JP6140527B2 - 太陽光発電向けストリングモニタシステム - Google Patents

Description

本発明は、複数のストリングモニタを有する太陽光発電向けストリングモニタシステムに関する。

複数枚の太陽電池パネル（モジュール）を直列接続してなる太陽電池ストリング（string）を複数備え、これら太陽電池ストリングの出力をインバータで交流電力に変換して負荷へ供給する太陽光発電システムが知られている。

各太陽電池ストリングとインバータとの間には、各太陽電池ストリングを並列接続するための筐体いわゆる接続箱が配置される（例えば特許文献１）。また、接続箱には、各太陽電池ストリングの状態を監視するためのストリングモニタが配設される。

ストリングモニタは、各太陽電池ストリングを接続するための複数の接続端子を備え、これら接続端子に接続される各太陽電池ストリングの電流や電圧などを検出し、その検出結果を外部の機器に知らせる。接続端子の個数は、例えば８個、１２個、１６個、２０個などがある。

接続対象となる太陽電池ストリングの個数が例えば８個であれば、同じ８個の接続端子を持つストリングモニタが採用される。接続対象となる太陽電池ストリングの個数が例えば１０個であれば、８個の接続端子では足りないので、新たに１２個の接続端子を持つストリングモニタが採用される。

特開２００８−９１８０７号公報

環境や負荷の変化に伴い、太陽電池ストリングを増やしたり減らすことがある。太陽電池ストリングが増える場合には、既設のストリングモニタに加えて新たなストリングモニタが増設される。

ただし、太陽電池ストリングの増加数が例えば１つや２つの場合でも、８個や１２個の接続端子を持つストリングモニタを増設しなければならない。ストリングモニタは、電流や電圧などの検出手段を接続端子と同じ数だけ有し、接続端子の数が多いほど価格が高くなる。このため、太陽電池ストリングの増加数によっては、新たなストリングモニタを増設することがコストの無駄な上昇となる。

本発明の目的は、各太陽電池ストリングの状態をコストの無駄な上昇を生じることなく的確に監視できる太陽光発電向けストリングモニタシステムを提供することである。

請求項１の太陽光発電向けストリングモニタシステムは、複数枚の太陽電池パネルを直列に接続してなる太陽電池ストリングを複数備えた太陽光発電システムにおいて、前記各太陽電池ストリングの状態を監視しその監視結果をそれぞれ報知するストリングモニタと、前記ストリングモニタの追加に伴う同ストリングモニタの接続および前記ストリングモニタの除去に伴う同ストリングモニタの切離が他の機器に影響を与えることなく自在なデータバスと、を備える。

本発明の太陽光発電向けストリングモニタシステムは、各太陽電池ストリングの個数に変化があってもその各太陽電池ストリングの状態をコストの無駄な上昇を生じることなく的確に監視できる。

一実施形態の全体的な構成を示すブロック図。 一実施形態における開閉器およびストリングモニタの構成を示すブロック図。 一実施形態における第１電流センサの出力特性を示す図。 一実施形態における第２電流センサの出力特性を示す図。 一実施形態における差動増幅回路の出力電圧を示す図。 一実施形態における交流差動増幅回路の出力電圧を示す図。 一実施形態における開閉器の構成および電流経路を示す図。 一実施形態における太陽電池ストリングの出力ラインが断線した場合の電流経路を示す図。 図８においてダイオードがないと仮定した場合の電流経路を参考に示す図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１において、１は太陽電池ストリングで、複数の太陽電池パネル（ＰＶ）２を直列接続して構成される。この太陽電池ストリング１が太陽光の当たる場所に並べて配置され、これら太陽電池ストリング１から離れたところに１つまたは複数の接続箱１０が設置される。そして、所定数の太陽電池ストリング１が接続箱１０において並列接続され、その接続箱１０がパワーコンディショナ（集電箱ともいう）２０に接続される。これら太陽電池ストリング１、接続箱１０、およびパワーコンディショナ２０により、大規模な太陽光発電システム（メガソーラーシステムともいう）が構成される。そして、接続箱１０に設けた後述の少なくとも各ストリングモニタ１３、通信マスタユニット１４、データバス１５等を構成要素として、太陽光発電向けストリングモニタシステムが構成される。

太陽電池パネル２は、太陽光を受けてその太陽光のエネルギを直流電力に変換する。接続箱１０は、各太陽電池ストリング１の出力ラインＬ１，Ｌ２を互いに接続して各太陽電池ストリング１の出力を集めるところで、各太陽電池ストリング１の個々に対応する複数の安全回路１１、複数の開閉器１２、複数のストリングモニタ１３を収容するとともに、１つの通信マスタユニット１４および１つの制御用電源回路１６を収容している。各ストリングモニタ１３と通信マスタユニット１４とはデータバス１５で接続される。

データバス１５は、ストリングモニタ１３の追加に伴う同ストリングモニタ１３の接続およびストリングモニタ１３の除去に伴う同ストリングモニタ１３の切離を当該システムの動作中であっても他の接続中のストリングモニタ１３など他の機器に影響を与えることなく自在とするもので、例えば、後述のシリアルデータライン（ＳＤＡ）１５ａおよびシリアルクロックライン（ＳＣＬ）１５ｂからなる２線式双方向のシリアルバスいわゆるＩ²Ｃ（アイ・シー・ツー；登録商標）を後述のグラウンド用の信号ライン１５ｇと共に含む。

