WO2024116751A1 - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電力変換装置よりも電力供給モジュール側の部分で直列アーク放電と並列アーク放電のいずれが発生したときでもアーク放電を消弧できる電力供給システムを提供する。　電力供給モジュールと、電力変換装置と、アーク検出部と、正極側配線部と、負極側配線部と、直列アーク遮断部と、並列アーク短絡部を有し、電力供給モジュールは、正極側配線部及び負極側配線部を介して電力変換装置に接続され、アーク検出部は、電力変換装置よりも電力供給モジュール側の部分のアーク放電を検出するものであり、並列アーク短絡部は、電力変換装置と並列接続されており、並列アーク短絡部は、アーク放電を検出し直列アーク遮断部が電力供給モジュールと電力変換装置の間の導通を遮断した後に、アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、正極側配線部と負極側配線部を導通させる構成とする。

Description

電力供給システム

　本発明は、太陽電池モジュール等の電力供給モジュールと電力変換装置を備えた電力供給システムに関する。

　従来から、太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールと、電力変換装置を備え、太陽電池モジュールで発電した直流電力を電力変換装置で交流電力に変換して商用電源系統に供給することが可能となっている。
　従来の太陽光発電システムでは、設置後、数年経過した後に、まれに火災が発生する場合がある。このような火災は、施工時のケーブル挟み込みや、ケーブルへの傷、コネクタ部の接触不良がそのまま放置され、経年劣化に伴ってそれらの箇所で発生するアーク放電が主たる原因であることが多い。

　このアーク放電は、回路上発生する場所によって大別すると、直列アーク放電と、並列アーク放電に分類できる。
　直列アーク放電は、電流が直列回路内において導線内を通過する場合に発生するものであり、並列アーク放電は、電流が並列回路内において並列接続された２つの導線の間を通過する場合に発生するものである。
　直列アーク放電は、直列回路を遮断することで消弧可能であるのに対して、並列アーク放電は、並列回路を短絡させ、導線の端部間の電圧差を０Ｖにすることで消弧可能であり、アーク放電の種類によって対応方法が異なる。
　そのため、従来は、アーク放電を消弧するには、アーク放電が直列アーク放電であるか並列アーク放電であるかを特定した後に、特定したアーク放電に対応する方法で消弧する必要があり、アーク放電に対する対応が遅れる問題があった。

　そこで、特許文献１では、直列アーク放電と並列アーク放電の双方のアーク放電を消弧できる保護方法が提案されている。
　具体的には、特許文献１の保護方法は、まず、太陽電池ストリングにおいてアーク検出部によりアーク放電が検出された場合に、直列スイッチによりパワーコンディショニングシステムの電力変換回路を経て太陽電池ストリングに電流を流す直列電路を遮断する直列消弧制御と、並列スイッチにより前記電力変換回路を経ずにストリングに電流を流す並列電路を形成する並列消弧制御と、を実行する。
　この直列消弧制御及び並列消弧制御の後、直列スイッチにより直列電路が遮断され、並列スイッチにより並列電路が形成された状態にて、アーク検出部によりアーク放電が検出された場合に太陽電池ストリングにおける直列アーク放電の発生を検出し、直列消弧制御及び並列消弧制御の後、直列スイッチ及び並列スイッチにより直列電路及び並列電路の両方が遮断された状態にて、アーク検出部によりアーク放電が検出された場合に太陽電池ストリングにおける並列アーク放電の発生を検出する。
　そして、太陽電池ストリングにおける直列アーク放電が検出された場合には並列スイッチにより並列電路を遮断し、太陽電池ストリングにおける並列アーク放電が検出された場合には並列スイッチにより並列電路を導通させる。

