JP6834458B2 - Arc failure detection system - Google Patents
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Description
本発明は、太陽光発電システム等の直流発電システムや直流の電力供給システムにおいて、分岐系統や主幹系統に発生するアークを検出するためのアーク故障検出システムに関するものである。 The present invention relates to an arc failure detection system for detecting an arc generated in a branch system or a main system in a DC power generation system such as a photovoltaic power generation system or a DC power supply system.
太陽光発電システム等の直流回路におけるアークを検出する従来技術として、以下に示すものが提案されている。
例えば、特許文献１に記載されたアーク検出手段では、太陽電池パネルに接続された端子台でのネジの締め忘れ等により、アークの発生、短絡及び断路故障が発生すると考え、端子台から出力側配線との間の電圧の変動と、端子台から出力側配線に流れる電流の変動とを同時に検出している。
The following are proposed as conventional techniques for detecting an arc in a DC circuit such as a photovoltaic power generation system.
For example, in the arc detecting means described in Patent Document 1, it is considered that an arc is generated, a short circuit, and a disconnection failure occur due to forgetting to tighten a screw in the terminal block connected to the solar cell panel, and the output side from the terminal block. The fluctuation of the voltage between the wiring and the fluctuation of the current flowing from the terminal block to the output side wiring are detected at the same time.
また、特許文献２に記載されたアーク検出装置は、メガソーラのように太陽電池パネルの数が多く複数の箇所に配置されており、かつ、パワーコンディショナ（ＰＣＳ）のインバータのスイッチングノイズが重畳するような直流回路への適用を前提としている。
このアーク検出装置では、複数個の太陽電池パネルが直列接続された直流回路の両端電圧を検出し、その出力をパワースペクトルに変換した後にインバータのスイッチングノイズに相当する周波数帯域を除去し、除去した後のパワースペクトルの複数点で求めたパワースペクトルの傾きが所定の基準値を超えた場合に、直流回路におけるアークの発生を判定している。
Further, the arc detection device described in
In this arc detection device, the voltage across a DC circuit in which a plurality of solar cell panels are connected in series is detected, the output is converted into a power spectrum, and then the frequency band corresponding to the switching noise of the inverter is removed and removed. When the gradient of the power spectrum obtained at a plurality of points of the subsequent power spectrum exceeds a predetermined reference value, the generation of an arc in the DC circuit is determined.
特許文献１に記載された従来技術では、その原理上、端子台の近傍、言い換えれば電圧センサの近傍でアークが発生し、電圧等が変動した場合に検出できるものである。しかしながら、特にメガソーラ等の大規模な太陽光発電システムでは、ケーブルが長距離にわたって敷設されているため、ケーブルの断線等に起因するアーク故障が様々な箇所で発生する場合がある。
このため、端子台より太陽電池パネル側のケーブル等で発生したアーク故障に関しては、端子台付近の電圧センサの設置位置における急激な電圧変動はほとんどなく、検出が困難である。
In the prior art described in Patent Document 1, in principle, an arc is generated in the vicinity of the terminal block, in other words, in the vicinity of the voltage sensor, and can be detected when the voltage or the like fluctuates. However, especially in a large-scale photovoltaic power generation system such as a mega solar, since the cables are laid over a long distance, arc failures due to disconnection of the cables may occur at various places.
For this reason, it is difficult to detect an arc failure that occurs in a cable or the like on the solar cell panel side from the terminal block because there is almost no sudden voltage fluctuation at the installation position of the voltage sensor near the terminal block.
また、特許文献２に記載された従来技術は、アーク発生時に発生する電圧の高周波成分に着目した検出方法であるが、主幹系統に接続された複数の分岐系統（ストリング）のうち、故障が発生した系統と健全な系統とを区別して検出するためには、逆流防止ダイオード付きの太陽光発電システムであることを必要とする。
しかしながら、近年における太陽光発電システムの世界的な主流では、逆流に対する安全策としてＰＶヒューズが使用されている。この種のシステムによると、特許文献２に記載の検出方法では故障系統と健全系統とを区別できないため、故障発生時にはシステム全体を停止する必要があると共に、故障点の特定や復旧に多くの時間や手間が必要であった。
すなわち、太陽光発電システムの構成によっては故障系統を判別することができず、太陽光発電を安定的に継続することが困難であった。
Further, the conventional technique described in
However, in the global mainstream of photovoltaic power generation systems in recent years, PV fuses are used as a safety measure against backflow. According to this type of system, since the detection method described in
That is, it was not possible to determine the faulty system depending on the configuration of the photovoltaic power generation system, and it was difficult to stably continue the photovoltaic power generation.
上記の点に鑑み、出願人は、特願２０１６−１６１００９号（以下、先願という）として、アーク故障が発生した分岐系統や主幹系統の特定を容易にし、故障箇所を切り離して健全系統からの電力供給を継続可能としたアーク故障検出システムを既に出願している。 In view of the above points, the applicant, as Japanese Patent Application No. 2016-161009 (hereinafter referred to as the prior application), facilitates the identification of the branch system or the main system in which the arc failure has occurred, and separates the failure location from the sound system. We have already applied for an arc failure detection system that enables continuous power supply.
