JP6470490B2 - 太陽電池ストリングの発電不良検出方法、発電不良検出装置および太陽光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は太陽光発電装置に関し、特に、太陽電池ストリングのそれぞれの発電不能、発電不良等の異常を検出する太陽電池ストリングの異常検出方法および異常検出装置に関する。

太陽光発電装置は、一般に、複数組の太陽電池ストリングのそれぞれが発電した直流電力を、パワーコンディショナによって交流電力に変換して、負荷側に供給している。太陽電池ストリングのそれぞれは、正側端子と負側端子の間に複数枚の太陽電池モジュール（ソーラーパネル）が直列に接続された構成となっている。各太陽電池モジュールにはバイパス用のダイオードからなるバイパス回路が付設されており、一部の太陽電池モジュールが故障した場合等においてもバイパス回路を介して太陽電池モジュールの直列回路が維持される。

多数枚の太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置において、経年劣化等によって、太陽電池モジュールに発電不良、発電不能、地絡などの異常が発生することがあり、その場合には、太陽電池モジュールの修理、交換が必要になる。太陽電池モジュールの異常発生の検出は、パワーコンディショナの入力側のＤＣ電圧、ＤＣ電流を監視するだけでは困難である。そのために、太陽電池ストリングのそれぞれの端子電流、端子電圧を監視し、太陽電池ストリング毎に故障、異常を検出している。

特許文献１に記載の監視装置では、各太陽電池ストリングの電流値を測定し、または電流値と電圧値を測定して電力値を算出し、測定した電流値または算出した電力値を一定期間に亘って積算し、算出された積算値に基づき各太陽電池ストリングの発電不良等の発生を検出している。また、特許文献２に記載の監視装置では、太陽電池ストリングのそれぞれにおいて正側端子電流および負側端子電流を測定し、これらの電流差に基づき太陽電池ストリングに地絡が発生したか否かを検出している。

特開２０１１−７７４７７号公報 特開２０１１−７１３４６号公報

各太陽電池ストリングの端子電流を監視する場合、異常が発生した太陽電池ストリングの端子電流と正常に発電している太陽電池ストリングの端子電流とを比較して異常の有無が判断される。各太陽電池ストリングはパワーコンディショナに並列接続され、パワーコンディショナによって最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御が行われる。したがって、異常が発生している太陽電池ストリングの端子電流値は、正常な太陽電池ストリングの端子電流値と比較して僅かな減少が見られるのみである。このため、特許文献１において提案されているように、一定期間に亘って電流値を積算し、積算値に基づき異常の発生を検出する必要がある。

勿論、各太陽電池ストリングにおいて、太陽電池モジュールのそれぞれの端子電圧を監視すれば、それらの異常を確実に検出できる。しかし、多数枚の太陽電池モジュールを備えた太陽光発電装置の場合には、各太陽電池モジュールの端子電圧を監視することは製造
コストの大幅な上昇を招くので、実用的でない。

一方、従来の太陽電池ストリングの地絡検出方法は、特許文献２に記載されているように、各太陽電池ストリングの両側の端子電流の差に基づくものである。しかし、太陽電池ストリングの地絡の状態によっては、端子電流値の間に差が生じないこともある。この場合には地絡状態に陥ったことを検出できないという問題がある。

本発明の課題は、このような点に鑑みて、廉価な構成により精度良く太陽電池ストリングの異常を検出可能な異常検出方法および異常検出装置、ならびに、当該異常検出装置を備えた太陽光発電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、正側端子と負側端子の間に直列に接続された複数枚の太陽電池モジュールを備えた太陽電池ストリングの発電不良検出方法において、前記太陽電池ストリングの前記正側端子と前記負側端子の間の中点位置と回路接地電位との電位差である中点電位を監視し、前記中点電位は、発電不良が発生した前記太陽電池モジュールが位置している極性の側にシフトし、前記中点電位に基づき、前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したか否かを検出することを特徴としている。

