JP5546507B2 - 故障診断装置、電力変換装置および故障診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、故障診断装置、電力変換装置および故障診断方法に関する。

太陽光発電用パワーコンディショナ（以下、パワコンと略す）においては、太陽電池出力であるＤＣ（Direct current）電源を、一般には系統電源である交流電源に接続することを目的として、太陽電池からの入力については、ＤＣ−ＤＣコンバータによる降圧／昇圧／直結回路等からなる入力を１チャンネル以上備え、系統電源である交流電源へ逆潮流させる為のＡＣインバータを備える。パワコンは、所定の太陽電池入力電圧範囲においては前記ＤＣ−ＤＣコンバータを動作させ、前記ＡＣインバータの入力電源用に、所定の電圧目標に基づいて電圧変換が行われるとともに素子能力を越えないように電流制御されている。またＡＣインバータにおいても、系統電源の電圧と連系するために、ＡＣ電圧制御とともに電流制御を行っている。このように、パワコンでは、系統電源に対し、高効率の電力変換効率とともに安定した電力供給を実現するための構成を有している。

しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路においては、接続される太陽電池の設置容量や日射量にともなう電力パターンの変化から、入力される電圧および電流範囲が広範囲に分布する。このため、制御に使用する電圧／電流測定部の正常範囲が大きくなり、自己診断検証が困難であった。また、複数の入力チャンネルを備える場合には、各入力チャンネルの発電パターンが異なることや、パワコンの発電出力開始時点では発電していない入力源も存在している場合もあることや、早朝での日射量が少なく発電電力が少ない起動条件では電流量も少ないこと等により、電流計測系の自己診断検証は困難であった。

このような電圧／電流の計測は、一般に制御用コンピュータによりデジタル制御される。このため、各種の電気計測センサーの回路出力はＡ／Ｄ変換器にてデジタル数値化して演算される構成となっており、数値演算により、ＤＣ計測では平均値、ＡＣ計測においては実効値、を求める演算がなされてこれらの演算結果が所定の入力範囲であるか否かを自己検証している。

また、下記特許文献１では、電力変換回路の故障診断において、３相電力変換回路の電流値の各２線の和が０値になる場合は、１回路が断線していると判断する例がのべられており、個々の計測部の異常検出機能では計測値演算結果から故障判定する例が述べられている。

特開２０００−１７５４５４号公報

上記特許文献１によれば、スイッチング素子が故障状態であるか否かを、検出回路または回路ブロックの入力電流の総和を基準値と比較する方法が述べられている。しかしながら、太陽電池のような各種電力発生パターンをもつパワコンにおいては、判定基準値が広範囲となることから、故障判定基準を設定することが出来ない、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、太陽光発電用パワーコンディショナ等のように入力される電力パターンが多様でかつ複数の入力電力を有する電力変換装置の故障診断を行うことができる故障診断装置、電力変換装置および故障診断方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置の故障を診断する故障診断装置であって、前記入力電力ごとに入力電力値を計測する入力電力計測部と、前記出力電力の出力電力値を計測する出力電力計測部と、前記出力電力値と、前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率との乗算結果と、の差が所定の範囲内であるか否かに基づいて前記電力変換装置の故障を診断する、ことを特徴とする。

本発明によれば、太陽光発電用パワーコンディショナ等のように入力される電力パターンが多様でかつ複数の入力電力を有する電力変換装置の故障診断を行うことができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１の電力変換システムの構成例を示す図である。 図２は、電力変換効率情報の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１の故障診断処理手順の一例を示すフローチャートである。 図４は、実施の形態２の電力変換システムの構成例を示す図である。

以下に、本発明にかかる故障診断装置、電力変換装置および故障診断方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかる電力変換システムの実施の形態１の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換システムは、入力装置１−１，１−２と、電力変換装置２と、負荷３と、を備える。本実施の形態の電力変換システムは、例えば太陽光発電用パワーコンディショナ等であり、電力変換の対象となる入力電力の電力発生パターンが多様な場合を想定しているが、電力発生パターンが多様な場合に限定されない。

