JP2017143667A - アーク対応制御装置およびアーク対応制御方法 - Google Patents

アーク対応制御装置およびアーク対応制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】アークの誤検出および誤検出に伴う誤対応を低減する。
【解決手段】太陽光発電システム(100)において、主制御部(37)は、アーク類似ノイズが発生する期間、アークの検出を停止するようにアーク検出装置(40)を制御する。アーク類似ノイズが発生する期間の例としては、PCS(30)が起動してから電力系統(80)への電力供給を開始するまでの期間、および、発電装置(10)からPCS(30)に流れる電流(I)が急激に変化する期間が挙げられる。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば太陽光発電システムのような、直流電源を備えた発電システムにおけるアーク対応制御装置およびアーク対応制御方法に関する。
近年、再生可能エネルギーを有効利用するシステムとして、太陽光発電システムが多数建造されている。これに伴い、太陽光発電システムのアーク故障に起因した火災事故の報告も増加している。
太陽光発電システムでは、アークが発生した場合に、アークによる火災を防止するために、迅速に回路を遮断する必要がある。このために、太陽光発電システムは、システム内でのアークの発生を検出するアーク検出装置を備えている。
太陽電池ストリングを有し、パワーコンディショナ(パワーコンディショニングシステム(Power Conditioning System,PCS)とも称される)と接続されている太陽光発電システムにおいて、直列アークまたは並列アークであるアークが発生した場合にはアークによるノイズが生じる。この場合、太陽電池ストリング(直流電源)の出力線路には、パワーコンディショナのスイッチングノイズに対してアークによるノイズが重畳された信号が生じる。そこで、アーク検出装置は、上記出力線路の信号を取得し、その信号からアークの信号を取得してアークの発生を検出している。
この種のアーク検出装置には、特許文献1および2に開示された構成が知られている。特許文献1に開示された構成は、パワーコンディショナに接続された太陽光発電システムにおいて、太陽光発電システムを流れる電流を検出し、検出した電流のパワースペクトルを求め、求めたパワースペクトルから電気アークを検出している。
一方、特許文献2に開示された構成は、太陽電池ストリングの出力線路を流れる電流のパワースペクトルではなく、電圧のパワースペクトルを使用してアークを検出している。
米国特許公開公報US2012/0316804A1(2012年12月13日公開) 特開2014−134445号公報(2014年7月24日公開)
例えば、アークによるノイズ(アークノイズ)は、特許文献1の図4に記載されているように、ホワイトノイズであり、そのパワースペクトルは、フィルタの影響を受けて上に凸の形状となる。ところで、太陽電池からパワーコンディショナへの出力電流は一般に直流電流にほぼ単一の周波数の交流電流が重畳した波形となる。太陽電池自体は直流電源であるにも関わらず、交流電流が重畳するのはパワーコンディショナのDC/DCコンバータのスイッチングによる影響である。しかしながら、パワーコンディショナの動作状態、日射量の変化、などにより、アーク(上記の上に凸の形状)に類似した周波数成分のノイズであるアーク類似ノイズが発生する。このため、このアーク類似ノイズはアークノイズとして誤検出される恐れがある。
特許文献1および2では、パワーコンディショナのスイッチングノイズに起因したアークの誤検出を回避する技術を記載している。しかしながら、本願の発明者が確認したところ、パワーコンディショナの動作状態、日射量の変化、などによっては、上記誤検出を確実に回避することは困難であった。
したがって、本発明は、アーク類似ノイズによるアークの誤検出、および当該誤検出に伴う消弧動作などの誤対応を低減することができるアーク対応制御装置およびアーク対応制御方法の提供を目的としている。
前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアーク対応制御装置は、発電または充放電する直流電源と、前記直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置とを備えた発電システムにて発生するアークに対応するアーク対応装置を制御する制御部を備えるアーク対応制御装置であって、前記制御部は、アーク類似ノイズが発生する期間、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御することを特徴としている。
ここで、直流電源には、太陽光発電装置、蓄電器などが含まれる。また、電力変換装置には、直流電力を別の直流電力に変換する装置、直流電力を交流電力に変換する装置、およびこれらの組合せが含まれる。また、アーク対応装置には、アークを検出するアーク検出装置、アークを消弧するアーク消弧装置などが含まれる。
例えば起動時のように、前記電力変換装置の動作が変化する場合、上記のアーク類似ノイズが発生し、前記アーク対応装置は当該アーク類似ノイズをアークノイズとして、アークの誤検出、および当該誤検出に伴う消弧動作またはユーザへの報知(警告)などの誤対応を行う恐れがある。
これに対し、上記の構成によれば、前記アーク対応制御装置は、アーク類似ノイズが発生する期間、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御する。これにより、例えば、アーク類似ノイズが発生する期間、前記アーク検出装置における前記アークの検出をマスキングしたり、前記アークの検出を前記アーク消弧装置にて無視したり、前記アーク消弧装置における前記アークの消弧動作をマスキングしたりすることができる。それゆえ、アークの誤対応を低減することができる。
また、前記アーク類似ノイズが発生する期間は、前記電力変換装置が、起動してから、変換した電力を負荷に出力し始めるまでの期間であってもよい。
後述する通り、本願の発明者は、前記電力変換装置が、起動してから、変換した電力を負荷に出力し始めるまでの期間の動作状態(第1動作状態)において、前記アーク類似ノイズが発生して、前記アーク対応装置がアークの誤対応を行う可能性が高いことを見出した。
