JP6205661B2 - 太陽光発電所におけるアークフラッシュ災害の軽減 - Google Patents

太陽光発電所におけるアークフラッシュ災害の軽減 Download PDF

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Description

本明細書に記載される対象の実施形態は、概して太陽電池に関する。より具体的には、本明細書に記載される対象の実施形態は、太陽光発電所の運転及び保守に関する。
太陽光発電所は、太陽放射を電気エネルギーに変換するために、太陽電池を使用する。太陽光発電所は、また、太陽光発電インバータ(「インバータ」)を備え、インバータは太陽電池が発電する直流(DC)を、変圧器及び送電線のネットワークにより電力系統との相互接続点への送達に好適な交流(AC)に変換する。単一の多巻線中圧昇圧変圧器に接続された複数のインバータを備えるインバータステーションにおいて、インバータが使用される場合が多いが、多巻線中圧昇圧変圧器は、ひいては、中圧系統に接続される。
アークフラッシュは、保守時など、インバータに対して作業する時の重大な労働災害である。インバータステーションにおけるアークフラッシュ災害の軽減は、いくつかの設計上の課題を呈しているが、理由は、インバータステーションが接続されている電力系統が、大きな故障電流源として機能し、アーク故障時のインバータステーション内で高いアークフラッシュエネルギーをもたらすためである。また、効果的なコミッショニング及び保守活動においては、インバータの電源がオンであり、かつ、インバータが電力系統に活線で接続されている間に、インバータ内部へ完全にアクセスすることを要する場合が多い。米国電気電子学会による文献IEEE 1584〜2002、及び全米防火協会によるNFPA−70Eは、ACインバータステーションなどの電気システム内の様々な場所におけるアークフラッシュエネルギーを分析かつ推定し、また潜在的なアークフラッシュ事象からの保護に必要である適切な個人用保護具(PPE)を判定するための指針を提供している。
一般的な、即ち、必ずしも太陽光発電のためではない用途の電気設備について、アークフラッシュ軽減策は、アーク電流を低減することと、作業距離を増大させることと、故障除去時間を短縮することとを含み得る。しかし、これらの解決策は、実現が難しいか、あるいはインバータステーションで労働者を保護するのに不十分な場合もある。
ある保護デバイスは、電流制限を意図している。アーク故障に対して有効な(available)電流を制限するか、あるいは低減することにより、対応する入射エネルギーは、通常、持続時間が短い(例えば、1〜3サイクル)故障除去時間中に低減される。これらの保護デバイスにおける故障電流は、この保護デバイスにとって効果的な電流制限範囲内でなければならない。この解決策の潜在的な問題は、故障電流制限より下の場合、故障除去時間は、かなり増大するため、入射エネルギーレベルが、太陽光発電所の系統運転状態の範囲に対して作業可能レベルを超える場合があることである。
入射エネルギーは、外気中で距離の2乗に比例するため、作業距離を増大することにより、入射エネルギーレベルをかなり低減するであろう。遠隔運転デバイス及び延長具(例えば、ホットスティック)を用いることにより、作業距離を増大することができる。しかし、インバータステーションの場合、多くの保守又はコミッショニング活動は、インバータの電源がオンであり、かつ、インバータが電力系統に活線で接続されている間に、インバータ内部へのアクセスを有する必要がある。そのため、作業距離を増大することは、インバータステーション内で実際的ではない場合もある。
故障除去時間を短縮する1つの普及した方法は、回路遮断器などの保護デバイスの電流設定を下げることである。特にインバータステーションについて、この解決策の欠点は、遮断器トリップ特性と設備保護ニーズとを適合させ、かつ通常短期過渡電流による遮断器のトリップを回避する必要のため、通常運転状態に対して電流設定を下げることができるレベルが、制限されていることである。
アークフラッシュ災害軽減のための他の解決策としては、一般に、母線差動継電方式、及びゾーン選択インターロックの提供が挙げられ、これらの具体的な実行は、システムへの依存性がかなり高く、通常、複雑であり、コスト効率が良くない。
一実施形態において、太陽光発電インバータの保守時に、アークフラッシュ軽減デバイスを使用して、作業者を保護する。通常運転時に、太陽光発電インバータの交流(AC)出力を、ヒューズよりも高い定格電流を有する母線(例えば、導電性相互配線)により、昇圧変圧器の低圧巻線に連結する。保守時に、母線をヒューズに取り換える。ヒューズは、スイッチと併せて使用してもよい。スイッチは、通常運転時に、母線をヒューズと並列に配置して、保守時に、母線をヒューズから分離する断路スイッチであってもよい。また、スイッチは、母線及びヒューズのいずれかを、太陽光発電インバータのAC出力、及び昇圧変圧器の低圧巻線と、直列に配置するトランスファスイッチであってもよい。
本発明のこれら及びその他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲を含む本開示の全体を読むことにより、当業者には容易に理解されよう。
対象のより完全な理解は、以下の図面と併せて考察する際に、発明を実施するための形態及び特許請求の範囲を参照することにより導き出すことができ、図面において同様の参照番号は、図面全体を通して類似の要素を指す。
本発明の実施形態による、太陽光発電所の概略図である。
本発明の実施形態による、インバータステーションの形態のシステムの概略図である。 本発明の実施形態による、インバータステーションの形態のシステムの概略図である。
本発明の実施形態による、図2におけるシステムの母線リンクを例示する概略図である。
本発明の実施形態による、図3におけるシステムのヒューズリンクを例示する概略図である。
本発明の実施形態による、相互配線ホルダ上の母線リンクの概略図である。
本発明の実施形態による、相互配線ホルダ上のヒューズリンクの概略図である。
本発明の実施形態による、インバータステーションの形態の別のシステムの概略図である。
本発明の実施形態による、図8におけるシステムのスイッチヒューズリンクを概略的に示す図である。
本発明の実施形態による、図8におけるシステムのスイッチヒューズリンクの更なる詳細を概略的に示す図である。
本発明の実施形態による、インバータステーションの形態の更に別のシステムの概略図である。
本発明の実施形態による、図11におけるシステムのスイッチヒューズリンクを概略的に示す図である。
本発明の実施形態による、保守レバーの運転を概略的に示す図である。 本発明の実施形態による、保守レバーの運転を概略的に示す図である。
