JP6005775B2

JP6005775B2 - 太陽光発電システム

Info

Publication number: JP6005775B2
Application number: JP2015025460A
Authority: JP
Inventors: 節雄酒井; 重英廣岡; 斗志吉川
Original assignee: 株式会社ニプロン
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JP2015106419A

Description

本発明は、太陽光発電システムにおいて、太陽電池ストリングの異常を容易に検知するストリングコンバータに関する技術分野に属する。

近年、原子力発電の安全性、火力発電における二酸化炭素排出における環境破壊に関心が強まっている。このようななか、太陽光発電に注目が集まっている。一般家庭においても太陽電池パネルを複数枚直列若しくは並列またはその両方でつなぎ、所望の電力を得ることができるようにしているところもある。

太陽電池ストリングが正常な状態であるか、故障・不具合のある状態であるかは、当該太陽電池ストリングの電流―電圧特性または電力―電圧特性を見て、通常の特性と異なっていないか確認し、異なっていれば故障であると判断する方法が知られている。例えば、図７で示したような電流―電圧特性を考える。破線で示した特性が異常のない、通常の太陽電池ストリングの電流―電圧特性である。一方、故障や不具合が発生した太陽電池を含む太陽電池ストリングの電流―電圧特性は図７の実線で示したもののように、正常な特性と形状が大きく異なる。なお、太陽電池ストリングとは、複数の太陽電池モジュールを直列で配線したものをいう。

また、特許文献１では、複数の太陽電池モジュールを直列に接続された太陽電池ストリングを複数個並列して接続した太陽電池アレイを備えた発電システムにおいて故障や不具合がある太陽電池を検出して報告する技術が開示されている。

特開平７−３３４７６７

しかしながら、上記従来の方法においては、太陽電池の設置時や定期的なメンテナンス時には太陽電池の電流―電圧特性や電力―電圧特性を測定する専用の装置を実際に太陽電池に接続し検査する方法を用いるため、手間がかかるという問題点がある。
また、特許文献１で開示されている方式は、複数の太陽電池ストリングを相互に比較する手法であるため、正確に動作させようとすると、多くの太陽電池ストリングが必要であり、少ない太陽電池ストリングで応用するにあたり、難点がある。
本発明は、上記問題を解決し、上記専用の装置を使用することなく、また、少ない数の太陽電池ストリングで簡易に太陽電池の故障や不具合を検出するストリングコンバータを提供することを目的とする。

本発明に係る、太陽電池が接続されている最大電力点追従制御を行なうストリングコンバータは、外部からの通信により入力電圧位置を動的に変更する機能を備えている。

前記入力電圧位置を変更する機能により、太陽電池の製造直後ではなく、ストリングコンバータに設置されている状態で太陽電池の不良・故障を検知することができるので、経年劣化など設置後に発生した故障や不具合の有無を容易な方法で検査することができる。

上述のストリングコンバータにおいて、外部からの通信により入力電圧位置を動的に変更したときの入力電圧と入力電流を計測し、動作制御用コンピュータに前記太陽電池の電流―電圧特性、または、電力―電圧特性を表示させることができる。

前記制御用コンピュータに表示される、太陽電池の電流−電圧特性、または、電力―電圧特性の特性カーブは、正常時の特性カーブと比較すると、不良発生した時に特性カーブの形状に変化が現れる。この変化を利用し、特性カーブの画像情報を比較する事により、容易に太陽電池の劣化を判断する事が可能である。画像情報の比較は、コンピュータを使用した画像処理を利用した方法の他に、目視での確認も有効な手段である。なお、画像処理とは、測定データを形として捉え、その形と、太陽電池が正常な時の特性カーブの形との差異を見つける処理を指す。

本発明に係る、接続されている太陽電池の最大電力点追従制御を行なうストリングコンバータにおいて、毎日指定された時刻に指定された入力電圧位置における、入力電圧と入力電流を測定し、過去の一定期間単位の最大測定値を代表値とし、現在の測定値が、過去の一定期間の代表値より、入力電力に一定量以上減少方向に変化がある状態が一定期間続いた場合に前記太陽電池に異常があると判断する。