そこで、上記の構成によれば、第1動作状態において、前記アーク対応制御装置は、前記アークの消弧が行われないように前記アーク対応装置を制御する。これにより、例えば、第1動作状態において、前記アーク検出装置における前記アークの検出をマスキングすることができる。それゆえ、アークの誤対応を低減することができる。
また、前記直流電源から前記電力変換装置に供給される電流または電圧の時間的な変化の程度を示す指標である電気変化量を算出する算出部をさらに備えており、前記アーク類似ノイズが発生する期間は、前記算出部が算出した前記電気変化量が所定の閾値よりも大きい期間であってもよい。
後述する通り、本願の発明者は、前記電力変換装置における変換動作中に、前記直流電源からの電流が急激に時間変化した場合(第2動作状態)においても、前記アーク対応装置がアークの誤対応を行う可能性が高いことを見出した。
そこで、上記の構成によれば、第2動作状態(すなわち、前記電気変化量が所定の閾値よりも大きい場合)において、前記アーク対応制御装置は、前記アークの消弧が行われないように前記アーク対応装置を制御する。これにより、例えば、第2動作状態においても、前記アーク検出装置における前記アークの検出をマスキングすることができる。それゆえ、アークの誤対応を低減することができる。
なお、前記電流をI、前記電気変化量をD、時刻をtとして、前記電気変化量は、D=|dI/dt|として表される。すなわち、前記電気変化量は、前記電流の時間微分の大きさ(絶対値)として表されてもよい。
また、前記制御部は、前記電力変換装置における電力変換が停止された場合に、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御することが好ましい。
ところで、前記電力変換装置は、電力変換を停止した場合であっても、起動状態である場合には、前記アーク類似ノイズが発生することがある。例えば、前記電力変換装置と前記負荷との間に配置された接続用リレーの開閉チェックを実施する場合、前記アーク類似ノイズが発生する可能性がある。また、前記電力変換装置が、意図的に自立運転モードに変更する場合、電力変換を停止して起動状態に遷移する。このとき、リレーの切替が行われて、前記アーク類似ノイズが発生する可能性がある。
そこで、上記の構成によれば、前記アーク対応制御装置は、前記電力変換装置における電力変換が停止された場合に、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御するので、アークの誤検出に伴う誤対応をさらに低減することができる。
また、前記アーク対応装置は、前記アークを消弧するアーク消弧装置であってもよい。
上記の構成によれば、アークの検出により実行される動作として、アークの消弧動作が行われないように、アーク消弧装置を制御することができる。前記アークの消弧動作には、前記直流電源から前記電力変換装置への電力供給を遮断する動作が含まれる。このため、前記アークの消弧動作が行われると、前記発電システムにおける発電量が低下することになる。従って、上記の構成によれば、アークの誤検出による発電量の低下を抑制することができる。
また、前記アーク対応制御装置は、前記電力変換装置に設けられていてもよい。
上述のように、前記アーク類似ノイズは、前記電力変換装置の動作に応じて発生する可能性がある。また、前記アーク類似ノイズは、前記直流電源から前記電力変換装置への電流または電圧が急激に変化する場合に発生する可能性があり、当該電流および当該電圧は、前記電力変換装置にて計測されることが一般的である。
そこで、上記の構成によれば、前記アーク対応制御装置は、前記アーク類似ノイズが発生し得る状況を容易に把握することができるので、前記アークの消弧が行われないように前記アーク対応装置を効率よく制御することができる。
また、前記アーク対応制御装置は、前記アーク対応装置に設けられており、前記電力変換装置と通信可能であってもよい。
上記の構成によれば、前記アーク対応制御装置は、前記アーク対応装置に設けられていても、前記電力変換装置と通信可能であるので、前記アーク類似ノイズが発生し得る状況を把握することができ、その結果、前記アークの消弧が行われないように前記アーク対応装置を効率よく制御することができる。
また、本発明の一態様に係るアーク検出制御方法は、直流電源からの電力を変換する電力変換装置を備えた発電システムにて発生するアークに対応するアーク対応装置を制御するアーク対応制御方法であって、アーク類似ノイズが発生する期間、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御するステップを含むことを特徴としている。
上記の方法によれば、上記構成のアーク対応制御装置と同様の作用効果を奏することができる。
また、前記アーク対応制御装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記アーク対応制御装置が備える各部(ソフトウェア要素)として動作させることにより前記アーク対応制御装置をコンピュータにて実現させるアーク対応制御装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
本発明の一態様に係るアーク対応制御装置によれば、アークの誤対応を低減することが可能となるという効果を奏する。
また、本発明の一態様に係るアーク対応制御方法によっても、アークの誤対応を低減することが可能となるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る太陽光発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。 図1に示した太陽光発電システムの第1動作状態におけるアーク類似ノイズの発生を説明するための図であって、(a)は、電流波形を示す図であり、(b)は、(a)のポイントAにおける電流のパワースペクトルを示す図であり、(c)は、(a)のポイントBにおける電流のパワースペクトルを示す図である。 図2の対比図であって、(a)は、真のアークが発生した場合におけるDC/AC変換中の電流のパワースペクトルを示す図であり、(b)は、真のアークが発生していない場合におけるDC/AC変換中の電流のパワースペクトルを示す図である。 第2動作状態におけるアーク類似ノイズの発生を説明するための図であって、(a)は、電流波形を示す図であり、(b)は、(a)に示された「高周波成分発生」という部分における電流のパワースペクトルを示す図である。 第1動作状態におけるアークの誤検出を防止する処理の流れを例示する図である。 第2動作状態におけるアークの誤検出を防止する処理の流れを例示する図である。 本発明の実施形態2に係る太陽光発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