この先願発明は、例えば図１７に示すように、交流電源系統１００、パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）１８、断路用開閉器１３、直流母線４０、電圧検出装置４１を有する主幹系統と、直流母線４０の正側母線Ｐと負側母線Ｎとの間に接続された分岐系統Ａ，Ｂと、を備えたシステムにおいて、分岐系統Ａ，Ｂは、太陽電池パネル１６，１７から直流母線４０に至る経路に流れる電流を検出する電流検出装置５，６をそれぞれ有し、これらの電流検出装置５，６による電流検出値の周波数スペクトルに基づいて、各分岐系統Ａ，Ｂにおける直列アーク故障を検出するものである。なお、分岐系統Ａ，Ｂにおいて、９，１０は断路用開閉器、１１，１２は短絡用開閉器である。
As shown in FIG. 17, for example, the prior invention includes a main system having an AC
ここで、直列アーク故障とは、単一の直流線路上で発生するアーク故障を言い、下記の並列アーク故障とは、正負の直流線路間で発生するアーク故障を言う。
すなわち、各分岐系統における並列アーク故障は、故障が発生した分岐系統の電流検出値が、他系統からの電流の流入によって特異な値になること、及び、直流母線４０の電圧検出値が大幅に低下すること等によって検出可能である。
Here, the series arc failure refers to an arc failure that occurs on a single DC line, and the following parallel arc failure refers to an arc failure that occurs between positive and negative DC lines.
That is, in the case of parallel arc failure in each branch system, the current detection value of the branch system in which the failure occurred becomes a peculiar value due to the inflow of current from another system, and the voltage detection value of the
また、主幹系統の直列アーク故障は、全ての分岐系統Ａ，Ｂにおける電流検出値にアーク故障特有の信号成分（交流成分または振動成分）が含まれることから検出され、主幹系統の並列アーク故障は、主幹系統の電圧検出値がアーク電圧相当値（数１０［Ｖ］）まで低下し、分岐系統における電流検出値は健全時と比較して変化がないことに基づいて検出される。 In addition, the series arc failure of the main system is detected because the current detection values in all the branch systems A and B include the signal component (AC component or vibration component) peculiar to the arc failure, and the parallel arc failure of the main system is detected. , The voltage detection value of the main system drops to the arc voltage equivalent value (several tens of [V]), and the current detection value in the branch system is detected based on the fact that there is no change as compared with the normal state.
さて、図１７の分岐系統Ａ，Ｂのように、直流母線４０から太陽電池パネル１６，１７に向かう電流を阻止するための逆流防止ダイオード（図示せず）を備えていない場合には、直列・並列アーク故障の検出、故障系統の特定が可能である。
しかし、分岐系統に上記の逆流防止ダイオードが設けられている場合には、ある分岐系統で並列アーク故障が発生しても他の健全系統から電流が流入せず、また、電圧の変動も検出できないため、並列アーク故障を検出することができないという問題があった。
国内の太陽光発電システムでは、通常、分岐系統と主幹系統とを接続する接続箱に逆流防止ダイオードが取り付けられており、このようなシステムにおいても分岐系統の直列・並列アーク故障を検出可能であることが求められている。
When the backflow prevention diode (not shown) for blocking the current from the
However, when the above-mentioned backflow prevention diode is provided in the branch system, even if a parallel arc failure occurs in one branch system, no current flows from another healthy system, and voltage fluctuation cannot be detected. Therefore, there is a problem that the parallel arc failure cannot be detected.
In domestic photovoltaic power generation systems, a backflow prevention diode is usually attached to the junction box that connects the branch system and the main system, and even in such a system, series / parallel arc failure of the branch system can be detected. Is required.
そこで、本発明の解決課題は、分岐系統にダイオード等の逆流防止素子が設けられている直流系統において、分岐系統または主幹系統における直列アーク故障及び並列アーク故障を確実に検出し、故障箇所を切り離して健全系統からの電力供給を継続可能としたアーク故障検出システムを提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to reliably detect a series arc failure and a parallel arc failure in the branch system or the main system in a DC system in which a backflow prevention element such as a diode is provided in the branch system, and disconnect the failure location. The purpose is to provide an arc failure detection system that enables continuous power supply from a healthy system.
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、主幹系統を構成する直流母線と、前記直流母線の正側母線と負側母線との間に接続された直流発電設備を有する一または複数の分岐系統と、を有し、
前記分岐系統に、前記正側母線から前記直流発電設備に向かう方向の電流を阻止するための逆流防止素子が接続されたシステムにおいて、
前記逆流防止素子の両端の電圧を検出する第１の電圧検出装置と、
前記直流発電設備と前記直流母線との間の正負の直流線路の線間電圧を検出する第２の電圧検出装置と、
前記直流線路を流れる電流の交流成分及び直流成分を検出する電流検出装置と、
を備え、
前記第２の電圧検出装置及び前記電流検出装置を、前記逆流防止素子と前記直流発電設備との間に配置すると共に、
各分岐系統に設けられた前記逆流防止素子より前記直流発電設備側に発生した並列アーク故障を、
当該分岐系統内の前記第１の電圧検出装置による電圧検出値の変化、または、当該分岐系統内の前記第１，第２の電圧検出装置による電圧検出値の変化及び前記電流検出装置による電流検出値の変化に基づいて検出することを特徴とする。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 has one or more DC power generation facilities connected between the DC bus constituting the main system and the positive and negative bus lines of the DC bus. With a branching system,
In a system in which a backflow prevention element for blocking a current in a direction from the positive bus to the DC power generation facility is connected to the branch system.
