JPWO2012120683A1 - 絶縁抵抗検知回路 - Google Patents

Abstract

ＣＰＵ４は、スイッチＳ１を開路した時に分圧電圧測定回路６が測定した電圧Ｖｍ２１（第１の測定電圧）および電流測定回路８が測定した電流Ｉｓｅｎｃｅ１（第１の地絡電流）から測定した第１の電流値と、スイッチＳ１を閉路した時に分圧電圧測定回路６が測定した電圧Ｖｍ２２（第２の測定電圧）および電流測定回路８が測定した電流Ｉｓｅｎｃｅ２（第２の地絡電流）から測定した第２の電流値とを用いて直流電源２の絶縁抵抗値を算出するが、前記第１および第２の電流値を測定する測定時間を決めるスイッチＳ１を開閉させる時間間隔を、電流測定回路８が測定した第１および第２の地絡電流の変化量に応じて可変設定する。

Description

本発明は、複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗検知回路に関するものである。

複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源としては、太陽電池や燃料電池などが知られている。そのような直流電源を用いて交流電力を発生するシステムは、直流電源と電力変換装置（パワーコンディショナー）とを組み合わせて構成されるので、安全性確保の観点からシステムとして満たすべき絶縁抵抗規格において、個々の構成要素が満たすべき絶縁抵抗値が定められている。

パワーコンディショナーとしては、変換した交流電力を、絶縁変圧器を介在させず、直接負荷へ供給する非絶縁型パワーコンディショナーが、安価に電力変換効率を向上できる特徴を有していることから、広く利用されている。この非絶縁型パワーコンディショナーを用いるシステムでは、電力発生側と負荷側との間に絶縁手段である絶縁変圧器がないので、非絶縁型パワーコンディショナーにおいて、入力直流電源での絶縁抵抗劣化が負荷に影響を与えないようにする措置を講ずることが要求されている。以下、理解を容易にするため、太陽光発電システムを例に挙げて説明する。

太陽光発電システムで使用される太陽電池は、複数の太陽電池モジュールを直並列に接続して構成される。個々の太陽電池モジュールの対地絶縁抵抗値は、非常に高抵抗（例えば１０００ＭΩ）であるが、その太陽電池モジュールが例えば１００枚直並列接続された場合の対地絶縁抵抗値は１０ＭΩに低下する。太陽電池モジュールの漏れ電流は面積に比例するので、太陽電池モジュールの個数を大幅に増やして大容量化した太陽電池の総合絶縁抵抗は大きく低下する。そのため、大容量化した太陽光発電システムでは、正常な太陽電池モジュールであっても、総合絶縁抵抗が低下し、太陽光発電システムに要求される絶縁抵抗規格と正常な太陽電池モジュール群の絶縁抵抗との差が少なくなり、問題になっている。しかし、個々の太陽電池モジュールの絶縁抵抗を更に高抵抗化することは高価となるので、対応が困難である。

そのため、太陽光発電システムでは、配電系統への系統連系機器として使用される非絶縁型パワーコンディショナーにおいて、変換した交流電力を配電系統へ連系する前に、直流電源である太陽電池の絶縁抵抗がシステムとして要求される所定値以上であるか否かを自己診断する機能を備える必要がある。

本発明が対象とする絶縁抵抗検知回路は、複数の電源ユニットが直並列に接続されて構成される直流電源を変換対象とする非絶縁型パワーコンディショナーにおいて、上記した自己診断を実行する際に、該直流電源の絶縁抵抗を測定する回路である。複数の電源ユニットが直並列に接続されている直流電源においては、地絡する箇所は任意の電圧点で生ずるので、絶縁抵抗検知回路に対しては、地絡する電圧点に関わらず地絡抵抗を測定できることが要求される。

この地絡抵抗を測定する方法としては、例えば特許文献１に提案されている方法が参考になる。すなわち、特許文献１では、不明点を補足すれば、地絡抵抗測定での未知数は、絶縁抵抗が劣化した地絡電圧点と絶縁抵抗値との２つであることから、絶縁抵抗測定電圧を２電圧で測定し、地絡抵抗の未知数を求める構成例が提案されていると言える。

国際公開第２００４／０９３２８４号

絶縁抵抗検知回路は、地絡する電圧点に関わらず地絡抵抗を測定することを目的としているが、その測定精度を確保し高めるためには、測定時間の定め方と、回路構成の工夫との両面から検討する必要がある。この測定時間の定め方については、特許文献１では示されていない。