〔実施形態1〕
以下、本発明の実施形態1について、図1〜図6に基づいて説明する。図1は、本実施形態の太陽光発電システム100(発電システム)の概略的な構成を示すブロック図である。
(太陽光発電システム100の概要)
図1に示すように、太陽光発電システム100は、発電装置10(直流電源,太陽光発電装置)、アーク消弧装置16(アーク対応装置)、PCS30(電力変換装置)、およびアーク検出装置40(アーク対応装置)を備えている。また、発電装置10とPCS30とは、電路15(電力線路)によって接続されている。また、PCS30とアーク検出装置40とは、有線または無線を介して通信可能である。また、アーク検出装置40は、以下に述べる電流センサ20を備えている。
以下に示すように、太陽光発電システム100において、発電装置10は、太陽90からの光(太陽光)Lを受光し、直流電力を発電する。当該直流電力はPCS30において交流電力に変換され、電力系統80に供給される。このように、太陽光発電システム100は、電力系統80との系統連系が可能であるように構成されている。なお、電力系統80は、例えば周波数60Hz(または50Hz)の電力を流通させるための商用系統である。また、図1には示されていないが、発電装置10は、PCS30およびアーク検出装置40の電源としても利用される。
なお、本実施形態の太陽光発電システム100では、PCS30は電力系統80に系統連系しているが、後述の変形例において述べる通り、本発明の一態様に係る発電システムの技術的範囲はこれに限定されない。PCS30は、系統連系していないその他の負荷に電力供給してもよい。
(発電装置10、アーク消弧装置16、および電流センサ20)
発電装置10は、多数の太陽電池パネル11を直列接続した太陽電池ストリングである。あるいは、複数の太陽電池ストリングを並列接続した太陽電池アレイである。
図1では、電路15に流れる電流をIとして、電路15に印加される電圧をVとしてそれぞれ表す。電路15に異常が発生していない場合には、電流Iおよび電圧Vはいずれも直流にPCS30のスイッチングノイズが重畳された値となる。但し、電路15にアークが発生した場合等、またはPCS30の動作状態によっては、電流Iには高周波成分が含まれる。
アーク消弧装置16は、電路15に設けられている。アーク消弧装置16は、例えば遮断器であり、電路15の接続状態を切り替えるスイッチを備えている。アーク消弧装置16は、一対の電路15の一方に設けられた上記スイッチをOFFにすることにより、電路15に発生した直列アークを消弧することができる。また、一対の電路15間に設けられたスイッチをONにすることにより、電路15間で発生した並列アークを消弧することができる。何れの場合においても、発電装置10からPCS30への電力供給が停止されるので、太陽光発電システム100における発電量が低下することになる。
なお、アーク消弧装置16は、アーク検出装置40に設けられてもよいし、PCS30に設けられてもよい。また、アーク消弧装置16の動作(スイッチング)の制御は、アーク検出装置40(具体的には主制御部43)によって行われてもよい。但し、アーク消弧装置16の動作の制御を、PCS30(具体的には主制御部37)によって行うことも可能である。
電流センサ20は、電路15に設けられている。本実施形態では、電流センサ20は、電流Iの交流成分を検出するセンサであり、例えばCT(Current Transformer,変流器)であってもよい。電流センサ20によって検出された電流Iの交流成分の検出結果は、フィルタ41に与えられる。以下に述べるように、当該検出結果は、アーク検出装置40におけるアーク検出に利用される。
(PCS30)
PCS30は、測定回路31、電力変換回路34、主制御部37(アーク対応制御装置、制御部)、およびコンデンサC(入力コンデンサ)を備えている。
主制御部37は、PCS30の動作を統括的に制御する。また、主制御部37は、電圧判定部371、微分演算部372(算出部)、電流変化量判定部373、電力変換制御部374、およびアーク検出制御部375を備えている。なお、主制御部37が備える各部の動作については、後述する。
測定回路31は、電流計測部32および電圧計測部33を備えている。電流計測部32は、上述の電流Iを測定する。また、電圧計測部33は、上述の電圧Vを測定する。測定回路31によって測定された電流Iおよび電圧Vの測定結果は、主制御部37に与えられる。以下に示すように、主制御部37は、当該測定結果に基づいて、PCS30の動作を制御する。
また、電力変換回路34は、コンデンサCを介して、測定回路31と接続されている。コンデンサCが設けられることにより、電力変換回路34に対するサージ電圧の入力を防止することができる。
電力変換回路34は、DC/DCコンバータ35およびDC/ACコンバータ36を備えている。DC/DCコンバータ35は、直流電力を直流電力に変換(DC/DC変換)する回路であり、例えば昇圧チョッパである。
一例として、DC/DCコンバータ35は、発電装置10において発電された直流電力を、電圧がより高い直流電力に変換する。そして、DC/DCコンバータ35において変換された直流電力は、DC/ACコンバータ36に供給される。
DC/ACコンバータ36は、DC/DCコンバータ35から供給された直流電力を交流電力に変換する変換動作(DC/AC変換)を行う回路であり、例えばインバータである。一例として、DC/ACコンバータ36は、直流電力を、周波数60Hzの交流電力に変換する。そして、DC/ACコンバータ36において変換された交流電力は、電力系統80に供給される。
このように、電力変換回路34が設けられることにより、発電装置10において発電された直流電力を、電力系統80との系統連系が可能となる所定の電圧および周波数を有する交流電力に変換することができる。なお、後述するように、電力変換回路34の動作は、主制御部37によって制御される。