A first voltage detection device that detects the voltage across the backflow prevention element, and
A second voltage detection device that detects the line voltage of the positive and negative DC lines between the DC power generation facility and the DC bus, and
A current detector that detects the AC component and DC component of the current flowing through the DC line, and
With
The second voltage detection device and the current detection device are arranged between the backflow prevention element and the DC power generation facility, and are also arranged .
A parallel arc failure that occurred on the DC power generation facility side from the backflow prevention element provided in each branch system.
Changes in the voltage detection value by the first voltage detection device in the branch system, or changes in the voltage detection value by the first and second voltage detection devices in the branch system, and current detection by the current detection device. It is characterized in that it detects based on a change in value.
請求項２に係る発明は、請求項１に記載したアーク故障検出システムであって、前記分岐系統を複数備えたアーク故障検出システムにおいて、前記逆流防止素子より前記主幹系統側に発生した並列アーク故障を、複数の前記分岐系統内の前記第２の電圧検出装置による電圧検出値の変化、及び、前記電流検出装置による電流検出値の変化に基づいて検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項３に係る発明は、請求項１に記載したアーク故障検出システムであって、前記分岐系統を複数備えたアーク故障検出システムにおいて、前記主幹系統に発生した直列アーク故障を、複数の前記分岐系統内の前記電流検出装置により測定される電流の交流成分に基づいて検出することを特徴とする。
The invention according to
請求項４に係る発明は、請求項１に記載したアーク故障検出システムにおいて、各分岐系統に発生した直列アーク故障を、当該分岐系統に設けられた前記電流検出装置により測定される電流の交流成分に基づいて検出することを特徴とする。 Invention is measured Oite the arc fault detection system according to claim 1, a series arc fault occurs in each branch line, by the current detector provided in the branch system integration according to claim 4 It is characterized by detecting based on the AC component of the electric current.
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載したアーク故障検出システムにおいて、前記主幹系統に断路用開閉器を配置すると共に、前記分岐系統に、正負の直流線路の間を短絡するための短絡用開閉器と前記直流線路を断路するための断路用開閉器とを配置したことを特徴とする。
According to the invention of
請求項６に係る発明は、請求項５に記載したアーク故障検出システムにおいて、前記分岐系統に配置された断路用開閉器及び短絡用開閉器を、当該分岐系統における前記逆流防止素子と前記直流発電設備との間に配置したことを特徴とする。
Invention, the arc fault detection system according to
請求項７に係る発明は、請求項５または６に記載したアーク故障検出システムにおいて、前記分岐系統内に配置された断路用開閉器及び短絡用開閉器を、両開閉器の間でアークが発生しないように単一の筐体内に密接して配置することにより、一体型開閉器として構成したことを特徴とする。
In the invention according to
請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れか１項に記載されたアーク故障検出システムにおいて、前記直流母線が、パワーコンディショナシステムを介して交流電源系統に接続されることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、分岐系統に逆流防止素子がそれぞれ設けられた直流系統において、分岐系統または主幹系統における直列アーク故障及び並列アーク故障を確実に検出し、故障箇所を切り離して保護すると共に、健全系統からの電力供給を継続することができる。 According to the present invention, in a DC system in which a backflow prevention element is provided in each branch system, a series arc failure and a parallel arc failure in the branch system or the main system are reliably detected, the failure location is separated and protected, and soundness is achieved. The power supply from the grid can be continued.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るアーク故障検出システムの構成図である。図１において、図１７と同一の部分については同一の番号を付してあり、以下では図１７との相違点を中心に説明する。なお、直流母線４０に接続される分岐系統の数は、図示例に何ら限定されないのは言うまでもない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an arc failure detection system according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the same parts as those in FIG. 17 are assigned the same numbers, and the differences from FIG. 17 will be mainly described below. Needless to say, the number of branch systems connected to the