まず、特許文献１では配慮されていないが、太陽電池モジュールは、モジュールフレームを一般には大地にアースするので、大地アースに対し太陽電池電源は浮遊容量が生じている。また、その対地浮遊容量が降雨時においては、太陽電池表面の水膜が導電性の大地電極化する事により大きく増加する。その結果として太陽電池の対地総合容量値は、接続する太陽電池モジュールの枚数や降雨により大きく増加することになる。したがって、太陽電池の絶縁抵抗を正確に測定するには、対地浮遊容量への最大充電時間を考慮した測定時間を設定する必要がある。

また、太陽電池においては、一般的な起動となるのは、日の出の時間帯であるが、その日の出の時間帯においては発生電圧が大きく変化することから、発生電圧が安定するまでの待ち時間が必要となる。

従来では、正確な測定を行うために、測定時間を長めに設定していたので、晴天での正常運転において、太陽電池の発生電圧が連系可能な電圧に達していても、速やかに系統連系することができず、発電システムとしての発電効率の低下を招来していた。

一方、測定回路は、特許文献１に示されるように、直流電源の出力電圧の中間電位を分圧生成する分圧回路（分圧出力端は回路グランドに接続されている）の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させ、分圧比が第１の値のときに分圧回路の分圧出力端から大地アースに流れる第１の電流と、分圧比が第２の値のときに分圧回路の分圧出力端から大地アースに流れる第２の電流とを取り込み地絡抵抗を測定するように構成される。

この測定回路では、次のような問題がある。まず、分圧回路と並列に漏れ電流の温度変化や経年変化の部品（例えばアルミ電解コンデンサなど）が配置されていると、分圧回路の等価インピーダンスとしての分圧比精度が低下し、連係可否を決める判定レベルの精度が低下する。また、分圧比の切り替えは、ＦＥＴなどの半導体スイッチを用いて行うが、この半導体スイッチの部分での漏れ電流も判定レベルの精度を低下させる要因となる。

この場合、判定レベルを法規制により要求される絶縁抵抗値を満足するように判定精度低下分を加算した判定規格に設定すると、太陽電池モジュールに要求される絶縁抵抗値が増加するので、高価な太陽電池モジュールが必要となり大容量化が困難となる。また、分圧抵抗器を低抵抗化すれば測定精度の向上が図れるが、特許文献１に示される構成では、分圧抵抗器の消費電力上昇や抵抗発熱の問題があり、精度向上の手段として容易に用いることができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源の絶縁抵抗を、該直流電源の対地浮遊容量の変化や該直流電源の出力電圧の変化、絶縁抵抗測定系素子のバラツキや漏れ電流等の変化に対し、容易に対応して正確に測定することができる絶縁抵抗検知回路を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源の出力電圧の中間電位を分圧生成する分圧回路であって該中間電位生成端が回路グランドに接続される分圧回路と、前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させるための分圧比変化手段と、前記分圧回路の中間電位生成端から出力される電圧を測定する分圧電圧測定手段と、大地に接続されるアース端子から前記分圧回路の中間電位生成端に至る経路に配置される地絡保護用抵抗器を流れる地絡電流を測定する電流測定手段と、前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値に設定させたときに前記電流測定手段が測定した第１の地絡電流から測定した第１の電流値および前記分圧電圧測定手段が測定した前記中間電位生成端から出力される第１の測定電圧と、前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第２の値に設定させたときに前記電流測定手段が測定した第２の地絡電流から測定した第２の電流値および前記分圧電圧測定手段が測定した前記中間電位生成端から出力される第２の測定電圧とを用いて前記直流電源の絶縁抵抗値である前記アース端子と前記直流電源内の地絡電圧点との間に形成される地絡抵抗成分の値を算出する絶縁抵抗算出制御手段とを備え、前記絶縁抵抗算出制御手段は、前記第１および第２の電流値を測定する測定時間である前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させる時間間隔を、前記電流測定手段が測定した第１および第２の地絡電流の変化量に応じて可変設定することを特徴とする。