本発明の実施形態による、インバータステーションを通常運転モードから保守モードに切り替える方法のフロー図である。
本発明の実施形態による、インバータステーションを保守モードから通常運転モードに切り替える方法のフロー図である。
本開示では、本発明の実施形態を十分に理解するために、装置、構成部品、及び方法の例など、多数の具体的な詳細を提供している。しかし、当業者であれば、本発明は、これらの具体的な詳細のうちの1または複数を欠いても実施できることを認識するであろう。他の例では、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるため、周知の詳細については、図示も説明もしていない。
上記のアークフラッシュ災害に対する従来の解決策は、「解決策は、通常運転状態及び保守状態の両方に共通でなくてはならない、即ち、解決策は、通常運転状態が影響を受けないことを保証しつつ、アークフラッシュの危険カテゴリが、コミッショニング及び保守活動を安全に実施するために適切なカテゴリより高くないことを保証する必要がある」という前提に基づいている。しかし、運転と保守のいずれについても、保護デバイスの単独の設定は、保護デバイスが、全ての有効短絡電流レベルについて故障を迅速に除去できることを保証していない。例えば、回路遮断器は、1000Aより大きい電流については50ミリ秒以内にトリップしてもよいが、800Aよりも小さい電流については10秒超かかってもよい。アークフラッシュエネルギーが、有効故障電流の非線形関数であり、かつ故障除去時間に比例していることを考慮すると、最も可能性の高い短絡電流レベル、及びその対応する事故除去時間は、アークフラッシュエネルギーに関して最悪のシナリオを意味し得ない。実際、最大のアークフラッシュエネルギーは、最高よりもかなり下の故障電流レベルに対応してもよい。
また、アークフラッシュ災害の分析を実施する間、電力系統が無限大母線であるか、あるいは最大故障電流が電力系統から得られると仮定することは、非常によくあることである。しかし、これらの仮定は、不正確な結果をもたらし得、アークフラッシュエネルギーを少なく見積もる場合が多い。また、これらの仮定は、有効故障電流にかなり影響し得る将来のプラントの拡張又は修正を考慮に入れていない。インバータステーションが何百エーカーにもわたって分散した大規模太陽光(PV)発電所において、インバータステーションから変電所へのラインインピーダンスは、かなりばらついていてもよい。そのため、有効短絡電流、よってアークフラッシュエネルギーレベルは、様々なインバータステーションの間でばらつきが大きくてもよい。大規模PV発電所内の保護デバイスにおける単独のポイント設定は、上述した複雑さの全てについて十分ではない場合もある。
更に、従来の回路遮断器による解決策のためのトリップ時間の単独のポイント設定は、引はずし電流を低く設定した時、信頼性の高い電力生産に影響する、望ましくない停電、頻繁な停止、及び再起動をもたらし得る無用トリップ(nuisance tripping)を導入し得る。一方、引はずし電流の設定が高すぎる場合、トリップレベルより下のアーク電流は、単に結果として生じる遮断器のトリップ時間がかなり増大するという理由から、依然、アークフラッシュ災害をもたらす場合がある。より具体的には、アーク電流が瞬時設定を超えた場合、入射エネルギーレベルは、非常に低い。瞬時設定より低いアーク電流において、追加の事故除去時間は、より低いアーク電流を相殺する以上であり、より高い入射エネルギーを生成するため、より危険な状況をもたらす。
故障除去時間を短縮するため、保守活動を実施する前に、保護デバイスのトリップ設定を低減することと、故障電流レベルを低減するため、保守活動を実施する前に、高インピーダンス要素を電力系統と設備との間に挿入することとを伴う一般的な電気設備及びシステムに従来使用されてきた解決策は、高い実行コストと、保守を安全に実施するために必要である広範な手順工程のため、インバータステーションに容易に拡張できない。
したがって、本発明の実施形態は、特に有益であり、コスト効率が良く、かつインバータに保守を実施するのに実際的なアークフラッシュ軽減策を提供する。
図1を参照すると、本発明の実施形態によるPV発電プラント100の概略図が示されている。PV発電プラント100は、複数の変圧器ハウジング140と、複数の太陽光発電インバータ120と、複数の太陽光発電モジュール110と、高圧(HV)昇圧変圧器160とを備えてもよい。図を明瞭にするために、本発明の理解に不要なPV発電プラント100の制御及び他の構成部品は、示していない。
図1の例において、インバータステーション190は、変圧器ハウジング140に接続された1または複数のインバータ120を備える。変圧器ハウジング140は、同じインバータステーション190の中の全てのインバータ120が接続されている、単一の多巻線中圧(MV)変圧器を備えてもよい。太陽電池115の群は、太陽光発電モジュール110の中でパッケージ化されてもよく、この太陽光発電モジュール110を、他の太陽光発電モジュール110とともにインバータ120に接続してもよい。太陽電池115は、SunPower Corporation(San Jose California)から入手可能なものなど、市販の太陽電池を含んでもよい。明瞭にするために、図1では太陽電池115の一部のみが表示されていることに留意すべきである。
インバータ120は、一連の太陽光発電モジュールが発電したDC電流を、相互接続点(POI)161で電力系統に送達するのに好適なAC電流に変換する。図1の例において、インバータ120の出力は、変圧器ハウジング140のMV変圧器によって上げられ、電力系統に供給される前に変圧器160によって更に上げられ、電力系統は、消費者に電気サービスを提供する電力会社が運営し得る。
図2及び3は、本発明の実施形態によるインバータステーション190Aの形態のシステムの概略図を示す。インバータステーション190Aは、図1に示すPV発電プラント100のインバータステーション190の特定の実施形態である。インバータステーション190Aは、単一の多巻線昇圧MV変圧器142に接続されている2つのインバータ120(即ち、120−1、120−2)を用いて、例示されている。一般に、インバータステーションが有するMV変圧器に接続されたインバータは、これより少なくても多くてもよい。一実施形態において、MV変圧器142は、2本の低圧巻線と、単一の高圧巻線とを有する。低圧巻線のそれぞれは、インバータ120に連結されており、高圧巻線は、電力系統に連結されている。
