実施の形態３による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態４による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による直流発電システムの概略構成を示す回路図である。複数個の直流発電モジュール１Ａが直列接続されてストリングＡが形成されており、開閉器２Ａを介して直流母線２０に接続されている。同様に、複数個の直流発電モジュール１Ｂが直列接続されてストリングＢが、複数個の直流発電モジュール１Ｃが直列接続されてストリングＣが形成されており、それぞれ開閉器２Ｂ、２Ｃを介して直流母線２０に接続されている。メガソーラにおいてはこのようなストリングが多数設けられることが多いが、図１ではストリングＡ、ストリングＢ、ストリングＣの３つのストリングのみ図示している。開閉器２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ・・）の近くに電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が置かれており、電圧電流センサ３の出力を入力しアークを検出するアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）が各回路に取り付けられている。直流母線はさらにパワーコンディショナ４側で合流する。直流発電モジュール１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）で発電された直流電力は、パワーコンディショナ４によって商用周波数の交流電力に変換されて、商用電力網を介して一般家庭や工場などの需要家に供給される。以降、直流発電モジュール１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）として太陽光発電モジュール（太陽光パネルとも称する）１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ・・）を用いる太陽光発電システムを例に説明する。

図２は、本発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置１００の構成を示すブロック図である。入力部１１０は電圧信号入力部１１１、電流信号入力部１１２からなる。入力部１１０は開閉器２の近くに設置されている電圧電流センサ３により検出される電圧および電流の信号データをアーク検出装置１００に取り込む。取り込まれたデータはアーク解析部１２０に伝送される。アーク解析部１２０はアークノイズ解析部１２１と電圧電流変動解析部１２２からなる。アークノイズ解析部１２１は、アーク発生時の高周波ノイズを検知し、アーク発生を判定する。アークノイズ解析部１２１においてアーク発生と判定した後に、電圧電流変動解析部１２２においてアーク発生箇所やアークモードを特定する処理を行う。電圧電流変動解析部１２２では、アーク発生箇所が太陽光パネルと電圧電流センサ３の間か、もしくは電圧電流センサ３とパワーコンディショナ４の間かを判定する。さらに、アークのモードが直列アークか並列アークかを判定する。開閉器制御部１３０ではアークが発生した際に、健全な区間の運転を続けるために適切な開閉器２のみをトリップする指令を出す。最後に、出力部１４０の表示部１４１でアーク発生の有無、アーク発生箇所、アークモード、動作した開閉器を表示し、警報部１４２でアーク発生したと判断した際に警報を鳴らす。

図３は、本発明の実施の形態１による直流発電システムのアーク検出装置１００の動作を説明するフロー図である。アーク検出装置１００において入力部１１０から入力される電圧電流信号が更新（ステップＳ１）されると、アークノイズ解析部１２１でアークノイズ解析（ステップＳ２）が実施される。アークノイズ解析の結果、直流発電システム内のアーク発生を判定する（ステップＳ３）。ステップ２およびステップ３をアーク検出ステップと称する。アーク発生有と判定（ステップ４）されると、電圧電流変動解析部１２２においてアーク発生前後の電圧電流が解析される（ステップＳ６）。アーク発生無と判定された場合（ステップＳ５）には最初に戻る。電圧電流変動解析部１２２では、所定期間の電圧および電流の信号データが保存されており、アーク発生有と判定された場合、アーク発生前後の電圧電流の変動パターンを解析しアーク発生箇所とアークモードを決定する。アーク発生箇所が電圧電流センサと太陽光パネルの間かどうかを判定（ステップＳ７）する。ステップ６およびステップ７を、アーク発生箇所特定ステップと称する。アーク発生箇所判定後、アークモードが直列アークかどうかを判定する（ステップＳ８、ステップＳ９）。また、アーク発生箇所特定ステップの後、開閉器を制御する開閉器制御ステップにおいて、開閉器を制御する。

直流アークには直列アークと並列アークが存在する。まず、直列アークについて説明する。負荷を受けた電線に不測の破損や切断が発生すると、それにつながっている回路部分の先端間にアークが形成される。直列アークは、太陽光パネルと太陽光パネルの間、太陽光パネルと開閉器の間、開閉器とパワーコンディショナの間、破損した電線の先端間などに発生するアークである。ケーブルの劣化や施工ミス、ねじの緩みなどで発生する。