特開２０２２－８０７４７号公報

　しかしながら、特許文献１の保護方法では、直列消弧制御と並列消弧制御の双方を同時に実施するために、直列電路を導通及び遮断する直列スイッチよりも太陽電池ストリング側に、並列電路を導通及び遮断する並列スイッチを設ける必要があり、設計上の自由度が小さく、直列スイッチよりも電力変換回路側で並列アーク放電が発生した場合に、並列アーク放電を消弧できない問題がある。
　また、特許文献１の保護方法では、並列アーク放電と直列アーク放電の判断方法が複雑になっていることから、アーク放電を消弧するのに時間がかかり、火災リスクが大きくなる問題がある。
　このように、特許文献１の保護方法は更なる改善の余地があった。

　そこで、本発明は、電力変換装置よりも電力供給モジュール側の部分で直列アーク放電と並列アーク放電のいずれが発生したときでもアーク放電を消弧できる電力供給システムを提供することを課題とする。

　上記した課題を解決するための本発明の一つの様相は、電力供給モジュールと、電力変換装置と、アーク検出部と、正極側配線部と、負極側配線部と、直列アーク遮断部と、並列アーク短絡部を有し、前記電力供給モジュールは、前記正極側配線部及び前記負極側配線部を介して前記電力変換装置に接続されており、前記アーク検出部は、前記電力変換装置よりも前記電力供給モジュール側の部分のアーク放電を検出するものであり、前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出したときに、前記正極側配線部及び前記負極側配線部による前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間の導通を遮断可能であり、前記並列アーク短絡部は、前記電力変換装置と並列接続されており、前記並列アーク短絡部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、前記正極側配線部と前記負極側配線部を導通させる、電力供給システムである。

　本様相によれば、アーク放電が直列アーク放電の場合には、電力供給モジュールと電力変換装置の間の導通を遮断することで消弧でき、アーク放電が並列アーク放電の場合には、正極側配線部と負極側配線部を短絡させることで消弧できる。すなわち、本様相によれば、アーク放電が直列アーク放電及び並列アーク放電のいずれであってもアーク放電を消弧できる。

　好ましい様相は、前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間で導通させる。

　本様相によれば、直列アーク遮断部と電力変換装置の間で並列アーク放電が発生した場合でも、並列アーク放電を遮断できる。

　好ましい様相は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し、前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、アーク放電が並列アーク放電であると判定するアーク判定部を備える。

　本様相によれば、アーク放電が直列アーク放電であるか、並列アーク放電であるかを速やかに判断できるので、アーク放電に対する対応が容易である。

　本発明の一つの様相は、電力供給モジュールと、電力変換装置と、アーク検出部と、直列アーク遮断部と、アーク判定部を有し、前記電力供給モジュールは、前記直列アーク遮断部を介して前記電力変換装置と直列接続されており、前記アーク検出部は、前記電力変換装置よりも前記電力供給モジュール側の部分のアーク放電を検出するものであり、前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出したときに前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間の導通を遮断可能であり、前記アーク判定部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し、前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、アーク放電が並列アーク放電であると判定する、電力供給システムである。

　本様相によれば、アーク放電が直列アーク放電であるか、並列アーク放電であるかを速やかに判定できるので、直列アーク放電と並列アーク放電のどちらかであっても速やかに消弧対応が可能である。

　上記した様相は、本発明の技術的範囲に含まれる限り、各様相間で、相互に従属させたり、一部の構成を引用したり、一部の構成を置換することができる。

　本発明の電力供給システムによれば、電力変換装置よりも電力供給モジュール側の部分で直列アーク放電と並列アーク放電のいずれが発生したときでもアーク放電を消弧できる。

本発明の第１実施形態の電力供給システムのブロック図である。 図１の電力供給システムのアーク遮断動作のフローチャートである。 図２の電力供給システムのアーク遮断動作におけるスイッチ部の状態の説明図であり、（ａ）は図２のステップＳ１－２におけるブロック図であり、（ｂ）は図２のステップＳ１－５におけるブロック図である。 本発明の他の実施形態の電力供給システムのブロック図である。