この実施形態の分岐系統Ａにおいて、正側母線Ｐ，負側母線Ｎと太陽電池パネル１６との間には、逆流防止ダイオード１、その両端電圧を検出する電圧検出装置３、一体型開閉器１４、正負の直流線路の線間電圧を検出する電圧検出装置７、及び、直流線路を流れる電流の交流成分，直流成分を検出する電流検出装置５が接続されている。なお、一体型開閉器１４は、断路用開閉器９及び短絡用開閉器１１が密着状態で接続されて単一の筐体に内蔵されているものであり、両方の開閉器９，１１の間の配線上または配線間で直列アーク、並列アークが発生しないように考慮されている。
In the branch system A of this embodiment, between the positive bus P, the negative bus N and the
他の分岐系統Ｂの構成も分岐系統Ａと同様であり、正側母線Ｐ，負側母線Ｎと太陽電池パネル１７との間に、逆流防止ダイオード２、電圧検出装置４、一体型開閉器１５、電圧検出装置８、及び電流検出装置６が接続されている。また、一体型開閉器１５は、断路用開閉器１０及び短絡用開閉器１２を備えている。
The configuration of the other branch system B is the same as that of the branch system A, and the
ここで、図２，図３は本実施形態の変形例であり、分岐系統Ａ，Ｂにおける電圧検出装置７，８、電流検出装置５，６、一体型開閉器１４，１５の位置が図１とは異なっている。しかし、図１〜図３の何れも同一の原理に基づいてアーク故障を検出可能であるため、以下では、図１の構成に基づいて動作を説明する。
Here, FIGS. 2 and 3 are modified examples of the present embodiment, and the positions of the
図１における主幹系統及び分岐系統Ａ内で発生し得る全ての直列・並列アークは、一体型開閉器１４内ではアークが発生し得ないことを考慮すると、図４に符号１９〜２７として示す９箇所で発生する可能性があり、これらのうち、アーク１９，２６は直列アーク、アーク２０〜２５，２７は並列アークに相当する。
ここで、直列アーク１９及び並列アーク２０〜２４は、どの分岐系統においても発生し得る故障ケースであるが、図４では分岐系統Ａで生じた場合を表している。なお、アーク１９〜２７の全てが同時に発生することはなく、通常はそれぞれ単独で発生するが、便宜上、図４には全てのアーク１９〜２７を記載してある。
Considering that all series / parallel arcs that can be generated in the main system and the branch system A in FIG. 1 cannot be generated in the
Here, the
以下では、並列アーク２０，２１，２３，２４の４つの故障ケースに対して、それぞれの検出方法、及び、故障個所を切り離す保護方法について説明する。
なお、主幹系統で発生する直列アーク２６に対しては、全ての分岐系統Ａ，Ｂの電流検出装置５，６による電流検出値にアーク故障特有の交流成分が含まれることから、この交流成分に基づいて検出可能である。
また、分岐系統Ａで発生する直列アーク１９については、当該分岐系統Ａの電流検出装置５による電流検出値に含まれるアーク故障特有の交流成分に基づいて検出可能である。
更に、主幹系統において発生する並列アーク２５，２７については、以下に述べる並列アーク２４と同様の方法により対応可能であるため、ここでは説明を省略する。
In the following, for each of the four failure cases of
For the
Further, the
Further, the parallel arcs 25 and 27 generated in the main system can be dealt with by the same method as the parallel arcs 24 described below, and thus the description thereof will be omitted here.
図５は、逆流防止ダイオード１のカソードから直流母線４０に至る領域で発生した並列アーク２４による電流特性を示している。なお、各開閉器の開閉状態は図５に示す通りである。
この並列アーク２４が発生すると、太陽電池パネル１６からの電流は、並列アーク２４を通って太陽電池パネル１６に戻る経路２８を流れる。一方、他の分岐系統Ｂの太陽電池パネル１７からの電流も、交流電源系統１００側には流れず、並列アーク２４を通る経路２９を流れる。上記の例に限らず、並列アーク２４が発生すると、全ての分岐系統内の太陽電池パネルからの電流が並列アーク２４に集中する。
FIG. 5 shows the current characteristics of the
When the
上記のような電流経路となる理由は、健全時に正側母線Ｐ及び負側母線Ｎの線間に生じていた数百［Ｖ］の電圧が、並列アーク２４によりアーク電圧相当の数十［Ｖ］まで低下することによってＰＣＳ１８が停止するためである。ＰＣＳ１８が停止すると、各太陽電池パネルから見て負荷が開放された状態になるので、全ての太陽電池パネルから流出した電流は、より低インピーダンスである並列アーク２４に集中することになり、図５に示すような電流特性となる。
The reason for the current path as described above is that the voltage of several hundred [V] generated between the positive bus P and the negative bus N at the time of soundness is several tens [V] equivalent to the arc voltage by the
詳細については省略するが、並列アーク２４だけでなく、図４における主幹系統側で並列アーク２５，２７が発生した場合も同様の電流特性となる。従って、全ての分岐系統内に、電流検出装置５，６に相当する電流検出装置をそれぞれ設けることにより、並列アークを通る図５の経路２８，２９を流れる電流を検出することができ、この電流には、アーク故障特有の信号である交流成分が重畳される。
Although details will be omitted, the same current characteristics will be obtained not only when the parallel arcs 24 are generated but also when the parallel arcs 25 and 27 are generated on the main system side in FIG. Therefore, by providing current detection devices corresponding to the
