JP6658586B2 - アーク検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電源システムに適用されるアーク検出装置に関する。
太陽光発電システムは、太陽電池アレイを備え、該太陽電池アレイは、複数の太陽電池ストリングが並列接続されて構成され、各太陽電池ストリングは、複数の太陽電池モジュールが直列接続されて構成されている。一例として、各太陽電池ストリングにおいて発電された直流電力は、パワーコンディショニングシステム（Power Conditioning System，ＰＣＳ）にて適当な直流電力および／または適当な交流電力に変換される。
このような太陽光発電システムでは、システム内の回路等の故障によりアークを生じることがある。アークが発生した場合、アークの発生部分は高温になり、火災等を起こす恐れがある。そこで、太陽光発電システムは、アークの交流電流を電流センサにて計測することによりアークの発生を検出するアーク検出装置を備えている。
特許文献１に記載の構成では、太陽電池（光電発電機）にて発電された電力が、ＤＣ電力線を介してインバータに供給されている。ＤＣ電力線には電流センサが設けられ、この電流センサが計測する交流電流に基づいて、アークの発生の有無を検出するようになっている。
特表２０１４−５０９３９６号公報 特表２０１０−５２１７２０号公報 特表２０１２−５１０１５８号公報
近時の太陽光発電システムでは、太陽光エネルギーを、より効率的に電力に変換するために、上記ＰＣＳにて行われてきた電力の最適化を、太陽電池ストリング単位で行ったり、太陽電池モジュール単位で行ったりするオプティマイザが利用されつつある。特許文献２・３には、上記オプティマイザの具体的な構成が開示されている。
しかしながら、上記オプティマイザを設けた太陽光発電システムにおいて、上記アークが発生した場合、電流センサにてアークの交流電流を検出することは困難である。これは、上記オプティマイザは、ＤＣ/ＤＣ変換回路を備えているためである。該ＤＣ／ＤＣ変換回路は、チョッパ式、フライバック式、フォワード式などの変換方式により直流電圧を変換しているが、何れの変換方式でも、回路中にコイル（インダクタ）が含まれている。このため、アークの交流成分が低減されることになる。また、電圧安定化のために回路中にコンデンサが挿入されており、該コンデンサにより、上記アークの交流電電流の高周波成分が流れてしまうことになる。その結果、上記電流センサにアークの交流電流が流れないことになる。
したがって、本発明の一態様は、オプティマイザが存在していても太陽光発電システムなどの直流電源システムに生じた電気アークを検出することができるアーク検出装置の提供を目的としている。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアーク検出装置は、発電または充放電する複数の直流電源と、該複数の直流電源の出力を最適化するオプティマイザと、前記オプティマイザの出力電力を消費または変換する負荷装置と、前記複数の直流電源と前記オプティマイザとをそれぞれ接続する複数対の第１電力線と、前記オプティマイザと前記負荷装置とを接続する一対の第２電力線と、を備えた直流電源システムに適用されるアーク検出装置であって、或る一対の第１電力線の一方に一端部が接続され、別の一対の第１電力線の一方に他端部が接続された電源間コンデンサを、前記複数対ごとに有し、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線の一方に一端部が接続され、前記一対の第２電力線の一方に他端部が接続された第１コンデンサと、前記第２電力線において電流を計測する電流計測部と、前記電流計測部により計測された交流電流の高周波成分に基づきアークの有無を判定するアーク判定部と、を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、複数の直流電源は、それぞれ、複数対の第１電力線を介してオプティマイザに接続され、オプティマイザは第２電力線を介して負荷装置と接続される。第１コンデンサは前記オプティマイザを迂回する第１バイパス電流経路を形成し、電源間コンデンサは、前記オプティマイザを迂回する電源間バイパス電流経路を形成する。電流計測部は、第２電力線にて電流を計測する。
従って、前記オプティマイザが存在する場合であっても、第２電力線における前記電流計測部は、複数の直流電源にて発生したアークの交流電流を計測することができる。これにより、前記アーク検出装置は、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。
なお、第１コンデンサおよび電源間コンデンサは、前記オプティマイザの外部に設けられてもよいし、前記オプティマイザの内部に設けられてもよい。
上記態様に係るアーク検出装置では、第１コンデンサおよび前記電源間コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサおよび前記電源間コンデンサのインピーダンスと、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線と前記一対の第２電力線との間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記一対の第２電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記負荷装置のインピーダンスと、各電源間コンデンサが設けられた第１電力線どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、各対の第１電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスの何れよりも小さい、という条件を満たすことが好ましい。この場合、第１コンデンサおよび電源間コンデンサを流れる交流電流の方が、前記オプティマイザを流れる交流電流よりも多くなるので、前記直流電源システムにて発生したアークを確実に検出することができる。