図2に示す変圧器ハウジング140Aは、PV発電プラント100の変圧器ハウジング140の特定の実施形態である。変圧器ハウジング140Aは、MV変圧器142と、MV放出ヒューズ143と、MV電流制限ヒューズ144と、MV断路スイッチ145とを、安全上の理由で、同じ保護ハウジング内に囲い込んでもよい。以下でより明らかになるように、変圧器ハウジングは、本発明の様々な実施形態におけるそのハウジングの内部において、様々なインバータ変圧器リンク(例えば、母線リンク、又は接点リンク(contact link)、ヒューズリンク、及びスイッチヒューズリンク)を備えてもよい。インバータ120をMV変圧器142に接続するインバータ変圧器リンクは、変圧器ハウジングの外側に位置してもよい。
インバータステーション190Aは、2つのインバータ120が単一の3巻線MV変圧器142に接続した構成の例である。インバータステーションの他の回路構成は、単一のインバータ、又は2巻線MV変圧器により接続された複数の並列インバータを含んでもよい。
インバータ120は、インバータ回路122と、AC出力断路器(disconnect)123と、DC入力断路器121とを備えてもよい。インバータ回路122は、太陽光発電モジュール110から受電したDC電力を電力系統の対応する出力に変換するための電気回路を含む。DC入力断路器121及びAC出力断路器123は、インバータ120を、太陽光発電モジュール110及びMV変圧器142から、それぞれ断路するためのスイッチを備えてもよい。インバータ120は、市販の太陽光発電インバータを含み得る。
インバータ120は、太陽光発電モジュール110のDC出力を受電するためのDC入力と、電力系統に供給されるAC出力とを有する。インバータ120のAC出力は、電力系統に供給される前に、MV変圧器142によって上げられる。AC電圧を上げることに加えて、MV変圧器142は、電力系統とインバータ120との間、よって太陽光発電モジュール110に、ガルバニック絶縁をもたらす。
インバータ120が、潜在的に大きい有効故障電流を含む大規模電力系統に接続されていることを考慮すると、インバータ120においてアークフラッシュが発生する可能性は、主要な安全上の懸念である。過電流継電方式は、通常、ヒューズ143及び144によりMV変圧器142の高圧側において提供されるが、MV変圧器142及びインバータ120の低圧側における故障に対する、対応する故障除去時間は、一般的に長く、ばらつきが大きく、結果的に、MV変圧器142の低圧端子とインバータ120のAC出力との間の領域に高入射アークエネルギーをもたらす。MV変圧器142とインバータ120との間のこの場所に、適切なアークフラッシュ軽減策となるものを挿入することは、特に、インバータ120で運転、コミッショニング、保守、又は点検を行う間、作業者の安全を保証する助けとなるであろう。アークフラッシュ軽減策としては、電力系統からの全ての潜在的に有効故障電流に対し、一貫して入射エネルギーレベルを、4または4より高いPPEクラス(>40cal/cm)から、2または2より低いPPEクラス(<8cal/cm)に下げることが、好ましい。
従来のアークフラッシュ軽減策は、専用の回路遮断器を、MV変圧器ハウジングの内部に、かつインバータ出力と直列で、設置することである。回路遮断器は、インバータ出力におけるアーク故障のあらゆる潜在的な発生が、関連した回路遮断器によって瞬時に除去され、これにより、関連した入射エネルギーがPPEクラス2レベルを超えないことを保証する助けとなる。しかし、回路遮断器引きはずし特性の適切な設定は、良くても難しい課題であるが、理由は、設定により、回路遮断器が、有効故障電流に左右されるレベルの広範囲のアーク故障電流に対して瞬時にトリップする一方で、通常運転時に予想される過電流及びサージ電流に反応しないことを保証する必要があるためである。また、回路遮断器がMV変圧器ハウジング内に位置する場合、ハウジングは、回路遮断器の環境要件を満たすよう好適に設計されなくてはならず、結果的に実行コストを増大させる。
一実施形態において、インバータステーション190Aは、インバータステーション190Aが通常運転モードにあるか保守モードにあるかによって、様々なインバータ変圧器リンクを有してもよい。その名称が暗示するように、通常運転モードは、インバータ120が通常通りに動作して、太陽光発電電力を電力系統に供給する時のモードである。保守モードは、インバータ120が、保守、点検、又はコミッショニング中のモードである。
図2は、通常運転モードにおける、インバータ120の出力のMV変圧器142への接続構成を示す。通常運転において、母線リンク141(例えば、導電性相互配線)は、インバータ120をMV変圧器142に接続するインバータ変圧器リンクとして機能する。母線リンク141は、変圧器ハウジング140Aの中に囲い込まれることが好ましいが、必ずしも囲い込まれなくてもよい。シングルワイヤ又はマルチワイヤ導体124は、母線リンク141をインバータ120のAC出力に接続してもよい。
通常運転時に、母線リンク141は、インバータ120のAC出力を、MV変圧器142の対応する低圧端子に接続する。母線リンク141は、それらがインバータ120の最大定格電流を流すように設計され、かつ母線リンク141は、容易に外されてもよく、かつ保守モード用の一連のヒューズ−リンク146(図3を参照)と取り換えられてもよいような機械的構成に構成されている。図4は、インバータ120−1からの端子L1A、L2A、及びL3Aを、MV変圧器142の対応する低圧巻線端子X1A、X2A、及びX3Aに接続し、かつインバータ120−2からの端子L1B、L2B、及びL3Bを、MV変圧器142の対応する低圧巻線端子X1B、X2B、及びX3Bに接続する、母線リンク141を例示する概略図を示す。示された例は、それぞれの相に対して1巻線の3相巻線についてのものであり、例示のみを目的とする。