また、ＰＣＳ１８が停止した場合には、最大電力追従制御が機能せず、太陽電池パネルの出力電圧を一定に保持することができなくなる。このため、並列アーク故障による電圧低下が生じた際に、太陽電池パネルの発電電力の動作点に変化が生じる。この動作点の変化は、一般的な太陽電池パネルの電流・電圧特性を考慮すると、電圧低下に伴って電流が増加する傾向があるため、全ての電流検出装置により直流成分の増加が検出される。
Further, when the
また、図５の経路２８，２９からも明らかなように、並列アーク２４が発生した場合でも、逆流防止ダイオード１，２には健全時と同方向の電流が流れるため、逆流防止ダイオード１，２の各両端に接続された電圧検出装置３，４では、健全時と同様に１［Ｖ］程度の順方向電圧降下が測定される。これに対し、線間電圧を検出する電圧検出装置７，８では、並列アーク２４による電圧の低下（数百［Ｖ］〜数十［Ｖ］に低下）が検出される。
Further, as is clear from the
電流検出装置５，６により測定される電流交流成分の増加については、前述した先願発明により直列アーク故障として検出可能であるが、直列アークと並列アークとは検出後の保護方法が異なるために両者を区別して検出する必要がある。
すなわち、電流交流成分の増加に基づいて並列アークを検出する方法は適用できず、また、電圧検出装置３，４による測定波形に着目する場合には、並列アーク発生時と健全時とで変わらないため、並列アークの発生を検出することができない。
The increase in the current AC component measured by the
That is, the method of detecting the parallel arc based on the increase of the current AC component cannot be applied, and when focusing on the waveforms measured by the
一方、分岐系統Ａ，Ｂの線間にそれぞれ接続された電圧検出装置７，８では、故障時に大きな電圧低下が検出可能であるから故障検出方法の一つとなり得るが、このような電圧低下は急激な天候変化によって太陽電池パネル１６，１７の発電量が著しく低下した場合等を想定すると、並列アーク故障が発生していない健全時にも起こり得ると考えられる。
このため、電圧検出装置７，８による測定電圧の低下のみに着目して並列アーク故障を検出しようとすると、誤検出する可能性がある。
On the other hand, the
Therefore, if an attempt is made to detect a parallel arc failure by focusing only on the drop in the measured voltage by the
そこで、本実施形態では、電圧検出装置７，８により測定される電圧低下と、電流検出装置５，６により測定される電流の直流成分が増加し、かつ健全時と同一方向であることが検出された場合に、並列アーク故障が生じたものと判定する。
前述したように、太陽電池パネルの発電量が著しく低下した場合には、電圧だけでなく電流も大きく低下するはずである。従って、電圧検出装置７，８により測定される電圧低下と電流検出装置５，６により測定される直流成分の増加という二つの変化は、並列アーク故障時にのみ生じる現象として、健全時と明確に区別可能である。よって、これらの電圧及び電流の変化量に適当な閾値を設定し、線間電圧（電圧直流成分）が閾値を下回り、かつ電流直流成分が閾値を上回る状態が成立した場合に、並列アーク２４の発生を検出することができる。
前述したごとく、主幹系統側の並列アーク２５，２７についても同様の方法で検出可能である。
Therefore, in the present embodiment, it is detected that the voltage drop measured by the
As mentioned above, when the amount of power generated by the solar cell panel drops significantly, not only the voltage but also the current should drop significantly. Therefore, the two changes, the voltage drop measured by the
As described above, the parallel arcs 25 and 27 on the main system side can be detected by the same method.
ここで、図６は、並列アーク２４発生時の過渡現象を示す各検出装置の測定波形図である。
図６（ａ），（ｂ）は、それぞれ電流検出装置５，６による測定波形に含まれる電流交流成分、図６（ｃ），（ｄ）は同じく電流直流成分、図６（ｅ），（ｆ）は、それぞれ電圧検出装置７，８による測定波形に含まれる電圧直流成分、図６（ｇ），（ｈ）はそれぞれ電圧検出装置３，４による測定波形に含まれる電圧直流成分である。
並列アーク２４（並列アーク２５，２７についても同様）の発生を検出するためには、前述した検出原理に基づいて、図６（ｃ），（ｄ）により測定電流の直流成分が増加し、かつ健全時と同一方向であること、及び、図６（ｅ），（ｆ）により測定電圧の直流成分が低下したことを確認すれば良い。
Here, FIG. 6 is a measurement waveform diagram of each detection device showing a transient phenomenon when the
6 (a) and 6 (b) are current AC components included in the waveforms measured by the
In order to detect the occurrence of the parallel arc 24 (the same applies to the parallel arcs 25 and 27), the DC component of the measured current is increased according to FIGS. 6 (c) and 6 (d) based on the above-mentioned detection principle, and the DC component of the measured current is increased. It suffices to confirm that the direction is the same as that at the time of soundness and that the DC component of the measured voltage has decreased according to FIGS. 6 (e) and 6 (f).
次に、図７は、並列アーク２４を検出した後の保護動作を示す図である。
既に説明したように、並列アーク２４が発生した際の電流は図５の経路２８，２９を通るため、これらの経路の電流を遮断することによりアークを消弧することができる。すなわち、並列アーク２４を検出したら、図７に示すごとく、分岐系統Ａ，Ｂの断路用開閉器９，１０をオンからオフにする。これにより、並列アーク２４を介して流れていた太陽電池パネル１６，１７からの電流が遮断されて並列アーク２４が消弧するので、故障個所の切り離しと系統保護が可能となる。なお、図７において、３０は除去後の並列アークを示す。
