(57)【要約】【課題】  自然エネルギーを利用して発電する発電部を診断信号を用いて故障検出を行う場合に、診断信号が入力される位置よりも負荷等に近い側で生じた電気的経路上の故障を検出することが可能な故障検出装置等を提供する。【解決手段】  故障検出部１１は、各太陽電池ストリング１３の正極及び／又は負極に診断信号を入力して故障診断をするものである。太陽電池ストリング１３で発電された電力は、接続箱７にある異常防止部１５（逆流防止ダイオードやヒューズなど）を経由して負荷等５に供給される。故障検出部１１の発電部電圧測定部２９は、各太陽電池ストリング１３の線間電圧を測定する。接続部故障検出部３１は、開放電圧である太陽電池ストリング１３が存在する場合に、当該太陽電池ストリング１３自体に故障が検出されていないならば、当該太陽電池ストリング１３に対応する異常防止部１５に障害が発生し、開放状態が生じていると判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然エネルギーを利用して発電する発電システムの故障を検出する故障検出装置であって、
自然エネルギーを利用して発電する発電部は、接続部を経由して発電した電力を供給するものであり、
発電時の前記発電部の正極と負極の間の線間電圧を、前記接続部を経由せずに測定する発電部電圧測定部と、
前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部に障害が生じていると判定する接続部故障検出部を備える故障検出装置。
【請求項２】
前記発電部と前記接続部との間に接続し、
前記発電部の故障を検出する発電部故障検出部を備え、
前記発電部故障検出部が前記発電部の故障を検出可能であり、さらに、前記接続部故障検出部が前記接続部の故障を検出可能である、請求項１記載の故障検出装置。
【請求項３】
前記接続部故障検出部は、前記発電部故障検出部が前記発電部の故障を検出せず、前記電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部において障害が生じていると判定する、請求項２記載の故障検出装置。
【請求項４】
前記発電部の正極及び／又は負極に前記診断信号を入力する信号入力部と、
前記診断信号の反射波を計測する反射波観測部を備え、
前記発電部故障検出部は、前記反射波が計測されたか否か及び／又は計測された場合の反射波を用いて前記発電部における故障の有無及び／又は故障箇所を判定する、請求項２又は３に記載の故障検出装置。
【請求項５】
前記接続部は、逆流及び／又は過電流を防止する異常防止部を含み、
前記接続部故障検出部は、前記異常防止部が故障して開放状態にあるか否かを判定する、請求項１から４のいずれかに記載の故障検出装置。
【請求項６】
前記発電部は、複数の太陽電池モジュールを接続した太陽電池ストリングであり、
前記接続部には、前記発電部と同じ構成の比較対象発電部が並列に接続されており、
前記接続部故障検出部は、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧を前記比較対象発電部の正極及び負極の間で測定された線間電圧と比較して前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が動作電圧か開放電圧かを判定し、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が動作電圧であれば前記接続部における障害は検出されていないと判定し、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば前記接続部において障害が生じていると判定する、請求項１から５のいずれかに記載の故障検出装置。
【請求項７】
自然エネルギーを利用して発電する発電システムの故障を検出する故障検出部を備える故障検出方法であって、
自然エネルギーを利用して発電する発電部は、接続部を経由して発電した電力を供給するものであり、
発電時の前記発電部の正極と負極の間の線間電圧を、前記接続部を経由せずに測定する発電部電圧測定ステップと、
前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部に障害が生じていると判定する接続部故障検出ステップを含む故障検出方法。
【請求項８】