入力装置１−１，１−２は、例えば太陽電池等のように、直流電力を出力する装置である。電力変換装置２は、入力装置１−１，１−２から入力された直流電力を交流電力に変換して負荷３へ供給する。

図１に示すように、電力変換装置２は、入力電力計測部２１−１，２１−２と、故障診断部２２と、出力電力計測部２３と、電力変換部２４と、を備える。入力電力計測部２１−１，２１−２は、それぞれ電流計測部２１１、電圧計測部２１２および演算部２１３を備え、演算部２１３が、電流計測部２１１、電圧計測部２１２の計測結果に基づいて入力電力を求める。出力電力計測部２３も同様に、電流計測部２３１、電圧計測部２３２および演算部２３３を備え、演算部２３３が、電流計測部２３１、電圧計測部２３２の計測結果に基づいて出力電力を求める。

入力電力計測部２１−１，２１−２は、それぞれ入力装置１−１，１−２から入力される電力を計測する。具体的には、例えば、入力装置１−１は、入力される電流Ｉｓ＃１および電圧Ｖｓ＃１を計測し、これらに基づいて電力Ｐin＃１を求め、入力装置１−２は、入力電流Ｉｓ＃２および入力電圧Ｖｓ＃２を計測し、これらに基づいて入力電力（入力電力値）Ｐin＃２を求める。電力変換部２４は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する。出力電力計測部２３は、電力変換部２４から出力される出力電力（出力電力値）Ｐｏを計測する。具体的には、例えば、出力される出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏを計測し、これらに基づいて出力電力Ｐｏを求める。

入力電力計測部２１−１，２１−２と、故障診断部２２と、出力電力計測部２３と、は、本実施の形態の故障診断装置を構成する。

なお、図１では、入力装置の数を２台としているが、入力装置の数はこれに限定されない。ただし、入力装置の数に応じて電力変換装置２の入力電力計測部を備えることとする。

次に、本実施の形態の故障診断部２２の動作を説明する。本実施の形態の故障診断部２２は、電力変換装置２の動作モード（例えば、最大電力追従モード、昇圧・降圧動作モードなど）ごとに設定した電力変換効率を電力変換効率情報として保持している。図２は、故障診断部２２が保持している電力変換効率情報の一例を示す図である。このように、動作モードに対応して電力変換効率を設定しておく。また、さらに、電力変換部内のＤＣコンバータの各種モードや発生電力量に応じて電力変換効率を設定してもよい。この場合、例えば、電力変換効率情報として考慮する条件の組み合わせごとに対応して電力変換効率を定めておいてもよいし、入力条件に応じて計算式を用いて電力変換効率が求められるように計算式を定めておいてもよい。

図３は、本実施の形態の故障診断部２２が実施する故障診断処理手順の一例を示すフローチャートである。故障診断部２２は、故障診断処理が開始されると、まず、その時点での動作モードを取得する（ステップＳ１）。次に、故障診断部２２は、電力変換効率情報を参照して、取得した動作モードに対応する電力変換効率ηを設定する（ステップＳ２）。

故障診断部２２は、入力電力計測部２１−１，２１−２から入力電力Ｐin＃１、Ｐin＃２を取得してこれらの総和としてＰinを求めるとともに、出力電力計測部２３から出力電力Ｐｏを取得する（ステップＳ３）。そして、故障診断部２２は、出力電圧の推定値であるＰin×ηを求め、Ｐｏ＝Ｐin×ηであるか否かを判断する（ステップＳ４）。なお、この際、Ｐin×ηとＰｏが完全に一致しているか否かを判断する必要はなく、例えばＰｏがＰin×ηに対して±Ｘ％以内であるか否かにより判断する等、誤差等を考慮して適宜判断条件を設定しておけばよい。