Next, FIG. 7 is a diagram showing a protection operation after detecting the
As described above, since the current when the
次いで、図８は、分岐系統Ａにおいて、太陽電池パネル１６と電流検出装置５との間で並列アーク２０が発生したときの電流特性を示している。また、この並列アーク２０を通って流れる電流経路を符号３１にて示す。
Next, FIG. 8 shows the current characteristics when the
以下、並列アーク２０が発生した際に電流経路３１が生じる理由を説明する。
まず、健全時では、分岐系統Ａと主幹系統との線間電圧はほぼ同じであり、数百［Ｖ］である。このとき、逆流防止ダイオード１の両端には１［Ｖ］程度の順方向電圧Ｖｆが生じている。一方、図８に示す位置で並列アーク２０が発生すると、太陽電池パネル１６の線間電圧は数十［Ｖ］程度まで低下し、逆流防止ダイオード１がオフする。このとき、太陽電池パネル１６から見ると、並列アーク２０が最も低インピーダンスとなる。このため、並列アーク２０が発生した際の電流は、太陽電池パネル１６から流出して並列アーク２０を通り、太陽電池パネル１６へ戻る経路３１をたどることになる。
Hereinafter, the reason why the
First, in a healthy state, the line voltage between the branch system A and the main system is almost the same, which is several hundred [V]. At this time, a forward voltage V f of about 1 [V] is generated at both ends of the backflow prevention diode 1. On the other hand, when the
次に、図９は、並列アーク２０が発生した時の過渡現象を示す各検出装置の測定波形図である。
まず、図９（ｂ），（ｄ），（ｆ），（ｈ）に示すように、アークが生じていない分岐系統Ｂに設置された電流検出装置６及び電圧検出装置８では、健全時と同じ波形が測定される。これは、並列アーク２０が発生すると、逆流防止ダイオード１がオフするためである。
Next, FIG. 9 is a measurement waveform diagram of each detection device showing a transient phenomenon when the
First, as shown in FIGS. 9 (b), 9 (d), (f), and (h), the
一方、並列アーク２０が発生した分岐系統Ａにおける測定波形は、図９（ａ），（ｃ），（ｅ），（ｇ）のようになる。まず、図９（ａ）に示すように、電流検出装置５による交流成分の測定波形は健全時と同じになっているが、これは並列アーク２０を介した電流が電流検出装置５を通らないためアーク特有の交流信号成分が検出されないためである。
図９（ｃ）に示す電流検出装置５による直流成分の測定波形は、並列アーク２０により逆流防止ダイオード１がオフするためゼロとなる。図９（ｅ）に示すように、電圧検出装置７では、太陽電池パネル１６の線間電圧がアーク電圧相当の数十［Ｖ］まで低下する変化が測定される。また、図９（ｇ）に示すように、電圧検出装置３では、主幹電圧とアーク電圧との差分として逆方向電圧の増加が測定される。
On the other hand, the measurement waveforms in the branch system A in which the
The measurement waveform of the DC component by the
次いで、図９（ａ）〜（ｈ）の測定波形から、並列アーク２０を検出する方法について説明する。
まず、図９（ｃ）に示す電流直流成分のゼロへの減少と図９（ｅ）に示す電圧低下は、日射量の急激な変化等に起因して健全時でも生じ得るので、これらの測定波形に基づく確実な故障検出は望めない。また、図９（ａ）の電流交流成分についても、健全時との区別がつかないため故障検出に利用することができない。
Next, a method of detecting the
First, the reduction of the current / DC component shown in FIG. 9 (c) to zero and the voltage drop shown in FIG. 9 (e) can occur even in a healthy state due to a sudden change in the amount of solar radiation, etc. Reliable failure detection based on the waveform cannot be expected. Further, the current AC component shown in FIG. 9A cannot be used for failure detection because it cannot be distinguished from the normal state.
そこで、本実施形態では、逆流防止ダイオード１の両端電圧の変化（図９（ｇ）の測定波形）を故障検出に使用する。一般に、メガソーラ等の大規模な太陽光発電設備では健全時の主幹電圧が２００［Ｖ］以上あり、アーク電圧は５０［Ｖ］程度である。このため、並列アーク２０が発生した際の逆方向電圧の増加分は１５０［Ｖ］以上となり、健全時の電圧（１［Ｖ］程度）よりも十分大きい。従って、適当な閾値を設定し、この逆方向電圧の増加を検出することにより並列アーク２０の発生を検出することができる。
Therefore, in the present embodiment, the change in the voltage across the backflow prevention diode 1 (measured waveform in FIG. 9 (g)) is used for failure detection. Generally, in a large-scale photovoltaic power generation facility such as a mega solar, the main voltage at a healthy state is 200 [V] or more, and the arc voltage is about 50 [V]. Therefore, the increase in the reverse voltage when the
図１０は、並列アーク２０を検出した後の保護動作を示す図である。
並列アーク２０を除去するには、より低インピーダンスの電流経路を生成すれば良いため、図１０に示すように短絡用開閉器１１をオフからオンにして電流経路３３を形成する。更に、断路用開閉器９をオンからオフにすることにより、故障点を切り離して健全な分岐系統による運転を継続する。なお、図１０において、３２は除去後の並列アークを示す。
FIG. 10 is a diagram showing a protection operation after detecting the