コンピュータを、請求項１から６のいずれかに記載の故障検出装置として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、故障検出装置、故障検出方法及びプログラムに関し、特に、自然エネルギーを利用して発電する発電部の故障を検出する故障検出部を備える故障検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明者らは、太陽電池アレイの正極及び／又は負極に対し、診断信号を入力し、その反射波の有無や計測された反射波を用いて、故障の有無や故障個所を特定することを提案した（例えば特許文献１など参照）。
【０００３】
近年、発明者らは、太陽光発電システムに故障診断装置を組み込み、無人や遠隔診断を可能にする技術を提案した（以下、「組み込み型」という。）（特許文献２及び３参照）。これは、太陽電池アレイと逆流防止ダイオード等との間に故障診断システムを設け、故障診断システムから各太陽電池ストリングの正極・負極に診断信号を入力して故障診断を行うものである。
【０００４】
また、従来、太陽電池アレイの故障診断は、太陽電池ストリングの出力電圧を計測して行うことはなされていた。太陽電池は、発電するためのものであり、どの程度発電するかが重要だからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０３５０００号公報
【特許文献２】特開２０１４−０２９９４３号公報
【特許文献２】特開２０１４−０３３１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽光発電システムでは、接続箱において、各太陽電池ストリングに対応して、逆流を防止するために逆流防止ダイオードを利用しているものがある。また、過電流を防止するためにヒューズを利用しているものもある。このような逆流防止ダイオードやヒューズなど（以下、「ヒューズ等」という。）は、落雷等により故障することがある。
【０００７】
しかしながら、発明者らが提案した故障診断システムは、故障診断システムが診断信号を入力する位置よりも太陽電池アレイ側にある部分を対象とするものであった。故障診断システムが診断信号を入力する位置よりも負荷や系統など（以下、「負荷等」という。）に近い側の故障は対象としていなかった。そのため、故障診断システムが診断信号を入力する位置よりも負荷や系統などに近い側にあるヒューズ等の故障を検出することは想定されていなかった。
【０００８】
また、太陽電池ストリングの出力電圧を計測しても、太陽電池ストリングが発電した電力を負荷等に供給するための経路上の故障をも検出することはできない。
【０００９】
このような課題は、自然エネルギーを利用して発電する発電装置が、負荷等に対して電力を供給するための経路上の故障検出について同様に存在するものである。
【００１０】
そこで、本願発明は、自然エネルギーを利用して発電する発電部よりも負荷等に近い側で生じた電気的経路上の故障を検出することが可能な故障検出装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の第１の観点は、自然エネルギーを利用して発電する発電システムの故障を検出する故障検出装置であって、自然エネルギーを利用して発電する発電部は、接続部を経由して発電した電力を供給するものであり、発電時の前記発電部の正極と負極の間の線間電圧を、前記接続部を経由せずに測定する発電部電圧測定部と、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部に障害が生じていると判定する接続部故障検出部を備えるものである。
【００１２】
本願発明の第２の観点は、第１の観点の故障検出装置であって、前記発電部と前記接続部との間に接続し、前記発電部の故障を検出する発電部故障検出部を備え、前記発電部故障検出部が前記発電部の故障を検出可能であり、さらに、前記接続部故障検出部が前記接続部の故障を検出可能であるものである。
【００１３】
本願発明の第３の観点は、第２の観点の故障検出装置であって、前記接続部故障検出部は、前記発電部故障検出部が前記発電部の故障を検出せず、前記電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部において障害が生じていると判定するものである。
【００１４】
本願発明の第４の観点は、第２又は第３の観点の故障検出装置であって、前記発電部の正極及び／又は負極に前記診断信号を入力する信号入力部と、前記診断信号の反射波を計測する反射波観測部を備え、前記発電部故障検出部は、前記反射波が計測されたか否か及び／又は計測された場合の反射波を用いて前記発電部における故障の有無及び／又は故障箇所を判定するものである。