　以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

　本発明の第１実施形態の電力供給システム１は、図１のように、主要構成部材として、電力供給モジュール２と、電力変換装置３と、アーク検出部５と、正極側配線部６と、負極側配線部７と、迂回配線部８と、直列スイッチ部１０（直列アーク遮断部）と、並列スイッチ部１１（並列アーク短絡部）と、アーク判定部１２を備えており、電力変換装置３に系統電源部１００を接続可能となっている。
　電力供給システム１は、電力供給モジュール２で発電した電力を電力変換装置３に接続された系統電源部１００に対して供給するものである。

（電力供給モジュール２）
　電力供給モジュール２は、太陽電池モジュールや燃料電池モジュールなどの再生可能エネルギーを用いて発電する発電モジュールや二次電池などの蓄電モジュールであり、電力変換装置３を介して発電した電力を系統電源部１００に供給可能となっている。
　本実施形態の電力供給モジュール２は、ともに光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池モジュールを使用している。
　電力供給モジュール２は、複数の太陽電池セル群が直列又は直列かつ並列接続されたものであり、各太陽電池セル群は、複数の太陽電池セルが直列接続されている。
　電力供給モジュール２は、各太陽電池セル群の正極側と接続された正極側端子２１ａと、各太陽電池セル群の負極側と接続された負極側端子２１ｂを備えている。

（電力変換装置３）
　電力変換装置３は、直流電力を交流電力に変換するものであり、電力供給モジュール２で発電した電力を昇圧する昇圧コンバーター部と、昇圧した電力を直流電力から交流電力に変換するインバーター部を備えている。

（アーク検出部５）
　アーク検出部５は、電力変換装置３の接続端子３１ａ，３１ｂよりも電力供給モジュール２側の部分でアーク放電が発生したときにアーク放電を検出する部位である。
　すなわち、アーク検出部５は、電力供給モジュール２だけではなく、電力供給モジュール２と接続端子３１ａ，３１ｂを接続する配線部材等もアーク放電の検出対象となっている。

（正極側配線部６）
　正極側配線部６は、図１のように、電力供給モジュール２の正極側端子２１ａと電力変換装置３の正極側接続端子３１ａを接続する配線部である。

（負極側配線部７）
　負極側配線部７は、電力供給モジュール２の負極側端子２１ｂと電力変換装置３の負極側接続端子３１ｂを接続する配線部である。

（迂回配線部８）
　迂回配線部８は、正極側配線部６の中途と、負極側配線部７の中途を接続する配線部であり、電力供給モジュール２側からみて電力変換装置３を迂回する配線部である。

（直列スイッチ部１０）
　直列スイッチ部１０は、正極側配線部６の中途に設けられ、直列アーク放電が生じた場合に電力供給モジュール２と電力変換装置３との間の導通を遮断する直列アーク遮断部である。
　直列スイッチ部１０は、閉状態とすることで電力供給モジュール２と電力変換装置３との間を導通させ、開状態とすることで電力供給モジュール２と電力変換装置３との間の導通を遮断可能となっている。

（並列スイッチ部１１）
　並列スイッチ部１１は、迂回配線部８の中途に設けられ、並列アーク放電が生じた場合に正極側配線部６と負極側配線部７を導通させて電力供給モジュール２と電力変換装置３の間を短絡させる並列アーク短絡部である。
　並列スイッチ部１１は、閉状態とすることで正極側配線部６と負極側配線部７を導通させて短絡させ、開状態とすることで正極側配線部６と負極側配線部７の導通を遮断することが可能となっている。

（アーク判定部１２）
　アーク判定部１２は、アーク放電が発生したときに、発生したアーク放電が直列アーク放電であるか並列アーク放電であるかを判定する部位である。

　続いて、本実施形態の電力供給システム１のアーク遮断動作について図２のフローチャートに沿って説明する。

　アーク遮断動作は、電力変換装置３を介して電力供給モジュール２で発電した電力を系統電源部１００に供給する通常の運転動作と並行して実施されるものである。
　すなわち、アーク遮断動作は、原則的には通常の運転動作の状態、すなわち、図１のように、直列スイッチ部１０が閉状態、並列スイッチ部１１が開状態とした状態を基準として行われる。