次に、並列アークについて説明する。並列アークは、極性が異なる２つの導体の間に不測の電流が流れた場合に発生する。これは動物が電線を噛んだ時や電線が劣化した時や、外部の力により電線が損傷した時などに発生し、絶縁体や保護機能の欠落をもたらし、極性が異なる金属部の接触を招くことで、アークが形成される。

図４は直列アーク６Ａが太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で発生したときを示す概略図である。直列アーク６Ａと同様の直列アークは、太陽光パネル１Ｂと電圧電流センサ３Ｂの間、または太陽光パネル１Ｃと電圧電流センサ３Ｃの間の回路上でも起こりえる。ただし、対称性を有しているため、ここでは直列アーク６Ａが太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａで発生したときを例にして説明する。

直列アークや並列アークが発生すると一般に１ｋＨｚ〜１ＭＨｚ程度の範囲でアークノイズが発生する。アークノイズは1/fの特性を有しており、太陽光発電システム回路全体に微小のノイズを重畳させる。アークが発生していない時のノイズ強度と比較して、特に１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲において明確な違いがあるため、電流に重畳したアークノイズとして、少なくとも１ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の高周波ノイズを検知することで、アーク発生を判定できる。アークノイズの伝播は公知である。パワーコンディショナからのノイズをキャンセリングすることで容易に検知可能である。ただし、アーク発生をアークノイズのみで判定すると複数並列回路においては全てのアーク検出装置がアーク発生ありと判定してしまう。なぜなら、アークノイズが回路全体に伝播するためである。そこで、本特許ではアークノイズだけでなく、電圧電流変動特性を解析することでアーク発生箇所とアークモードを特定可能なアーク判定方法を提案する。

図４の概略図で示す箇所で直列アークが発生した際の電圧電流変動特性を図５に示す。太陽光発電の電圧電流特性は日射強度により異なる。日射強度が大きいほど最大動作出力電流Ｉｐｍが増加し、日射強度が小さいほど最大動作出力電流Ｉｐｍは小さくなる。また、日射強度に依らず最大動作出力電圧Ｖｐｍは大きく変化しない。パワーコンディショナ４の制御によって常に最大電力となる動作点１１を継続する。そのため、最大動作出力電圧Ｖｐｍおよび最大動作出力電流Ｉｐｍの出力が通常時の動作点である。また、各ストリングにおいて、ストリング自身が正常なとき、負荷が開放の場合の出力電圧Ｖｏｃと負荷が短絡の場合の出力電流Ｉｓｃが決まり、負荷の状態に応じて動作点は、電圧電流特性曲線１０上となる。

太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で直列アーク６Ａが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧と電流は低下しアーク発生後の動作点１２となる。動作点１２は、正常動作の電圧電流特性曲線１０から外れた動作点である。アークの発生により数μｓ〜数十μｓで電圧電流が変動するため、アーク発生前の動作点１１からアーク発生後の動作点１２に移行する時間は１ｍｓ以下と速く、天候やパワーコンディショナによる動作点の変化と比べると極めて速い。電圧の低下量はアーク電圧に依存し、アーク電圧は最大動作電流に依存する。アーク発生により回路インピーダンスが増加し、電流も低下する。直列アークが発生していないストリングの電圧電流センサ３Ｂ、３Ｃの電圧は低下し、電流は増加し、動作点１３となる。直列アークが発生していないストリングの電圧電流は太陽光発電の電圧電流特性曲線１０上で動作することから、電圧低下に伴い電流は増加する。

次に、図６の概略図で示す箇所で直列アークが発生した際の電圧電流変動特性を図７に示す。電圧電流センサ３Ａとパワーコンディショナ４の間で直列アーク６Ｂが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧は増加し、電流は低下する。このとき、アーク発生後の動作点１４となる。アーク発生により回路インピーダンスが増加し、電流が低下するためである。動作点１４は、正常動作の電圧電流特性曲線１０上の動作点となる。ストリングＢおよびＣの電圧電流センサ３Ｂおよび３Ｃも同様に、電圧は増加し、電流は低下する。このとき、ストリングＢおよびＣのアーク発生後の動作点１４はストリングＡのアーク発生後の動作点と一致する。回路の対称性から電圧と電流の変動量は同じとなる。