【００１５】
本願発明の第５の観点は、第１から第４のいずれかの観点の故障検出装置であって、前記接続部は、逆流及び／又は過電流を防止する異常防止部を含み、前記接続部故障検出部は、前記異常防止部が故障して開放状態にあるか否かを判定するものである。
【００１６】
本願発明の第６の観点は、第１から第５のいずれかの観点の故障検出装置であって、前記発電部は、複数の太陽電池モジュールを接続した太陽電池ストリングであり、前記接続部には、前記発電部と同じ構成の比較対象発電部が並列に接続されており、前記接続部故障検出部は、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧を前記比較対象発電部の正極及び負極の間で測定された線間電圧と比較して前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が動作電圧か開放電圧かを判定し、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が動作電圧であれば前記接続部における障害は検出されていないと判定し、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば前記接続部において障害が生じていると判定するものである。
【００１７】
本願発明の第７の観点は、自然エネルギーを利用して発電する発電システムの故障を検出する故障検出方法であって、自然エネルギーを利用して発電する発電部は、接続部を経由して発電した電力を供給するものであり、発電時の前記発電部の正極と負極の間の線間電圧を、前記接続部を経由せずに測定する発電部電圧測定ステップと、前記発電部電圧測定部が測定した線間電圧が開放電圧であれば、前記接続部に障害が生じていると判定する接続部故障検出ステップを含むものである。
【００１８】
本願発明の第８の観点は、コンピュータを、第１から第６のいずれかの観点の故障検出装置として機能させるためのプログラムである。
【００１９】
なお、本願発明を、第８の観点のプログラムを定常的に記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として捉えてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本願発明の各観点によれば、故障検出装置が、接続部を経由せずに発電部の正極・負極間の線間電圧を測定し、測定された線間電圧が開放電圧であれば接続部に障害が生じていることを検出することにより、故障検出装置が、発電部の線間電圧を測定する位置よりも負荷等の近くにある接続部の障害を検出することが可能になる。特に、第２の観点によれば、故障検出装置が発電部の故障を検出するものであり、発電部の故障検出のために発電部に近くに設置することを利用して、発電部の故障検出に加えて、接続部の故障検出を可能にする。さらに、第３の観点によれば、診断信号を利用した故障検出により発電部に障害が検出されない場合に、接続部に障害が生じたと判定する。
【００２１】
発電部は、発電時に、断線等が生じていなければ、負荷等に対して動作電圧で動作している。しかしながら、断線等により開放状態になると、発電部の出力端子に何も接続していない状態と同様になる。発電部には、通常、内部抵抗が存在するため、この場合にも開放電圧が検出される。開放電圧は、通常、動作電圧よりも高く、動作電圧とは識別することができるものである。そのため、接続部故障検出部は、開放電圧が検出された場合に、電気的経路上で障害が生じたものと判断することができる。
【００２２】
さらに、本願発明の第４の観点によれば、発明者らが提案した手法を用いて発電部の故障診断を行って発電部の断線等の故障診断を実現でき、この故障診断結果を利用して、診断信号を入力する位置よりも負荷等側での障害を検出することができる。
【００２３】
さらに、本願発明の第５の観点によれば、接続部にある、逆流を防止するための逆流防止ダイオードや、過電流を防止するためのヒューズなどのような異常防止部について、故障して開放状態にあるか否かを判断することが可能になる。これらの異常防止部は、通常、太陽電池ストリング等に応じて設けられており、それぞれの電力供給経路上の障害をも検出することが可能になる。
【００２４】