安全回路１１は、避雷器などの各種保護部品を含む。開閉器１２は、半導体スイッチ素子により出力ラインＬ１，Ｌ２を開閉する。

ストリングモニタ１３は、各太陽電池ストリング１の出力ラインＬ１，Ｌ２の個々に対応して設けられ、対応する太陽電池ストリング１の状態を監視し、その監視結果をデータバス１５を介して通信マスタユニット１４に報知するとともに、その監視結果に応じて開閉器１２を制御する。通信マスタユニット１４は、各ストリングモニタ１３の報知を受けてその報知内容をパワーコンディショナ２０の通信マスタユニット２３に転送する。

制御用電源回路１６は、各接続箱１０における開閉器１２、ストリングモニタ１３、通信マスタユニット１４の動作に必要な直流電圧（例えば２４Ｖ）を出力する。

パワーコンディショナ２０は、各接続箱１０から延設された出力ラインＬ１，Ｌ２を相互に接続して全ての太陽電池ストリング１の出力電力を集め、集めた電力を交流電力に変換して負荷３０に供給するもので、蓄電ユニット２１、インバータ２２、および通信マスタユニット２３を有する。

蓄電ユニット２１は、複数の蓄電池を含み、各太陽電池ストリング１の出力電圧により充電される。インバータ２２は、蓄電ユニット２１の充電電圧を所定周波数の交流電圧に変換し、出力する。通信マスタユニット２３は、データ通信用の信号ライン２４を介して各接続箱１０の通信マスタユニット１４に接続されるとともに、データ通信用の信号ライン２５を介して上位の監視ユニット４０に接続され、各通信マスタユニット１４と外部機器例えば監視ユニット４０との間のデータ送受信を行う。

監視ユニット４０は、負荷３０を運用する組織たとえば電力会社のサーバであり、通信マスタユニット２３から送られるデータをディスプレイに表示して監視員に知らせる。

開閉器１２およびストリングモニタ１３の具体的な構成を図２に示す。
開閉器１２は、太陽電池ストリング１の正側出力ラインＬ１にドレイン・ソース間が挿入接続されたＮ型ＭＯＳＦＥＴ（第１Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ）６１、太陽電池ストリング１の正側出力ラインＬ１における上記Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１よりも下流側の位置にソース・ドレイン間が挿入接続されたＭＯＳＦＥＴ（第２Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ）６２、および当該開閉器１２の動作に必要な直流電圧を出力する直流電源６３を有し、この直流電源６３の電圧を抵抗６４およびフォトトランジスタ６５ｂのコレクタ・エミッタ間を介して抵抗６６に印加し、その抵抗６６に生じる電圧をＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のゲート・ソース間に印加するとともに、直流電源６３の電圧を抵抗６７およびフォトトランジスタ６８ｂのコレクタ・エミッタ間を介して抵抗６９に印加し、その抵抗６９に生じる電圧をＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のゲート・ソース間に印加する。

Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２は、寄生ダイオード６１ｄ，６２ｄをそれぞれ有する。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６２は、寄生ダイオード６２ｄを有する。フォトトランジスタ６５ｂは、フォトダイオード６５ａと共にフォトカプラを構成する。フォトトランジスタ６８ｂは、フォトダイオード６８ａと共にフォトカプラを構成する。フォトダイオード６５ａ，６８ａは、ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０に接続され、そのマイクロコンピュータ１２０よって発光が制御される。

フォトダイオード６５ａ，６８ａが発光するとフォトトランジスタ６５ｂ，６８ｂがオンし、これに伴いＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２がオンする。これにより、太陽電池ストリング１の出力電流がＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のドレイン・ソース間およびＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のソース・ドレイン間を通ってストリングモニタ１３側に流れる。

フォトダイオード６５ａの非発光時はフォトトランジスタ６５ｂがオフし、これに伴いＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１がオフする。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１がオフすると、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１の寄生ダイオード６１ｄによって太陽電池ストリング１からの入力電流が阻止される。

フォトダイオード６８ａの非発光時はフォトトランジスタ６８ｂがオフし、これに伴いＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２がオフする。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６２がオフすると、パワーコンディショナ２０から太陽電池ストリング１に向かう電流（逆流）がＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２の寄生ダイオード６２ｄによって阻止される。

ストリングモニタ１３は、電流トランス５１，５２、電流センサ（第１電流センサ）５３、電流センサ（第２電流センサ）５４、電流センサ（第３電流センサ）５５、差動増幅回路７０、交流差動増幅回路８０，９０，１００、電圧検出回路１１０、マイクロコンピュータ１２０、および報知手段例えば発光ダイオード１２２，１２３を含む。

電流トランス５１は、出力ラインＬ１，Ｌ２における開閉器１２より上流側位置に配置され、出力ラインＬ１，Ｌ２のそれぞれの電流の差に対応するレベルの電圧を出力する。この出力が交流差動増幅回路９０に供給される。電流トランス５２は、当該ストリングモニタ１３の出力側における出力ラインＬ１，Ｌ２に配置され、出力ラインＬ１，Ｌ２のそれぞれの電流の差に対応するレベルの電圧を出力する。この出力が交流差動増幅回路１００に供給される。