本発明によれば、地絡電流の変化量に応じて測定時間を可変設定する構成とするとともに、分圧回路の分圧比のバラツキによる測定誤差を含まないように絶縁抵抗値を算出できる構成としたので、複数の電源ユニットを直並列接続して構成される太陽電池等の直流電源の設置面積や降雨時等による対地浮遊容量の変化や、該直流電源の出力電圧の変化、絶縁抵抗測定系素子のバラツキや漏れ電流等の変化に対し、容易に対応して精度よく絶縁抵抗を測定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の一実施例による絶縁抵抗検知回路の構成を示す概念回路図である。 図２は、図１に示す絶縁抵抗検知回路に対地浮遊容量等を追加した回路図である。 図３は、図１に示す絶縁抵抗検知回路の具体的な回路図である。 図４は、飽和時点測定で用いる対地浮遊容量による測定電流変化の測定例を示す波形図である。 図５は、測定電流が安定した飽和時点での分圧電圧測定回路が測定した電圧を用いて絶縁抵抗の測定算出を行う場合の手順を説明する絶縁抵抗測定系の等価回路図であり、（Ａ）はスイッチＳ１が開路している場合を示し、（Ｂ）はスイッチＳ１が閉路している場合を示す。

以下に、本発明にかかる絶縁抵抗検知回路の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例による絶縁抵抗検知回路の構成を示す概念回路図である。図２は、図１に示す絶縁抵抗検知回路に対地浮遊容量等を追加した回路図である。図３は、図１に示す絶縁抵抗検知回路の具体的な構成例を示す回路図である。

図１において、絶縁抵抗検知回路１は、直流電源２の正極端（＋）と負極端（−）との間に並列に接続された、電源電圧測定回路３と、分圧用抵抗器Ｒ１，Ｒ２による分圧回路とを備えている。分圧用抵抗器Ｒ１，Ｒ２の共通接続端５は、直流電源２の出力電圧の中間電位を分圧生成する中間電位生成端であり、回路グランドＧＮＤに接続されている。

そして、図１では、直流電源２の正極端（＋）と共通接続端５との間に、つまり分圧用抵抗器Ｒ１に並列に，電圧変更用抵抗器Ｒ３とスイッチＳ１との直列回路が接続されている。スイッチＳ１は、制御回路（ＣＰＵ）４により開閉制御される。これによって、分圧回路の分圧比が、スイッチＳ１が開路している時と閉路している時とで異なる値となる。すなわち、電圧変更用抵抗器Ｒ３とスイッチＳ１の直列回路は、分圧回路の分圧比を変化させる分圧比変化手段を構成している。

スイッチＳ１が開路している時の分圧比を第１の値とし、閉路している時の分圧比を第２の値とすれば、共通接続端５の電位は、スイッチＳ１が開路している時の電位（直流電源２の第１の電位）とスイッチＳ１が閉路している時の電位（直流電源２の第２の電位）との間で変化する。電源電圧測定回路３は、直流電源２の出力電圧値を変換し電圧Ｖｍ１としてＣＰＵ４へ出力する。

また、直流電源２の負極端（−）と共通接続端５との間に、つまり分圧用抵抗器Ｒ２に並列に、分圧電圧測定回路６が設けられている。分圧電圧測定回路６は、分圧回路の共通接続端５から出力される電圧を測定し電圧Ｖｍ２としてＣＰＵ４へ出力する。

大地Ｅａｒｔｈに接続されるアース端子７と共通接続端５との間に、地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅ、電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅ、零点調整用抵抗器Ｒｂｉａｓがこの順に挿入されている。地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅは、電子回路と大地Ｅａｒｔｈとの間に要求される絶縁性能を確保するためのもので、一般に１０ＭΩ程度の高抵抗に設定される。

電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅは、当該絶縁抵抗検知回路１からアース端子７を介して大地Ｅａｒｔｈに向かって流れる電流（つまり、地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅを流れる地絡電流）を電圧変換する。電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅの両端電圧は、演算増幅器ＡＭＰにて増幅され、測定電流ＩｓｅｎｃｅとしてＣＰＵ４に入力される。抵抗器Ｒｂｉａｓおよび並列に接続される基準電源Ｖｂｉａｓは、演算増幅器ＡＭＰにおいて電流測定用の零点を調節するために設けられている。すなわち、演算増幅器ＡＭＰ、電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅ、零点調整用抵抗器Ｒｂｉａｓおよび基準電源Ｖｂｉａｓの全体は、電流測定回路８を構成している。