　アーク遮断動作では、まず、アーク検出部５がアーク放電を検出すると（ステップＳ１－１）、図３（ａ）のように並列スイッチ部１１を開状態のまま維持しつつ、直列スイッチ部１０を閉状態から開状態にし（ステップＳ１－２）、アーク検出部５によるアーク放電の検出が継続するか判断する（ステップＳ１－３）。

　ステップＳ１－３において、アーク検出部５によるアーク放電の検出が継続する場合には（ステップＳ１－３でＹｅｓ）、アーク放電が並列アーク放電であるとアーク判定部１２が判定し（ステップＳ１－４）、図３（ｂ）のように直列スイッチ部１０を開状態から閉状態に変更し、並列スイッチ部１１を開状態から閉状態にする（ステップＳ１－５）。そうすると、電力供給モジュール２と直列スイッチ部１０と並列スイッチ部１１が電力変換装置３を経由しない閉回路を構成し、正極側配線部６と負極側配線部７は、迂回配線部８によって短絡して同電位（０Ｖ）となるので、電力供給モジュール２で発生した並列アーク放電が消弧される。

　一方、ステップＳ１－３において、アーク放電が継続しない場合には（ステップＳ１－３でＮｏ）、アーク放電が直列アーク放電であるとアーク判定部１２が判定し（ステップＳ１－６）、現状の状態を維持する。すなわち、図３（ａ）のように、並列スイッチ部１１を開状態、直列スイッチ部１０を開状態に維持する。

　本実施形態の電力供給システム１によれば、並列スイッチ部１１は、アーク検出部５がアーク放電を検出し、直列スイッチ部１０が電力供給モジュール２と電力変換装置３の間の導通を遮断した後に、アーク検出部５がアーク放電を検出する場合に、正極側配線部６と負極側配線部７を導通させる。そのため、アーク放電が直列アーク放電の場合には、電力供給モジュール２と電力変換装置３の間の導通を遮断することで消弧でき、アーク放電が並列アーク放電の場合には、正極側配線部６と負極側配線部７を短絡させることで消弧できる。その結果、アーク放電が直列アーク放電及び並列アーク放電のいずれであってもアーク放電を消弧できる。
　本実施形態の電力供給システム１によれば、アーク放電を判定するにあたって直列アーク放電を消弧できるので、直列アーク放電と判定した後に消弧動作を別途行う必要がなく、早急に直列アークと並列アークの判断と遮断処置を講ずることができる。

　本実施形態の電力供給システム１によれば、直列スイッチ部１０を開状態にすることで直列アーク放電であるかどうかが判定できるので、迂回配線部８の位置の自由度を上げることができ、設計効率の向上も図れる。また、並列アーク放電と直列アーク放電の判定アルゴリズムを刷新／簡素化でき、プログラムの規模を小さくすることでソフトウェアの信頼性を向上するとともに、開発効率も向上させることが可能である。

　本実施形態の電力供給システム１によれば、迂回配線部８と正極側配線部６との接続位置が正極側配線部６の電気の流れ方向の下流側にあり、アーク検出部５がアーク放電を検出し、直列スイッチ部１０が電力供給モジュール２と電力変換装置３の間の導通を遮断した後に、アーク検出部５がアーク放電を検出する場合に、電力供給モジュール２と電力変換装置３間で導通させる。そのため、直列スイッチ部１０と電力変換装置３の間で並列アーク放電が発生した場合でも、並列アーク放電を遮断できる。

　本実施形態の電力供給システム１によれば、並列スイッチ部１１は、迂回配線部８の中途に設けられ、電力供給モジュール２及び直列スイッチ部１０とともに電力変換装置３を介さない迂回回路を構成するので、アーク検出部５がアーク放電を検出し、電力供給モジュール２と電力変換装置３の間の導通を遮断した後に、アーク検出部５がアーク放電を検出する場合に、直列スイッチ部１０によって電力供給モジュール２と電力変換装置３間で導通させることで、並列スイッチ部１１によって正極側配線部６と負極側配線部７を短絡させることができる。