電流センサ５３は、正側出力ラインＬ１の電流が生じる磁界を検知し、検知した磁界の強さに応じたレベルの電圧を出力するホール素子であり、太陽電池ストリング１側から流入する電流が負極に入り正極から出ていく極性で配置される。

すなわち、電流センサ５３は、太陽電池ストリング１側から流入する電流が負極に入り正極から出ていく極性で配置されているので、図３に示すように、太陽電池ストリング１側から流入する順方向の電流（正電流）に関しては太陽電池ストリング１の定格電圧Ｖccの中点（Ｖcc／２）から下降方向にレベル変化する電圧を出力し、パワーコンディショナ２０側から流入する逆方向の電流（逆流）に関しては中点（Ｖcc／２）から上昇方向にレベル変化する電圧を出力する。この出力がマイクロコンピュータ１２０、差動増幅回路７０、および交流差動増幅回路８０に供給される。

電流センサ５４は、負側出力ラインＬ２の電流が生じる磁界を検知し、検知した磁界の強さに応じたレベルの電圧を出力するホール素子であり、パワーコンディショナ２０側からの電流が正極に入り負極から出ていく極性で配置される。

すなわち、電流センサ５４は、パワーコンディショナ２０側からの電流が正極に入り負極から出ていく極性で配置されているので、図４に示すように、パワーコンディショナ２０側から流入する順方向の電流（負電流）に関しては中点（Ｖcc／２）から上昇方向にレベル変化する電圧を出力し、太陽電池ストリング１側から流入する逆方向の電流（逆流）に関しては中点（Ｖcc／２）から下降方向にレベル変化する電圧を出力する。レベル変化の方向が、電流センサ５３の出力電圧のレベル変化と逆である。この電流センサ５４の出力がマイクロコンピュータ１２０および差動増幅回路７０に供給される。

電流センサ５５は、負側出力ラインＬ２の電流が生じる磁界を検知し、検知した磁界の強さに応じたレベルの電圧を出力するホール素子であり、パワーコンディショナ２０側から流入する電流が負極に入り正極から出ていく極性で配置される。

すなわち、電流センサ５５は、パワーコンディショナ２０側から流入する電流が負極に入り正極から出ていく極性で配置されているので、電流センサ５３と同じく図３に示すように、パワーコンディショナ２０側から流入する順方向の電流（負電流）に関しては中点（Ｖcc／２）から下降方向にレベル変化する電圧を出力し、太陽電池ストリング１側から流入する逆方向の電流（逆流）に関しては中点（Ｖcc／２）から上昇方向にレベル変化する電圧を出力する。この出力が交流差動増幅回路８０に供給される。

差動増幅回路７０は、入力抵抗（第１，第２入力抵抗）７１ａ，７１ｂを演算増幅器７２の反転入力端（−）と非反転入力端（＋）に接続し、その非反転入力端（＋）に抵抗７３を介してオフセット電源７４のオフセット電圧を加え、かつ演算増幅器７２の出力端と反転入力端（−）との間に帰還抵抗７５を接続したもので、図５に示すように、電流センサ５３の出力電圧と電流センサ５４の出力電圧との差に応じたレベルの電圧を演算増幅器７２の出力端とグラウンドラインGndとの間に出力する。

電流センサ５３，５４の出力電圧は電流の値に応じて一方が下降方向に変化し他方は上昇方向に変化するので、正側出力ラインＬ１に流れる電流の値と負側出力ラインＬ２に流れる電流の値との差を差動増幅回路７０で増幅して取出すことができる。この出力がマイクロコンピュータ１２０に供給される。

マイクロコンピュータ１２０は、差動増幅回路７０の出力電圧（演算増幅器７２の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）が図５に示す設定値Ｖａ以上の場合、電流が順方向に正常に流れていると判定するとともに、その電圧レベルから電流の値を知る。差動増幅回路７０の出力電圧が設定値Ｖａ未満であれば、電流が逆流していると判定するとともに、その電圧レベルから逆流電流の値を知る。逆流は、太陽電池ストリング１に太陽光が当たらなくなって太陽電池ストリング１の出力電圧が低下した場合に蓄電ユニット２１から発生する。

マイクロコンピュータ１２０は、差動増幅回路７０の出力電圧をアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換して内部のＣＰＵ１２１に取込む。入力抵抗７１ａ，７１ｂの選定によって差動増幅回路７０のゲインを適宜に設定し、かつオフセット電源７４のオフセット電圧を適宜に調整することにより、マイクロコンピュータ１２０におけるＡ／Ｄ変換部のレンジをいっぱいに使って電流検出の分解能を高めることが可能である。電流検出の要求レベルが例えば２０（Ａ）から３０（Ａ）あるいは３０（Ａ）から２０（Ａ）というように大きく変わる場合には、入力抵抗７１ａ，７１ｂによって差動増幅回路７０のゲインを適宜に調整することにより、その要求レベルに適切に対応することができる。