図3は、保守モードにおけるMV変圧器142へのインバータ120の接続構成を示す。保守モードにおいて、ヒューズリンク146は、(母線リンク141の代わりに)インバータ変圧器リンクとして機能する。インバータ120に保守タスクを実施する前に、それぞれの母線リンク141をヒューズリンク146に取り換える。インバータ120の最大定格電流を流す定格である母線リンク141とは異なり、ヒューズ−リンク146は、インバータ120の定格電流のごく一部を流す定格となっており、これにより、ヒューズ−リンク146の故障除去時間は、アークフラッシュエネルギーを、有効故障電流の全範囲についてPPEクラス2に対応するレベルよりもかなり下のレベルに低減するのに十分短い。ヒューズ−リンク146は、速断型ヒューズを含んでもよい。よって、ヒューズリンク146により、インバータ120の電源がオンのままであることを要する保守タスクを、比較的安全に採用することができる。インバータ120の電源がオンであることを要する保守タスクの例としては、インバータ内部の通電中の構成部品にかなり接近することを要する保守及びコミッショニング活動時に発生し得る、インバータ出力電流及び電圧の測定、漏れ電流測定、高調波測定、熱測定、制御、通信、及び監視回路並びに機能性の診断、又はその他のテスター又はオシロスコープ測定が、挙げられる。万一、保守時に、アーク故障の状況が発生した場合、速断型ヒューズリンク146は、数ミリ秒〜数百ミリ秒以内にアークを除去することができ、これにより、入射エネルギーを8cal/cmよりもかなり下に制限することができる。これによって、保守作業者は、インバータステーション190において、PPE2レベルの保護具のみを用いて、保守タスクを安全に実施することができる。保守タスクを完了すると、ヒューズリンク146は、外され、かつ母線リンク141に取り換えられ、これにより、通常運転を再開することができる。図5は、インバータ120−1からの端子L1A、L2A、及びL3Aを、MV変圧器142の対応する低圧巻線端子X1A、X2A、及びX3Aに接続し、かつインバータ120−2からの端子L1B、L2B、及びL3Bを、MV変圧器142の対応する低圧巻線端子X1B、X2B、及びX3Bに接続する、ヒューズリンク146を例示する概略図を示す。
一実施形態において、母線リンク及びヒューズリンクは、共通の物理的間隔レイアウト、終端足跡(termination footprint)、及び終端デバイスを共有し、これにより、母線リンク141をヒューズリンク146に取り換える手順、及びその逆の手順を、容易に、かつ最小数の工程で、確実に実施することができる。この特徴は、相互配線ホルダ192が、母線リンク141及びヒューズリンク146のいずれかを物理的に収容する図6及び7において、概略的に例示されている。それぞれのホルダ192により、MV変圧器142の低圧巻線端子(即ち、X1A、X2A、X3A、X1B、X2B、又はX3B)を、インバータ120からの対応する端子(即ち、L1A、L2A、L3A、L1B、L2B、又はL3B)に接続することが可能となる。通常モードから保守モードに変更するために、保守作業員がすべきことは、母線リンク141を相互配線ホルダ192から外し、ヒューズリンク141をホルダ192上に設置することのみである。同様に、保守モードから通常運転モードに変更するために、保守作業員がすべきことは、ヒューズリンク146を相互配線ホルダ192から外し、母線リンク141をホルダ192上に設置することのみである。母線リンク141をヒューズリンク146と交換する間、及び逆にヒューズリンク146を母線リンク141と交換する間、インバータステーション190A全体の電源をオフにし、かつインバータステーション190A全体を電力系統から断路する必要があり、このことは、通常、MV変圧器142の高圧側に存在するMV断路スイッチ145(図2及び3に示す)を開くことにより実現してもよい。
図2及び3を参照すると、本発明の一実施形態において、PV発電プラント100のインバータ120で保守を実施する方法は、インバータ120の電源をオフにすることにより、インバータステーション190Aを保守モードにすることと、MV断路スイッチ145を開くことにより、インバータステーション190Aを電力系統から断路することと、母線リンク141をヒューズ−リンク146に取り換えることと、MV断路スイッチ145を閉じることと、インバータ120の電源をオンにすることと、母線リンク141の代わりにヒューズ−リンク146が定位置にある状態で、1または複数のインバータ120に(電源がオンである間)保守を実施することとを伴ってもよい。方法は、インバータ120の電源をオフにすることにより、インバータステーション190Aを通常運転モードにすることと、MV断路スイッチ145を開くことにより、インバータステーション190Aを電力系統から断路することと、ヒューズリンク146を母線リンク141に取り換えることと、MV断路スイッチ145を閉じることと、母線リンク141がヒューズリンク146の代わりに定位置にある状態で、インバータ120の電源をオンにすることとを更に伴う。
次に図8を参照すると、本発明の実施形態によるインバータステーション190Bの形態のシステムの概略図が示されている。インバータステーション190Bは、インバータ変圧器リンクがスイッチヒューズリンク201を含むインバータステーション190Aの特定の実施形態である。スイッチヒューズリンク201を、「140B」と表示し直されている変圧器ハウジングの保護筐体の中に組み込んでもよい。インバータ190Bの他の構成部品は、そうでなければ、図2及び3を参照して記載した通りである。
一実施形態において、図8に示すように、スイッチヒューズリンク201は、速断型ヒューズFと単投形スイッチ203とを備える。ヒューズ−リンク146のように、ヒューズFは、インバータ120の定格電流のごく一部を流す定格となっており、これにより、ヒューズFの故障除去時間は、アークフラッシュエネルギーをPPE2に対応するレベルよりかなり下のレベルまで低減するのに十分短い。単投形スイッチ203は、2端子単投断路スイッチを含んでもよい。
通常運転時に、スイッチ203は、閉じられており、かつヒューズ201と並列である。よって、スイッチ203の接点Bは、前述した母線リンク141(図2を参照)と同じように、通常運転時にインバータ120をMV変圧器142に接続する。スイッチ203の接点BとヒューズFとが並列接続であるため、ヒューズFは、通常運転時に、インバータ120の定格電流のほんの一部のみを流す。保守モード時、前述したヒューズ−リンク146(図3を参照)と同じように、スイッチ203は、ヒューズFと並列である状態から開いており、ヒューズFがインバータ120をMV変圧器142に接続することを可能にする。
図9は、本発明の実施形態によるスイッチヒューズリンク201を概略的に示す。説明したように、スイッチヒューズリンク201は、ヒューズF(即ち、F1、F2、F3、F4、F5、又はF6)、及びスイッチ203の対応するスイッチ接点B(即ち、B1、B2、B3、B4、B5、又はB6)を含んでもよい。図9の例において、単投形スイッチ203は、連携して単一の保守レバー204により動作可能であり、この保守レバー204は、変圧器ハウジングの外側においてアクセス可能であってもよい。MV変圧器142巻線端子X1A、X2A、X3A、及びX1B、X2B、X3B、並びにインバータ120からの端子L1A、L2A、L3A、L1B、L2B、及びL3Bは、図4及び5を参照して前述した通りである。