(アーク検出装置40)
アーク検出装置40は、上述の電流センサ20に加え、フィルタ41、AD変換部42、および主制御部43(アーク対応制御装置、制御部)を備えている。フィルタ41は、バンドパスフィルタ(Band Pass Filter,BPF)であり、電流センサ20において検出された電流Iの交流成分のうち、所定の周波数範囲(例えば所定の高周波範囲)のみを通過させる。
一例として、フィルタ41が通過させる周波数範囲は、40kHz〜100kHzである。これにより、電流センサ20において検出された電流Iの交流成分から、電力変換回路34に起因するノイズを多く含む周波数成分を排除できる。
AD変換部42は、フィルタ41を通過したアナログ信号としての電流信号をデジタル信号に変換し、主制御部43に与える。これにより、主制御部43におけるアーク検出のための各種の演算が可能となる。
主制御部43は、アーク検出装置40の動作を統括的に制御する。また、主制御部43は、FFT処理部44およびアーク判定部45を備えている。
FFT処理部44は、AD変換部42から供給されたデジタル信号としての電流信号に対してFFT(Fast Fourier Transform,高速フーリエ変換)を施し、当該電流信号のパワースペクトルを生成する。そして、FFT処理部44は、電流信号のパワースペクトルをアーク判定部45に与える。
アーク判定部45は、FFT処理部44から取得した電流信号のパワースペクトを分析し、アークに起因するノイズ(アークノイズ)が当該パワースペクトルに含まれているか否かを判定する。
例えば、アーク判定部45は、高周波成分において、所定のパワーレベル以上のノイズが存在している場合に、アークノイズが含まれていると判定する。なお、アーク判定部45によるアーク判定の手法としては、特許文献1や特許文献2に開示されている手法等、従来公知の手法を使用してもよい。
アーク判定部45は、アークノイズがパワースペクトルに含まれていると判定した場合、アークが発生したと判定する。但し、以下に述べるように、アーク判定部45がアークの発生を判定する場合には、本当にアークが発生した場合だけでなく、アーク類似ノイズが発生した場合が含まれている。
ここで、アーク類似ノイズとは、アーク発生時に生じるアークノイズに類似した高周波ノイズであり、太陽光発電システム100の所定の状態において発生するノイズである。従って、アーク判定部45が検出するアークは、正確にはアークの疑いがある被疑アークである。
(アーク類似ノイズが発生しやすいPCS30の動作状態)
続いて、アーク類似ノイズが発生しやすいPCS30の動作状態について説明する。以下に述べるように、本願の発明者は、PCS30の2通りの動作状態において、アーク類似ノイズが発生しやすいことを見出した。
(第1動作状態)
第1に、本願の発明者は、電力変換制御部374に電源が投入されてから(換言すれば、主制御部37に制御電源が投入されてから)、PCS30において電力変換が行われて、変換された電力の電力系統80への供給が開始されるまでの間に、アーク類似ノイズが発生しやすいことを見出した。以下、当該動作状態を、第1動作状態と称する。なお、主制御部37の制御電源は、PCS30の制御電源でもある。
図2は、第1動作状態におけるアーク類似ノイズの発生を説明するための図である。なお、図2の例では、真のアークは発生していないものとする。
図3は、図2の対比図(参考図)であり、アークノイズの発生を説明するための図である。なお、図3では、PCS30がDC/AC変換を行っている状態であり、かつ、電流Iがほぼ一定である状態(定電流状態)における電流Iのパワースペクトルが示されている。図2について説明する前に、まず、図3について説明する。
図3の(a)は、真のアークが発生した場合における、DC/AC変換中の電流Iのパワースペクトルを示すグラフである。図3の(a)に示されるように、比較的パワーレベルが高いノイズが、パワースペクトルの高周波領域に広域にわたって連続的に含まれている。
他方、図3の(b)は、真のアークが発生していない場合における、DC/AC変換中の電流Iのパワースペクトルを示すグラフである。図3の(b)に示されるように、パワースペクトルの高周波領域には、ノイズが連続的に含まれているものの、当該ノイズのパワーレベルは比較的低い。
従って、比較的パワーレベルが高いノイズが、パワースペクトルの高周波領域に広域にわたって含まれている場合、アークノイズがパワースペクトルに含まれていると判定することができる。
次に、図2の(a)は、制御電源の投入前からDC/AC変換の開始直前までの時間範囲における電流Iの波形を示すグラフである。図2の(a)において、ポイントAおよびポイントBは、制御電源の投入直後から電力系統80への電力供給が開始されるまでの時間範囲である。
図2の(b)は、図2の(a)のポイントAにおける電流Iのパワースペクトルを示すグラフである。図2の(b)に示されるように、アークが発生していないにも関わらず、比較的パワーレベルが高いノイズが、パワースペクトルの高周波領域の広域にわたって連続的に含まれている。すなわち、図2の(b)のパワースペクトルには、真のアークノイズでなく、アーク類似ノイズが含まれている。
また、図2の(c)は、図2の(a)のポイントBにおける電流Iのパワースペクトルを示すグラフである。図2の(c)に示されるように、比較的パワーレベルが高いノイズが、アークが発生していないにも関わらず、パワースペクトルの高周波領域の広域にわたって離散的に含まれており、このような状態が、ポイントBの時間範囲に継続している。すなわち、図2の(c)のパワースペクトルには、真のアークノイズでなく、アーク類似ノイズが含まれている。
ポイントA,Bのように、制御電源を投入してから、電力系統80への電力供給を開始するまでの間にアーク類似ノイズが発生する要因としては様々なものが考えられる。
例えば、日射量が多い時間帯に、発電装置10とPCS30との間に配置されたアーク消弧装置16のスイッチをONにした場合には、PCS30に含まれるコンデンサCに突入電流が流れ込み、アーク類似ノイズが発生する。