さらに、本願発明の第６の観点によれば、並列に接続され、同様の環境下で発電する比較対象太陽電池ストリングにおいて計測される線間電圧と比較して開放電圧か動作電圧かを判断することにより、容易かつ高精度に開放電圧か動作電圧かを判断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本願発明の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図１の故障検出部１１の動作の一例を示すフロー図である。
【図３】太陽光発電における一般的な電流と電圧の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。なお、本願発明の実施の形態は、下記の実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００２７】
図１は、本願発明の実施の形態に係る太陽光発電システムの構成の一例を示すブロック図である。太陽光発電システム１は、太陽電池アレイ３と、負荷等５と、接続箱７（本願請求項の「接続部」の一例）と、リレー部９と、故障検出部１１を備える。
【００２８】
太陽電池アレイ３は、Ｎ個（Ｎは、２以上の自然数）の太陽電池ストリング１３1，…，１３N（本願請求項の「発電部」の一例）を備える。以下、符号の添え字は、省略する場合もある。各太陽電池ストリングは、複数の太陽電池モジュールが接続して構成されている。各太陽電池モジュールは、照射される太陽光を利用して発電する。
【００２９】
負荷等５は、ＰＣＳ（パワーコンディショニングシステム）や、負荷や、系統などである。
【００３０】
接続箱７は、太陽電池アレイ３と負荷等５を接続するためのものである。太陽電池アレイ３で発電された電力は、接続箱７を経由して負荷に供給されたり系統に売電されたりする。接続箱７は、複数の太陽電池ストリング１３にそれぞれ対応するＮ個の異常防止部１５を備える。異常防止部１５は、例えば、逆流を防止するための逆流防止ダイオードや、過電流を防止するためのヒューズなどである。例えば、ヒューズは、落雷などによって過電流が生じると、開放状態になり、太陽電池アレイ３に過電流が影響しないようにする。
【００３１】
リレー部９は、太陽電池アレイ３と故障検出部１１との間の接続を切り替えるためのものである。例えば、太陽電池ストリング１３の正極及び負極のそれぞれに対応してスイッチが設けられており、各極について、独立に、スイッチをオンにすれば太陽電池アレイ３と故障検出部１１との間が接続し、オフにすれば接続していない状態とすることができる。スイッチ制御は、それぞれ個別に制御可能であるとする。なお、必要に応じて、減衰器を接続する構成を設けてもよい。
【００３２】
故障検出部１１は、太陽電池ストリング１３の故障を検出するために組み込まれ、リレー部９を経由して太陽電池アレイ３と接続箱７との間に接続する。故障検出部１１は、リレー制御部２１と、信号入力部２３（本願請求項の「信号入力部」の一例）と、反射波観測部２５（本願請求項の「反射波観測部」の一例）と、発電部故障検出部２７（本願請求項の「発電部故障検出部」の一例）と、発電部電圧測定部２９（本願請求項の「発電部電圧測定部」の一例）と、接続部故障検出部３１（本願請求項の「接続部故障検出部」の一例）を備える。
【００３３】
リレー制御部２１は、リレー部９を制御して、太陽電池アレイに含まれる各極と故障検出部１１を接続するか否かを制御する。
【００３４】
信号入力部２３は、太陽電池アレイ３に対して、特許文献１、２及び３などに記載された手法により故障を検出するための診断信号を入力する。
【００３５】
反射波観測部２５は、診断信号の反射波を計測する。診断信号の反射波が計測されるか否か、さらに、反射波があればこれを計測する。
【００３６】
発電部故障検出部２７は、特許文献１、２及び３などに記載された手法により故障を検出する
【００３７】
発電部電圧測定部２９は、各太陽電池ストリング１３の正極と負極の間の線間電圧を測定する。
【００３８】
接続部故障検出部３１は、発電部電圧測定部２９が測定した線間電圧が開放電圧か動作電圧かを判断して、異常防止部１５が開放状態にあるか否かを判断するものである。
【００３９】
図２を参照して、図１の故障検出部１１の動作の一例を説明する。図２は、図１の故障検出部１１の動作の一例を示すフロー図である。
【００４０】