図9の例において、保守レバー204を第1の位置(通常運転位置)に動かすことで、スイッチ203の全ての接点Bを閉じ、この接点Bを対応する常設されたヒューズFと並列に配置して、インバータステーション190Bを通常運転モードにする。インバータステーション190Bを保守モードにするために、保守レバー204を第2の位置(保守位置)に動かして、スイッチ203の接点Bを開き、これにより、インバータとMV変圧器低圧巻線は、ヒューズFにより接続される。安全上の理由で、保守レバー204を、南京錠205により、特定の位置で定位置にロックしてもよい。スイッチヒューズリンク201は、母線及びヒューズを手で外し、かつ設置して、運転モードを変更する必要をなくすのに、好都合である。
スイッチヒューズリンク201において、ヒューズFが常設されているため、通常運転時、ヒューズFは、依然、存在しており、かつ接点Bと並列接続されている。したがって、それぞれのヒューズFは、通常の動作電流のごく一部を流すであろう。通常運転状態時に流れているヒューズ電流の量を、スイッチ203の接点BとヒューズFとの間で適切なインピーダンス整合を有するスイッチヒューズリンク201の回路レイアウト設計により、微小レベルに低減してもよい。これは、図10において例示されており、図10は、本発明の実施形態によるスイッチヒューズリンク201を概略的に示す。
図10の例において、スイッチ203の接点Bを備える回路206は、等価直列抵抗207を有する。ヒューズFを備える回路208は、等価直列抵抗209を有する。例えば、スイッチ203に関連した回路206の等価直列抵抗207は、Rswiであり、次に、対応するヒューズFの回路208は、等価直列抵抗209がkswiに等しく、式中、k>>1であるよう、意図的に設計されている。等価インピーダンスは、通常運転状態と保守状態のいずれについても環境要件を満たすよう設計すべきである。
次に図11を参照すると、本発明の実施形態によるインバータステーション190Cの形態のシステムの概略図が示されている。インバータステーション190Cは、インバータ変圧器リンクがスイッチヒューズリンク213を備えるインバータステーション190Aの特定の実施形態である。スイッチヒューズリンク203を、「140C」と表示し直されている変圧器ハウジングの保護筐体の中に組み込んでもよい。インバータ190Cの他の構成部品は、そうでなければ、図2及び3を参照して記載した通りである。
図11に示す一実施形態において、スイッチヒューズリンク203は、速断型ヒューズ214と、母線213と、双投形スイッチ215とを備える。ヒューズ−リンク146のように、ヒューズ214は、インバータ120の定格電流のごく一部を流す定格となっており、これにより、ヒューズ214の故障除去時間は、アークフラッシュエネルギーをPPE2よりかなり下まで低減するのに十分短い。双投形スイッチ215は、ヒューズ214及び母線213のいずれかによりインバータ120をMV変圧器142に接続する、2つの位置を有するトランスファスイッチを備えてもよい。即ち、ヒューズ214及び母線213の一方のみが、インバータ120をMV変圧器142の低圧側に常に接続している。ヒューズ214及び母線213を常設してもよい。
スイッチヒューズリンク201(図8を参照)の代わりにスイッチヒューズリンク212を用いる利点は、ヒューズ214が、通常運転時に負荷電流を全く流さないことである。したがって、ヒューズのサイズ設定及び回路レイアウト設計を検討するにあたって、連続使用要件を考慮する必要はなく、結果的に、より簡素な電気設計をもたらす。その代償として、スイッチヒューズリンク212は、通常、実行するのによりコストがかかり、かつスイッチヒューズリンク201よりも物理的に大きい。
図12は、本発明の実施形態によるスイッチヒューズリンク212を概略的に示す。図12の例において、双投形スイッチ215は、連携して単一の保守レバー204により動作可能であり、この保守レバー204は、変圧器ハウジングの外側においてアクセス可能であってもよい。MV変圧器142巻線端子X1A、X2A、X3A、及びX1B、X2B、X3B、並びにインバータ120からの端子L1A、L2A、L3A、L1B、L2B、及びL3Bは、図4及び5を参照して前述した通りである。
図12の例において、保守レバー204を第1の位置に動かすことで、直列接続された母線213により、インバータ120をMV変圧器142に接続し、インバータステーション190Cを通常運転モードにする。インバータステーション190Cを保守モードにするために、保守レバー204を第2の位置に動かして、直列接続されたヒューズ214により、インバータ120をMV変圧器142に接続する。安全上の理由で、保守レバー204を、南京錠205により、特定の位置で定位置にロックしてもよい。
インバータステーション190B(図8を参照)と190C(図11を参照)のいずれにおいても、通常運転モードと保守モードとの間の切り替え手順は、インバータステーションの電源を完全にオフにして、かつ電力系統から断路して実施され、切り替え手順自体がアークフラッシュ災害を引き起こさないことを保証する。このことは、保守レバー204を操作する前に、(通常、ホットスティックにより)MV断路スイッチ145を開くことで実現してもよい。インターロック機構を使用して、MV断路スイッチ145が開(即ち、オフ)位置にある場合のみ2つの運転モード間の切り替えを実現することを保証してもよい。
図13及び14は、通常運転位置(図13)及び保守位置(図14)にある保守レバー204を示す。南京錠205を用いて、保守レバー204を定位置にロックしてもよい。保守レバー204を通常運転位置に位置付けて、インバータステーションを通常運転モードにした時、インバータ120は、直列接続されたスイッチ接点及び/又は母線、例えば、スイッチヒューズリンク201及び母線213の場合のスイッチ203の接点B、並びにスイッチヒューズリンク212の場合のスイッチ215の接点を経由して、MV変圧器142の低圧側に接続される。保守レバー204を保守位置に位置付けて、インバータステーションを保守モードにした時、インバータ120は、直列接続されたスイッチ接点及び/又はヒューズ、例えば、スイッチヒューズリンク201及びヒューズ214の場合のヒューズF、並びにスイッチヒューズリンク212の場合のスイッチ215の接点を経由して、MV変圧器142の低圧側に接続される。
図15は、本発明の実施形態によるインバータステーション190を通常運転モードから保守モードに切り替える方法のフロー図を示す。図15の方法を、保守前方策として実施してもよい。