Ｐｏ＝Ｐin×ηであると判断した場合（ステップＳ４ Ｙｅｓ）、故障診断部２２は、電力変換装置２が正常であると診断（判定）し（ステップＳ５）、処理を終了する。Ｐｏ＝Ｐin×ηでないと判断した場合（ステップＳ４ Ｎｏ）、故障診断部２２は、電力変換装置２に故障が生じていると診断し（ステップＳ６）、所定の故障処理を実施し（ステップＳ７）、処理を終了する。なお、所定の故障処理は、どのような処理でもよいが、例えば、故障であることをユーザに通知を行う処理や電力変換の動作を停止する処理等を行う。

以上のように、本実施の形態では、入力電力計測部２１−１，２１−２が入力装置１−１，１−２からそれぞれ電力変換装置２へ入力される入力電力を測定し、出力電力計測部２３が電力変換装置２から出力される出力電力を測定する。そして、故障診断部２２が、入力電力の総和と、出力電力と、動作モードごとに設定された電力変換効率と、に基づいて電力変換装置２が故障であるか否かを判断するようにした。このため、太陽光発電用パワーコンディショナ等のように入力される電力パターンが多様でかつ複数の入力電力を有する場合にも電力変換装置の故障診断を行うことができる。また、このように、故障と判断した場合に動作の停止等を実施することにより、従属故障を防ぐことができる。さらに、個々の電力計測部が自己検証回路を設けることなく、１つの演算部にて故障診断を実施するため、安価にシステムを実現することが可能となる。

なお、入力電力計測部２１−１，２１−２および出力電力計測部２３のうち１つ以上を計測精度の異なる独立した計測系を複数備え、故障診断部２２は、２組以上の独立した計測系の計測結果に基づいて上述の故障診断を行うようにしてもよい。これにより、例えば、各々計測系による計測結果を比較することにより計測精度を検証することができる。具体的には、例えば、複数ある計測系により得られた計測値（実測値）と推定値（複数ある計測系のいづれか一つを対象として得られる入力または出力の演算値）とを比較検証できる。

実施の形態２．
図４は、本発明にかかる電力変換システムの実施の形態２の構成例を示す図である。本実施の形態の電力変換システムは、実施の形態１の電力変換装置２を電力変換装置２ａに代え、電流計測部４−１，４−２，６と、電圧計測部５−１，５−２，７と、を追加する以外は実施の形態１の電力変換システムと同様である。実施の形態１と同様の機能を有する構成要素は、実施の形態１と同一の符号を付して説明を省略する。

実施の形態１では、電力変換装置２内で入力電力および出力電力の計測を行ったが、本実施の形態では、電力変換装置２ａの外部に電流計測部４−１，４−２，６および電圧計測部５−１，５−２，７を備え、外部で計測した結果を電力変換装置２ａが通信回線等により取得して故障診断を行う。

図４に示すように、本実施の形態の電力変換装置２ａは、電力変換部２４と、演算部２５−１，２５−２と、故障診断部２６と、を備える。演算部２５−１は、電流計測部４−１および電圧計測部５−１により計測された電流Ｉｓ＃１および電圧Ｖｓ＃１を取得して、これらに基づいて電力Ｐin＃１を求める。演算部２５−２は、電流計測部４−２および電圧計測部５−２により計測された電流Ｉｓ＃２および電圧Ｖｓ＃２を取得して、これらに基づいて電力Ｐin＃２を求める。本実施の形態では、演算部２５−１，２５−２、故障診断部２６、電流計測部４−１，４−２，６および電圧計測部５−１，５−２，７により故障診断装置を構成する。

故障診断部２６は、電流計測部６および電圧計測部７により計測された電流Ｉｏおよび電圧Ｖｏを取得して、これらに基づいてＰｏを求めるとともに、実施の形態１の故障診断部２２と同様の故障診断処理を実施する。以上述べた以外の本実施の形態の動作は実施の形態１と同様である。