直流電源２は、複数の電源ユニットを直並列接続して構成される。図１では、その一例として太陽電池を示してある。太陽電池は、複数の太陽電池モジュールＶｙ１，Ｖｙ２、Ｖｘの直列接続体である。図１では、地絡が生じた地絡電圧点９とアース端子７との間を流れる地絡電流の経路に地絡抵抗成分Ｒｘが生成され、太陽電池モジュールＶｘの出力電圧Ｖｘが地絡電圧Ｖｘとなるとしている。

次に、図２では、図１に示した構成において、電流測定回路８を簡潔に示してあるが、直流電源（太陽電池）２の対地浮遊容量Ｃｘ，Ｃｙが追加され、また、回路の雑音防止コンデンサＣｅｍｃが追加されている。対地浮遊容量Ｃｘ，Ｃｙや雑音防止コンデンサＣｅｍｃの静電容量は非常に大きい。

次に、図３では、電圧測定回路３，６が負帰還増幅器構成の演算増幅器ＯＰ３，ＯＰ４で構成でき、スイッチＳ１がトランジスタで構成できることが示され、電流測定回路８の具体的な構成例が示されている。また、直流電源（太陽電池）２は、太陽電池モジュールＶｙ１，Ｖｙ２が太陽電池モジュールＶｙとまとめられ、太陽電池モジュールＶｘと太陽電池モジュールＶｙとの間の地絡電圧点９で地絡が生じたとしている。

演算増幅器ＯＰ３は、絶縁抵抗測定中の直流電源（太陽電池）２の出力電圧を電圧Ｖｍ１としてＣＰＵ４へ出力する。演算増幅器ＯＰ４は、絶縁抵抗測定中の分圧回路の分圧出力電圧を電圧Ｖｍ２としてＣＰＵ４へ出力する。

電流測定回路８では、電流測定用の演算増幅器ＡＭＰが電圧フォロワ構成の演算増幅器ＯＰ１と負帰還増幅器構成の演算増幅器ＯＰ２とにより構成され、零点調整用抵抗器Ｒｂｉａｓが抵抗器ＲＢ１〜ＲＢ４により構成され、それらに基準電源Ｖｂｉａｓが接続されている。

以下、地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅを流れる電流Ｉｓｅｎｃｅを測定して直流電源２の絶縁抵抗である地絡抵抗成分Ｒｘを測定算出する方法について説明する。ここでは、２つの算出方法を示す。なお、式の導出で用いる「値」には、各要素の識別符号を用いる。

図１において、直流電源２の出力電圧（Ｖｘ＋Ｖｙ１＋Ｖｙ２）は、当該絶縁抵抗検知回路１の入力直流電圧である。直流電源２の出力電圧は、電圧Ｖｍ１として電源電圧測定回路３にて測定されＣＰＵ４へ入力される。また、地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅを流れる電流Ｉｓｅｎｃｅは、電流測定回路８にて測定されＣＰＵ４へ入力される。さらに、分圧回路の共通接続端５から出力される電圧は、分圧電圧測定回路６にて測定され電圧Ｖｍ２としてＣＰＵ４に入力される。

ＣＰＵ４は、スイッチＳ１を開路した時および閉路した時に入力される電圧Ｖｍ１，Ｖｍ２および電流Ｉｓｅｎｃｅをそれぞれサンプリングしてデジタル化し、それらに基づき地絡抵抗値Ｒｘおよび地絡電圧Ｖｘを算出する。スイッチＳ１を開閉する時間間隔が測定時間である。なお、電流測定回路８のインピーダンスは、地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅの抵抗値Ｒｓａｆｅよりも極めて小さいので、地絡抵抗値Ｒｘの算出においては、無視できる値となる。

＜第１の算出方法＞
まず、図１と図２を参照して、電圧Ｖｍ１と電流Ｉｓｅｎｃｅとを用いて地絡抵抗値Ｒｘおよび地絡電圧Ｖｘを算出する場合について説明する。スイッチＳ１を開路して電圧変更用抵抗器Ｒ３を開放した時の電流Ｉｓｅｎｃｅ１は、式（１）で示される。
Ｉｓｅｎｃｅ１＝（Ｖｍ１−Ｖｘ）
／｛Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）｝ …（１）

また、スイッチＳ１を閉路して電圧変更用抵抗器Ｒ３を分圧用抵抗器Ｒ１に並列接続した時の電流Ｉｓｅｎｃｅ２は、同様に式（２）で示される。
Ｉｓｅｎｃｅ２＝（Ｖｍ１−Ｖｘ）
／｛Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒ１×Ｒ２×Ｒ３／（Ｒ１Ｒ３＋Ｒ１Ｒ２＋Ｒ２Ｒ３）｝ …（２）

