(57)【要約】【課題】太陽光発電システムの出力が集約される接続箱でのアーク事故に対し、太陽光発電システム全体を停止することなく、故障部位のみ選択遮断すること。【解決手段】太陽光発電システムの保護回路は、検出器から検出信号を受信すると、開閉器を開極する第１のステップを実行し、第１のステップの実行により検出器からの検出信号が停止した場合には、開閉器の開極を維持し、かつ開閉器でアークが発生したことをパワーコンディショナーに通知する第２のステップを実行し、第１のステップを実行してもセンサからの検出信号が継続している場合には、開閉器より上位部位で異常が発生していることをパワーコンディショナーに通知する第３のステップを実行する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を出力する太陽電池パネルと、
前記太陽電池パネルに接続された開閉器と、
アークに感応すると検出信号を送信する検出器と、
前記開閉器と前記検出器を収納する接続箱と、
前記検出器が送信する検出信号に基づいて前記開閉器を制御する保護回路と、
前記開閉器の出力が接続されるパワーコンディショナーとを備え、
前記保護回路は、前記検出器から検出信号を受信すると、前記開閉器を開極する第１のステップを実行し、
前記第１のステップの実行により前記検出器からの検出信号が停止した場合には、前記開閉器の開極を維持し、かつ前記開閉器でアークが発生したことを前記パワーコンディショナーに通知する第２のステップを実行し、
前記第１のステップを実行しても前記検出器からの検出信号が継続している場合には、前記開閉器より上位部位で異常が発生していることを前記パワーコンディショナーに通知する第３のステップを実行することを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項２】
第１のストリングと第２のストリングから直流電力を出力する太陽電池パネルと、
前記第１のストリングに接続された第１の開閉器と、
前記第２のストリングに接続された第２の開閉器と、
アークに感応すると検出信号を送信する検出器と、
前記第１の開閉器と前記第２の開閉器と前記検出器を収納する接続箱と、
前記検出器が送信する検出信号に基づいて前記第１の開閉器および前記第２の開閉器を制御する保護回路と、
前記第１の開閉器の出力と前記第２の開閉器の出力が接続されるパワーコンディショナーとを備え、
前記保護回路は、前記検出器から検出信号を受信すると、前記第１の開閉器を開極する第１のステップを実行し、
前記第１のステップの実行により前記検出器からの検出信号が停止した場合には、前記第１の開閉器の開極を維持し、かつ前記第１の開閉器でアークが発生したことを前記パワーコンディショナーに通知する第２のステップを実行し、
前記第１のステップを実行しても前記検出器からの検出信号が継続している場合には、前記第１の開閉器を投入し、かつ前記第２の開閉器を開極する第３のステップを実行することを特徴とする太陽光発電システム。
【請求項３】
前記保護回路は、前記第３のステップの実行により前記検出器からの検出信号が停止した場合には、前記第２の開閉器の開極を維持し、かつ前記第２の開閉器でアークが発生したことを前記パワーコンディショナーに通知する第４のステップを実行し、
前記第３のステップを実行しても前記検出器からの検出信号が継続している場合には、前記第２の開閉器を投入する第５のステップを実行することを特徴とする請求項２に記載の太陽光発電システム。
【請求項４】
アークに感応すると検出信号を送信する検出器と、
前記検出器が送信する検出信号に基づいて開閉器を制御する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記検出器からアークの検出信号を受信すると、前記開閉器に開極を指示する信号を出力する第１のステップを実行し、
前記第１のステップの実行により前記検出器からの検出信号が停止した場合には、前記開閉器でアークが発生したことを通知する信号を出力する第２のステップを実行し、
前記第１のステップを実行しても、前記検出器からの検出信号が継続している場合には、前記開閉器より上位部位で異常が発生していることを通知する信号を出力する第３のステップを実行することを特徴とするアーク検出保護装置。
【請求項５】
アークに感応すると検出信号を送信する検出器と、
前記検出器が送信する検出信号に基づいて、第ｎの開閉器と第ｎ＋１の開閉器を含むＮ個（Ｎ≧２，Ｎ−１≧ｎ≧１）の開閉器を制御する保護回路とを備え、
前記保護回路は、前記検出器からのアークの検出信号が継続している場合、前記第ｎの開閉器に開極を指示する信号を出力する第１のステップを実行し、