交流差動増幅回路８０は、電流センサ５３の出力電圧と電流センサ５５の出力電圧との差分が生じる抵抗８１を有し、その抵抗８１の電圧を入力コンデンサ８２ａ，８２ｂおよび入力抵抗８３ａ，８３ｂを介して演算増幅器８４の反転入力端（−）と非反転入力端（＋）に入力し、その非反転入力端（＋）に抵抗８５を介してオフセット電源８６のオフセット電圧を加え、かつ演算増幅器８４の出力端と反転入力端（−）との間に帰還抵抗８７を接続し、電流センサ５３の出力電圧と電流センサ５５の出力電圧との差分を高倍率で増幅するもので、その差分に応じたレベルの電圧を演算増幅器８４の出力端とグラウンドラインGndとの間に出力する。

交流差動増幅回路８０に入力される電流センサ５３の出力電圧および電流センサ５５の出力電圧は、電流センサ５３，５５が互いに同じ極性をもって出力ラインＬ１，Ｌ２に配置されているので、電流の値に応じて同方向にレベル変化する。出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じていない場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに同じ値となるので、図６に示すように、交流差動増幅回路８０の出力電圧（演算増幅器８４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）はほぼ設定値Ｖｂを維持する。

出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じた場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに異なる値となり、その両電流の差が交流差動増幅回路８０により高倍率で増幅され、交流差動増幅回路８０の出力電圧が設定値Ｖｂより高い値へ瞬時的に大きく上昇する。この出力がマイクロコンピュータ１２０に供給される。

交流差動増幅回路９０は、電流トランス５１に生じる電圧を抵抗９１で受けてそれを入力コンデンサ９２ａ，９２ｂおよび入力抵抗９３ａ，９３ｂを介して演算増幅器９４の反転入力端（−）と非反転入力端（＋）に入力し、その非反転入力端（＋）に抵抗９５を介してオフセット電源９６のオフセット電圧を加え、かつ演算増幅器９４の出力端と反転入力端（−）との間に帰還抵抗９７を接続し、電流トランス５１に生じる電圧を高倍率で増幅して演算増幅器９４の出力端とグラウンドラインGndとの間に出力する。

出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じていない場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに同じ値となるので、交流差動増幅回路８０の出力電圧を示す図６と同じく、交流差動増幅回路９０の出力電圧（演算増幅器９４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）はほぼ設定値Ｖｂを維持する。出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じた場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに異なる値となり、その両電流の差が交流差動増幅回路９０により高倍率で増幅され、交流差動増幅回路８０の出力電圧が設定値Ｖｂより高い値へ瞬時的に大きく上昇する。この出力がマイクロコンピュータ１２０に供給される。

交流差動増幅回路１００は、電流トランス５２に生じる電圧を抵抗１０１で受けてそれを入力コンデンサ１０２ａ，１０２ｂおよび入力抵抗１０３ａ，１０３ｂを介して演算増幅器１０４の反転入力端（−）と非反転入力端（＋）に入力し、その非反転入力端（＋）に抵抗１０５を介してオフセット電源１０６のオフセット電圧を加え、かつ演算増幅器１０４の出力端と反転入力端（−）との間に帰還抵抗１０７を接続したもので、電流トランス５２に生じる電圧を高倍率で増幅して演算増幅器１０４の出力端とグラウンドラインGndとの間に出力する。

出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じていない場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに同じ値となるので、交流差動増幅回路８０の出力電圧を示す図６と同じく、交流差動増幅回路１００の出力電圧（演算増幅器１０４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）はほぼ設定値Ｖｂを維持する。出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が生じた場合は正側出力ラインＬ１の電流と負側出力ラインＬ２の電流が互いに異なる値となり、その両電流の差が交流差動増幅回路１００により高倍率で増幅され、交流差動増幅回路１００の出力電圧が設定値Ｖｂより高い値へ瞬時的に大きく上昇する。この出力がマイクロコンピュータ１２０に供給される。

電圧検出回路１１０は、正側出力ラインＬ１と負側出力ラインＬ２との間に接続された抵抗（第１抵抗）１１１および抵抗（第２抵抗）１１２の直列回路、この直列回路の抵抗１１２に生じる電圧を増幅する演算増幅器たとえばボルテージフォロワ１１３、および上記抵抗１１２から負側出力ラインＬ２にかけての接続ラインに順方向に挿入接続されたダイオード１１４を有し、出力ラインＬ１，Ｌ２間の電圧の値に応じたレベルの電圧をボルテージフォロワ１１３の出力端とグラウンドラインGndとの間に出力する。この出力がマイクロコンピュータ１２０に供給される。

マイクロコンピュータ１２０は、データバス１５のシリアルデータライン（ＳＤＡ）１５ａおよびシリアルクロックライン（ＳＣＬ）１５ｂに接続されるとともに、グラウンドラインGndおよびデータバス１５のグラウンド用の信号ライン１５ｇに接続され、電流センサ５３，５４，５５の出力電圧、差動増幅回路７０（演算増幅器７２の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）の出力電圧、交流差動増幅回路８０の出力電圧（演算増幅器８４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）、交流差動増幅回路９０の出力電圧（演算増幅器９４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）、交流差動増幅回路１００の出力電圧（演算増幅器１０４の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）、電圧検出回路１１０の出力電圧（ボルテージフォロワ１１３の出力端とグラウンドラインGndとの間の電圧）をそれぞれアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換して内部のＣＰＵ１２１に取込む。