太陽電池ストリングの中点電位は、当該太陽電池ストリングを構成している各太陽電池モジュールの発電特性によって決まる。例えば、各太陽電池モジュールの発電特性が同一の場合には、中点電位は０ボルトになる。太陽電池ストリングにおいて、直列接続されている複数枚の太陽電池モジュールのうちの一つに異常（発電不良、発電不能等）が発生すると、当該異常発生部分のバイパスダイオードがオンして、その両端電圧だけが他の太陽電池モジュールの両端電圧よりも低くなる。この結果、当該太陽電池ストリングの中点電位は、異常状態の太陽電池モジュールが接続されている側にシフトする。例えば、異常状態の太陽電池モジュールが中点位置と太陽電池ストリングの正側端子の間に位置している場合には、中点電位は正側にシフトする。よって、中点電位に基づき太陽電池モジュールの異常を検出できる。

太陽電池モジュールに異常が発生した場合の中点電位の変動率は、太陽電池ストリングの端子電流値の変動率に比べて大きいのでＳ／Ｎ比が高く、太陽電池モジュールの異常を精度良く検出できる。また、端子電流を測定する場合に比べて、中点電位の測定は低いコストで行うことができる。さらに、一定期間に亘って端子電流を積算する場合に比べてより短時間で異常状態を検出できる。

また、上記のように、中点電位は、異常が発生した太陽電池モジュールが位置している極性の側にシフトする。したがって、中点電位のシフト方向が正側の場合には、太陽電池ストリングにおける中点位置と正側端子の間に配列されている太陽電池モジュールのいずれかに異常が発生したことが分かる。逆の場合には、中点位置と負側端子の間に配列されている太陽電池モジュールのいずれかに異常が発生したことが分かる。単に、太陽電池ストリングの異常の有無を検出する場合に比べて、異常が発生している太陽電池モジュールをより簡単かつ迅速に特定することが可能になるので便利である。

次に、上記の方法を用いて太陽電池ストリングの発電不良を検出する本発明の発電不良検出装置は、前記太陽電池ストリングの前記正側端子と前記負側端子の間の中点位置と回路接地電位との電位差である中点電位を検出する検出部と、前記検出部によって検出される前記中点電位に基づき、前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したか否かを判別する判別部とを有していることを特徴としている。

また、本発明の太陽光発電装置は、複数組の太陽電池ストリングと、並列接続された前記太陽電池ストリングのそれぞれの発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、前記太陽電池ストリングのそれぞれの発電不良を検出する上記構成の発電不良検出装置とを有していることを特徴としている。

本発明を適用した太陽光発電装置の全体構成を示す概略構成図である。 （ａ）および（ｂ）は、太陽電池ストリングに異常が発生した場合の中点電位の変化を示す説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、中点電位を用いた異常検出方法の優位性を説明するための説明図である。 異常発生位置に対する中点電位のシフト方向を示す説明図である。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した太陽光発電装置の実施の形態を説明する。

図１は本実施の形態に係る太陽光発電装置の全体構成を示す概略構成図である。太陽光発電装置１の基本構成は一般的なものであり、１組あるいは複数組の太陽電池ストリング２（ｍ）（ｍ＝１，２，３・・・）を備えた太陽電池アレイ３、接続箱４を介して太陽電池ストリング２（ｍ）のそれぞれが直流入力ポートの側に並列に接続されているパワーコンディショナ５、および、コンピューターを中心に構成されるコントローラ６を備えている。

各太陽電池ストリング２（ｍ）は、その正側端子２ａ（ｍ）および負側端子２ｂ（ｍ）の間に直列接続された複数枚の太陽電池モジュール７（ｍ，ｎ）（ｎ＝２，３，４・・・）を備えている。太陽電池ストリング２（ｍ）で発電された直流電力は、接続箱４を介してパワーコンディショナ５に供給され、ここで交流電力に変化された後に、交流出力ポートから負荷側に出力される。太陽電池ストリング２（ｍ）のそれぞれには、正側端子２ａ（ｍ）と負側端子２ｂ（ｍ）の間の中点位置８（ｍ）の電位である中点電位Ｖ（ｍ）を検出する検出部９（ｍ）が付設されている。