前記第１のステップの実行により前記検出器からの検出信号が停止した場合には、前記第ｎの開閉器でアークが発生したことを通知する信号を出力する第２のステップを実行し、前記第１のステップの実行しても前記検出器からの検出信号が継続している場合には、前記第ｎの開閉器に投入を指示する信号を出力し、かつ前記第ｎ＋１の開閉器に開極を指示する信号を出力する第３のステップを実行することを特徴とするアーク検出保護装置。
【請求項６】
前記検出器に、フォトダイオードを使用す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保護装置。
【請求項７】
前記検出器に、アンテナを使用す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保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムにおけるアークの検出に関し、特に太陽光発電システムにおいて発生したアークからシステムを保護する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の自然エネルギー志向の高まりから、太陽光発電システムの導入が加速している。太陽光発電システムでは、発電素子（セル）をモジュール化して使用する。発電素子のモジュールは、単独で発電する電気（電圧または電流）が非常に小さいため、通常何枚かをまとめてグループ化されている。このモジュールのグループはストリングまたはアレイと呼ばれる。
【０００３】
発電素子のモジュールから発生する電圧と電流は、発電素子の直列数と発電素子の面積にそれぞれ比例する。ストリングの出力は、太陽光発電システムに適した電圧と電流に調整されている。接続箱の内部には端子台が設置され、複数のストリングの出力は接続箱に集約される。端子台にはストリングからの出力がそれぞれ並列接続されている。
【０００４】
このような端子台で、出力の接続部に緩みが生じると直列アークが発生する。また、端子台の（＋）端子と（−）端子の間で短絡すると、並列アークが発生する可能性が高くなる。太陽光発電は特有の電圧−電流特性を有するため、開閉器に短絡などのアーク事故が発生したとしても電流値の変化は非常に小さい。交流系統で使用されている過電流継電器を用いて太陽光発電システムにおけるアークの発生を検出することは困難である。
【０００５】
特許文献１に関わるアーク検出手段は、端子台への入力側配線と出力側配線との間の電圧値を測定する電圧検出手段と、端子台からの出力配線の電流値を測定する電流検出手段と、電圧検出手段の電圧値の変動および電流検出手段の電流値の変動を同時に検出する検出回路とを備えている。この先行技術では、アークの検出を電圧または電流の計測により行う。設備全体のアーク検出を行うには、すべてのストリングに対して電圧または電流の計測を行う必要が生じる。太陽光発電システムでは、複数のストリングからの出力がひとつの接続箱に集約されているため、接続箱の内部配線が非常に複雑になる。
【０００６】
特許文献２に関わる発明では、アークが発生しそうな部位の近くにアンテナを設置している。アーク発生時の電磁波信号を検出し、その電磁波信号のスペクトルを分析することで、アークの発生を判定する。この発明では、電磁波信号をスペクトル分析して外来ノイズとの区別を行っているため、判定回路が複雑である。太陽光発電システムのように複数のストリングが並列接続されているようなケースにおいては、電磁波信号からアークの発生部位を特定することは難しい。アークの発生を検知した後にシステムを保護するためには、システム全体をシャットダウンする。
【０００７】
特許文献３に関わる発明は、アークの発生を光により検出する。光電センサはスイッチギヤの母線周辺などアーク事故が発生しやすい場所に何箇所か設置される。アークによる光と外部からの光とを区別するために光の波長による区別を行っている。アークの発生を検知した場合は、その位置に近い遮断器を開極する。この方法では複数の光センサが必要となるために配線が複雑化する。外部光とアーク光を光の波長で区別しているため、誤作動の可能性が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2011-7765号公報