上記態様に係るアーク検出装置では、第１電力線における第１コンデンサおよび電源間コンデンサとの接続部と、前記オプティマイザの入力部との間に複数のコイルをさらに備えてもよい。この場合、第１バイパス電流経路および電源間バイパス電流経路を流れる交流電流が多くなり、前記電流計測部を流れる交流電流が多くなる。その結果、前記直流電源システムにて発生したアークを精度よく検出することができる。なお、前記コイルは、前記オプティマイザ内に設けられていてもよいし、前記オプティマイザの外部に設けられていてもよい。
ところで、前記オプティマイザによっては、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線の他方と前記第２電力線の他方との間における前記オプティマイザのインピーダンスが大きい場合がある。
そこで、上記態様に係るアーク検出装置では、前記２つの第１電力線の他方に一端部が接続され、前記一対の第２電力線の他方に他端部が接続された第２コンデンサをさらに有してもよい。この場合、第２コンデンサは前記オプティマイザを迂回する第２バイパス電流経路を形成する。従って、前記２つの第１電力線の他方と前記第２電力線の他方との間における前記オプティマイザのインピーダンスが大きくても、第２電力線における前記電流計測部は、前記複数の直流電源にて発生したアークの交流電流を計測することができる。これにより、前記アーク検出装置は、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。
上記態様に係るアーク検出装置では、第１コンデンサ、第２コンデンサ、および前記電源間コンデンサのインピーダンスは、第１コンデンサ、第２コンデンサ、および前記電源間コンデンサのインピーダンスと、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線と前記一対の第２電力線との間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記一対の第２電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記負荷装置のインピーダンスと、各電源間コンデンサが設けられた第１電力線どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、各対の第１電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスの何れよりも小さい、という条件を満たすことが好ましい。この場合、第１コンデンサ、第２コンデンサ、および電源間コンデンサを流れる交流電流の方が、前記オプティマイザを流れる交流電流よりも多くなるので、前記直流電源システムにて発生したアークを確実に検出することができる。
上記態様に係るアーク検出装置では、第１電力線における第２コンデンサとの接続部と、前記オプティマイザの入力部との間にコイルをさらに備えてもよい。この場合、第２バイパス電流経路を流れる交流電流が多くなり、前記電流計測部を流れる交流電流が多くなる。その結果、前記直流電源システムにて発生したアークを精度よく検出することができる。なお、前記コイルは、前記オプティマイザ内に設けられていてもよいし、前記オプティマイザの外部に設けられていてもよい。
本発明の一態様によれば、第１コンデンサはオプティマイザを迂回する第１バイパス電流経路を形成し、電源間コンデンサは、前記オプティマイザを迂回する電源間バイパス電流経路を形成することにより、前記直流電源システムに前記オプティマイザが存在する場合であっても、第２電力線における電流計測部は、複数の直流電源にて発生したアークの交流電流を計測することができるので、アーク検出装置は、前記直流電源システムにて発生したアークを検出することができる。
本発明の一実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。 上記太陽光発電システムが備えるアーク検出装置のアーク検出処理部の構成を示すブロック図である。 (ａ)は、上記太陽光発電システムにおけるストリングオプティマイザの前段におけるアーク非発生状態およびアーク発生状態の交流電流の波形を示すグラフであり、(ｂ)は、上記ストリングオプティマイザの後段におけるアーク非発生状態およびアーク発生状態の交流電流の波形を示すグラフである。 （ａ）は、上記太陽光発電システムにおいて、アークが発生していない場合に上記アーク検出装置における電流センサにて計測された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図であり、（ｂ）は、上記太陽光発電システムにおいて、アークが発生している場合に上記電流センサにて計測された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。 本発明の別の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。 本発明のさらに別の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。 本発明の他の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。