発光ダイオード１２２は、当該ストリングモニタ１３の監視結果のうち、異常に関する情報を、当該ストリングモニタ１３の配設位置において作業員が一目で判るように報知するためのものである。発光ダイオード１２３は、当該ストリングモニタ１３の監視結果のうち、電流の値に関する情報を、当該ストリングモニタ１３の配設位置において作業員が一目で判るように報知するためのものである。

マイクロコンピュータ１２０のＣＰＵ１２１は、取込んだデータに基づく主要な機能として次の（１）〜（８）の手段を有する。
（１）太陽電池ストリング１の出力電流の値および逆流を差動増幅回路７０の出力電圧から検出する電流検出手段。

（２）上記電流検出手段で検出される出力電流の値が予め定められた所定値以上の場合に、太陽電池ストリング１の出力電流が過電流であると判定する判定手段。

（３）上記電流検出手段で検出される出力電流の値が上記所定値未満で且つ上記電流検出手段で検出される出力電流が逆流でない場合にフォトダイオード６５ａ，６８ａを発光動作させて開閉器１２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２をオンし、上記判定手段で過電流が判定された場合はフォトダイオード６５ａの発光動作を停止してＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１をオフし（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６２はオンのまま）、上記電流検出手段で逆流が検出された場合はフォトダイオード６８ａの発光動作を停止してＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２をオフ（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１はオンのまま）する制御手段。

（４）電流センサ５３，５４が正常であるかを電流センサ５３の出力電圧と電流センサ５４の出力電圧との対比により自己診断する診断手段。

（５）太陽電池ストリング１の出力電圧の値を電圧検出回路１１０の出力電圧から検出する電圧検出手段。

（６）太陽電池ストリング１の出力ラインＬ１，Ｌ２の地絡を交流差動増幅回路８０，９０，１００の出力から検出する地絡検出手段。

（７）上記電流検出手段の検出結果、上記診断手段の診断結果、上記電圧検出手段の検出結果、および上記地絡検出手段の検出結果を、データバス１５、通信マスタユニット１４、および通信マスタユニット２３を介して外部の監視ユニット４０に報知し、かつ発光ダイオード１２２，１２３により当該ストリングモニタ１３の配設位置において報知する報知手段。

（８）開閉器１２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２をデータバス１５を通じた通信マスタユニット１４からの指示に応じて制御する制御手段。

つぎに、上記のように構成された太陽光発電向けストリングモニタシステムの作用について説明する。
各太陽電池パネル２に太陽光が当たると、太陽電池ストリング１から直流電圧が出力される。この出力が接続箱１０に集められてその接続箱１０からパワーコンディショナ２０に供給される。

各ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０は、電流が順方向に流れている場合、フォトダイオード６５ａ，６８ａを発光動作させて開閉器１２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２をオンする。この場合、図７に実線矢印で示すように、正側出力ラインＬ１の電流はＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のドレイン・ソース間およびＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のソース・ドレイン間を通って流れる。この場合、電流がＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のドレイン・ソース間およびＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のソース・ドレイン間を通って流れるので、一般的な逆流防止用ダイオードを通って電流が流れる場合に比べ、電流の損失を低減できる。

［過電流］
各ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０は、差動増幅回路７０の出力から検出した電流の値と予め定められた所定値とを比較し、検出値が所定値以上の場合は太陽電池ストリング１の出力電流が過電流であると判定する。

この過電流判定時、マイクロコンピュータ１２０は、フォトダイオード６５ａの発光動作を停止し（フォトダイオード６８ａの発光動作は継続）、開閉器１２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１をオフする（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６２はオンのまま）。この場合、図７に破線で示すように、正側出力ラインＬ１の過電流がＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１の寄生ダイオード６１ｄによって阻止される。この過電流の阻止により、電気部品の損傷を回避することができる。

検出値が所定値未満に低下すると、マイクロコンピュータ１２０は、過電流が解消したとの判定の下に、フォトダイオード６５ａを発光動作させてＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１をオンする。このオンにより、図７に実線矢印で示すように、正側出力ラインＬ１の電流が通常通りＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のドレイン・ソース間およびＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のソース・ドレイン間を通って流れるようになる。

開閉器１２として半導体スイッチ素子であるＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１，６２を用いているので、機械的な接点を用いる場合に比べ、高い信頼性が得られるとともに小型化に貢献できる。

［逆流］
夜間など、太陽光が太陽電池ストリング１に当たらなくなると、太陽電池ストリング１の出力電圧が低下し、パワーコンディショナ２０の蓄電ユニット２１から太陽電池ストリング１側へ電流が逆流することがある。

各ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０は、差動増幅回路７０の出力から逆流を検出した場合、フォトダイオード６８ａの発光動作を停止し（フォトダイオード６５ａの発光動作は継続）、開閉器１２のＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２をオフする（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６１はオンのまま）。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ６２がオフすると、図７に一点鎖線で示すように、正側出力ラインＬ１における電流の逆流がＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２の寄生ダイオード６２ｄによって阻止される。この逆流の阻止により、パワーコンディショナ２０における蓄電ユニット２１の不要な放電を防ぐことができる。