【特許文献２】特表2011-521207号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第2003/0151414号（明細書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、太陽光発電システムの出力が集約される接続箱でのアーク事故に対し、太陽光発電システム全体を停止することなく、故障部位のみ選択遮断することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に関わる太陽光発電システムは、直流電力を出力する太陽電池パネルと、太陽電池パネルに接続された開閉器と、アークに感応すると検出信号を送信する検出器と、開閉器と検出器を収納する接続箱と、検出器が送信する検出信号に基づいて開閉器を制御する保護回路と、開閉器の出力が接続されるパワーコンディショナーとを備えている。保護回路は、検出器から検出信号を受信すると、開閉器を開極する第１のステップを実行し、第１のステップの実行により検出器からの検出信号が停止した場合には、開閉器の開極を維持し、かつ開閉器でアークが発生したことをパワーコンディショナーに通知する第２のステップを実行し、第１のステップを実行しても検出器からの検出信号が継続している場合には、開閉器より上位部位で異常が発生していることをパワーコンディショナーに通知する第３のステップを実行する。
【発明の効果】
【００１１】
従来検出が困難であった、太陽光発電システムにおけるアーク故障の発生場所を特定することが可能になる。また、故障箇所を切り離すため、太陽光発電システムの安定性と信頼性が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に関わる太陽光発電システムを示す全体図である。
【図２】実施の形態１におけるアーク検出保護のフローチャートを示す図である。
【図３】アーク検出保護のタイムチャートを示す図である。
【図４】実施の形態２に関わる太陽光発電システムを示す全体図である。
【図５】ストリングが単独で接続された開閉器でアークが発生したことを説明する図である。
【図６】実施の形態２におけるアーク検出保護のフローチャートを示す図である。
【図７】ストリングの出力が合流する開閉器でアークが発生したことを説明する図である。
【図８】実施の形態３に関わる太陽光発電システムを示す全体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明にかかる太陽光発電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１４】
実施の形態１．
図1は本発明の実施の形態1に関わる太陽光発電システムを示す。太陽光発電システム１００は、直流電力を出力する太陽電池パネル１、太陽電池パネル１の出力が集約される接続箱３、太陽電池パネル１の出力を直流から交流に変換するパワーコンディショナー１２から構成されている。太陽電池パネル１の出力線８は接続箱３に設置された端子台４に接続されている。接続箱３は、遠隔操作可能な直流型の開閉器５と、フォトダイオードのよ
うな光を検知することが可能な光センサ６と、光センサ６の出力に基づいて開閉器５を制御するアーク検出保護回路７を収納している。開閉器５の出力は端子台１４を経由して、パワーコンディショナー１２に接続されている。アーク検出保護回路７には光センサ６からの出力線９および開閉器５を制御するための制御線１０が接続されている。パワーコンディショナー１２とアーク検出保護回路７は信号線１５で接続されている。
【００１５】
接続箱３は、通常、蓋を閉めた状態にあるため、発電時に外部から迷光が入ることはない。光センサ６は、光を検出することで、発電時におけるアークの発生に感応する検出器として機能する。アーク検出保護回路７を収納する接続箱３は、屋外に取り付けられた太陽電池パネル１の近くに設置されているため、人によって常時監視されることはない。これに対し、パワーコンディショナー１２は人が監視できる場所に配置されるため、アーク検出保護回路７は異常発生信号を信号線１５を経由してパワーコンディショナー１２に送信する。必要であれば、パワーコンディショナー１２から電力系統の制御室に送信することも可能である。
【００１６】
光センサ６とアーク検出保護回路７はアーク検出保護装置３０を構成する。アーク検出保護回路７がアークの発生箇所を特定する工程を図２に示すフローチャートに従って説明する。アーク検出保護回路７は、制御線１０の数から開閉器５の数を判断する。実施の形態１では、開閉器の数（Ｎ）は１である。光センサ６が光を検出した場合、光センサ６はアーク検出保護回路７に検出信号を送信する。アーク検出保護回路７は光センサ６から検出信号を受信すると、直ちに開閉器５を開極し、その後、光センサ６からの検出信号が停止したのか或いは継続しているのかを判断する。開閉器５を開極しても、光センサ６からの検出信号が継続している場合、開閉器より上位部位での異常であると判断し、パワーコンディショナー１２に連絡する。開閉器５を開極して、光センサ６からの検出信号が停止した場合、アーク検出保護回路７は開閉器５を開極状態で維持し、アーク発生部位の情報をパワーコンディショナー１２に伝達する。