これにより、太陽電池がストリングコンバータに繋がれている状態で、自動的に、太陽電池が故障しているかどうかを判定することができる。なお、比較対象となる代表値の計測期間は、周辺環境や検出感度など用途に合わせて変更することが望ましい。

本発明に係る、接続されている太陽電池の最大電力点追従制御を行なうストリングコンバータにおいて、毎日指定された時刻に、ストリングコンバータの出力側の電流値を測定し、他のストリングコンバータの測定値と比較し、一定以上差が生じていれば、前記太陽電池に異常があると判断する。

これにより、他の太陽電池ストリングに繋がれているストリングコンバータからの出力電流値を比較することで、太陽電池ストリングの故障や不具合を少ない数の太陽電池ストリングで故障・不具合判定を行なうことができる。

また、前記太陽電池に異常があると判断された場合、異常を示す情報を通信により動作制御用コンピュータに送信することが好ましい。

これにより、太陽電池が繋がれているストリングコンバータにおいて太陽電池に異常が発生した場合、その情報を通信により、動作制御用コンピュータに送信し、利用者に知らせることができる。

以上のように本発明によれば、専用の機器を使用せず、容易な方法で、接続された太陽電池の故障や不具合の有無を調べることができるストリングコンバータを提供することができる。

本発明の第１実施形態と第２実施形態に係るストリングコンバータを備えたシステムの構成例を示したブロック図である。本発明の第１実施形態の例を説明するフローチャートである。本発明の第２実施形態の例を説明するフローチャートである。本発明の第３実施形態に係るストリングコンバータを備えたシステムの構成例を示したブロック図である。本発明の第３実施形態において出力電流値測定手段２２の動作例を説明するフローチャートである。本発明の第３実施形態において比較手段１８の動作例を説明するフローチャートである。本発明の背景技術と第１実施形態を説明するのに用いた太陽電池ストリングの電流―電圧特性の図である。本発明の第２実施形態を説明するのに用いた太陽電池ストリングの電流―電圧特性の図である。

以下、図面を用いて、実施するための形態を説明する。図１は本発明の第１実施形態と第２実施形態に係るストリングコンバータを備えたシステムの構成例を示し、図４は第３実施形態に係るストリングコンバータを備えたシステムの構成例を示している。

ストリングコンバータ本体部１１は、接続されている太陽電池ストリング１７からの電圧を所望の電圧に設定する回路を有したものである。入力電圧変換DC-DCコンバータ１２、入力電圧制御部１３、通信インターフェイス１４を備えている。

入力電圧変換DC-DCコンバータ１２としては、太陽電池ストリング１７から入力される入力電圧を入力電圧制御部１３からの信号により変更することができるDC-DCコンバータがある。このコンバータは、電界効果トランジスタ等、外部からの信号を用いてオン・オフ状態を切り替えることができる素子を用いることにより実現することができる。印加するゲートパルスのデューティー比を変化させることにより、入力電圧を制御することができる。

入力電圧制御部１３は、入力電流値測定手段２０、入力電圧測定手段２１を備えていて、入力電流値測定手段２０、入力電圧測定手段２１や動作制御用コンピュータ１６からのデータに基づき、太陽電池ストリング１７からの電圧値を決定する、ゲートパルス等の信号を入力電圧変換DC-DCコンバータ１２に対し送信する機能を有する。通常は、入力電流値測定手段２０と入力電圧測定手段２１からの測定値に基づきMPPT制御を行なう。これは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等で構成される制御用マイクロコンピュータ等で実現することができる。なお、ゲートパルス等の信号は、例えば入力電圧変換DC-DCコンバータ１２が昇圧回路であれば、入力電圧位置を決定づける電界効果トランジスタに印加するゲートパルス等が挙げられる。

通信インターフェイス１４としては、外部と長距離の通信ができる、シリアル通信を主体としたインターフェイスであり、特に、Wi-Fi等の無線LANといったものが挙げられる。入力電圧制御部１３は、この通信インターフェイスを用いて、有線または無線で動作制御用コンピュータ１６と通信する。