図15の方法においてインバータ120の電源をオフにし、インバータ120のDC入力断路器121及びAC出力断路器123を開くことによりインバータ120を断路する(工程301)。MV断路スイッチ145を、保守レバー204の南京錠205と同じ南京錠の鍵を有する負荷断路南京錠で、開き(即ち、スイッチをオフにして)、かつ開位置においてロックし(工程302)、続いて、南京錠の鍵を負荷断路南京錠から外す。その南京錠の鍵を用いて、保守レバー204のロックを解除し、保守レバー204を運転位置から保守位置に回す(工程303)。保守レバー204を保守位置でロックして、南京錠の鍵を外す(工程304)。インバータ120のドアを開いて、あらゆる電源オフの保守作業を実施し、次に保守作業を実施した後に、ドアを閉める(工程305)。インバータステーション内の全てのインバータ120について、工程305を繰り返す(工程306)。電源オフの保守作業を実施した後、南京錠の鍵を用いて負荷断路南京錠のロックを解除して、MV断路スイッチ145を閉じる、即ち、スイッチをオンにすることができる(工程307)。ンバータ120の電源をオンにし、インバータ120のDC入力断路器121及びAC出力断路器123を閉じることによりインバータ120を再接続する(工程308)。電源をオンにする前に、インバータ120の極限出力電力(output power limit)を、スイッチヒューズリンク201のヒューズF、又はスイッチヒューズリンク212のヒューズ214の定格に一致し、かつこれらに適切な最大定格よりも小さい値に設定する。次に、インバータ120において、電源オンの保守作業を実施する。電源オンの保守作業(即ち、インバータ120の電源がオンである間に実施する保守作業)時に、インバータ120の出力電力レベルは、スイッチヒューズリンク201又は212のヒューズ定格により判定されるように(いずれが実行されようとも)、依然、制限されているが、理由は、保守レバー204が、依然、保守位置にロックされているためであることに留意されたい。
図16は、本発明の実施形態によるインバータステーション190を保守モードから通常運転モードに切り替える方法のフロー図を示す。図15の方法に従い、図16の方法を、保守後方策として実施してもよい。
図16の方法においてインバータ120の電源をオフにし、インバータ120のDC入力断路器121及びAC出力断路器123を開くことによりインバータ120を断路する(工程320)。MV断路スイッチ145を、負荷断路南京錠で、開き(即ち、スイッチをオフにして)、かつ開位置においてロックし(工程321)、続いて、南京錠の鍵を負荷断路南京錠から外す。その南京錠の鍵を用いて、保守レバー204のロックを解除し、保守レバー204を保守位置から運転位置に回す(工程322)。保守レバー204を運転位置でロックして、南京錠の鍵を外す。MV断路スイッチ145の断路南京錠のロックを解除して、MV断路スイッチ145を閉じることができる(工程323)。MV断路スイッチ145を閉位置でロックして、南京錠の鍵205を断路南京錠に入れたままにしておく。インバータ120のDC入力断路器121及びAC出力断路器123を閉じることにより、インバータ120の電源をオンにして、このインバータ120を再接続する(工程324)。次に、インバータ120の極限出力電力を調整して、インバータ120の最大定格に戻す。
本発明の実施形態において、ヒューズは、インバータの最大定格に対してヒューズの定格電流がより低いため、インバータから電力系統に伝送し得る電力量を制限することに留意されたい。インバータは、保守時に全出力運転をする必要がないため、この制限は、インバータに対する通常の保守活動及び関連した試験に影響しない。この制限により、保守時に、図15の工程308に記載の通り、インバータからの電力生産をヒューズ定格によって許容される制限内に削減する必要があり、このことは、通常、インバータのソフトウェア制御、又はインバータ内に入り込むいくつかのDC入力回路の断路によって実現することができる。
表1は、回路遮断器に基づく従来の解決策に対する、スイッチヒューズリンクを使用する本発明の実施形態の質的な比較を示す。図8及び11のスイッチヒューズに基づく解決策に関連した材料コストは、図2及び3の母線及びヒューズリンクに基づく解決策の材料コストより高いが、スイッチの電圧及び高い定格電流、並びに常設されたヒューズにより、スイッチヒューズに基づく解決策は、回路遮断器に基づく解決策と比較すると、依然、コスト効率が良い。より重要なことは、スイッチヒューズに基づく解決策は、どちらも、インバータステーションにおける潜在的なアークフラッシュ災害に対して保証された安全を提供する一方で、回路遮断器に基づく解決策は、特に、有効故障電流及び結果として生じるアークフラッシュ電流が異なり、かつ回路遮断器の固定された速い引はずし電流のレベルより低いレベルに到達し得る時、このような保証をしない。また、PV発電プラントの規模及び具体的な保守ニーズにより、図2及び3の母線及びヒューズリンクに基づく解決策は、最もコスト効率の良い解決策であり得る。
Figure 0006205661
本発明の具体的な実施形態を提示してきたが、これらの実施形態は、例示を目的としており、かつ非制限的であることを理解すべきである。多くの追加的実施形態が、本開示を読んだ当業者にとっては明らかとなろう。
[項目1]
太陽電池が発電した直流(DC)を、第1の太陽光発電インバータの交流(AC)出力において供給されるACに変換する、第1の太陽光発電インバータと、
上記第1の太陽光発電インバータに連結されている低圧側の第1の低圧巻線と、電力系統に連結されている高圧側の高圧巻線とを有する昇圧変圧器と、
第1のヒューズ及び第1のスイッチを備える第1のスイッチヒューズリンクと
を備え、
上記第1のスイッチヒューズリンクは、通常運転モード時に、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力を、上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に、上記第1のスイッチの接点を経由して連結し、上記第1のスイッチヒューズリンクは、保守モード時に、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力を、上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に、上記第1のヒューズを経由して連結する、システム。
[項目2]
上記第1のスイッチは、単投断路スイッチを含む、項目1に記載のシステム。
[項目3]
上記第1のヒューズは、上記通常運転モード及び上記保守モードのいずれにおいても、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力、及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結されている、項目1に記載のシステム。
[項目4]
上記第1のスイッチは、双投トランスファスイッチを含む、項目1に記載のシステム。