コントローラ６は、制御部６ａ、記憶部６ｂ等を備え、Ｉ／Ｏポート６ｃを介して中点電位Ｖ（ｍ）等が供給される。また、Ｉ／Ｏポート６ｄ、６ｅを介して操作入力部１１および表示部１２等の周辺機器が接続されている。コントローラ６には、各検出部９（ｍ）によって検出される中点電位Ｖ（ｍ）に基づき各太陽電池ストリング２（ｍ）に異常が発生したか否かを監視する異常検出装置として機能する。

図示の太陽電池ストリング２（ｍ）は、一例として、１０枚の太陽電池モジュール７（ｍ，１）〜７（ｍ，１０）が直列接続されている。この場合、一方の端子、例えば正側端子２ａ（ｍ）から数えて第５番目の太陽電池モジュール７（ｍ，５）と第６番目の太陽電池モジュール７（ｍ，６）の間の接続点が中点位置８（ｍ）である。検出部９（ｍ）は、この中点位置８（ｍ）と回路接地電位（ＧＮＤ電位）との間の電位差を検出する。多くの
非絶縁パワーコンディショナでは、ＧＮＤ電位はほぼ零に近い値になる。

ここで、パワーコンディショナ５の直流入力側の端子間電位Ｖｏは、太陽電池アレイ３の全体の発電特性と入射光条件で決まる。多くの場合、ＧＮＤ電位に対して対称な電位となる。例えば、Ｖｏが６００Ｖの場合には、ＧＮＤ電位に対して、正側端子の側が＋３００Ｖ、負側端子の側が−３００Ｖになる。これに対して、各太陽電池ストリング２（ｍ）の中点電位Ｖ（ｍ）は、パワーコンディショナ５の端子間電位Ｖｏとは異なる値であり、また、太陽電池ストリング２（ｍ）のそれぞれについて独立の値となる。

図２（ａ）は太陽電池ストリングに異常が発生した場合の中点電位Ｖ（ｍ）のシフトを示す説明図であり、図２（ｂ）は異常が発生した太陽電池モジュール内での電圧分布状態を示す説明図である。これらの図を参照して、中点電位Ｖ（ｍ）に基づき、異常が発生した太陽電池ストリング２（ｍ）の中点電位Ｖ（ｍ）のシフトについて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、２番目の太陽電池ストリング２（２）（ｍ＝２）において、その正側端子２ａ（２）から数えて２番目の太陽電池モジュール７（２，２）（ｎ＝２）に異常（発電不良）が発生したものとする。この場合には、パワーコンディショナ５の入力側の端子間電位Ｖｏの値には、正常な太陽電池ストリング２（１）、２（３）〜２（ｍ）と異常が発生した太陽電池ストリング２（２）とが並列接続されているので、大きな変化がみられない。また、正常な太陽電池ストリング２（１）、２（３）〜２（ｍ）の中点電位Ｖ（１）、Ｖ（３）〜Ｖ（ｍ）にも大きな変化はみられない。これに対して、異常が発生している太陽電池ストリング２（２）の中点電位Ｖ（２）の値は大きくシフトする。

この点について、図２（ｂ）を参照して説明する。異常が発生した太陽電池ストリング２（２）の太陽電池モジュール７（２、２）において、直列接続されている複数の太陽電池セル１３のうちの一つにおいて異常が発生して、１個のバイパスダイオードＤｉがオンになったものとする。各太陽電池セル１３のそれぞれは、バイパスダイオードＤｉによって区切られたクラスタと呼ばれる複数の回路ブロックから構成される。異常が発生したクラスタ１４の両端電位は、バイパスダイオードＤｉを介して短絡するので、正常なクラスタの両端電位に比べて極端に低くなる。例えば、各クラスタの両端電位が１０Ｖであるとすると、異常が発生したクラスタ１４の両端電圧は１Ｖ程度に低下する。この電圧低下が、中点電位Ｖ（２）に略そのまま表れる。