In order to remove the
次に、分岐系統Ａにおける並列アーク２１の検出方法及び保護方法について説明する。
図１１において、３４は並列アーク２１が発生した場合の電流経路を示している。並列アーク２１により逆流防止ダイオード１がオフするため、並列アーク２１が発生した分岐系統Ａのみにおいて、故障に起因した信号が検出される。
以下、図１２（ａ）〜（ｈ）の測定波形を参照しつつ、並列アーク２１を検出する方法について説明する。
Next, a method for detecting and protecting the
In FIG. 11, 34 shows a current path when the
Hereinafter, a method of detecting the
図１２（ｃ）に示すように、電流検出装置５により測定される電流直流成分の増加は、既に述べたように太陽電池パネル１６の電流・電圧特性による動作点の変化に起因する。また、図１２（ａ）に示す電流交流成分の増加は、並列アーク２１による電流が電流検出装置５を流れることによる。
ここで、図１２（ｃ），（ｅ）は、前述したように並列アーク２４の検出時に用いた測定波形（図６（ｃ），（ｅ））と同一であるが、並列アーク２４と並列アーク２１とは保護動作が異なるため、これらを区別して検出する必要がある。
As shown in FIG. 12 (c), the increase in the current / DC component measured by the
Here, FIGS. 12 (c) and 12 (e) are the same as the measurement waveforms (FIGS. 6 (c) and 6 (e)) used when detecting the
そこで、本実施形態では、図１２（ｃ），（ｅ）に加えて、図１２（ｇ）の測定波形（電圧検出装置３による電圧直流成分の測定波形）も加味して並列アーク２１を検出するようにした。
Therefore, in the present embodiment, in addition to FIGS. 12 (c) and 12 (e), the
図１１に示した並列アーク２１の発生時には、図１２（ｇ）に示すように、逆方向電圧分の増加によって電圧検出装置３による測定電圧が１５０[Ｖ]以上になり、並列アーク２４の発生時における図６（ｇ）の測定波形とは明らかに相違する。
従って、電圧検出装置３による測定電圧に適当な閾値を設定しておき、図１２（ｇ）に示す電圧の増加が検出され、かつ、図１２（ｃ），（ｅ）の変化が検出された場合、つまり、図１２（ｃ），（ｅ），（ｇ）の測定波形がＡＮＤ条件で成立した場合に、並列アーク２１の発生を検出することができる。
When the
Therefore, an appropriate threshold value is set for the voltage measured by the
図１３は、並列アーク２１を検出した後の保護動作を示している。
並列アーク２１は、図１３に示すごとく、短絡用開閉器１１をオフからオンにして太陽電池パネル１６からの電流経路３３を形成することにより、除去可能である。なお、３５は除去後の並列アークを示している。
次に、断路用開閉器９をオンからオフにすれば、故障点の切り離し、及び、健全系統の保護並びに健全系統による運転継続が可能になる。
FIG. 13 shows a protection operation after detecting the
As shown in FIG. 13, the
Next, if the disconnecting
次いで、図１４は、分岐系統Ａにおいて並列アーク２３が発生したときの電流経路を示している。また、図１５は、この場合の過渡現象を示す各検出装置による測定波形図である。
並列アーク２３が発生すると電流経路３６が形成されると共に、図１５に示すように、故障が発生した系統以外の分岐系統（例えば分岐系統Ｂ）では、健全時と同じ波形が測定される。これらについては既に説明済みであるため詳述を省略する。
並列アーク２３の検出は、並列アーク２１と同様に、図１５（ｃ），（ｅ），（ｇ）の三つの測定波形が観測されたことにより、つまり、並列アーク２４と区別するために、図１５（ｃ），（ｅ），（ｇ）の三つの測定波形のＡＮＤ条件により行う。
Next, FIG. 14 shows the current path when the
When the
Similar to the
図１６は、並列アーク２３を検出した後の保護動作を示している。
図１４の経路３６から明らかなように、並列アーク２３の除去及び保護のためには断路用開閉器９のみをオフすれば良いが、本実施形態では並列アーク２１の発生時と同様の方法（図１３を参照）に統一する。つまり、図１６に示す如く、短絡用開閉器１１をオフからオンにすると共に、断路用開閉器９をオンからオフにして並列アーク２３を除去し、系統を保護する。なお、図１６において、３７は除去後の並列アークである。
FIG. 16 shows a protection operation after detecting the
As is clear from the
上述した並列アーク２３の除去方法及び保護方法を採用する理由は、以下の通りである。
まず、並列アーク２１及び並列アーク２３発生時の各検出装置の測定波形は全て同じであるため、測定波形に基づいて発生箇所が異なる並列アーク故障を判別して検出することができない。このため、並列アーク２１，２３の保護動作を何れかに統一する必要がある。
並列アーク２３については、前述したように断路用開閉器９をオンからオフにすれば、短絡用開閉器１１をオフのまま維持してもアークの除去は可能である。一方、並列アーク２１については、アークを除去するために短絡用開閉器１１をオフからオンにする動作が必須である。そこで、並列アーク２３の保護動作を並列アーク２１の発生時の保護動作に統一すれば、共通の保護動作により並列アーク２１，２３の両方の除去及び系統保護が可能となる。
The reason for adopting the above-mentioned
First, since the measurement waveforms of the
Regarding the
本発明は、太陽光発電システムを始めとして、直流発電設備及び逆流防止ダイオードを有する一または複数の分岐系統が主幹系統に接続されたシステムにおいて、分岐系統や主幹系統に発生した直列アーク故障や並列アーク故障を検出して保護動作を行う場合に適用可能である。 According to the present invention, in a system in which one or more branch systems having a DC power generation facility and a backflow prevention diode are connected to the main system, such as a photovoltaic power generation system, a series arc failure or parallel occurrence occurs in the branch system or the main system. It can be applied when detecting an arc failure and performing a protective operation.