式（１）における固定値「Ｒｓａｆｅ＋Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）」をＣ１とし、式（２）における固定値「Ｒ１×Ｒ２×Ｒ３／（Ｒ１Ｒ３＋Ｒ１Ｒ２＋Ｒ２Ｒ３）」をＣ２とすると、式（１）、式（２）は、
Ｉｓｅｎｃｅ１＝（Ｖｍ−Ｖｘ）／（Ｒｘ＋Ｃ１） …（３）
Ｉｓｅｎｃｅ２＝（Ｖｍ−Ｖｘ）／（Ｒｘ＋Ｃ２） …（４）
となる。

式（３）、式（４）から、
Ｉｓｅｎｃｅ１×（Ｒｘ＋Ｃ１）＝Ｉｓｅｎｃｅ２×（Ｒｘ＋Ｃ２） …（５）
であるので、地絡抵抗値Ｒｘは、
Ｒｘ＝（Ｉｓｅｎｃｅ２×Ｃ２−Ｉｓｅｎｃｅ１×Ｃ１）
／（Ｉｓｅｎｃｅ１−Ｉｓｅｎｃｅ２） …（６）
と求められる。

すなわち、ＣＰＵ４は、スイッチＳ１を所定の時間間隔で開閉し、電流測定回路８から入力される、スイッチＳ１を開路した時の電流Ｉｓｅｎｃｅ１と、スイッチＳ１を閉路した時の電流Ｉｓｅｎｃｅ２とをそれぞれ測定して取り込み、式（６）に適用して地絡抵抗値Ｒｘを求め、求めた地絡抵抗値Ｒｘと絶縁抵抗規格に対して定められた絶縁抵抗判定レベルとを比較する。これによって、直流電源出力電圧および地絡電位に関わらずに絶縁抵抗の良否を判定することが可能となる。

ここで、地絡抵抗値Ｒｘの測定では、ＣＰＵ４が入力される電流Ｉｓｅｎｃｅを測定する精度の影響を受ける。実際には図２に示すように、対地浮遊容量Ｃｙ，Ｃｘや回路の雑音防止コンデンサＣｅｍｃが存在し、高抵抗の地絡保護用抵抗器Ｒｓａｆｅが存在するので、電流Ｉｓｅｎｃｅは充放電電流として測定される。つまり、充電が飽和する前の電流Ｉｓｅｎｃｅの値を測定したのでは、地絡抵抗値Ｒｘの測定精度はよくない。

しかし、対地浮遊容量Ｃｙ，Ｃｘは、一定値ではなく、晴天時や降雨時などによって異なる。また、太陽電池の絶縁抵抗は、一定値ではなく、太陽電池の規模によって異なる。そこで、ＣＰＵ４は、スイッチＳ１を開閉する時間間隔、つまり電流Ｉｓｅｎｃｅの値を確定して取り込む測定時間を一定の固定時間とするのではなく、電流Ｉｓｅｎｃｅの変化量に応じて測定時間を可変するようになっている。

上記した第１の算出方法でも、太陽電池モジュールの浮遊容量成分による測定誤差を少なくできるので、一応地絡抵抗値Ｒｘの測定精度を向上させ得るが、分圧回路が分圧生成する電圧Ｖｍ１のバラツキによる測定誤差が考慮されていない。すなわち、さらに、分圧回路の分圧比の精度に影響を与える部品（分圧用抵抗器Ｒ１，Ｒ２、電圧変更用抵抗器Ｒ３、スイッチＳ１、周辺に配置される図示しないアルミ電解コンデンサなど）での値のバラツキ、漏れ電流の温度変化や経年変化によって生ずる電圧Ｖｍ１のバラツキによる測定誤差を含まないように絶縁抵抗値を算出できることが必要である。以下、この問題を解決できる第２の算出方法を説明する。