[項目5]
上記第1のスイッチヒューズリンクは、上記昇圧変圧器を収容する保護筐体の中に設置される、項目1に記載のシステム。
[項目6]
上記第1のスイッチは、上記通常運転モード時に、上記第1のスイッチの上記接点を、上記第1のヒューズと並列に配置する第1の位置と、上記保守モード時に、上記第1のヒューズと並列である状態から、上記第1のスイッチの上記接点を外す第2の位置と、を有する、項目1に記載のシステム。
[項目7]
太陽電池が発電したDCを、第2の太陽光発電インバータのAC出力において供給されるACに変換する、第2の太陽光発電インバータと、
第2のヒューズ及び第2のスイッチを備える第2のスイッチヒューズリンクと
を更に備え、
上記第2のスイッチヒューズリンクは、上記通常運転モード時に、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力を、上記昇圧変圧器の第2の低圧巻線に、上記第2のスイッチの接点を経由して連結し、上記第2のスイッチヒューズリンクは、上記保守モード時に、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力を、上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に、上記第2のヒューズを経由して連結する、項目1に記載のシステム。
[項目8]
上記第1のスイッチ及び上記第2のスイッチは、連携してレバーにつながり、上記レバーは、上記保守モード時に上記第1のスイッチ及び上記第2のスイッチを開く第1の位置と、上記通常運転モード時に上記第1のスイッチ及び上記第2のスイッチを閉じる第2の位置と、を有する、項目7に記載のシステム。
[項目9]
上記第1のスイッチ及び上記第2のスイッチは、連携してレバーにつながり、上記レバーは、上記通常運転モード時に、上記第1のスイッチの上記接点を、第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結し、かつ上記第2のスイッチの上記接点を、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に連結する第1の位置と、上記保守モード時に、上記第1のヒューズを、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結し、かつ上記第2のヒューズを、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に連結する第2の位置と、を有する、項目7に記載のシステム。
[項目10]
太陽電池が発電した直流(DC)を、第1の太陽光発電インバータの交流(AC)出力において供給されるACに変換する、第1の太陽光発電インバータと、
低圧側の第1の低圧巻線と、電力系統に連結されている高圧側の高圧巻線と、を有する、昇圧変圧器と、
第1のヒューズと、
第1の位置及び第2の位置を有する第1のトランスファスイッチと
を備え、
上記第1のトランスファスイッチの上記第1の位置は、第1の母線を、上記第1のヒューズではなく上記第1のトランスファスイッチの接点を経由して、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結し、上記第1のトランスファスイッチの上記第2の位置は、上記第1のヒューズを、上記第1の母線ではなく上記第1のトランスファスイッチの接点を経由して、上記第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結する、システム。
[項目11]
上記第1のトランスファスイッチは、双投トランスファスイッチを含む、項目10に記載のシステム。
[項目12]
上記第1のヒューズ及び上記第1の母線は、上記昇圧変圧器を収容する保護筐体の中に設置される、項目10に記載のシステム。
[項目13]
太陽電池が発電したDCを、第2の太陽光発電インバータのAC出力において供給されるACに変換する、第2の太陽光発電インバータと、
第2のヒューズと、
第1の位置及び第2の位置を有する第2のトランスファスイッチと
を更に備え、
上記第2のトランスファスイッチの上記第1の位置は、上記第2のヒューズではなく第2の母線を、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の第2の低圧巻線に連結し、上記第2のトランスファスイッチの上記第2の位置は、上記第2の母線ではなく上記第2のヒューズを、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に連結する、項目10に記載のシステム。
[項目14]
上記第1のトランスファスイッチ及び上記第2のトランスファスイッチは、連携してレバーにつながり、上記レバーは、通常運転モード時に、第1の母線を、第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結し、かつ上記第2の母線を、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に連結する第1の位置と、保守モード時に、上記第1のヒューズを第1の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第1の低圧巻線に連結し、かつ上記第2のヒューズを、上記第2の太陽光発電インバータの上記AC出力及び上記昇圧変圧器の上記第2の低圧巻線に連結する第2の位置と、を有する、項目13に記載のシステム。
[項目15]
上記第1のトランスファスイッチ、上記第2のトランスファスイッチ、上記第1の母線、及び上記第2の母線は、上記昇圧変圧器を収容する保護筐体の中に位置する、項目14に記載のシステム。
[項目16]
上記レバーは、上記昇圧変圧器を収容する上記保護筐体の外側に位置する、項目15に記載のシステム。
[項目17]
太陽光発電インバータに保守を実施する方法であって、
上記太陽光発電インバータの電源をオフにすることと、
上記太陽光発電インバータの交流(AC)出力を昇圧変圧器の低圧巻線に連結する母線を、ヒューズに取り換えることと、
上記太陽光発電インバータの電源をオンにすることと、
上記太陽光発電インバータの電源がオンであり、上記ヒューズが上記母線の代わりに定位置にある間に、上記太陽光発電インバータに保守を実施することと、を含む、方法。
[項目18]
上記太陽光発電インバータに保守を実施した後に、上記太陽光発電インバータの電源をオフにすることと
上記ヒューズを上記母線に取り換えることと、
上記母線が上記ヒューズの代わりに定位置にある状態で、通常運転用の上記太陽光発電インバータの電源をオンにすることと、を更に含む、項目17に記載の方法。