１，２：逆流防止ダイオード
３，４，７，８：電圧検出装置
５，６：電流検出装置
９，１０，１３：断路用開閉器
１１，１２：短絡用開閉器
１４，１５：一体型開閉器
１６，１７：太陽電池パネル
１８：ＰＣＳ（パワーコンディショナ）
１９，２６：直列アーク
２０，２１，２２，２３，２４，２５，２７：並列アーク
２８，２９，３１，３３，３４，３６：電流経路
３０，３２，３５，３７：並列アーク（除去後）
４０：直流母線
１００：交流電源系統
Ｐ：正側母線
Ｎ：負側母線
1,2:
19, 26:
40: DC bus 100: AC power supply system P: Positive bus N: Negative bus
Claims (8)
前記分岐系統に、前記正側母線から前記直流発電設備に向かう方向の電流を阻止するための逆流防止素子が接続されたシステムにおいて、
前記逆流防止素子の両端の電圧を検出する第１の電圧検出装置と、
前記直流発電設備と前記直流母線との間の正負の直流線路の線間電圧を検出する第２の電圧検出装置と、
前記直流線路を流れる電流の交流成分及び直流成分を検出する電流検出装置と、
を備え、
前記第２の電圧検出装置及び前記電流検出装置を、前記逆流防止素子と前記直流発電設備との間に配置すると共に、
各分岐系統に設けられた前記逆流防止素子より前記直流発電設備側に発生した並列アーク故障を、
当該分岐系統内の前記第１の電圧検出装置による電圧検出値の変化、または、当該分岐系統内の前記第１，第２の電圧検出装置による電圧検出値の変化及び前記電流検出装置による電流検出値の変化に基づいて検出することを特徴とするアーク故障検出システム。 It has a DC bus constituting the main system and one or more branch systems having a DC power generation facility connected between the positive bus and the negative bus of the DC bus.
In a system in which a backflow prevention element for blocking a current in a direction from the positive bus to the DC power generation facility is connected to the branch system.
A first voltage detection device that detects the voltage across the backflow prevention element, and
A second voltage detection device that detects the line voltage of the positive and negative DC lines between the DC power generation facility and the DC bus, and
A current detector that detects the AC component and DC component of the current flowing through the DC line, and
With
The second voltage detection device and the current detection device are arranged between the backflow prevention element and the DC power generation facility, and are also arranged .
A parallel arc failure that occurred on the DC power generation facility side from the backflow prevention element provided in each branch system.
Changes in the voltage detection value by the first voltage detection device in the branch system, or changes in the voltage detection value by the first and second voltage detection devices in the branch system, and current detection by the current detection device. An arc failure detection system characterized by detecting based on a change in value.
前記逆流防止素子より前記主幹系統側に発生した並列アーク故障を、
複数の前記分岐系統内の前記第２の電圧検出装置による電圧検出値の変化、及び、前記電流検出装置による電流検出値の変化に基づいて検出することを特徴とするアーク故障検出システム。 The arc failure detection system according to claim 1, wherein the arc failure detection system is provided with a plurality of branch systems.
A parallel arc failure that occurred on the main system side of the backflow prevention element
An arc failure detection system characterized in that detection is performed based on a change in a voltage detection value by the second voltage detection device in the plurality of branch systems and a change in the current detection value by the current detection device.
前記主幹系統に発生した直列アーク故障を、複数の前記分岐系統内の前記電流検出装置により測定される電流の交流成分に基づいて検出することを特徴とするアーク故障検出システム。 The arc failure detection system according to claim 1 , wherein the arc failure detection system is provided with a plurality of branch systems.
An arc failure detection system characterized in that a series arc failure generated in the main system is detected based on an AC component of a current measured by the current detection devices in the plurality of branch systems.
各分岐系統に発生した直列アーク故障を、当該分岐系統に設けられた前記電流検出装置により測定される電流の交流成分に基づいて検出することを特徴とするアーク故障検出システム。 Oite the arc fault detection system according to claim 1,
An arc failure detection system characterized in that a series arc failure generated in each branch system is detected based on an AC component of a current measured by the current detection device provided in the branch system.
前記主幹系統に断路用開閉器を配置すると共に、前記分岐系統に、正負の直流線路の間を短絡するための短絡用開閉器と前記直流線路を断路するための断路用開閉器とを配置したことを特徴とするアーク故障検出システム。 In the arc failure detection system according to any one of claims 1 to 4.
A disconnecting switch is arranged in the main system, and a disconnecting switch for short-circuiting between positive and negative DC lines and a disconnecting switch for disconnecting the DC line are arranged in the branch system. An arc failure detection system characterized by this.
前記分岐系統に配置された断路用開閉器及び短絡用開閉器を、当該分岐系統における前記逆流防止素子と前記直流発電設備との間に配置したことを特徴とするアーク故障検出システム。 In the arc failure detection system according to claim 5,
An arc failure detection system characterized in that a disconnecting switch and a short-circuit switch arranged in the branch system are arranged between the backflow prevention element and the DC power generation facility in the branch system.
前記分岐系統内に配置された断路用開閉器及び短絡用開閉器を、両開閉器の間でアークが発生しないように単一の筐体内に密接して配置することにより、一体型開閉器として構成したことを特徴とするアーク故障検出システム。 In the arc failure detection system according to claim 5 or 6.
The disconnecting switch and the short-circuit switch arranged in the branch system are closely arranged in a single housing so that an arc is not generated between the two switches, thereby forming an integrated switch. An arc failure detection system characterized by being configured.
前記直流母線が、パワーコンディショナシステムを介して交流電源系統に接続されることを特徴とするアーク故障検出システム。 In the arc failure detection system according to any one of claims 1 to 7.
An arc failure detection system characterized in that the DC bus is connected to an AC power supply system via a power conditioner system.
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