次に並列アークについて説明する。図８の概略図で示す箇所で並列アーク７Ａが発生した際の電圧電流変動特性を図９に示す。太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で並列アーク７Ａが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧と電流は低下しアーク発生後の動作点１５となる。動作点１５の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）となり、電流は他ストリングから逆流するため過大な電流が逆方向に流れる。動作点１５は、正常動作の電圧電流特性曲線１０から大幅に外れた動作点である。一方、他ストリングの電圧電流センサ３Ｂ、３Ｃの電圧は低下し、電流は増加し、アーク発生後の動作点１６となる。動作点１６の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）で、電流は短絡電流値と同等の値となる。図９に示すように、異常が生じていないストリングの動作点１６は正常動作の電圧電流特性曲線１０上の動作点である。

次に、図１０の概略図で示す箇所で並列アーク７Ｂが発生した際の電圧電流変動特性を図１１に示す。電圧電流センサ３Ａとパワーコンディショナ４の間で並列アーク７Ｂが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧は低下し、電流は増加しアーク発生後の動作点１９となる。動作点１９の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）となり、電圧電流特性曲線１０から電流は短絡電流Ｉｓｃに近い値となる。図１１に示すように、ストリング内で異常が生じていないため、動作点１６は正常動作の電圧電流特性曲線１０上の動作点となる。他ストリングのアーク発生後の動作点はストリングＡの動作点１９と一致する。回路の対称性から電圧と電流の変動量は同じとなる。

開閉器制御部１３０の動作、すなわち開閉器制御ステップの動作については、アーク発生箇所を判定した上で決定する。図４の直列アーク６Ａが発生した際には、図５のアーク発生後の動作点１２の電圧電流変動を示したセンサの信号が入力されたストリングＡのアーク検出装置１００Ａが電圧電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。これによって太陽光発電から流れる電流が止まり直列アークを消弧できる。開閉器２Ａがトリップされると、ストリングＢおよびストリングＣの動作点は動作点１３から動作点１１に戻り、直流発電システムはストリングＢとストリングＣとで動作を継続できる。

図６の直列アーク６Ｂが発生した際には、図７のアーク発生後の電圧電流動作点として動作点１４が一定時間継続したときに、アーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。これによって太陽光発電から流れる電流が止まり直列アークを消弧できる。

図８の並列アーク７Ａが発生した際には、図９のアーク発生後の動作点１５の電圧電流変動を示したセンサの信号が入力されたアーク検出装置１００Ａが電圧電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。

図１０の並列アーク７Ｂが発生した際には、図１１のアーク発生後の動作点１９への電圧電流変動が一定時間継続したときにセンサの信号が入力されたアーク検出装置１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ全てが、それぞれ開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップする。

以上のように、アークノイズ解析部１２１においてアークが発生したと判断されたとき、それぞれのストリングのアーク検出装置１００の電圧電流変動解析部１２２においてアーク発生前後の電圧電流動作点を解析し、アーク発生後の電圧電流動作点が正常動作の電圧電流特性曲線上から外れているときは、自己のストリングにおいてアークが発生したと判断して自己の開閉器２をトリップする。アーク発生後の電圧電流動作点が正常動作の電圧電流特性曲線上にあるときは、自己のストリングより外でアークが発生したと判断し、電圧電流動作点が所定時間動作点１１とは異なる動作点を継続する場合は、自己の開閉器２をトリップする。図４や図８で示したようにストリングＡ内でアークが発生した場合は、まずストリングＡの開閉器２Ａがトリップされ、ストリングＢやストリングＣの動作点は動作点１１に戻るため、開閉器２Ｂや開閉器２Ｃをトリップせずに済む。また、図６や図１０で示したようにストリング外でアークが発生した場合は、正常動作の電圧電流特性曲線上の動作点１４や動作点１９が継続するため、所定時間これらの動作点が継続する場合は全ての開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップすることになり、直流発電システムが保護される。

なお、本特許は図１２のように電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が開閉器と太陽光パネルの間に設置されている場合も同様の保護方法でアークを検出することができる。なぜならば、開閉器が閉じている間の電圧電流変動は同じであるからである。

さらに、本特許は図１３のようにアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）と電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）が一体型であった場合にも同様のアーク解析でアーク保護を実現可能とする。電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ・・）から出力される電圧と電流をアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・）に伝送可能であれば設置場所の限定はない。