まず、故障検出部１１は、各太陽電池ストリング１３の故障検出を行う（ステップＳＴ１）。これは、特許文献１、２及び３などにより提案した手法で行う。これは、太陽電池アレイの正極及び／又は負極に対し、診断信号を入力し、その反射波の有無や計測された反射波を用いて、故障の有無や故障個所を特定するものである。
【００４１】
例えば、太陽電池ストリング１３1の故障診断を行う場合、リレー制御部２１は、太陽電池ストリング１３1の正極と故障検出部１１を接続し、太陽電池ストリング１３1の負極と減衰器を接続する。信号入力部２３は、太陽電池ストリング１３1の正極に、診断用の波形を有する診断信号を入力する。反射波観測部２５は、太陽電池ストリング１３1の正極で、診断信号の反射波を計測する。反射波が計測されなければ、負極側の減衰器で減衰されたものとして故障が生じていないと判断することができる。この場合は、負極側から診断信号を入力する必要はない。他方、反射波が計測された場合、断線等の故障個所で反射波が生じたものと判断することができる。そのため、故障が生じていると判断することができる。続いて、太陽電池ストリング１３1の負極と故障検出部１１を接続し、信号入力部２３は、太陽電池ストリング１３1の負極に診断用の波形を有する診断信号を入力する。そして、故障個所により生じた反射波が計測されると、例えば正極側と負極側のそれぞれに診断信号を入力してから反射波が計測されるまでの時間などを利用して、故障した太陽電池モジュールの個所を推定することなどが可能になる。なお、負極側から入力して、その後に正極側から入力してもよい。他の太陽電池ストリング１３についても同様に故障診断を実現することができる。このように、個々の太陽電池ストリング１３について、反射波の有無及び計測された反射波によって、故障の有無を検出したり、故障個所を推定したりすることができる。
【００４２】
また、例えば、太陽電池ストリング１３1の故障診断を行う場合、リレー制御部２１は、太陽電池ストリング１３1の正極と故障検出部１１を接続し、太陽電池ストリング１３1の負極を開放端とする。信号入力部２３は、太陽電池ストリング１３1の正極に、診断用の波形を有する診断信号を入力する。反射波観測部２５は、太陽電池ストリング１３1の正極で、診断信号の反射波を計測する。続いて、太陽電池ストリング１３1の負極と故障検出部１１を接続し、太陽電池ストリング１３1の正極を開放端とする。信号入力部２３は、太陽電池ストリング１３1の負極に診断用の波形を有する診断信号を入力する。反射波観測部２５は、太陽電池ストリング１３1の負極で、診断信号の反射波を計測する。正極及び負極からそれぞれ診断信号を入力してから反射波が計測されるまでの時間を比較することにより、例えば、両者が同じであれば、故障は検出されていないと判断でき、また、両者が異なる場合には、その割合等を用いて故障個所を推定することができる。他の太陽電池ストリング１３についても同様に故障診断を実現することができる。このように、個々の太陽電池ストリング１３について、計測された反射波によって、故障の有無を検出したり、故障個所を推定したりすることができる。
【００４３】
発電部故障検出部２７は、太陽電池アレイ３で異常が発見されたか否かを判定する（ステップＳＴ２）。異常が発見された場合には、異常が発見された太陽電池ストリングの故障を通知する（ステップＳＴ３）。これは、操作パネルなどに表示してもよく、遠隔地にあるサーバや端末などに通知してもよい。
【００４４】
異常が発見されない場合、発電部電圧測定部２９は、太陽電池アレイ３が発電中であるか否かを判断する（ステップＳＴ４）。発電中であるか否かは、例えば、現在時刻によって太陽光が照射している時間帯か否かを判断してもよく、また、太陽電池ストリングの出力電圧を測定して、発電している状態である太陽電池ストリングが存在するか否かによって判断してもよい。発電していない場合には、発電時まで待つ。発電時になれば、ステップＳＴ５に進む。
【００４５】
ステップＳＴ５において、リレー制御部２１は、各太陽電池ストリング１３の正極と負極を故障検出部１１と接続する。発電部電圧測定部２９は、各太陽電池ストリング１３の正極と負極の間の線間電圧を測定する（ステップＳＴ６）。接続部故障検出部３１は、各太陽電池ストリング１３が、開放電圧か否かを判断する。
【００４６】
ここで、開放電圧について説明する。開放電圧とは、発電機器の出力端子に何も接続していない状態で測定される電圧である。発電機器の出力端子には、通常、負荷が接続されている。このとき、測定される電圧を動作電圧という。発電機器には内部抵抗が存在するため、何も接続していない状態でも電圧が測定される。これが、開放電圧である。