〔実施形態１〕
図１は、本発明の一実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。図２は、図１に示した太陽光発電システムが備えるアーク検出装置のアーク検出処理部の構成を示すブロック図である。
（太陽光発電システム１の構成）
図１に示すように、太陽光発電システム１（直流電源システム）は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂ（直流電源）、ストリングオプティマイザ２２（オプティマイザ）およびパワーコンディショニングシステム（以下、ＰＣＳ（Power Conditioning System）と称する）１３（負荷装置）を備えている。
太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂは、多数の太陽電池モジュール２１が直列接続されて形成されている。各太陽電池モジュール２１は、直列接続された複数の太陽電池セル（図示せず）を備え、パネル状に形成されている。
太陽電池ストリング１１ａは、一対の電力電路（一対の第１電力線）であるＰ側の電力線路１７ａおよびＮ側の電力線路１８ａによってストリングオプティマイザ２２と接続されている。また、太陽電池ストリング１１ｂは、一対の電力電路（一対の第１電力線）であるＰ側の電力線路１７ｃおよびＮ側の電力線路１８ｃによってストリングオプティマイザ２２と接続されている。
ストリングオプティマイザ２２は、一対の電力電路（一対の第２電力線）であるＰ側の電力線路１７ｂおよびＮ側の電力線路１８ｂによってＰＣＳ１３と接続されている。ストリングオプティマイザ２２は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂからの電力を最適化して、出力電力を電力線路１７ｂ，１８ｂに供給するものである。これにより、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂからＰＣＳ１３への電力の出力効率を向上することができる。
ＰＣＳ１３は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂからストリングオプティマイザ２２を介して入力された直流電力を交流電力に変換して電力系統１４（負荷装置）に出力する。なお、ＰＣＳ１３の代わりに、上記直流電力を消費する負荷装置が設けられてもよい。
（アーク検出装置の構成）
太陽光発電システム１はアーク検出装置６１を備えている。アーク検出装置６１は、バイパス電流経路２３，２４，７２ａ、コンデンサ１９，２０，７１ａ、電流センサ３１（電流計測部）およびアーク検出処理部３２（アーク判定部）（図２参照）を備えている。
バイパス電流経路２３は、一端部である第１の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ａとの間の電力線路１７ａ（電源間コンデンサが接続されていない第１電力線の一方）に接続され、他端部である第２の端部がストリングオプティマイザ２２とＰＣＳ１３との間の電力線路１７ｂ（一対の第２電力線の一方）に接続され、ストリングオプティマイザ２２を迂回している。
バイパス電流経路２３には、コンデンサ１９（第１コンデンサ）が設けられている。すなわち、コンデンサ１９は、第１電極が電力線路１７ａに接続され、第２電極が電力線路１７ｂに接続され、バイパス電流経路２３を形成している。なお、コンデンサ１９の静電容量（インピーダンス）については後述する。
バイパス電流経路２４は、一端部である第１の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ｂとの間の電力線路１８ｃ（電源間コンデンサが接続されていない第１電力線の他方）に接続され、他端部である第２の端部がストリングオプティマイザ２２とＰＣＳ１３との間の電力線路１８ｂ（一対の第２電力線の他方）に接続され、ストリングオプティマイザ２２を迂回している。
バイパス電流経路２４には、コンデンサ２０（第２コンデンサ）が設けられている。すなわち、コンデンサ２０は、第１電極が電力線路１８ｃに接続され、第２電極が電力線路１８ｂに接続され、バイパス電流経路２４を形成している。なお、コンデンサ２０の静電容量（インピーダンス）については後述する。
バイパス電流経路７２ａは、一端部である第１の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ａとの間の電力線路１８ａ（或る一対の第１電力線の一方）に接続され、他端部である第２の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ｂとの間の電力線路１７ｃ（別の一対の第１電力線の一方）に接続され、ストリングオプティマイザ２２を迂回している。