外部負荷１５としては、誘導負荷、ランプ負荷、抵抗負荷、若しくはそれらの組み合わせ、または、商用電力系統などがある。

動作制御用コンピュータ１６としては、通常用いられるコンピュータである。通信で受け取ったデータをディスプレイに表示することができる。また、ストリングコンバータ１１内の入力電圧制御部１３に対し、太陽電池ストリング１７からの入力電圧位置を指定した値に変更するように入力電圧変換DC-DCコンバータ１２に対し与える、ゲートパルスのデューティー比を変更するよう入力電圧制御部１３に対しデータを送信することもできる。

太陽電池ストリング１７としては、太陽電池を複数枚直列に接続したものを指す。ここでは、太陽電池３０〜３３を直列に接続したものである。なお、太陽電池は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを電力に変換する部分である。なお、太陽電池がただ１つからなるものでも当然よい。

比較手段１８としては、２つの出力電流値測定手段２２で測定される電流値を比較し、一定以上の差が現れた場合、当該比較手段１８に繋がれているどちらかのストリングコンバータ本体部１１に繋がれている太陽電池ストリング１７が異常であると判断する。また、異常である旨のデータを動作制御用コンピュータ１６へ送信する。これは、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ等で構成される制御用マイクロコンピュータ等で実現することができる。

以下、本発明に係る第１実施形態について、図１を用いて説明する。この実施形態におけるストリングコンバータ１１は、入力電圧変換DC-DCコンバータ１２、入力電圧制御部１３、通信インターフェイス１４、動作制御用コンピュータ１６を備えている。

制御方法について、図２を用いて説明する。ストリングコンバータ本体部１１に繋がれている太陽電池ストリング１７の故障や不具合の有無を調べたいときは、動作制御用コンピュータ１６から入力電圧制御部１３に対して、太陽電池ストリング１７からの入力電圧位置を公称開放電圧に変更させるように信号を送る。入力電圧制御部１３は、指定された入力電圧位置となるように、入力電圧変換DC-DCコンバータ１２に信号を送信する(Step1_1)。そのときの太陽電池ストリング１７からの入力電圧と入力電流をサンプリングする(Step1_2)。その後、測定結果を動作制御用コンピュータ１６に送信する(Step1_3)。動作制御用コンピュータ１６は受信した測定結果を表示する。このとき、縦軸が電流や電力、横軸が電圧とするグラフ形式で表示させるとよい。この方法を用いて、太陽電池ストリング１７の電力―電圧特性や、電流―電圧特性の概形が分かるように、入力電圧値が低くなる方向へ、0Vまで100点程度取得し、各々のデータを動作制御用コンピュータ１６に送信する。なお、入力電圧位置の変更方向は、公称開放電圧から0Vに動かす方向に限らず、0Vから公称開放電圧に動かすなど、接続されている太陽電池ストリングの特性が分かる方法であれば、方法を問わない。
この表示された情報をもとに、当該太陽電池ストリング１７に故障や不具合があるかを目視で判断する。
正常な太陽電池ストリングの電流―電圧特性を図７の破線、不具合や故障が発生したときの特性の典型例を実線で示した。上記のような操作を経て、実線で示したような波形が確認できたとき、当該太陽電池ストリング１７は異常であると判断すればよい。

次に本発明に係る第２実施形態について、図１を用いて説明する。この実施形態の構成は第１実施形態と同様である。

制御方法について、図３を用いて説明する。入力電圧制御部１３は、内蔵されているプログラムにより、毎日のあらかじめ指定した時刻に太陽電池ストリング１７からの入力電圧位置を、あらかじめ指定した値となるように、入力電圧変換DC-DCコンバータ１２に信号を送る(Step2_1)。この時、故障や不具合が生じた時に電流値の変化が大きい、図８で示した点Ａ付近を指定するとよい。その後、入力電圧と入力電流を測定する(Step2_2)。