太陽光が太陽電池ストリング１に当たるようになり、太陽電池ストリング１の出力電圧が上昇して逆流が解消すると、マイクロコンピュータ１２０は、フォトダイオード６８ａを発光動作させてＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２をオンする。このオンにより、図７に実線矢印で示すように、正側出力ラインＬ１の電流が通常通りＮ型ＭＯＳＦＥＴ６１のドレイン・ソース間およびＮ型ＭＯＳＦＥＴ６２のソース・ドレイン間を通って流れるようになる。

［自己診断］
各ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０は、電流センサ５３，５４が正常であるかを電流センサ５３の出力電圧と電流センサ５４の出力電圧との対比により自己診断する。

太陽電池ストリング１およびその出力ラインＬ１，Ｌ２に異常がなければ、出力ラインＬ１，Ｌ２に流れる電流の値は同じになるはずである。この場合、電流センサ５３，５４の出力電圧のＡ／Ｄ変換値を足し算すれば、その結果は常にフルスケールとなる。あるいは、電流センサ５３，５４の出力電圧を中点からディジタル的に足し算または引き算すれば、その結果は常にほぼ同じ値となる。

このような結果が得られるときは、電流センサ５３，５４が共に正常であると判定する。そのような結果が得られないときは、電流センサ５３，５４のいずれかが正常に機能していないか、または太陽電池ストリング１や出力ラインＬ１，Ｌ２に異常が生じていると判定する。

仮に、太陽電池ストリング１の出力電流を１つの電流センサで検出する構成を考慮すると、診断を行うためには他の太陽電池ストリング１における電流センサの出力との比較が必要となる。ただし、これでは、比較対象となる太陽電池ストリング１の出力が太陽電池パネル２への汚れの付着や天候悪化の影響で低下している場合に、診断結果に誤りが生じる可能性がある。

本実施形態のように２つの電流センサ５３，５４を用いて電流を検出する構成であれば、共通の１つの太陽電池ストリング１における両電流センサ５３，５４が互いに比較の対象となるので、他の太陽電池ストリング１の出力低下などの影響を受けることなく、適正な診断結果を得ることができる。

［地絡］
各ストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０は、図６に示すように、交流差動増幅回路８０，９０，１００の出力電圧がそれぞれ設定値Ｖｂ付近である場合は出力ラインＬ１，Ｌ２に地絡が発生していないと判定し、交流差動増幅回路８０，９０，１００の出力電圧のいずれかが設定値Ｖｂより高い値に瞬時的に大きく上昇した場合は出力ラインＬ１，Ｌ２のどこかに地絡が発生したと判定する。

電流センサ５３，５５による地絡検出、電流トランス５１による地絡検出、および電流トランス５２による地絡検出という合計３つの地絡検出を行うので、出力ラインＬ１，Ｌ２の地絡を広範囲にわたって捕らえることができる。

［電圧検出］
各ストリングモニタ１３の電圧検出回路１１０は、抵抗１１１，１１２の直列回路をアッテネータとして用い、例えば１０００Ｖの直流電圧をマイクロコンピュータ１２０のＡ／Ｄ変換出力５Ｖに対応させている。とくに、抵抗１１２から負側出力ラインＬ２にかけての接続ラインにダイオード１１４を順方向に挿入接続していることにより、マイクロコンピュータ１２０およびデータバス１５の信号ライン１５ｇが接続されたグラウンドラインGndが負側出力ラインＬ２から電気的に浮いた状態にある。

太陽電池ストリング１の出力ラインＬ１，Ｌ２は、多数の複数の伝送線路の連結によって形成されている。大規模な太陽光発電向けストリングモニタシステムでは出力ラインＬ１，Ｌ２が長い距離にわたって敷設されるので、使用される伝送線路および連結部材も多くなる。このため、地震による衝撃あるいは連結部材の緩みにより、出力ラインＬ１，Ｌ２のどこかで断線が生じる可能性がある。

正側出力ラインＬ１が断線した場合はパワーコンディショナ２０への電力供給が止まるだけであるが、負側出力ラインＬ２が断線した場合は注意が必要である。

例えば、図８に示すように、１段目の太陽電池ストリング１の負側出力ラインＬ２における図示×印の個所に接続器具の緩みなどによる断線が生じた場合、パワーコンディショナ２０から１段目の太陽電池ストリング１の負側出力ラインＬ２を通って太陽電池ストリング１に戻ろうとする電流が、行き場がないため２段目の太陽電池ストリング１の負側出力ラインＬ２に流れ込む。

仮に、電圧検出回路１１０にダイオード１１４がない場合を考慮すると、電圧検出回路１１０の出力電圧をマイクロコンピュータ１２０に取込むべく、図９に示すように負側出力ラインＬ２がグラウンドラインGndに接続される。このような構成において、上記のように断線により行き場がなくなった電流が２段目の太陽電池ストリング１の負側出力ラインＬ２に流れ込むと、流れ込んだ電流はその２段目の太陽電池ストリング１の負側出力ラインＬ２からグラウンドラインGndを介してデータバス１５のグラウンド用の信号ライン１５ｇに流れ込んでしまう。データバス１５の信号ライン１５ｇは流れ込む電流に耐えられるだけの電流容量を有していないため、結果として信号ライン１５ｇが発熱し焼損することがある。こうなると、ストリングモニタ１３と通信マスタユニット１４との間のデータ送信が不能となる。