バイパス電流経路７２ａには、コンデンサ７１ａ（電源間コンデンサ）が設けられている。すなわち、コンデンサ７１ａは、第１電極が電力線路１８ａに接続され、第２電極が電力線路１７ｃに接続され、バイパス電流経路７２ａを形成している。なお、コンデンサ７１ａの静電容量（インピーダンス）については後述する。
電流センサ３１は、太陽電池ストリング１１ａまたは太陽電池ストリング１１ｂにて発生したアークにより、電力線路１８ｃからバイパス電流経路２４を介して電力線路１８ｂに流れる交流電流を計測する。なお、電流センサ３１は、電力線路１７ｂに設けられてもよい。この場合、電流センサ３１は、上記アークにより電力線路１７ａからバイパス電流経路２３を介して電力線路１７ｂに流れる交流電流を計測することになる。
アーク検出処理部３２は、従来周知の構成であり、例えば図２に示すように、増幅器４１、フィルタ４２、Ａ／Ｄ変換部４３およびＣＰＵ（central processing unit）４４を備えている。
増幅器４１は、電流センサ３１にて計測された電流を増幅する。フィルタ４２は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、増幅器４１から出力される電流のうち、所定周波数範囲の電流のみを通過させる。これにより、増幅器４１から出力される電流から、ＰＣＳ１３が備えるコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）のスイッチングノイズを多く含む周波数成分の電流を排除できるようにしている。Ａ／Ｄ変換部４３は、フィルタ４２を通過したアナログの電流の信号をデジタル信号に変換し、ＣＰＵ４４へ入力する。
ＣＰＵ４４は、ＦＦＴ処理部５１およびアーク有無判定部５２を備えている。ＦＦＴ処理部５１は、Ａ／Ｄ変換部４３から入力された電流のデジタル信号に対してＦＦＴを行い、電流のパワースペクトルを生成する。アーク有無判定部５２は、ＦＦＴ処理部５１が生成した電流のパワースペクトルに基づいて、アーク発生の有無を判定する。
（太陽光発電システム１およびアーク検出装置６１の動作）
上記の構成において、太陽光発電システム１およびアーク検出装置６１の動作について以下に説明する。
図３の(ａ)は、ストリングオプティマイザ２２の前段（太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂ側）におけるアーク非発生状態およびアーク発生状態の交流電流の波形を示すグラフである。図３の(ｂ)は、ストリングオプティマイザ２２の後段（ＰＣＳ１３側）におけるアーク非発生状態およびアーク発生状態の交流電流の波形を示すグラフである。
図４の（ａ）は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂの何れにおいても、アークが発生していない場合に電流センサ３１にて計測された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。図４の（ｂ）は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂの何れかにおいて、アークが発生している場合に電流センサ３１にて計測された電流のＦＦＴ処理波形を示す波形図である。
太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂは直流の電力を発電し、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂが発電した電力は、ストリングオプティマイザ２２を介してＰＣＳ１３へ入力される。この場合、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂから出力される直流電流は、コンデンサ１９，２０によって阻止され、バイパス電流経路２３，２４を流れない。ＰＣＳ１３は、ストリングオプティマイザ２２を介して入力された直流電力を交流電力に変換し、出力する。
ここで、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂの何れにおいてもアークが発生していなければ、ストリングオプティマイザ２２の前段（太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂ側）の交流電流の波形は、図３の(ａ)に示すアーク非発生状態の波形となる。したがって、電流センサ３１にて計測される電流はアークの交流電流を含まず、この電流をＦＦＴ処理部５１にてＦＦＴ処理した波形は、図４の（ａ）に示すようになる。
一方、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂの何れかにおいてアークが発生していれば、ストリングオプティマイザ２２の前段（太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂ側）の交流電流の波形は、図３の(ａ)に示すアーク発生状態の波形となる。この場合、アークの交流電流は、ストリングオプティマイザ２２を流れないものの、電力線路１７ａから、バイパス電流経路２３、電力線路１７ｂ、ＰＣＳ１３、電力線路１８ｂ、バイパス電流経路２４、電力線路１８ｃ、電力線路１７ｃ、およびバイパス電流経路７２ａを経由して電力線路１８ａを流れる。したがって、ストリングオプティマイザ２２の後段（ＰＣＳ１３側）の交流電流の波形は、図３の(ｃ)に示すアーク発生状態の波形となる。また、アークの交流電流は、電力線路１８ｂに設けられている電流センサ３１にて計測される。