＜第２の算出方法＞
第２の算出方法では、ＣＰＵ４は、入力される電流Ｉｓｅｎｃｅの変化量を測定し、電流変化が安定した時点（飽和したと見なせる時点）にて電流値を確定し、その確定時点において入力される電圧Ｖｍ２を測定し、地絡抵抗値Ｒｘを算出する。この第２の算出方法によれば、電圧Ｖｍ１のバラツキに影響されず、正確な地絡抵抗値Ｒｘを測定算出することができる。スイッチＳ１の開閉時間間隔（測定時間）は、充電待機時間となるので、最適な測定時間を設定することができる。飽和時間測定となるので、入力される電流Ｉｓｅｎｃｅの変化波形は例えば図４に示すようになる。図４では、縦軸を電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅによる変換電圧で示してあるが、スイッチＳ１を６秒の間隔で開閉した場合の対地浮遊容量による測定電流変化の測定例が示されている。

この第２の算出方法によれば、最適な測定時間を設定できるので測定精度が高くなる。測定精度が向上することにより、パワーコンディショナーに用意する絶縁抵抗判定レベルは、必要とされる規格値に余裕をとる必要性がなくなる。したがって、太陽電池面積が増加した場合において生じる総合絶縁抵抗値の低下に対し、より安定な動作が可能となる。また、電流Ｉｓｅｎｃｅが安定した飽和時点を監視するので、雨天等において太陽電池の対地容量が増加した場合においても、自動的に測定時間が延長され、誤判定を防ぐことが可能となる。

図５を参照して、第２の算出方法（分圧電圧測定回路６が測定した電圧Ｖｍ２を用いて算出する方法）を説明する。図５は、測定電流が安定した飽和時点での分圧電圧測定回路が測定した電圧を用いて絶縁抵抗の測定算出を行う場合の手順を説明する絶縁抵抗測定系の等価回路図であり、（Ａ）はスイッチＳ１が開路している場合を示し、（Ｂ）はスイッチＳ１が閉路している場合を示す。

図５において、分圧電圧測定回路６は、分圧回路の共通接続端５から出力される分圧発生電圧Ｖｓを抵抗器Ｒｓを通して測定する。分圧発生電圧Ｖｓは、スイッチＳ１が開路している場合は値Ｖｓ１であり、スイッチＳ１が閉路している場合は値Ｖｓ２である。また、抵抗器Ｒｓの抵抗値は、スイッチＳ１が開路している場合は値Ｒｓ１であり、スイッチＳ１が閉路している場合は値Ｒｓ２である。分圧電圧測定回路６が測定する電圧Ｖｍ２は、スイッチＳ１が開路している場合は値Ｖｍ２１であり、スイッチＳ１が閉路している場合は値Ｖｍ２２である。抵抗器Ｒａｍｐは、図１に示す電流測定回路８における電圧変換用抵抗器Ｒｓｅｎｃｅと抵抗器Ｒｂｉａｓとの合成抵抗値を有する。また、直流電源２は、正極端（＋）と負極端（−）とが接続された構成になる。

さて、図５（Ａ）から、スイッチＳ１が閉路している場合の電流Ｉｓｅｎｃｅ１は、
Ｉｓｅｎｃｅ１＝（Ｖｍ２１−Ｖｘ）／（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ） …（７）
と表されるから、
Ｖｍ２１−Ｖｘ＝Ｉｓｅｎｃｅ１×（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ） …（８）
と求まり、地絡電圧Ｒｘは、
Ｒｘ＝Ｖｍ２１−Ｉｓｅｎｃｅ１×（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ） …（９）
となる。

同様に、図５（Ｂ）から、スイッチＳ１が閉路している場合の地絡電圧Ｒｘは、
Ｒｘ＝Ｖｍ２２−Ｉｓｅｎｃｅ２×（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ） …（１０）
と求まる。

式（９）＝式（１０）から、
Ｖｍ２１−Ｉｓｅｎｃｅ１×（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ）
＝Ｖｍ２２−Ｉｓｅｎｃｅ２×（Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ） …（１１）
となり、式（１１）から、
Ｒｘ＋Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐ
＝（Ｖｍ２１−Ｖｍ２２）／（Ｉｓｅｎｃｅ１−Ｉｓｅｎｃｅ２）
＝ΔＶｍ２／ΔＩｓｅｎｃｅ …（１２）
が導出される。式（１２）において、Ｒｓａｆｅ＋Ｒａｍｐは、回路定数であるから、地絡抵抗値Ｒｘは計算できる。

地絡抵抗値Ｒｘを求める式（１２）においては測定電圧Ｖｍ２１と測定電圧Ｖｍ２２との差分が主要なパラメータであることから、測定電圧Ｖｍ２１，Ｖｍ２２の差分を測定する構成とすることにより電流測定回路８で使用される増幅回路のオフセット誤差を軽減することができる。すなわち、より精度の高い絶縁抵抗検知が実現できる。