例えば、DC/DCコンバータ35を起動させた際に、初回スイッチング時に突入電流が発生し、アーク類似ノイズが発生することがある。例えば、電力系統80とPCS30との間に配置された接続用リレー(不図示)のON/OFF動作確認(開閉チェック)時に、アーク類似ノイズが発生することがある。
例えば、太陽光発電システム100が系統連系しておらず自立運転している場合に、DC/DC変換およびDC/AC変換を行うと、スイッチング動作が不安定になり、アーク類似ノイズが発生することがある。例えば、電力系統80とPCS30との間に配置された接続用のリレー(不図示)をONした場合に、突入電流が発生し、アーク類似ノイズが発生することがある。
以上のように、図2および図3(特に、図2の(b)および(c))によれば、第1動作状態においてアーク類似ノイズが発生しやすいことが理解される。
(第2動作状態)
第2に、本願の発明者は、PCS30における電力変換中(DC/AC変換中またはDC/DC変換中)に、電流Iおよび/または電圧Vが急激に時間変化した場合にも、アーク類似ノイズが発生しやすいことを見出した。以下、当該動作状態を、第2動作状態と称する。
図4は、第2動作状態におけるアーク類似ノイズの発生を説明するための図である。なお、図4の例では、真のアークは発生していないものとする。
図4(a)は、DC/AC変換の開始前後の時間範囲における電流Iの波形を示すグラフである。図4の(a)では、DC/AC変換の開始直後に、電流Iが急激に増大している。このような電流Iの急激な時間変化は、例えば、発電装置10に入射する光Lの光量が一時的に急激に変化した場合にも発生し得る。
図4の(b)は、図4の(a)に示された「高周波成分発生」という部分における電流Iのパワースペクトルを示すグラフである。図4の(b)に示されるように、比較的パワーレベルが高いノイズが、パワースペクトルの高周波領域の広域にわたって連続的に含まれている。すなわち、図4の(b)のパワースペクトルには、真のアークノイズでなく、アーク類似ノイズが含まれている。
なお、図4では、電流Iが急激に増大する場合にアーク類似ノイズが発生しやすいことを示しているが、電流Iが急激に減少する場合も同様であり、さらに、電圧Vが急激に変化(増大・減少)する場合も同様である。
以上のように、図3および図4(特に、図4の(b))によれば、第2動作状態においても、アーク類似ノイズが発生しやすいことが理解される。これらの点を踏まえ、本願の発明者は、以下に述べる通り、第1動作状態および第2動作状態におけるアークの誤検出を防止するための構成を新たに提案した。
(主制御部37の各部)
続いて、太陽光発電システム100おけるアークの誤検出を防止する処理の説明に先立ち、主制御部37が備える各部について述べる。
電圧判定部371は、電圧計測部33によって測定された電圧Vの値と、所定の閾値(後述の図5の閾値V0〜V3)との大小関係を比較する。なお、太陽光発電システム100では、電圧Vは日照条件によって変化することが一般的である。
微分演算部372は、電流計測部32によって測定された電流Iの値を取得し、当該電流Iの時間微分dI/dtを算出する。ここで、tは時刻である。一例として、微分演算部372は、dI/dt≒ΔI/Δtとして近似的な計算を行い、算出した値を時間微分dI/dtとしてもよい。ここで、Δtは微小時間であり、ΔIは時間Δtにおける電流Iの変化量である。なお、微分演算部372は、電流センサ20によって測定された電流Iの交流成分を取得し、dI/dtを算出してもよい。
さらに、微分演算部372は、dI/dtの絶対値(すなわち、|dI/dt|)を算出する。以降、D=|dI/dt|を電流変化量(電気変化量)と称する。電流変化量Dは、電流Iの時間的な変化の程度を示す指標であると理解してもよい。
電流変化量判定部373は、電流変化量Dと所定の閾値TH(後述の図6を参照)との大小関係を比較する。また、電力変換制御部374は、電力変換回路34の動作を制御する。また、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40の動作を制御する。
後述の図5において示されるように、太陽光発電システム100では、電圧判定部371および電流変化量判定部373における上述の大小関係の判定結果に基づいて、PCS30およびアーク検出装置40の動作状態が制御される。
(第1動作状態におけるアーク誤検出を防止する処理の一例)
図5は、太陽光発電システム100において、第1動作状態におけるアークの誤検出を防止する処理(S1〜S16)の流れを示すフローチャートである。
まず、図5の初期状態(S1の前)では、PCS30およびアーク検出装置40のいずれも動作が停止している。はじめに、電圧判定部371は、電圧Vが所定の閾値V0以上であるか(すなわち、V≧V0であるか)を判定する(S1)。なお、このS1は、例えば早朝(太陽光の光量が増加しつつある時間帯,日の出の時刻付近)のように、電圧Vが上昇する期間に行われることになる。
なお、閾値V0は、PCS30の制御電源を安定して動作させるために必要な電圧の値を基準に設定してもよい。従って、このS1は、電圧VがPCS30の制御電源を起動させるために十分な大きさまで増加したかを判定する処理であると理解してもよい。
そして、V≧V0である場合には(S1においてYES)、PCS30が起動し、主制御部37が動作を開始する(S2)。なお、V<V0である場合には(S1においてNO)、S1に戻る。
また、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40に指令を与え、当該アーク検出装置40を起動させる(S3)。S3の結果、アーク検出装置40の主制御部43は、アーク検出制御部375からの指令を受けて、他の各部を起動させる。なお、この時点では、アーク検出は開始されていない。
続いて、電圧判定部371は、電圧Vが所定の閾値V1以上であるか(すなわち、V≧V1であるか)を判定する(S4)。なお、閾値V1は、電力変換回路34におけるDC/AC変換の動作に必要な電圧の値を基準に設定してもよい。従って、このS4は、電圧Vが、電力変換回路34におけるDC/AC変換を安定して行うために十分な大きさまで増加したかを増加する処理であると理解してもよい。