したがって、電流センサ３１が計測する電流は、アークの交流電流を含むものとなり、この電流をＦＦＴ処理部５１にてＦＦＴ処理した波形は、図４の（ｂ）に示すようになる。これにより、アーク検出処理部３２は、電流センサ３１から入力された信号の高周波成分に基づいて、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂにおけるアークの発生を検出することができる。
（アーク検出装置６１の利点）
上記のように、アーク検出装置６１は、ストリングオプティマイザ２２が設けられている太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂにストリングオプティマイザ２２に対するバイパス電流経路２３，２４，７２を備えている。また、これらのバイパス電流経路２３，２４，７２にコンデンサ１９，２０，７１ａがそれぞれ設けられ、ストリングオプティマイザ２２とＰＣＳ１３との間の電力線路１８ｂに電流センサ３１が設けられている。したがって、太陽光発電システム１にストリングオプティマイザ２２が存在する場合であっても、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂにて発生したアークの交流電流を電流センサ３１にて計測することができる。
（コンデンサ１９，２０，７１ａのインピーダンス）
図１では、ストリングオプティマイザ２２の内部インピーダンスと、ＰＣＳ１３の入力側の内部インピーダンスとが等価回路で示されている。図１に示すように、ストリングオプティマイザ２２は、入力側の電力線路１７ａ，１８ａ間のインピーダンスＺｉｎ１と、入力側の電力線路１７ｃ，１８ｃ間のインピーダンスＺｉｎ２と、出力側の電力線路１７ｂ，１８ｂ間のインピーダンスＺｏｕｔと、正側の電力線路１７ａ，１７ｂ間のインピーダンスＺ１と、負側の電力線路１８ａ，１８ｂ間のインピーダンスＺ２と、隣り合う電力線路１８ａ，１７ｃ間のインピーダンスＺ３と、を有している。また、ＰＣＳ１３は、入力側の電力線路１７ｂ，１８ｂ間のインピーダンスＺＰＣＳｉｎを有している。なお、ＰＣＳ１３における他のインピーダンスは省略している。さらに、コンデンサ１９，２０，７１ａのインピーダンスをそれぞれＺｐａｓｓ１，Ｚｐａｓｓ２，Ｚｐａｓｓ３とする。
太陽電池ストリング１１ａにて発生した上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、電力線路１７ａからインピーダンスＺｉｎ１を経由して電力線路１８ａに流れる交流電流よりも、電力線路１７ａから、インピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚ１を経由し、インピーダンスＺｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ２，Ｚ２を経由し、太陽電池ストリング１１ｂを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ３，Ｚ３を経由して、電力線路１８ａに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。
同様に、太陽電池ストリング１１ｂにて発生した上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、電力線路１７ｃからインピーダンスＺｉｎ２を経由して電力線路１８ｃに流れる交流電流よりも、電力線路１７ｃから、インピーダンスＺｐａｓｓ３，Ｚ３を経由し、太陽電池ストリング１１ａを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚ１を経由し、インピーダンスＺｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ２，Ｚ２を経由して、電力線路１８ｃに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。
すなわち、下記の条件式（１）を満たすことが望ましい。
（Ｚｐａｓｓ１，Ｚ１，Ｚｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎ，Ｚｐａｓｓ２，Ｚ２，Ｚｐａｓｓ３，Ｚ３の合成インピーダンス）＝｛（１／Ｚｐａｓｓ１）＋（１／Ｚ１）｝−１＋｛（１／Ｚｐａｓｓ２）＋（１／Ｚ２）｝−１＋｛（１／Ｚｐａｓｓ３）＋（１／Ｚ３）｝−１＋｛（１／Ｚｏｕｔ）＋（１／ＺＰＣＳｉｎ）｝−１≦Ｚｉｎ１，Ｚｉｎ２ ・・・（１）。
また、上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、インピーダンスＺｏｕｔを流れる交流電流よりも、電力線路１７ｂからインピーダンスＺＰＣＳｉｎを経由して電力線路１８ｂに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。すなわち、次式（２）を満たすことが望ましい。
ＺＰＣＳｉｎ≦Ｚｏｕｔ ・・・（２）。
従って、例えばＬＣＲメータを用いて、ストリングオプティマイザ２２におけるインピーダンスＺｉｎ１，Ｚｉｎ２，Ｚｏｕｔ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３と、ＰＣＳ１３におけるインピーダンスＺＰＣＳｉｎとを測定し、該測定の結果と上記条件式（１）とを用いて、コンデンサ１９，２０，７１ａのインピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚｐａｓｓ２，Ｚｐａｓｓ３を容易に決定することができる。また、上記測定の結果を用いて、上記式（２）を満たすように、例えば、電流センサ３１よりもＰＣＳ１３側の電力線路１７ｂと電力線路１８ｂとの間にコンデンサを設けてもよい。