【００４７】
図３は、太陽光発電における一般的な電流と電圧の特性を示すグラフである。縦軸は電流を示し、横軸は電圧を示す。Ｖ1は、開放電圧の一例である。Ｖ2は、動作電圧の一例である。このように、開放電圧は、動作電圧よりも高い値となる。このように、開放電圧は、通常、動作電圧よりも高くなり、動作電圧とは区別することができる。
【００４８】
なお、開放電圧か否かは、例えば、仕様によって定められた図３のＶ1に近い値か否かによって判断することができる。また、太陽電池ストリング１３の測定された複数の線間電圧を比較し、他と比較して大きく異なる線間電圧が計測された場合に開放電圧が測定されたと判断してもよい。各太陽電池ストリング１３は、同じような環境で使用されており、同じような線間電圧となることが期待される。そのため、並列して接続する太陽電池ストリングの線間電圧を比較することにより、長期間の使用による劣化等が生じても高精度に開放電圧か否かを判断することができる。
【００４９】
接続部故障検出部３１は、開放電圧である太陽電池ストリング１３が存在すれば、その太陽電池ストリング１３について、発電した電力を供給するための電気的経路において、開放状態となる障害が生じていることがわかる。発電部故障検出部２７により、太陽電池ストリング１３自体には障害が検出されていない。そのため、接続部故障検出部３１は、信号入力部２３が診断信号を入力した位置よりも負荷等５側で、開放状態となる障害が生じたものと判断することができる。開放状態となる異常は、異常防止部１５の故障等（例えば、ヒューズの切断、逆流防止ダイオードの故障など）によって通常生じるものである。そのため、接続部故障検出部３１は、開放電圧が測定された太陽電池ストリング１３に対応する異常防止部１５において、開放状態となる障害が発生したと判断する。
【００５０】
開放電圧である太陽電池ストリング１３が生じていないならば、接続部故障検出部３１は、正常であることを通知する（ステップＳＴ８）。開放電圧である太陽電池ストリング１３が発見されたのであれば、これに対応する異常防止部１５の異常が発見されたことを通知する（ステップＳＴ９）。これらは、操作パネルなどに表示してもよく、遠隔地にあるサーバや端末などに通知してもよい。
【００５１】
なお、ステップＳＴ３、８及び９について、今後、例えば、太陽電池アレイに含まれる太陽電池ストリングが、複数の所有者等によって所有及び／又は管理されることも考えられる。このような場合、故障検出部１１は、各所有者等に対して、所有及び／又は管理する太陽電池ストリングについて、発電量や、発明者らが提案した故障診断手法等により得られたインピーダンスの値などを含めて通知するようにしてもよい。
【００５２】
また、図２では、太陽電池ストリング１３の故障検出の後、開放電圧か否かを判断した例について説明したが、開放電圧か否かを判断した後、太陽電池ストリングの故障検出をしてもよい。特に、異常防止部１５が開放状態にない場合には、微弱な電気が流れ、開放電圧が検出されないことがある。そのため、故障検出部１１が、太陽電池アレイ３と接続箱７との間に接続していることを利用して、太陽電池ストリング１３の故障を検出する前に、開放電圧であることを検出した段階で、異常防止部１５が開放状態であると判断してもよい。また、太陽電池ストリング１３の故障検出と開放電圧の検出を独立に行い、それらを総合して、太陽電池ストリング１３の故障と異常防止部１５の故障を判断してもよい。
【００５３】
また、図１では、複数の太陽電池ストリング１３が存在する場合について説明したが、本願発明は、例えば太陽電池ストリング１３が１つであってもよい。また、例えば、以前に測定された線間電圧と比較して、開放電圧か否かを判断してもよい。また、図２の処理は、例えば毎月１回のように定期的に繰り返してもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１  太陽光発電システム、３  太陽電池アレイ、５  負荷等、７  接続箱、９  リレー部、１１  故障検出部、１３  太陽電池ストリング、１５  異常防止部、２１  リレー制御部、２３  信号入力部、２５  反射波観測部、２７  発電部故障検出部、２９  発電部電圧測定部、３１  接続部故障検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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