【００１７】
ここで、「開閉器より上位部位での異常」とは、太陽電池パネルから開閉器に接続されるまでの部位におけるアーク事故のことを指す。開閉器より下位の部位は開閉器の遮断により太陽光電源から切り離されるため、開閉器より下位の事故は、開閉器を遮断することで除去できる。全ての開閉器を遮断してもアークが検出される場合は、開閉器より上位部位での異常であると考えられる。ストリングからのケーブルは接続箱に挿入される。ケーブルは、端子台などに接続され、そこから各開閉器に集配されている。複数のストリングのケーブルが束ねられた部位で、ケーブルの被覆に不良があれば、並列アークが発生する。また端子台に接続された部位で接続不良があった場合には直列アークが発生する。ストリングが単線の場合でも(＋)線と(−)線の２本のケーブルがあるので、両者の間が短絡すれば並列アークが発生する。
【００１８】
アーク検出保護のタイムチャートを図３に示す。光センサ６がアークに時刻t1に感応すると、アーク検出保護回路７は光センサ６からの検出信号を直ちに受信する。アーク検出保護回路７は時刻t2に開閉器５を制御する制御線１０にパルス状の開極指令を伝達する。開極指令を受信した開閉器５は時刻t3に投入状態から開極状態に変化する。開閉器５は次のパルスを受け付けるまで、開極状態を維持する。この操作の後、光センサ６からの検出信号が時刻t4に停止したので、アーク検出保護回路７は開閉器５に関係するアーク事故と判定する。アーク検出保護回路７は開閉器５を開極状態で維持し、アーク発生部位の情報をパワーコンディショナー１２に伝達する。開閉器５が時刻t3に開極しても、光センサ６からの出力が一定時間以上継続している場合は、アーク検出保護回路７はアークの発生箇所は開閉器５よりも上位の部位であると判断する。
【００１９】
交流系統であれば短絡事故発生時に大電流が流れるため、早急にアーク発生部位を検知して、開閉器を開極する必要がある。これに対し太陽光発電は特有の電圧−電流特性を示すため、設備に短絡事故が発生したとしても電流値の変化が非常に小さい。太陽光発電システムは、交流系統で用いられているような過電流継電器を設備の保護に用いることはできないが、交流系統に比べるとシステムを保護するまでの時間に余裕がある。
【００２０】
本発明では、アーク検出保護回路７の誤検知と誤動作をなくすために接続箱３は外部の光が入らないように施工される。また、接続箱３の蓋を開けた場合に入ってくる外部の光で誤検知しないように、接続箱３の蓋が閉まった状態でのみ動作するようにインタロックを設けるとよい。接続箱３に設置するのはひとつの非接触な光センサであるため、電圧や電流でのアーク検出に比べて配線が少なくて済む。さらに既存設備への後付も容易であるうえに、光の波長分離、電磁波の周波数分離などの処理を行なわないため、検出部が簡素である。
【００２１】
実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２に関わるアーク検出保護装置を備えた太陽光発電システムを示す。太陽光発電システム１００は、複数のストリング２から構成される太陽電池パネル１、複数のストリング２の出力が集約される接続箱３、太陽電池パネル１の出力を直流から交流に変換するパワーコンディショナー１２から構成されている。接続箱３は、遠隔操作可能な直流型の開閉器５と、フォトダイオードのような光を検知することが可能な光センサ６と、光センサ６の出力に基づいて開閉器５を制御するアーク検出保護回路７を収納している。アーク検出保護回路７には光センサ６からの出力線９および開閉器５を制御するための制御線１０が接続されている。パワーコンディショナー１２とアーク検出保護回路７は信号線１５で接続されている。
【００２２】
ストリング２Ａの出力線８ａ、ストリング２Ｂの出力線８ｂ、ストリング２Ｃの出力線８ｃ、ストリング２Ｄの出力線８ｄはそれぞれ端子台４に並列接続されている。開閉器５Ａの制御線１０ａ、開閉器５Ｂの制御線１０ｂ、開閉器５Ｃの制御線１０ｃ、開閉器５Ｄの制御線１０ｄは、それぞれアーク検出保護回路７に接続されている。開閉器５Ａと開閉器５Ｂの出力は端子台１４ａで合流している。開閉器５Ｃと開閉器５Ｄの出力は端子台１４ｂで合流している。端子台１４ａと端子台１４ａに接続されたストリングの出力は端子台２４で合流し、パワーコンディショナー１２に集約されている。
【００２３】
接続箱３は、蓋を閉めた状態にあるため、発電時に外部から迷光が入ることはない。接続箱３に収納された光センサ６は、発電時に光を検出することで、アークの発生に感応する。光センサ６が光を検出した場合、光センサ６はアーク検出保護回路７に検出信号を伝達する。アーク検出保護回路７は、パワーコンディショナー１２に異常発生を伝達するとともに、ストリングからの出力が設置された開閉器５に開極指令を伝達する。光センサ６からの検出信号と開閉器５の制御履歴から、アーク検出保護回路７は、アークの発生部位を特定し、故障部位を含む回路のみを選択遮断する。