さらに、上記条件式（１）を参照すると、Ｚ２≪Ｚｉｎ１，Ｚｉｎ２の場合にはインピーダンスＺｐａｓｓ２はどのような値でもよいことが理解できる。従って、インピーダンスＺ２がインピーダンスＺｉｎ１，Ｚｉｎ２よりも著しく小さい場合、インピーダンスＺｐａｓｓ２を有するコンデンサ２０を省略することができる。
ところで、ストリングオプティマイザ２２は、太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂを直列接続するものもあれば、並列接続するものもあり、上記直列接続および上記並列接続の両方を実行できるものもある。これに対し、本実施形態のアーク検出装置６１では、上記直列接続および上記並列接続の何れであっても適用可能であり、上述の効果を奏することができる。
〔実施形態２〕
図５は、本発明の別の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。図５に示すように、本実施形態の太陽光発電システム１は、図１〜図４に示す太陽光発電システム１に比べて、新たな太陽電池ストリング１１ｃが、一対の電力電路であるＰ側の電力線路１７ｄおよびＮ側の電力線路１８ｄによってストリングオプティマイザ２２と接続される点と、アーク検出装置６１にバイパス電流経路７２ｂおよびコンデンサ７１ｂが追加される点とが異なり、その他の構成は同様である。
バイパス電流経路７２ｂは、一端部である第１の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ｂとの間の電力線路１８ｃに接続され、他端部である第２の端部がストリングオプティマイザ２２と太陽電池ストリング１１ｃとの間の電力線路１７ｄ（一対の第２電力線の一方）に接続され、ストリングオプティマイザ２２を迂回している。
バイパス電流経路７２ｂには、コンデンサ７１ｂ（電源間コンデンサ）が設けられている。すなわち、コンデンサ７１ｂは、第１電極が電力線路１８ｃに接続され、第２電極が電力線路１７ｄに接続され、バイパス電流経路７２ｂを形成している。
上記構成の場合、図５に示すように、ストリングオプティマイザ２２には、入力側の電力線路１７ｄ，１８ｄ間のインピーダンスＺｉｎ３と、隣り合う電力線路１８ｃ，１７ｄ間のインピーダンスＺ４と、が追加されることになる。なお、コンデンサ７１ｂのインピーダンスをＺｐａｓｓ４とする。
上記構成において、太陽電池ストリング１１ａにて発生した上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、電力線路１７ａからインピーダンスＺｉｎ１を経由して電力線路１８ａに流れる交流電流よりも、電力線路１７ａから、インピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚ１を経由し、インピーダンスＺｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ２，Ｚ２を経由し、太陽電池ストリング１１ｃを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ４，Ｚ４を経由し、太陽電池ストリング１１ｂを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ３，Ｚ３を経由して、電力線路１８ａに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。
同様に、太陽電池ストリング１１ｂにて発生した上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、電力線路１７ｃからインピーダンスＺｉｎ２を経由して電力線路１８ｃに流れる交流電流よりも、電力線路１７ｃから、インピーダンスＺｐａｓｓ３，Ｚ３を経由し、太陽電池ストリング１１ａを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚ１を経由し、インピーダンスＺｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ２，Ｚ２を経由し、太陽電池ストリング１１ｃを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ４，Ｚ４を経由して、電力線路１８ｃに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。
同様に、太陽電池ストリング１１ｃにて発生した上記アークの交流電流を電流センサ３１が検出するためには、電力線路１７ｄからインピーダンスＺｉｎ３を経由して電力線路１８ｄに流れる交流電流よりも、電力線路１７ｄから、インピーダンスＺｐａｓｓ４，Ｚ４を経由し、太陽電池ストリング１１ｂを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ３，Ｚ３を経由し、太陽電池ストリング１１ａを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚ１を経由し、インピーダンスＺｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎを経由し、インピーダンスＺｐａｓｓ２，Ｚ２を経由して、電力線路１８ｄに流れる交流電流の方が多いことが望ましい。