なお、本実施の形態では、故障診断部２６が、電流計測部６および電圧計測部７により計測された電流Ｉｏおよび電圧Ｖｏを取得して、これらに基づいてＰｏを求める出力電力演算部としての機能と、実施の形態１の故障診断部２２と同様の機能と、を備えるようにしたが、出力電力演算部を故障診断部２６とは別に備えるようにしてもよい。

本実施の形態においても、電流計測部４−１，４−２，６および電圧計測部５−１，５−２，７の少なくとも１つ以上について計測精度の異なる独立した計測系を複数備えるようにしてもよい。

このように、計測系を電力変換装置２ａの外部に備えることで、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、安価にシステムを構築することができる。

１−１，１−２ 入力装置
２，２ａ 電力変換装置
３ 負荷
４−１，４−２，６，２１１，２３１ 電流計測部
５−１，５−２，７，２１２，２３２ 電圧計測部
２１−１，２１−２，２１３，２３３ 電力計測部
２２，２６ 故障診断部
２３ 出力電力計測部
２４ 電力変換部
２５−１，２５−２ 演算部

Claims (7)

1. 複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置の故障を診断する故障診断装置であって、
   前記入力電力ごとに入力電力値を計測する入力電力計測部と、
   前記出力電力の出力電力値を計測する出力電力計測部と、
   前記出力電力値と、前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率との乗算結果と、の差が所定の範囲内であるか否かに基づいて前記電力変換装置の故障を診断する、ことを特徴とする故障診断装置。
2. 前記故障診断部は、前記電力変換装置の動作モードと電力変換効率との対応を変換効率情報として保持し、前記電力変換装置の動作モードと前記変換効率情報に基づいて前記所定の電力変換効率を設定する、ことを特徴とする請求項１に記載の故障診断装置。
3. 前記入力電力計測部、前記出力電力計測部のうち少なくとも１つの計測部は、計測精度の異なる独立した２以上の計測系を有し、
   前記故障診断部は、前記２以上の計測系の計測結果を比較することにより、計測精度を検証する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の故障診断装置。
4. 複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置の故障を診断する故障診断装置であって、
   前記入力電力ごとに入力電力値を計測する入力電力計測部と、
   前記出力電力の出力電力値を計測する出力電力計測部と、
   前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率とに基づいて出力電力の推定値を求め、前記出力電力値と前記推定値との差に基づいて前記電力変換装置の故障を診断する故障診断部と、
   を備えることを特徴とする故障診断装置。
5. 複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置であって、
   前記入力電力ごとに入力電力値を計測する入力電力計測部と、
   前記出力電力の出力電力値を計測する出力電力計測部と、
   前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率とに基づいて出力電力の推定値を求め、前記出力電力値と前記推定値との差に基づいて前記電力変換装置の故障を診断する故障診断部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置であって、
   前記電力変換装置の外部で計測された前記入力電力の電流値および電圧値を取得し、前記電流値および前記電圧値に基づいて入力電力ごとの入力電力値を求める演算部と、
   前記電力変換装置の外部で計測された前記出力電力の電流値および電圧値を取得し、当該電流値および電圧値に基づいて前記出力電力の出力電力値を求める出力電力演算部と、
   前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率とに基づいて出力電力の推定値を求め、前記出力電力値と前記推定値との差に基づいて前記電力変換装置の故障を診断する故障診断部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
7. 複数の入力電力を電力変換して出力電力を生成する電力変換装置の故障を診断する故障診断方法であって、
   前記入力電力ごとに入力電力値を計測する入力電力計測ステップと、
   前記出力電力の出力電力値を計測する出力電力計測ステップと、
   前記入力電力値の総和と所定の電力変換効率とに基づいて出力電力の推定値を求め、前記出力電力値と前記推定値との差に基づいて前記電力変換装置の故障を診断する故障診断ステップと、
   を含むことを特徴とする故障診断方法。

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