この第２の算出方法は、具体的には、次のように測定を複数回行う方法が可能である。各回において手順は同じであるが、スイッチＳ１を開路させたときに入力される電流Ｉｓｅｎｃｅ１のピーク電流を記憶し継続して電流値を測定し、電流の変化率が所定以下に達した時点（飽和したと見なせる時点）での電流値を記憶し、同時にその時の測定電圧Ｖｍ２１を記憶する。続いて、スイッチＳ１を閉路させ、スイッチＳ１開路時と同じ飽和待機時間において電流Ｉｓｅｎｃｅ２のピーク電流を記憶し継続して電流値を測定し、同じ経過時間での電流値および測定電圧Ｖｍ２２を記憶する。この測定によって絶縁抵抗検知（算出）を実施する。パワーコンディショナーでは、検知結果に基づき絶縁抵抗の良否判定を実施する。

この１回目で用いる変化率は、絶縁抵抗検知を最短で判定できるようにするため、晴天時における静電容量並びに正常な絶縁抵抗値ならば高確度で合格するレベルに設定する。安定した時点（飽和したとみなせる時点）での電流値および測定電圧は式（１２）に適用し、絶縁抵抗値の合否判定に用いるが、電流Ｉｓｅｎｃｅ１のピーク電流と電流Ｉｓｅｎｃｅ２のピーク電流との差分が所定値以上でない場合は、当該絶縁抵抗検知回路１の故障と判断し、故障処理モードへ移行する。

上記の１回目の判定にて絶縁抵抗値合格並びに絶縁抵抗検知回路１が正常であれば、パワーコンディショナーは系統連系を行って変換した交流電力を配電系統へ送出することを開始する。一方、絶縁抵抗値不合格時においては、直ちに絶縁抵抗不良とは判定せずに、再度、２回目の絶縁抵抗検知測定へ移行する。２回目の測定では、電流変化率の判定値を１回目測定よりも小さい値とし、システム仕様での最大設置太陽電池モジュール枚数に加えて、雨天時の浮遊容量においてもシステム要求の絶縁抵抗値以上であれば合格する電流変化率に設定する。なお、測定中に入力電圧Ｖｍ２が変化した場合には、予め測定誤差として許容レベル内であるか否の電圧変動判定値をシミュレーション結果等にて用意しておけば、電圧変動が所定値以下に収まるまで、絶縁抵抗検知を繰り返すこともできる。

なお、第２の算出方法は、電流Ｉｓｅｎｃｅが安定する飽和時点に限定されるものではない。電流Ｉｓｅｎｃｅ１の変化量が安定する前にスイッチＳ１を反転し、電流Ｉｓｅｎｃｅ２も同様に測定した場合は、対地容量への充電電流が加算されるので、地絡電流は大きくなり、推定する絶縁抵抗値は実際よりも小さくなる。しかし、正常な状態の直流電源（太陽電池）２においては、絶縁抵抗判定レベルに対して余裕があるので、地絡抵抗を判定する場合において、短時間にスイッチＳ１を反転させた場合でも、絶縁抵抗値が判定規格を満足していれば、要求する絶縁抵抗値を保証できる。

すなわち、スイッチＳ１の開閉周期を充電電流が変化している状態時間内に設定しても測定結果が要求規格以上の絶縁抵抗であればよいので、正確な絶縁抵抗を測定せずとも最短時間にて系統連係が可能となる。なお、この場合において、異常と判定した場合においては、順次判定時間を延長する方法へ移行するなどを行えばよい。

以上のように、この実施例によれば、地絡電流の変化量に応じて測定時間を可変設定する構成とするとともに、分圧回路の分圧比のバラツキによる測定誤差を含まないように絶縁抵抗値を算出できる構成としたので、複数の電源ユニットを直並列接続して構成される太陽電池等の直流電源の設置面積や降雨時等によう対地浮遊容量の変化や、該直流電源の出力電圧の変化、絶縁抵抗測定系素子のバラツキや漏れ電流等の変化に対し、容易に対応して精度よく絶縁抵抗を測定することができる。