実施の形態２．
本特許は図１４の逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）が備え付けられた太陽光発電システムへの適用も含む。逆流防止ダイオード５は、太陽光パネル１からパワーコンディショナ４へ流れるケーブル、すなわち正極側のケーブルに対して電流が流れる向きに設置される場合と、パワーコンディショナ４から太陽光パネル１側へ流れるケーブル、すなわち負極側のケーブルに対して電流が流れる向きに設置される場合がある。以下では、正極側のケーブルに逆流防止ダイオード５が設置されている場合を例にして説明する。

図１５の概略図で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）がある場合で、電圧電流センサ３Ａと太陽光パネル１Ａ間で直列アークが発生した際の電圧電流変動特性は図５と同じである。太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で直列アーク６Ａが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧と電流は低下しアーク発生後の動作点１２となる。

図１６の概略図で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）がある場合で、複数ストリングが接続された直流母線とパワーコンディショナ４の間で直列アークが発生した際の電圧電流変動特性は図７と同じである。この場合、それぞれのストリングの電圧電流センサ３Ａ、３Ｂ、３Ｃの電圧は増加し、電流は低下する。このとき、それぞれのストリングにおいて、アーク発生後の動作点１４となる。

図１７の概略図で示す箇所で示すように、逆流防止ダイオード５（５Ａ、５Ｂ、５Ｃ・・）がある場合で、ストリングＡにおいて並列アーク７Ａが発生した際の電圧電流変動特性を図１８に示す。逆流防止ダイオードが接続された太陽光発電システム内の太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で並列アーク７Ａが発生すると、電圧電流センサ３Ａの電圧と電流は低下しアーク発生後の動作点１７となる。動作点１７の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）となり、電流は太陽光パネル１Ａからの出力がなく、また逆流防止ダイオードにより他ストリングから逆流することがないため電流は０となる。一方、他ストリングの電圧電流センサ３Ｂ、３Ｃの電圧は低下し電流は増加し、別回路のアーク発生後の動作点１８となる。動作点１８の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）で、電流は短絡電流値と同等の値となる。

図１９の概略図で示すように、逆流防止ダイオードがある場合で、並列アーク７Ｂが発生した際の電圧電流変動特性は図１１と同じである。電圧電流センサ３Ａの電圧は低下し、電流は増加しアーク発生後の動作点１９となる。動作点１９の電圧はアーク電圧程度（１０Ｖ〜４０Ｖ）となり、太陽光発電の電圧電流特性曲線１０から電流は短絡電流Iscに近い値となる。ストリングＢやストリングＣのアーク発生後の動作点はストリングＡの動作点１９と一致する。

開閉器制御部１３０の動作については、図１５、図１６、図１９の場合には図４、図６、図１０の場合の開閉器動作指令と同じである。図１７で示すように並列アークが発生した際には、アーク発生後の動作点１８の電圧電流変動を示したセンサの信号が入力されたアーク検出装置が電圧電流センサ３Ａの近傍の開閉器２Ａをトリップする。

実施の形態３．
図２０は本発明の実施の形態３による直流発電システムの構成を示す概略回路図である。実施の形態１および実施の形態２では、それぞれのストリングに備えられたアーク検出装置１００が自己のストリングの開閉器２をトリップするかどうかを判断するようにした。本実施の形態３では、それぞれのストリングに備えられた電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、・・・）から送られてきたデータを一つのアーク検出装置２００で解析処理し、アーク発生箇所判定、アークモード判定、適切な開閉器動作指令を出力するよう構成されている。

例えば、ストリングＡの太陽光パネル１Ａと電圧電流センサ３Ａの間で並列アーク７Ａが発生すると、ストリングＡの電圧電流センサ３Ａにおける動作点は図９に示す動作点１５となり、ストリングＢの電圧電流センサ３Ｂ、およびストリングＣの電圧電流センサ３Ｃにおける動作点は図９に示す動作点１６になる。また、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生すると、各ストリングの電圧電流センサ３における動作点は図１１に示す動作点１９になる。ここで、図９に示す動作点１６と図１１に示す動作点１９はほとんど同じ動作点である。実施の形態１や実施の形態２の構成では、それぞれのストリングで単独にアーク発生を判断するため、ストリングＢやストリングＣでは、並列アークがストリングＡで発生したか直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で発生したかを判断するのは難しい。このため、実施の形態１では、自己のストリング外でアークが発生したと判断した場合は、所定時間動作点が継続する場合に自己のストリングを切り離すよう開閉器をトリップさせることとした。