すなわち、異常が発生した太陽電池ストリング２（２）における正常な各太陽電池モジュール７（２，１）、７（２，３）〜７（２，ｎ）は、正常な太陽電池ストリング２（１）、２（３）〜２（ｍ）と電圧共通であるので、それらの端子電圧が増加するものの、当該異常が発生した太陽電池ストリング２（２）自体の端子電圧に大きな変化はみられない。これに対して、異常が発生した太陽電池ストリング２（２）においては、バイパスダイオードＤｉの短絡により、その中点電位Ｖ（２）が大きくシフトする。図示の例では、中点位置８（２）を境として、異常が発生した太陽電池モジュール７（２，２）が正側端子２ａ（２）の側に位置している。よって、当該中点電位Ｖ（２）は、異常が発生した太陽電池モジュール７（２，２）におけるクラスタ１４の両端電圧の変化に対応して、正側に大きくシフトする。この中点電位Ｖ（ｍ）のシフト量は一般に数Ｖ程度であり、容易に、異常の発生を判別することができる。

ここで、図３を参照して、中点電位Ｖ（ｍ）の感度について説明する。図３（ａ）は太陽電池モジュールの光照射時のＩ−Ｖ特性曲線の例を示す説明図である。特性曲線Ｃ１は正常な太陽電池モジュールにおける光照射時のＩ−Ｖ特性曲線を示す。特性曲線Ｃ１上の点Ａ１はパワーコンディショナ５による最大電力点（ＭＰＰ）を示し、点Ａ２は異常が発
生した太陽電池ストリング中の正常な太陽電池モジュールの動作点を示す。これに対して、特性曲線Ｃ２は異常が発生した太陽電池モジュールのＩ−Ｖ特性曲線を示し、特性曲線Ｃ２上の点Ｂは異常が発生した太陽電池モジュールの動作点を示す。この動作点は、正常な太陽電池モジュールの動作点に比べて極端に電圧値が小さくなる。

異常が発生した太陽電池ストリングにおいては、動作点Ａ２と動作点Ｂの電圧差ΔＶが中点電位Ｖ（ｍ）の電圧シフト量として観測される。動作点Ａ２と動作点Ｂの電流差ΔＩによって表される電流シフト量の割合は電圧シフト量の割合に比べて極めて小さく、太陽電池ストリングの配列接続数が多くなるほど小さくなる。したがって、中点電位Ｖ（ｍ）のシフト量に基づき、異常が発生した太陽電池モジュールを含む太陽電池ストリングを検出する方法は、太陽電池ストリングの端子電流のシフト量に基づき異常を検出する方法に比べて、異常発生に対する感度が高く、精度良く異常を検出可能である。

図３（ｂ）は入射光量の増減に伴うＩ−Ｖ特性曲線の変化の例を示す説明図である。特性曲線Ｃ１、Ｃ２は図３（ａ）の場合と同様に、正常な太陽電池モジュールおよび異常が発生した太陽電池モジュールについてのものである。特性曲線Ｃ１ａは入射光量が減少した場合における正常な太陽電池モジュールについてのものであり、特性曲線Ｃ２ａは入射光量が減少した場合における異常が発生している太陽電池モジュールについてのものである。

異常が発生している太陽電池モジュールを含む太陽電池ストリングにおいて、正常な太陽電池モジュールの動作点Ａ２は入射光量が減少して動作点Ａ３にシフトし、異常が発生している太陽電池モジュールの動作点Ｂは動作点Ｂ１にシフトする。このように、入射光量の変化にほぼ比例した電圧シフト量ΔＩａが生じ、動作点電流が大きく変化してしまう。これに対して、入射光量が大きく変化しても、動作点Ａ２、Ａ３の間の電圧変化量、動作点Ｂ、Ｂ１の間の電圧変化量は極わずかである。よって、中点電位Ｖ（ｍ）のシフト量ΔＶａは入射光量が多い場合のシフト量ΔＶから殆ど変化せず、入射光量の増減に左右されずに、精度良く異常判定を行うことができる。

また、中点電位Ｖ（ｍ）を用いて太陽電池ストリングの異常判定を行う場合には、先に述べたように、異常が発生した太陽電池ストリングにおいて、異常が発生している太陽電池モジュールが中点位置に対していずれの側に接続されているのかも検出可能である。図４（ａ）に示すように、太陽電池ストリング２（ｍ）において、中点電位Ｖ（ｍ）の値は、当該太陽電池ストリング２（ｍ）を構成している太陽電池モジュール７（ｍ，ｎ）の発電特性によって定まる。各太陽電池モジュール７（ｍ，ｎ）が同一特性であれば、中点電位Ｖ（ｍ）はほぼ０Ｖになる。