そして、V≧V1である場合には(S4においてYES)、電力変換制御部374は、電力変換回路34を起動させ、DC/AC変換の準備を行う。このとき、図2の(b)および(c)に示すようなアーク類似ノイズが、電流Iに重畳されて、電流センサ20にて検出される可能性がある。しかしながら、アーク検出装置40は、アーク検出を開始していないので、アークの誤検出が発生しない。
そして、DC/AC変換の準備が完了すると、電力変換制御部374は、電力変換回路34にDC/AC変換を開始させる。また、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40に指令を与え、当該アーク検出装置40にアーク検出を開始させる(S5)。S5の結果、アーク検出装置40は、アーク検出制御部375からの指令を受けて、アーク検出を開始する(S7)。
なお、V<V1である場合には(S4においてNO)、S6に進む。この場合、電圧判定部371は、電圧Vが所定の閾値V3以下であるか(すなわち、V≦V3であるか)を判定する(S6)。このS6は、後述のS13と同様の処理であるので、閾値V3については、S13において述べる。
そして、V≦V3である場合には(S6においてYES)、後述のS14に進む。また、V>V3である場合には(S6においてNO)、S4に戻る。
以上のように、S3の直後からS7の直前までの期間は、アーク検出装置40が起動しているものの、アーク検出が行われない期間である。以降、当該期間をマスキング期間と称する。また、起動中のアーク検出装置40にアーク検出を行わせないように、当該アーク検出装置40を制御する処理を、マスキングと称する。
S5の結果、電力変換回路34は、DC/AC変換を行う(S8)。続いて、電圧判定部371は、電圧Vが所定の閾値V2以下であるか(すなわち、V≦V2であるか)を判定する(S9)。なお、このS9は、例えば夕方(太陽光の光量が減少しつつある時間帯)のように、電圧Vが降下する期間に行われることになる。
なお、閾値V2は、電力変換回路34におけるDC/AC変換の動作に必要な電圧の値を基準に設定してもよい。従って、このS9は、電圧VがDC/AC変換を続行できない程度の大きさまで低下したかを判定する処理であると理解してもよい。
そして、V≦V2である場合には(S9においてYES)、電力変換制御部374は、電力変換回路34にDC/AC変換を停止させる。また、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40に指令を与え、当該アーク検出装置40にアーク検出を停止させる(S10)。なお、V>V2である場合には(S9においてNO)、S9に戻る。
S10の結果、アーク検出装置40は、アーク検出制御部375からの指令を受けて、アーク検出を停止する。(S11)。また、電圧判定部371は、電力変換回路34におけるDC/AC変換の停止に伴い、制御電源のみを動作させる(S12)。
続いて、電圧判定部371は、電圧Vが所定の閾値V3以下であるか(すなわち、V≦V3であるか)を判定する(S13)。なお、このS13は、例えば日没の時刻付近(太陽光の光量が減少し、ほぼ0となる時間帯)のように、電圧Vが0に近づく期間に行われることになる。
なお、閾値V3は、PCS30の制御電源の最低限の動作に必要な電圧の値を基準に設定してもよい。従って、このS13は、電圧VがPCS30の制御電源の動作を継続できない程度の大きさまで低下したかを判定する処理であると理解してもよい。
そして、V≦V3である場合には(S13においてYES)、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40の電源をOFFにする(S14)。なお、V>V3である場合には(S13においてNO)、S13に戻る。
S14の結果、アーク検出装置40は、動作を停止する(S15)。また、S15に続いて、電圧判定部371はPCS30の主電源をOFFにする。これにより、PCS30も動作を停止する(S16)。前記のように、アーク検出装置40において、S11の直後からS15の直前までの期間も、マスキング期間である。
このように、上述のS1〜S16によれば、PCS30におけるDC/AC変換が開始された時点で、アーク検出装置40にアーク検出を開始させることができる。すなわち、アーク検出装置40におけるアーク検出の開始および終了のタイミングを、PCS30におけるDC/AC変換の開始および終了のタイミングに同期させることができる。
従って、上述の第1動作状態(PCS30の制御電源が投入され、DC/AC変換が開始されるまでの間)において、アーク検出装置40によるアーク検出が行われない。それゆえ、第1動作状態におけるアーク類似ノイズの誤検出を防止することが可能となる。
なお、上述のS1〜S16において、閾値V0〜V3の値は、太陽光発電システム100の設計者が適宜設定してもよい。但し、PCS30のチャタリングを防止するために、V1>V3として設定することが好ましい。
(第2動作状態におけるアーク誤検出を防止する処理の一例)
図6は、太陽光発電システム100において、第2動作状態におけるアークの誤検出を防止するS21〜S30の流れを示すフローチャートである。なお、図6のS21およびS22は、上述の図5のS5およびS7と同様であるため、説明を省略する。以下、S23〜S30について述べる。
なお、図6の初期状態(S21の前)では、PCS30およびアーク検出装置40のいずれも起動されている。
S22に続き、電流計測部32は電流Iを測定し(S23)。微分演算部372は電流変化量D=|dI/dt|を算出する(S24)。そして、電流変化量判定部373は、電流変化量Dが所定の閾値TH以下であるか(すなわち、D≦THであるか)を判定する(S25)。
このS25は、電流変化量Dが、アーク検出の判定において無視できない程度のアーク類似ノイズを生じさせるレベルに至っていないかを判定する処理であると理解してもよい。なお、閾値THは、第2動作状態における電流変化量Dとアーク類似ノイズとの関係を示す実験結果に基づいて、太陽光発電システム100の設計者によって適宜設定してもよい。
そして、D>THである場合には(S25においてNO)、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40に指令を与え、当該アーク検出装置40にアーク検出を停止させる(S26)。S26の結果、アーク検出装置40は、アーク検出制御部375からの指令を受けて、アーク検出を停止する(S27)。そして、S23に戻り、上述の処理を繰り返す。