　本実施形態の電力供給システム１によれば、アーク検出部５がアーク放電を検出し、直列スイッチ部１０が電力供給モジュール２と電力変換装置３の間の導通を遮断した後に、アーク検出部５がアーク放電を検出する場合に、アーク放電が並列アーク放電であると判定するアーク判定部１２を備えるので、アーク放電が直列アーク放電であるか、並列アーク放電であるかを速やかに判断できるので、アーク放電に対する対応が容易である。

　上記した実施形態では、直列スイッチ部１０が迂回配線部８よりも電力供給モジュール２側に設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。図４のように直列スイッチ部１０は迂回配線部８よりも電力変換装置３側に設けられていてもよい。すなわち、直列スイッチ部１０は、迂回配線部８よりも正極側配線部６の電気の流れ方向の下流側に設けられていてもよい。この場合、図２のアーク遮断動作のステップＳ１－５において直列スイッチ部１０を開状態のまま維持し、並列スイッチ部１１を閉状態に変更してもよい。

　上記した実施形態では、電力供給システム１に１つの電力供給モジュール２を備える場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。電力供給システム１は、２つ以上の電力供給モジュール２を備えていてもよい。

　上記した実施形態では、直列スイッチ部１０は、正極側配線部６のみに設けられていたが、本発明はこれに限定されるものではない。直列スイッチ部１０は、負極側配線部７にも設けられていてもよい。

　上記した実施形態では、アーク放電が直列アーク放電であるか並列アーク放電であるか判定するアーク判定部１２を設けていたが、本発明はこれに限定されるものではない。アーク判定部１２を省略してもよい。

　上記した実施形態は、本発明の技術的範囲に含まれる限り、各実施形態間で各構成部材を自由に置換や付加できる。

　　１　電力供給システム
　　２　電力供給モジュール
　　３　電力変換装置
　　５　アーク検出部
　　６　正極側配線部
　　７　負極側配線部
　１０　直列スイッチ部（直列アーク遮断部）
　１１　並列スイッチ部（並列アーク短絡部）
　１２　アーク判定部

Claims (4)

1. 　電力供給モジュールと、電力変換装置と、アーク検出部と、正極側配線部と、負極側配線部と、直列アーク遮断部と、並列アーク短絡部を有し、
   　前記電力供給モジュールは、前記正極側配線部及び前記負極側配線部を介して前記電力変換装置に接続されており、
   　前記アーク検出部は、前記電力変換装置よりも前記電力供給モジュール側の部分のアーク放電を検出するものであり、
   　前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出したときに、前記正極側配線部及び前記負極側配線部による前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間の導通を遮断可能であり、
   　前記並列アーク短絡部は、前記電力変換装置と並列接続されており、
   　前記並列アーク短絡部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、前記正極側配線部と前記負極側配線部を導通させる、電力供給システム。
2. 　前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間で導通させる、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 　前記アーク検出部がアーク放電を検出し、前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、アーク放電が並列アーク放電であると判定するアーク判定部を備える、請求項１又は２に記載の電力供給システム。
4. 　電力供給モジュールと、電力変換装置と、アーク検出部と、直列アーク遮断部と、アーク判定部を有し、
   　前記電力供給モジュールは、前記直列アーク遮断部を介して前記電力変換装置と直列接続されており、
   　前記アーク検出部は、前記電力変換装置よりも前記電力供給モジュール側の部分のアーク放電を検出するものであり、
   　前記直列アーク遮断部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出したときに前記電力供給モジュールと前記電力変換装置間の導通を遮断可能であり、
   　前記アーク判定部は、前記アーク検出部がアーク放電を検出し、前記直列アーク遮断部が前記電力供給モジュールと前記電力変換装置の間の導通を遮断した後に、前記アーク検出部がアーク放電を検出する場合に、アーク放電が並列アーク放電であると判定する、電力供給システム。

Images