絶縁性能が正常な場合は、自動的に測定時間が短くなるので、発生電力の利用を短時間に開始することが可能となる。

また、太陽電池を例に挙げて説明すれば、設置面積の増加などで、該太陽電池の電源容量が大きい場合は、各太陽電池パネルが正常にも関わらず総合漏れ電流は増加するので、正確な絶縁抵抗測定が必要となる。この場合、この実施例によれば、自動的に長時間測定での高精度測定を実施することができるので、最適な測定時間を得ることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる絶縁抵抗検知回路は、複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源の絶縁抵抗を、該直流電源の対地浮遊容量の変化や該直流電源の出力電圧の変化、絶縁抵抗測定系素子のバラツキや漏れ電流等の変化に容易に対応して正確に測定することができる絶縁抵抗検知回路として有用であり、特に太陽光発電システムでの非絶縁型パワーコンディショナーに装備する絶縁抵抗検知回路として好適である。

１ 絶縁抵抗検知回路
２ 直流電源（太陽電池）
３ 電源電圧測定回路
４ 制御回路（ＣＰＵ）
５ 分圧回路を構成する分圧用抵抗器Ｒ１，Ｒ２の共通接続端（中間電位生成端）
６ 分圧電圧測定回路
７ 大地に接続されるアース端子
８ 電流測定回路
９ 地絡電圧点
Ｖｘ，Ｖｙ（Ｖｙ１，Ｖｙ２） 太陽電池モジュール
Ｒｘ 地絡抵抗成分
Ｒ３ 電圧変更用抵抗器
Ｓ１ スイッチ
ＯＰ３ 電源電圧測定回路を構成する演算増幅器
ＯＰ４ 分圧電圧測定回路を構成する演算増幅器
Ｒｓａｆｅ 地絡保護用抵抗器
Ｒｓｅｎｃｅ 電流測定回路を構成する電圧変換用抵抗器
ＡＭＰ，ＯＰ１，ＯＰ２ 電流測定回路を構成する演算増幅器
Ｒｂｉａｓ，ＲＢ１〜ＲＢ４ 電流測定用の零点調整用抵抗器
Ｖｂｉａｓ 電流測定用の基準電源

Claims (4)

1. 複数の電源ユニットが直並列接続されて構成される直流電源の出力電圧の中間電位を分圧生成する分圧回路であって該中間電位生成端が回路グランドに接続される分圧回路と、
   前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させるための分圧比変化手段と、
   前記分圧回路の中間電位生成端から出力される電圧を測定する分圧電圧測定手段と、
   大地に接続されるアース端子から前記分圧回路の中間電位生成端に至る経路に配置される地絡保護用抵抗器を流れる地絡電流を測定する電流測定手段と、
   前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値に設定させたときに前記電流測定手段が測定した第１の地絡電流から測定した第１の電流値および前記分圧電圧測定手段が測定した前記中間電位生成端から出力される第１の測定電圧と、前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第２の値に設定させたときに前記電流測定手段が測定した第２の地絡電流から測定した第２の電流値および前記分圧電圧測定手段が測定した前記中間電位生成端から出力される第２の測定電圧とを用いて前記直流電源の絶縁抵抗値である前記アース端子と前記直流電源内の地絡電圧点との間に形成される地絡抵抗成分の値を算出する絶縁抵抗算出制御手段と、
   を備え、
   前記絶縁抵抗算出制御手段は、前記第１および第２の電流値を測定する測定時間である前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させる時間間隔を、前記電流測定手段が測定した第１および第２の地絡電流の変化量に応じて可変設定することを特徴とする絶縁抵抗検知回路。
2. 前記絶縁抵抗算出制御手段は、
   前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させる時間間隔を、前記電流測定手段が測定した第１および第２の地絡電流が安定したとみなさせる所定の変化率となる時点で前記第１および第２の電流値を測定できるように設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁抵抗検知回路。
3. 前記絶縁抵抗算出制御手段は、
   前記分圧比変化手段に前記分圧回路の分圧比を第１の値と第２の値とに変化させる時間間隔を、前記電流測定手段が測定した第１および第２の地絡電流が大きな変化率で変化している時間内で前記第１および第２の電流値を測定できるように設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁抵抗検知回路。
4. 前記絶縁抵抗算出制御手段は、
   前記分圧電圧測定手段が測定した第１の測定電圧と第２の測定電圧値との差分を用いて前記電流測定手段内の増幅回路のオフセット誤差を軽減する処理を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の絶縁抵抗検知回路。

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