[項目19]
上記母線を上記ヒューズに取り換える前に、上記昇圧変圧器の高圧側を断路することを更に含む、項目17に記載の方法。
[項目20]
上記方法が、上記太陽光発電インバータと同じインバータステーション内の別の太陽光発電インバータに対して実施される、項目17に記載の方法。

Claims (10)

  1. 太陽電池が発電した直流(DC)を、第1の太陽光発電インバータの交流(AC)出力において供給されるACに変換する、第1の太陽光発電インバータと、
    前記第1の太陽光発電インバータに連結されている低圧側の第1の低圧巻線と、電力系統に連結されている高圧側の高圧巻線とを有する昇圧変圧器と、
    前記第1の太陽光発電インバータと前記昇圧変圧器との間に設けられ、第1のヒューズ及び第1のスイッチを備える第1のスイッチヒューズリンクと
    を備え、
    前記第1の太陽光発電インバータは、前記昇圧変圧器から前記第1の太陽光発電インバータを断路するためのスイッチを含むAC出力断路器を有し、
    前記第1のスイッチヒューズリンクは、通常運転モード時に、前記第1の太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に、前記第1のスイッチの接点を経由して連結し、前記第1のスイッチヒューズリンクは、保守モード時に、前記第1の太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に、前記第1のヒューズを経由して連結する、システム。
  2. 前記第1のスイッチは、単投断路スイッチを含む、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記第1のヒューズは、前記通常運転モード及び前記保守モードのいずれにおいても、前記第1の太陽光発電インバータの前記AC出力、及び前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に連結されている、請求項1または請求項2に記載のシステム。
  4. 前記第1のスイッチは、双投トランスファスイッチを含む、請求項1から請求項3のいずれか1つに記載のシステム。
  5. 前記第1のスイッチヒューズリンクは、前記昇圧変圧器を収容する保護筐体の中に設置される、請求項1から請求項4のいずれか1つに記載のシステム。
  6. 前記第1のスイッチは、前記通常運転モード時に、前記第1のスイッチの前記接点を、前記第1のヒューズと並列に配置する第1の位置と、前記保守モード時に、前記第1のヒューズと並列である状態から、前記第1のスイッチの前記接点を外す第2の位置と、を有する、請求項1から請求項5のいずれか1つに記載のシステム。
  7. 太陽電池が発電したDCを、第2の太陽光発電インバータのAC出力において供給されるACに変換する、第2の太陽光発電インバータと、
    第2のヒューズ及び第2のスイッチを備える第2のスイッチヒューズリンクと
    を更に備え、
    前記第2のスイッチヒューズリンクは、前記通常運転モード時に、前記第2の太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の第2の低圧巻線に、前記第2のスイッチの接点を経由して連結し、前記第2のスイッチヒューズリンクは、前記保守モード時に、前記第2の太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の前記第2の低圧巻線に、前記第2のヒューズを経由して連結する、請求項1から請求項6のいずれか1つに記載のシステム。
  8. 太陽電池が発電した直流(DC)を、太陽光発電インバータの交流(AC)出力において供給されるACに変換する太陽光発電インバータと、前記太陽光発電インバータに連結されている低圧側の第1の低圧巻線と、電力系統に連結されている高圧側の高圧巻線とを有する昇圧変圧器と、前記太陽光発電インバータと前記昇圧変圧器との間に設けられ、第1のヒューズ及び第1のスイッチを備える第1のスイッチヒューズリンクとを備え、前記太陽光発電インバータは、前記昇圧変圧器から前記太陽光発電インバータを断路するためのスイッチを含むAC出力断路器及び前記太陽電池から前記太陽光発電インバータを断路するためのスイッチを含むDC入力断路器を有するシステムの動作方法であって、
    前記太陽光発電インバータの電源をオフにし、前記DC入力断路器及び前記AC出力断路器を開くことにより前記太陽電池及び前記昇圧変圧器から前記太陽光発電インバータを断路することと、
    前記第1のスイッチヒューズリンクが、前記第1のスイッチを経由して前記太陽光発電インバータの前記AC出力前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に連結された状態から、前記第1のヒューズを経由して前記太陽光発電インバータの前記AC出力が前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に連結された状態に切り替えることと、
    前記太陽光発電インバータに保守を実施するべく、前記AC出力が前記第1の低圧巻線に前記第1のヒューズを経由して連結されている状態で、前記太陽光発電インバータの電源をオンにし、前記DC入力断路器及び前記AC出力断路器を閉じることにより前記太陽電池及び前記昇圧変圧器と前記太陽光発電インバータを接続することと、
    を含む、方法。
  9. 前記太陽光発電インバータに保守を実施した後に、前記太陽光発電インバータの電源をオフにし、前記DC入力断路器及び前記AC出力断路器を開くことにより前記太陽電池及び前記昇圧変圧器から前記太陽光発電インバータを断路することと、
    前記第1のスイッチヒューズリンクが、前記太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に、前記第1のスイッチの接点を経由して連結することと、
    前記AC出力が前記第1の低圧巻線に前記第1のスイッチの前記接点を経由して連結されている状態で、通常運転用の前記太陽光発電インバータの電源をオンにし、前記DC入力断路器及び前記AC出力断路器を閉じることにより前記太陽電池及び前記昇圧変圧器と前記太陽光発電インバータを接続することと、を更に含む、請求項8に記載の方法。
  10. 前記第1のスイッチヒューズリンクが、前記太陽光発電インバータの前記AC出力を、前記昇圧変圧器の前記第1の低圧巻線に、前記第1のヒューズを経由して連結する前に、前記昇圧変圧器の高圧側を断路することを更に含む、請求項8または請求項9に記載の方法。
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