他方、D≦THである場合には(S25においてYES)、アーク検出制御部375は、アーク検出装置40の動作状態を確認し、当該アーク検出装置40がアーク検出中であるかを判定する(S28)。
そして、アーク検出装置40がアーク検出中でない場合には(S28においてNO)、アーク検出制御部375は、アーク類似ノイズによるアークの誤検出の可能性があると判断して、アーク検出装置40に指令を与え、当該アーク検出装置40にアーク検出を開始(再開)させる(S29)。
S29の結果、アーク検出装置40は、アーク検出制御部375からの指令を受けて、アーク検出を開始する(S30)。そして、S23に戻り、上述の処理を繰り返す。なお、前記のように、アーク検出装置40において、S27の直後からS30の直前までの期間は、マスキング期間である。
なお、アーク検出装置40がアーク検出中でない場合には(S28においてYES)、S23に戻り、上述の処理を繰り返す。
このように、上述のS21〜S30によれば、電流変化量Dが閾値THを上回った場合(D>THである場合)には、アーク検出装置40にアーク検出を停止させることができる。
従って、上述の第2動作状態(DC/AC変換中に、電流Iが急激に時間変化した場合)において、アーク検出装置40によるアーク検出が行われない。それゆえ、第2動作状態におけるアーク類似ノイズの検出を誤防止することが可能となる。
(太陽光発電システム100の効果)
以上のように、本実施形態の太陽光発電システム100では、アーク検出制御装置(アーク検出制御部375)が設けられることにより、第1動作状態および第2動作状態のそれぞれにおいて、アーク検出装置40におけるアーク検出をマスキングすることができる。それゆえ、アーク検出装置40におけるアーク類似ノイズの誤検出を低減することができるため、太陽光発電システム100におけるアークの誤検出を低減することが可能となる。その結果、誤検出されたアークの消弧を行うために、太陽光発電システム100が電力系統80への電力供給を停止する回数を低減することが可能となる。
また、上記アーク検出制御装置がPCS30に設けられることにより、アーク類似ノイズが発生し得る状況を容易に取得(把握)することができる。それゆえ、アークの検出を停止するようにアーク検出装置40を効率よく制御することができる。
なお、アーク検出制御装置は、アーク類似ノイズが発生する期間、アークの検出により実行される動作を停止させてもよい。例えば、アーク検出制御装置は、アーク類似ノイズが発生する期間、アーク消弧装置16の動作を停止させてもよい。この場合、アークの消弧が行われないので、太陽光発電システム100が電力系統80への電力供給を停止する回数を低減することが可能となる。
また、上記アーク対応制御装置は、アーク類似ノイズが発生する期間、アークの検出を無視するように、アーク消弧装置16に指示してもよい。この場合でも、アークの消弧が行われないので、太陽光発電システム100が電力系統80への電力供給を停止する回数を低減することが可能となる。
なお、本実施形態では、アークに対応するアーク対応装置として、アーク検出装置40およびアーク消弧装置16を例示しているが、アーク対応装置はこれらに限定されない。例えば、アーク対応装置は、アークが発生したことをユーザに報知(警告)する報知部であってもよい。
当該報知部は、警告画像を表示することによって視覚的に報知を行う表示部であってもよい。また、当該報知部は、警告音を発することによって聴覚的に報知を行うスピーカであってもよい。
このように、アーク検出制御装置は、アークに対応するアーク対応装置に対し、アーク類似ノイズが発生する期間、アークの検出により実行される動作(当該動作は、アークの検出自体を含む)が行われないように制御するものであればよい。これにより、アーク類似ノイズによるアークの誤検出、および、当該誤検出に伴う消弧動作またはユーザへの報知などの誤対応を低減することができる。
なお、PCS30とアーク検出装置40とが通信可能であれば、アーク検出制御部375を、アーク検出装置40の主制御部43に設けることもできる。この場合、アーク検出制御部375は、アーク類似ノイズが発生し得る状況を、PCS30から取得することができ、それゆえ、アークの検出を停止するようにアーク検出装置40を制御することができる。
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図7に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図7は、本実施形態の太陽光発電システム200(発電装置)の概略的な回路構成を示す図である。図7に示されるように、本実施形態の太陽光発電システム200は、実施形態1の太陽光発電システム100において、(i)PCS30をPCS30a(電力変換装置)に置き換えるとともに、(ii)アーク検出装置40を除外したものである。
そして、図7に示されるように、本実施形態のPCS30aは、実施形態1のPCS30において、(i)主制御部37を主制御部37a(アーク検出制御装置)に置き換えるとともに、(ii)アーク消弧装置16、電流センサ20、フィルタ41が付加されたものである。そして、本実施形態の主制御部37aは、実施形態1の主制御部37に、AD変換部42、FFT処理部44、およびアーク判定部45が付加されたものである。
このように、本実施形態の太陽光発電システム200では、実施形態1の主制御部43の機能が、主制御部37aに付加されている。すなわち、太陽光発電システム200では、PCS30aの動作を制御する主制御部37aに、アーク検出装置の動作を制御する主制御部(実施形態1の主制御部43)の機能が併有されている。
つまり、本実施形態の太陽光発電システム200は、アーク検出制御装置が一体としてPCSに設けられている点において、実施形態1の太陽光発電システム100と相異している。
太陽光発電システム200によれば、アーク検出装置にアーク検出制御装置(主制御部)を設ける必要がないため、アーク検出装置の構成を単純化することができる。それゆえ、アーク検出装置の小型化および低コスト化を実現することが可能となる。また、本実施形態では、アーク検出装置がPCSに内蔵されているため、PCSの高機能化が可能となる。
〔付記事項〕