本実施の形態３では、図２０に示すように、アーク検出装置２００が全てのストリングの電圧電流センサ３（３Ａ、３Ｂ、・・・）からの信号を入力して、総合的に判断することにより、アーク発生箇所を適切に判断できる。すなわち、図９で示すように、ストリングＡにおける動作点が動作点１５となり、他のストリングにおける動作点が動作点１６となった場合は、ストリングＡにおいて並列アーク７Ａが発生したと判断でき、この場合は開閉器２Ａのみをトリップさせる。一方、図１１で示すように、全てのストリングの動作点が動作点１９となった場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生したと判断でき、直ちに、全てのストリングの開閉器２Ａ、２Ｂ、２Ｃをトリップさせる。

以上のように、それぞれのストリングに備えられた電圧電流センサ３（（３Ａ、３Ｂ、・・・）の信号を一つのアーク検出装置２００において解析することにより、アーク発生箇所をより適切に判断でき、それぞれの開閉器に対してより適切な指令を送ることができる。特に、ストリング外でアークが発生した場合に、実施の形態１のように、異常な動作点が所定時間継続するのを待つことなく、直ちに全てのストリングを切り離せるというメリットがある。

実施の形態４．
図２１は、本発明の実施の形態４による直流発電システムの構成を示す概略回路図である。実施の形態４では、それぞれのストリングに備えられたアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、・・・）が、自己のストリングでアークが発生したかどうかを判断し、判断結果をアーク発生箇所特定装置２０１に送信する。アーク発生箇所特定装置２０１では、全てのアーク検出装置１００（１００Ａ、１００Ｂ、・・・）からの信号を入力して総合的に判断することにより、アーク発生箇所を特定する。

アーク発生箇所特定装置２０１は、全てのストリングのアーク検出装置１００から、それぞれ自己のストリング外で並列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で並列アーク７Ｂが発生したと判断し、全てのストリングの開閉器２（２Ａ、２Ｂ、・・・）をトリップするように全てのアーク検出装置１００に指令を送信する。全てのストリングのアーク検出装置１００から、それぞれ自己のストリング外で直列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、直流母線２０あるいは直流母線２０よりもパワーコンディショナ４側で直列アークが発生したと判断し、全てのストリングの開閉器２（２Ａ、２Ｂ、・・・）をトリップするように全てのアーク検出装置１００に指令を送信する。

一方、アーク発生箇所特定装置２０１は、ある一つのストリングのアーク検出装置、例えばストリングＡのアーク検出装置１００Ａから自己のストリングで並列アークが発生したとの判断結果が入力され、他のストリングのアーク検出装置からは自己のストリング外で並列アークが発生したとの判断結果が入力された場合は、ストリングＡ以外の開閉器はトリップさせないとの指令を、ストリングＡ以外のアーク検出装置または開閉器に送信する。直列アークの場合も同様である。

以上において、自己のストリングでアークが発生したと判断したアーク検出装置は、自己の開閉器を直ちにトリップする。一方、自己のストリング外でアークが発生したと判断したアーク検出装置は、アーク発生箇所特定装置２０１からの信号を待って自己の開閉器をトリップする。

本実施の形態４による直流発電システムによれば、ストリング外でアークが発生した場合に、実施の形態１のように、異常な動作点が所定時間継続するのを待つのではなく、アーク発生箇所特定装置２０１かアーク発生箇所を特定するため、より適切なアーク発生箇所の特定を行える。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 太陽光パネル、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 開閉器、
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 電圧電流センサ、４ パワーコンディショナ、
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ ダイオード、６Ａ、６Ｂ 直列アーク、
７Ａ、７Ｂ 並列アーク、１００ アーク検出装置、１１０ 入力部、
１２０ アーク解析部、１２１ アークノイズ解析部、
１２２ 電圧電流変動解析部、１３０ 開閉器制御部。

Claims (13)