本実施形態のように、電圧検出回路１１０にダイオード１１４があってグラウンドラインGndが負側出力ラインＬ２から電気的に浮いた状態にあれば、負側出力ラインＬ２からグラウンドラインGndへの電流の流れ込みを阻止することができる。これにより、データバス１５の信号ライン１５ｇの発熱および焼損を防ぐことができる。

［報知］
各ストリングモニタ１３は、電流値の検出結果、過電流の検出結果、逆流の検出結果、自己診断の診断結果、地絡の検出結果、電圧値の検出結果などをデータバス１５を通じて通信マスタユニット１４に報知する。

通信マスタユニット１４は、各ストリングモニタ１３の報知を受けてその報知内容をパワーコンディショナ２０の通信マスタユニット２３に転送する。通信マスタユニット２３は、通信マスタユニット１４から受けたデータを外部の監視ユニット４０に転送する。

また、各ストリングモニタ１３は、電流値の検出結果を、発光ダイオード１２３のオン，オフ動作（点滅動作）によって報知する。具体的には、電流値が小さいほどオン，オフデューティを小さくして発光ダイオード１２３の点灯期間を短くし、電流値が大きいほどオン，オフデューティを大きくして発光ダイオード１２３の点灯期間を長くする。

保守点検時など、現場の作業員は、発光ダイオード１２３の点灯期間の長さから、電流の値を大よそではあるが把握することができる。

さらに、各ストリングモニタ１３は、電流値の検出結果、過電流の検出結果、逆流の検出結果、自己診断の診断結果、地絡の検出結果、電圧値の検出結果などに異常がある場合、その異常の旨を発光ダイオード１２２のオン（発光）によって報知する。異常の内容に応じて発光ダイオード１２２のオン，オフデューティを変化させてもよい。

なお、発光ダイオード１２２，１２３の発光色を互いに異ならせてもよい。発光ダイオード１２２，１２３の発光色が互いに異なれば、異常報知と電流値報知の区別が容易となる。

［太陽電池ストリング１の増減］
太陽電池ストリング１が増設された場合、その増加数に対応する個数の新たな安全回路１１、開閉器１２、ストリングモニタ１３が接続箱１０において追加的に配線接続されるとともに、追加されたストリングモニタ１３のマイクロコンピュータ１２０がデータ通信用のデータバス１５に接続される。

太陽電池ストリング１が減らされた場合には、減らされた太陽電池ストリング１に対応する安全回路１１、開閉器１２、ストリングモニタ１３が除去される。

ストリングモニタ１３を太陽電池ストリング１の増加または減少に合せて１個ずつ適宜に配置または除去できるので、従来のように複数の接続端子および検出手段を固定的に持つストリングモニタを採用する場合のように無駄なコスト上昇を生じることなく、複数の太陽電池ストリング１の状態を的確に監視することができる。

このようなストリングモニタ１３の追加に伴う新たな接続やストリングモニタ１３の除去に伴う切離があっても、データバス１５として２線式双方向のシリアルバスいわゆるＩ²Ｃ（登録商標）を用いているので、たとえ当該システムが動作中であっても、その追加接続や切離が他の接続中のストリングモニタ１３など他の機器に影響を与えることはない。つまり、当該システムを不要に停止することなく、監視を継続することができる。ひいては、監視システムとしての高い信頼性を確保することができる。

［変形例］
上記実施形態では、正側出力ラインＬ１に配置した電流センサ（第１電流センサ）５３の出力を差動増幅回路７０の入力抵抗７１ａ側に入力する構成としたが、負側出力ラインＬ２に配置した電流センサ（第３電流センサ）５５の出力を第１電流センサ５３の出力に代えて差動増幅回路７０の入力抵抗７１ａ側に入力する構成としてもよい。

このように、電流センサ５５を第１電流センサである電流センサ５３として兼用することにより、電流センサ５３を不要にしてコストの低減を図ることができる。負側の電流を検知する電流センサ５５は、正側の電流を検知する電流センサ５３の比べ、耐圧性能が低くてすむ。この点でも、コストの低減に貢献できる。

上記実施形態では、電流センサ５３，５４，５５としてホール素子を用いたが、同様の機能を有するものであれば他の素子を用いてもよい。

接続箱１０に設ける通信マスタユニット１４とパワーコンディショナ２０に設ける通信マスタユニット２３との間のデータ通信については、信号ライン２４によるデータ通信に限らず、無線によるデータ通信を行う構成としてもよい。

パワーコンディショナ２０の通信マスタユニット２３と外部の監視ユニット４０との間のデータ通信については、信号ライン２５によるデータ通信に限らず、ネットワークや無線によるデータ通信を行う構成としてもよい。