図４（ｂ）に示すように、中点位置８（ｍ）に対して、負側端子２ｂ（ｍ）の側の太陽電池モジュール、例えば太陽電池モジュール７（ｍ，９）に異常が発生した場合には、中点電位Ｖ（ｍ）は基準となる中点電位に対して負側にシフトする。これに対して、図４（ｃ）に示すように、中点位置８（ｍ）に対して、正側端子２ａ（ｍ）の側の太陽電池モジュール、例えば太陽電池モジュール７（ｍ，２）に異常が発生した場合には、中点電位Ｖ（ｍ）は逆に正側にシフトする。よって、多数枚の太陽電池モジュールが配列されている太陽電池ストリングの異常が検出された場合に、異常が発生している太陽電池モジュールの特定を従来に比べて効率良く行うことが可能である。

以上説明したように、本実施の形態に係る太陽光発電装置１では、そのコントローラ６が、各検出部９（ｍ）から得られる各太陽電池ストリング２（ｍ）の中点電位Ｖ（ｍ）を監視している。また、コントローラ６は、中点電位Ｖ（ｍ）が正常状態における値から正方向あるいは不方向に大きくシフトした場合には、異常が発生したものと判定する判定部として機能する。従来のように太陽電池ストリングの端子電流等をモニターして異常を検出する方法に比べて、異常検出のＳ／Ｎ比が非常に高く、入射光量の変動にも影響されずに、常に精度良く異常検出を行うことができる。また、電流検出の場合に比べて廉価に異常検出を行うことができる。

１ 太陽光発電装置
２（ｍ） 太陽電池ストリング
２ａ（ｍ） 正側端子
２ｂ（ｍ） 負側端子
３ 太陽電池アレイ
４ 接続箱
５ パワーコンディショナ
６ コントローラ
７（ｍ，ｎ） 太陽電池モジュール
８（ｍ） 中点位置
９（ｍ） 検出部
１１ 入力部
１２ 表示部
１３ 太陽電池セル
１４ クラスタ
Ｖ（ｍ） 中点電位

Claims (4)

1. 正側端子と負側端子の間に直列に接続された複数枚の太陽電池モジュールを備えた太陽電池ストリングの発電不良検出方法であって、
   前記太陽電池ストリングの前記正側端子と前記負側端子の間の中点位置と回路接地電位との電位差である中点電位を監視し、前記中点電位は、発電不良が発生した前記太陽電池モジュールが位置している極性の側にシフトし、
   前記中点電位に基づき、前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したことを検出する、
   ことを特徴とする太陽電池ストリングの発電不良検出方法。
2. 前記中点電位が予め定めた基準中点電位に対して正側にシフトした場合には、前記太陽電池ストリングにおける前記正側端子から前記中点位置までの間に配列されている前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したと判断し、
   前記中点電位が前記基準中点電位に対して負側にシフトした場合には、前記太陽電池ストリングにおける前記負側端子から前記中点位置までの間に配列されている前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したと判断する、
   請求項１に記載の太陽電池ストリングの発電不良検出方法。
3. 請求項１または２に記載の方法を用いて太陽電池ストリングの発電不良を検出する発電不良検出装置であって、
   前記太陽電池ストリングの前記正側端子と前記負側端子の間の中点位置と回路接地電位との電位差である中点電位を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出される前記中点電位に基づき、前記太陽電池モジュールのいずれかに発電不良が発生したか否かを判別する判別部と、
   を有していることを特徴とする太陽電池ストリングの発電不良検出装置。
4. 複数組の太陽電池ストリングと、
   並列接続された前記太陽電池ストリングのそれぞれの発電電力を交流電力に変換するパワーコンディショナと、
   前記太陽電池ストリングのそれぞれの発電不良を検出する発電不良検出装置とを有し、
   前記発電不良検出装置は、請求項３に記載の発電不良検出装置であることを特徴とする
   太陽光発電装置。