1. 複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムにおいて、
   それぞれのストリングは、出力側に、当該ストリングの出力電圧と出力電流を検出する電圧電流センサと、当該ストリングの前記直流母線への接続を遮断する開閉器とを備え、
   前記電圧電流センサの信号のノイズに基づいて前記直流発電システムに発生するアークを検出するアークノイズ解析部と、前記アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、前記電圧電流センサからの信号により各ストリングの出力の電圧電流動作点を解析し、電圧電流動作点の、前記アークが検出された前後の変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定する電圧電流変動解析部と、前記電圧電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御部を有するアーク検出装置を備えたことを特徴とする直流発電システム。
2. 前記アークノイズ解析部は、少なくとも１ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲の高周波ノイズに基づいてアークを検出することを特徴とする請求項１に記載の直流発電システム。
3. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングにそれぞれ備えられ、それぞれのアーク検出装置は、自己の電圧電流変動解析部において、前記アークが検出された前後の電圧電流動作点の変動に基づいて、自己のストリングにおいてアークが発生したかどうかを特定し、自己のストリングにおいてアークが発生したことを特定した場合、自己のストリングに備えられた開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
4. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングにそれぞれ備えられ、それぞれのアーク検出装置は、自己の電圧電流変動解析部において、前記アークが検出された前後の電圧電流動作点の変動に基づいて、自己のストリングにおいてアークが発生したかどうかを特定し、自己のストリング外においてアークが発生したことを特定した場合、前記アークが検出された後の電流電圧動作点が所定時間継続する場合、自己のストリングに備えられた開閉器をトリップすることを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
5. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングにそれぞれ備えられ、それぞれのアーク検出装置は、自己の電圧電流変動解析部において、前記アークが検出された前後の電圧電流動作点の変動に基づいて、自己のストリングにおいてアークが発生したかどうかを判断し、判断結果を送信するように構成され、前記各ストリングに備えられた各アーク検出装置から、前記判断結果を受信するアーク発生箇所特定装置を備え、このアーク発生箇所特定装置は、全てのアーク検出装置から自己のストリング外でアークが発生したとの判断結果を受信した場合、前記各ストリングに備えられた各開閉器をトリップする指令を前記各アーク検出装置または前記各開閉器に出力することを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
6. 前記アーク検出装置は、前記各ストリングに備えられたそれぞれの電圧電流センサからの信号を受信するように構成され、前記アークノイズ解析部においてアークが検出された場合に、前記電圧電流変動解析部において前記それぞれの電圧電流センサからの信号により各ストリングの電圧電流動作点を解析し、前記各ストリングの電圧電流動作点の、前記アークが検出された前後の変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定し、前記開閉器制御部は、前記電圧電流変動解析部におけるアーク特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の直流発電システム。
7. 前記電圧電流変動解析部は、前記アークが検出された前後の電圧電流動作点の変動に基づいて、発生したアークが直列アークか並列アークかを判定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の直流発電システム。
8. 前記各ストリングは逆流防止ダイオードを備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の直流発電システム。
9. 複数の直流発電モジュールが直列に接続されたストリングが複数、それぞれ開閉器を介して直流母線に並列接続されて当該直流母線に電力を供給する直流発電システムの保護方法であって、
   前記ストリングに発生するノイズに基づいて前記直流発電システムに発生するアークを検出するアーク検出ステップと、
   前記アークが検出された場合に、前記複数のストリングの各ストリングの出力の電圧電流動作点を解析し、電圧電流動作点の、前記アークが検出された前後の変動に基づいて、前記アークの発生箇所を特定するアーク発生箇所特定ステップと、
   このアークの発生箇所の特定結果に基づいて前記開閉器の開閉を制御する開閉器制御ステップと
   を含むことを特徴とする直流発電システムの保護方法。
10. 前記アーク発生箇所特定ステップにおいて、前記アークが検出された後の電圧電流動作点が、正常動作時の電圧電流特性曲線から外れた動作点である場合、当該ストリングにおいてアークが発生したと特定し、
    前記開閉器制御ステップにおいて、アークが発生したと特定したストリングの前記開閉器をトリップすることを特徴とする請求項９に記載の直流発電システムの保護方法。
11. 前記アーク発生箇所特定ステップにおいて、全てのストリングについて、前記アークが検出された後の電圧電流動作点が、正常動作時の電圧電流特性曲線上である場合、前記全てのストリング外においてアークが発生したと特定し、
    前記開閉器制御ステップにおいて、前記全てのストリングの前記開閉器をトリップすることを特徴とする請求項９に記載の直流発電システムの保護方法。
12. 前記アークが検出された前後の電圧電流動作点の変動に基づいて、発生したアークが直列アークか並列アークかを判定する、アークモード判定ステップを含むことを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載の直流発電システムの保護方法。
13. 前記各ストリングは逆流防止ダイオードを備えたことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載の直流発電システムの保護方法。

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