過去１か月の最大測定値を代表値I_maxとし、測定した電流値が代表値I_maxより20%以上減少していれば、専用カウンタCntを１だけ加算する(Step2_3)。前月入力電流値より、20%以上減少している状態でなければ、専用カウンタを０に初期化する(Step2_4)。専用カウンタが3以上であれば、入力電圧制御部１３は通信により動作制御用コンピュータ１６に、太陽電池アレイに故障または不具合が生じている旨の信号を送信する(Step2_5)。図８は、太陽電池ストリング中の太陽電池に異常が発生した時の電流―電圧特性を表している。前月の電流値I_nに対し、今月の電流値I_bが低下している。ここで、I_b < I_n*0.8であれば、専用カウンタを１だけ加算することになる。
なお、入力電流に限らず、入力電流に入力電圧を掛けた値、すなわち入力電力で評価してもよい。
また、前記説明での減少比率20%などの値は、本動作を説明する為の設定であって、10%または25%の様に任意の値でも良い。この値を変更することにより、不良検出の感度を変えることが可能である。周辺環境や操作者の判断により適切な値にすることが望ましい。なお、比較対象となる代表値の計測期間は、ここでは１か月としたが、周辺環境や検出感度など用途に合わせて変更することが望ましい。

次に本発明に係る第３実施形態について、図４を用いて説明する。この実施形態におけるストリングコンバータ１１は、入力電圧変換DC-DCコンバータ１２、入力電圧制御部１３、通信インターフェイス１４、動作制御用コンピュータ１６、比較手段１８で構成される。

制御方法については図５と図６を用いて説明する。本発明の実施に当たっては、比較手段１８に、検査を行なう時刻をあらかじめROMに記憶させておくとよい。毎日の指定された時刻に、出力電流値測定手段２２により、ストリングコンバータ１１から出力される電流値を測定する(Step3_1)。比較手段１８は、２つの出力電流値測定手段２２で測定された電流値を比較する(Step4_1)。差の絶対値が、値の大きい方の電流値の２０％以上であれば、当該比較手段１８に繋がれているどちらかのストリングコンバータ本体部１１に繋がれている太陽電池ストリング１７に異常があるとみなし、動作制御用コンピュータ１６に異常を知らせる信号を送信する(Step4_2)。その信号を受け取った動作制御用コンピュータ１６は、当該ストリングコンバータに繋がれている太陽電池ストリングに故障・不具合があった旨を表示する。

前記、検査方法では、図４によりストリングコンバータ本体部１１おける出力電流値測定手段２２で測定された電流値の実測値を比較している。
ストリングコンバータが設置される場合、太陽電池ストリングにおける太陽電池の直列接続数が全て同数に揃っていない場合が考えられる。
この場合、第３実施形態の条件では、当初より電流値の差が発生するため、不具合の検出が出来ない。
このような場合は、出力電流値測定手段２２で測定された、互いに近傍にある２つの太陽電池ストリング１７からの初期状態の電流値の比率を記憶し、毎日測定している電流値の比率が、初期状態の比率に対し20％以上変化した状態となった場合、当該比較手段１８に繋がれているどちらかのストリングコンバータ本体部１１に繋がれている太陽電池ストリング１７に異常があるとみなす方法が有効である。

また、前記説明での20%などの値は、本動作を説明する為の設定であって、10%または25%の様に任意の値でも良い。周辺環境や操作者の判断により適切な値にすることが望ましい。

１１ストリングコンバータ本体部
１２入力電圧変換DC-DCコンバータ
１３入力電圧制御部
１４通信インターフェイス
１５外部負荷
１６動作制御用コンピュータ
１７太陽電池ストリング
１８比較手段
２０入力電流値測定手段
２１入力電圧値測定手段
２２出力電流値測定手段
３０〜３３太陽電池

Claims

接続されている太陽電池の最大電力点追従制御を行なうストリングコンバータを２つ備えた太陽光発電システムにおいて、
前記２つのストリングコンバータの初期状態の電流値の比率を予め記憶し、毎日指定された時刻に、前記２つのストリングコンバータの出力側の電流値を測定し、その測定された２つの電流値の比率が、前記記憶された初期状態の比率に対して一定以上差が生じた場合、前記太陽電池に異常があると判断する太陽光発電システム。
前記２つのストリングコンバータにそれぞれ繋がれた前記太陽電池は、互いに近傍に配置されている請求項１に記載の太陽光発電システム。