なお、上述の実施形態1または2では、電流計測部32が電流Iの交流成分を検出する機能を有していてもよい。この場合、電流センサ20を省略することができる。
なお、マスキング期間は、図5・6に示されるものに限定されない。電力変換回路34が動作を変化する場合、上記アーク類似ノイズが発生する恐れがあるので、電力変換回路34が動作を変化するその他の期間もマスキング期間としてもよい。
また、上述の実施形態1および2では、太陽光発電システムを例示して説明を行ったが、本発明の一態様に係る発電システムは、太陽光発電システムに限定されない。本発明の一態様に係る発電システムは、直流電力を発電し、当該直流電力を変換する機能を有していればよい。
例えば、本発明の一態様に係る発電システムにおける発電装置は、水素燃料と空気中の酸素との電気化学反応により、水素燃料を利用して電気エネルギー(直流電力)を得ることが可能な燃料電池装置であってもよい。また、本発明の一態様に係る発電システムにおける発電装置は、種々の発電装置により発生した電気エネルギーを蓄積(充電)し放電する蓄電池、キャパシタなどの蓄電器であってもよい。
なお、本発明の一態様に係る発電システムは、必ずしも電力系統との系統連系が可能であるように構成される必要はない。例えば、本発明の一態様に係る発電システムは、電力変換路から出力される直流電力または交流電力を、当該電力を受電可能な負荷機器に供給するように構成されてもよい。
〔ソフトウェアによる実現例〕
太陽光発電システム100および200の制御ブロック(特に主制御部37、37a、および43)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
後者の場合、太陽光発電システム100および200は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するCPU、前記プログラムおよび各種データがコンピュータ(またはCPU)で読み取り可能に記録されたROM(Read Only Memory)または記憶装置(これらを「記録媒体」と称する)、前記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などを備えている。そして、コンピュータ(またはCPU)が前記プログラムを前記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。前記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、前記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して前記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、前記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
〔付記事項〕
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
10 発電装置(直流電源,太陽光発電装置)
15 電路(電力線路)
16 アーク消弧装置(アーク対応装置)
30,30a PCS(電力変換装置)
37,37a 主制御部(アーク対応制御装置、制御部)
40 アーク検出装置(アーク対応装置)
43 主制御部
44 FFT処理部
45 アーク判定部
80 電力系統
100,200 太陽光発電システム(発電システム)
371 電圧判定部
372 微分演算部(算出部)
373 電流変化量判定部
374 電力変換制御部
375 アーク検出制御部

Claims (9)

  1. 発電または充放電する直流電源と、前記直流電源から供給される電力を変換する電力変換装置とを備えた発電システムにて発生するアークに対応するアーク対応装置を制御する制御部を備えるアーク対応制御装置であって、
    前記制御部は、アーク類似ノイズが発生する期間、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御することを特徴とするアーク対応制御装置。
  2. 前記アーク類似ノイズが発生する期間は、前記電力変換装置が、起動してから、変換した電力を負荷に出力し始めるまでの期間であることを特徴とする請求項1に記載のアーク対応制御装置。
  3. 前記直流電源から前記電力変換装置に供給される電流または電圧の時間的な変化の程度を示す指標である電気変化量を算出する算出部をさらに備えており、
    前記アーク類似ノイズが発生する期間は、前記算出部が算出した前記電気変化量が所定の閾値よりも大きい期間であることを特徴とする請求項1または2に記載のアーク対応制御装置。
  4. 前記制御部は、前記電力変換装置における電力変換が停止された場合に、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のアーク対応制御装置。
  5. 前記アーク対応装置は、前記アークを消弧するアーク消弧装置であることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のアーク対応制御装置。
  6. 前記アーク対応制御装置は、前記電力変換装置に設けられていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のアーク対応制御装置。
  7. 前記アーク対応制御装置は、前記アーク対応装置に設けられており、前記電力変換装置と通信可能であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のアーク対応制御装置。
  8. 直流電源からの電力を変換する電力変換装置を備えた発電システムにて発生するアークに対応するアーク対応装置を制御するアーク対応制御方法であって、
    アーク類似ノイズが発生する期間、前記アークの検出により実行される動作が行われないように前記アーク対応装置を制御するステップを含むことを特徴とするアーク対応制御方法。
  9. 請求項1に記載のアーク対応制御装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。
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