すなわち、下記の条件式（３）を満たすことが望ましい。
（Ｚｐａｓｓ１，Ｚ１，Ｚｏｕｔ，ＺＰＣＳｉｎ，Ｚｐａｓｓ２，Ｚ２，Ｚｐａｓｓ３，Ｚ３，Ｚｐａｓｓ４，Ｚ４の合成インピーダンス）＝｛（１／Ｚｐａｓｓ１）＋（１／Ｚ１）｝−１＋｛（１／Ｚｐａｓｓ２）＋（１／Ｚ２）｝−１＋｛（１／Ｚｐａｓｓ３）＋（１／Ｚ３）｝−１＋｛（１／Ｚｐａｓｓ４）＋（１／Ｚ４）｝−１＋｛（１／Ｚｏｕｔ）＋（１／ＺＰＣＳｉｎ）｝−１≦Ｚｉｎ１，Ｚｉｎ２，Ｚｉｎ３ ・・・（３）。
従って、ストリングオプティマイザ２２に一対の電力線路を介して接続する太陽電池ストリングの数は、図１に示すように２つであってもよいし、図５に示すように、３つであってもよいし、４以上であってもよい。
また、例えばＬＣＲメータを用いて、ストリングオプティマイザ２２における端子間のインピーダンスＺｉｎ１，Ｚｉｎ２，Ｚｉｎ３，Ｚｏｕｔ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３，Ｚ４と、ＰＣＳ１３におけるインピーダンスＺＰＣＳｉｎとを測定し、該測定の結果と上記条件式（３）とを用いて、コンデンサ１９，２０，７１ａ，７１ｂのインピーダンスＺｐａｓｓ１，Ｚｐａｓｓ２，Ｚｐａｓｓ３，Ｚｐａｓｓ４を容易に決定することができる。
〔実施形態３〕
図６は、本発明のさらに別の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。図６に示す太陽光発電システム１は、図１〜図４に示す太陽光発電システム１に比べて、図１に示す太陽電池ストリング１１ａ，１１ｂとストリングオプティマイザ２２とを備えるストリングユニット８１が２つ設けられている点と、接続箱１２が設けられている点とが異なり、その他の構成は同様である。
２つのストリングユニット８１，８１は、接続箱１２に接続され、接続箱１２はＰＣＳ１３に接続されている。接続箱１２は、２つのストリングユニット８１，８１を並列接続している。
上記の構成のように、太陽光発電システム１は、複数のストリングオプティマイザ２２を備えてもよい。この場合でも、ストリングオプティマイザ２２ごとに、ストリングオプティマイザ２２を迂回するバイパス電流経路２３，２４，７２ａを設け、バイパス電流経路２３，２４，７２ａにコンデンサ１９，２０，７１ａを設けることにより、４つの太陽電池ストリング１１ａ，１１ａ，１１ｂ，１１ｂの何れかにおいて発生したアークの交流電流を電流センサ３１にて計測することができる。その結果、アーク検出装置６１は、４つの太陽電池ストリング１１ａ，１１ａ，１１ｂ，１１ｂの何れかにおけるアークの発生を検出することができる。
〔実施形態４〕
図７は、本発明の他の実施形態に係るアーク検出装置を備える太陽光発電システムの構成を示す概略の回路図である。図７に示すように、本実施形態の太陽光発電システム１は、図１〜図４に示す太陽光発電システム１に比べて、ストリングオプティマイザ２２の入力側の電力線路１７ａ，１８ａ，１７ｃ，１８ｃにコイル２５がそれぞれ新たに設けられる点が異なり、その他の構成は同様である。
本実施形態では、バイパス電流経路２３は、第１の端部（接続部）がコイル２５と太陽電池ストリング１１ａとの間の電力線路１７ａに接続され、第２の端部がストリングオプティマイザ２２と電流センサ３１との間の電力線路１７ｂに接続され、コイル２５およびストリングオプティマイザ２２を迂回している。同様に、バイパス電流経路２４は、第１の端部がコイル２５と太陽電池ストリング１１ｂとの間の電力線路１８ｃに接続され、第２の端部がストリングオプティマイザ２２とＰＣＳ１３との間の電力線路１８ｂに接続され、コイル２５およびストリングオプティマイザ２２を迂回している。
また、バイパス電流経路７２ａは、第１の端部（接続部）がコイル２５と太陽電池ストリング１１ａとの間の電力線路１８ａに接続され、第２の端部（接続部）がコイル２５と太陽電池ストリング１１ｂとの間の電力線路１７ｃに接続され、コイル２５，２５およびストリングオプティマイザ２２を迂回している。
４つのコイル２５を追加することにより、電力線路１７ａからコイル２５、インピーダンスＺｉｎ１、およびコイル２５を経由して電力線路１８ａに流れる交流電流が少なくなる。また、電力線路１７ｃからコイル２５、インピーダンスＺｉｎ２、およびコイル２５を経由して電力線路１８ｃに流れる交流電流が少なくなる。また、電力線路１７ｃからコイル２５、インピーダンスＺ３、およびコイル２５を経由して電力線路１８ａに流れる交流電流が少なくなる。
従って、バイパス電流経路２３，２４，７２ａを流れる交流電流が多くなり、電流センサ３１を流れる交流電流が多くなる。その結果、アークの発生を精度よく検出することができる。なお、コイル２５は、ストリングオプティマイザ２２の入力部に内蔵されてもよい。また、上述のようにコンデンサ２０を省略できる場合には、電力線路１８ｃに設けたコイル２５を省略してもよい。
（付記事項）
なお、上記実施形態では、バイパス電流経路２３，２４，７２ａ，７２ｂおよびコンデンサ１９，２０，７１ａ，７１ｂは、ストリングオプティマイザ２２の外部に設けられているが、ストリングオプティマイザ２２の内部に設けてもよい。