【００２４】
光センサ６とアーク検出保護回路７はアーク検出保護装置３０を構成する。アーク検出保護回路７は、一般にＮ個の開閉器５を管理する（Ｎ≧２）。アーク検出保護回路７は、制御線１０の数から開閉器５の数を容易に知ることができる。開閉器の数（Ｎ）が１の場合は実施の形態１に相当する。ここで図５に示すように、ストリング２Ａの出力線８ａが接続されている端子台４でアーク１１が発生したとする。実施の形態２では図６に示すフローチャートに従って異常個所を判定する。このフローチャートはＮ＝４の場合を示しているが、Ｎが２以上の場合であれば、同様の考え方が適用できる。
【００２５】
すなわち、第１の開閉器を開極した状態でも光センサからの出力が維持されている場合は、アーク検出保護回路７は、第１の開閉器に投入指令を送信し、第２のストリングに設置された第２の開閉器には開極指令を送信する。この操作の後に光センサからの出力がなくなった場合は、第２のストリングに関係する部分でのアーク事故と判定する。アーク検出保護回路７はアーク発生部位の情報をパワーコンディショナーに伝達し、第２の開閉器は開極状態を維持する。このように、各ストリングが並列接続された回路上に設置された第１の開閉器、第２の開閉器、第３の開閉器、第４の開閉器、・、第ｎの開閉器を順次開閉していき、開閉器の操作内容と光センサからの出力情報を元にアーク発生部位を判定するとともに、アーク事故が発生している回路のみを選択遮断する。
【００２６】
次にストリングの出力が合流した箇所でアークが発生する場合について説明する。例えば、図７のようにストリング２Ｃの出力とストリング２Ｄの出力を接続した端子台１４ｂでアーク１１が発生したとする。この場合、図６に示したフローチャートの後半の手順でアーク発生部位を特定する。例えば第１のストリングに設置された第１の開閉器と第２のストリングに設置された第２の開閉器に開極指令を伝達して、第１の開閉器と第２の開閉器を開極する。この操作の後に光センサからの出力がなくなった場合は、第１のストリングと第２のストリングの合流部分でのアーク事故と判定する。アーク検出保護回路７は開閉器１と開閉器２を開極状態で維持し、アーク発生部位の情報をパワーコンディショナーに伝達する。さらに、図６のフローチャートの最下段に示しているように、すべての開閉器を操作しても、光センサの出力が消えない場合は、開閉器の開閉で保護できない箇所でのアーク事故の発生または、光センサの異常であると判断し、パワーコンディショナーに伝達する。
【００２７】
アーク事故か光センサの異常かを区別するためには、光センサを同じ箇所に複数個配置しておけばよい。複数のセンサが同時に故障する確率は非常に低いため、複数のセンサがすべて異常を出力していれば、アーク事故であり、ひとつのセンサのみが異常出力を継続していれば、センサ異常であると判断できる。このように開閉器の操作内容と光センサからの出力情報を元に、アーク発生部位を判定するとともに、アーク事故が発生している回路のみ選択遮断する。
【００２８】
実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３に関わる太陽光発電システムを示している。実施の形態１と２ではフォトダイオードなどの光センサ６を用いてアークの発生を検知していたのに対し、実施の形態３では、アークの検出器として、接続箱３に平板アンテナ、ループアンテナ、ロッドアンテナのようなアンテナ１３を設置する。アンテナ１３はアーク発生時に生じる電磁波信号に感応する。アンテナ１３からの検出信号はアーク検出保護回路７に伝達する。アーク検出保護の手順は、実施の形態１と２の場合と同様に、図６に示したフローチャートに従う。光センサのかわりに、アンテナを用いてアーク発生時の電磁波信号を検出することで、実施の形態２と同様にアーク発生部位の特定と保護が可能となる。
【００２９】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１：太陽電池パネル、２：ストリング、３：接続箱、４：端子台、５：開閉器、６：光センサ、７：アーク検出保護回路、８：出力線、９：出力線、１０：制御線、１１：アーク、１２：パワーコンディショナー、１３：アンテナ、１４：端子台、１５：信号線、２４：端子台、３０：アーク検出保護装置、１００：太陽光発電システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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