また、上記実施形態では、太陽光発電システムに本発明を適用しているが、これに限定されるものではなく、直流電源を備えた任意の電源システムに本発明を適用することができる。上記直流電源としては、太陽光発電装置の他に、水素燃料と空気中の酸素との電気化学反応により、水素燃料を利用して電気エネルギー（直流電力）を得ることが可能な燃料電池装置、電気エネルギーを蓄積する蓄電池、キャパシタなどの蓄電器、などが挙げられる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１ 太陽光発電システム（直流電源システム）
１１ａ〜１１ｃ 太陽電池ストリング（直流電源）
１２ 接続箱
１３ ＰＣＳ（負荷装置）
１４ 電力系統（負荷装置）
１７ａ，１８ａ 電力線路（一対の第１電力線）
１７ｂ，１８ｂ 電力線路（一対の第２電力線）
１７ｃ，１８ｃ 電力線路（一対の第１電力線）
１９ コンデンサ（第１コンデンサ）
２０ コンデンサ（第２コンデンサ）
２１ 太陽電池モジュール
２２ ストリングオプティマイザ（オプティマイザ）
２３ バイパス電流経路
２４ バイパス電流経路
３１ 電流センサ（電流計測部）
３２ アーク検出処理部（アーク判定部）
６１ アーク検出装置
７１ａ，７１ｂ コンデンサ（電源間コンデンサ）
７２ａ，７２ｂ バイパス電流経路
８１ ストリングユニット

Claims (6)

  1. 発電または充放電する複数の直流電源と、
    該複数の直流電源の出力を最適化するオプティマイザと、
    前記オプティマイザの出力電力を消費または変換する負荷装置と、
    前記複数の直流電源と前記オプティマイザとをそれぞれ接続する複数対の第１電力線と、
    前記オプティマイザと前記負荷装置とを接続する一対の第２電力線と、
    を備えた直流電源システムに適用されるアーク検出装置であって、
    或る一対の第１電力線の一方に一端部が接続され、別の一対の第１電力線の一方に他端部が接続された電源間コンデンサを、前記複数対ごとに有し、
    前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線の一方に一端部が接続され、前記一対の第２電力線の一方に他端部が接続された第１コンデンサと、
    前記第２電力線において電流を計測する電流計測部と、
    前記電流計測部により計測された交流電流の高周波成分に基づきアークの有無を判定するアーク判定部と、
    を有することを特徴とするアーク検出装置。
  2. 第１コンデンサおよび前記電源間コンデンサのインピーダンスは、
    第１コンデンサおよび前記電源間コンデンサのインピーダンスと、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線と前記一対の第２電力線との間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記一対の第２電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記負荷装置のインピーダンスと、各電源間コンデンサが設けられた第１電力線どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、
    各対の第１電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスの何れよりも小さい、という条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載のアーク検出装置。
  3. 第１電力線における第１コンデンサおよび電源間コンデンサとの接続部と、前記オプティマイザの入力部との間に複数のコイルをさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアーク検出装置。
  4. 前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線の他方に一端部が接続され、前記一対の第２電力線の他方に他端部が接続された第２コンデンサをさらに有することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項に記載のアーク検出装置。
  5. 第１コンデンサ、第２コンデンサ、および前記電源間コンデンサのインピーダンスは、
    第１コンデンサ、第２コンデンサ、および前記電源間コンデンサのインピーダンスと、前記電源間コンデンサが接続されていない２つの第１電力線と前記一対の第２電力線との間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記一対の第２電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスと、前記負荷装置のインピーダンスと、各電源間コンデンサが設けられた第１電力線どうしの間における前記オプティマイザのインピーダンスと、の合成インピーダンスが、
    各対の第１電力線間における前記オプティマイザのインピーダンスの何れよりも小さい、という条件を満たすことを特徴とする請求項４に記載のアーク検出装置。
  6. 第１電力線における第２コンデンサとの接続部と、前記オプティマイザの入力部との間にコイルをさらに備えることを特徴とする請求項４または５に記載のアーク検出装置。
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