パワーコンディショナ２０では蓄電ユニット２１の電圧をそのままインバータ２２で交流電圧に変換する構成としたが、蓄電ユニット２１の電圧を昇圧回路で昇圧してからインバータ２２で交流電圧に変換する構成としてもよい。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…太陽電池ストリング、２…太陽電池パネル、Ｌ１…正側出力ライン、Ｌ２…負側出力ライン、１１…安全回路、１２…開閉器、１３…ストリングモニタ、１４…通信マスタユニット、１５…データバス、１５ａ…シリアルデータライン、１５ｂ…シリアルクロックデータライン、１５ｇ…信号ライン、２０…パワーコンディショナ、２１…蓄電ユニット、２２…インバータ、２３…通信マスタユニット、２４，２５…データ通信用の信号ライン、３０…負荷、４０…監視ユニット、５１，５２…電流トランス、５３…電流センサ（第１電流センサ）、５４…電流センサ（第２電流センサ）、５５…電流センサ（第１・第３電流センサ）、７０…差動増幅回路、７１ａ…入力抵抗（第１入力抵抗）、７１ｂ…入力抵抗（第２入力抵抗）、７２…演算増幅器、７４…オフセット電源、Gnd…グラウンドライン、８０…交流差動増幅回路、８２ａ，８２ｂ…入力コンデンサ、８３ａ，８３ｂ…入力抵抗、８４…演算増幅器、８６…オフセット電源、９０…交流差動増幅回路、９２ａ，９２ｂ…入力コンデンサ、９３ａ，９３ｂ…入力抵抗、９４…演算増幅器、９６…オフセット電源、１００…交流差動増幅回路、１０２ａ，１０２ｂ…入力コンデンサ、１０３ａ，１０３ｂ…入力抵抗、１０４…演算増幅器、１０６…オフセット電源、１１０…電圧検出回路、１１１…抵抗（第１抵抗）、１１２…抵抗（第２抵抗）、１１３…ボルテージフォロワ、１１４…ダイオード、１２０…マイクロコンピュータ、１２１…ＣＰＵ、１２２，１２３…発光ダイオード

Claims (10)

1. 複数枚の太陽電池パネルを直列に接続してなる太陽電池ストリングを複数備えた太陽光発電システムにおいて、
   前記各太陽電池ストリングの状態を監視しその監視結果をそれぞれ報知するストリングモニタと、
   前記ストリングモニタの追加に伴う同ストリングモニタの接続および前記ストリングモニタの除去に伴う同ストリングモニタの切離が他の機器に影響を与えることなく自在なデータバスと、
   を備えることを特徴とする太陽光発電向けストリングモニタシステム。
2. 前記ストリングモニタは、前記監視結果を前記データバスを介して外部機器に報知するとともに、前記監視結果を当該ストリングモニタの配設位置において報知する、
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
3. 前記ストリングモニタは、
   前記太陽電池ストリングの正側出力ラインに流れる電流の値に応じてレベル変化する電圧を出力する第１電流センサと、
   前記太陽電池ストリングの負側出力ラインに流れる電流の値に応じて前記第１電流センサの出力電圧とは逆方向にレベル変化する電圧を出力する第２電流センサと、
   前記第１電流センサの出力電圧と前記第２電流センサの出力電圧との差に応じたレベルの電圧を出力する差動増幅回路と、
   前記太陽電池ストリングの出力電流の値および逆流を前記差動増幅回路の出力電圧から検出する電流検出手段と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
4. 前記ストリングモニタは、
   前記太陽電池ストリングの負側出力ラインに流れる電流の値に応じてレベル変化する電圧を出力する第１電流センサと、
   前記太陽電池ストリングの負側出力ラインに流れる電流の値に応じて前記第１電流センサの出力電圧とは逆方向にレベル変化する電圧を出力する第２電流センサと、
   前記第１電流センサの出力電圧と前記第２電流センサの出力電圧との差に応じたレベルの電圧を出力する差動増幅回路と、
   前記太陽電池ストリングの出力電流の値および逆流を前記差動増幅回路の出力電圧から検出する電流検出手段と、
   を含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
5. 前記太陽電池ストリングの正側出力ラインにドレイン・ソース間が挿入接続された第１Ｎ型ＭＯＳＦＥＴと、
   前記太陽電池ストリングの正側出力ラインにおける前記第１Ｎ型ＭＯＳＦＥＴよりも下流側の位置にソース・ドレイン間が挿入接続された第２Ｎ型ＭＯＳＦＥＴと、
   前記電流検出手段で検出される出力電流の値が所定値未満で且つ前記電流検出手段で検出される出力電流が逆流でない場合に前記第１Ｎ型ＭＯＳＦＥＴおよび前記第２Ｎ型ＭＯＳＦＥＴをオンし、前記電流検出手段で検出される出力電流の値が所定値以上の過電流である場合は前記第１Ｎ型ＭＯＳＦＥＴをオフし、前記電流検出手段で検出される出力電流が逆流である場合は前記第２Ｎ型ＭＯＳＦＥＴをオフする制御手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
6. 前記差動増幅回路は、演算増幅器、この演算増幅器の反転入力端および非反転入力端に接続された第１および第２入力抵抗、前記演算増幅器の非反転入力端にオフセット電圧を加えるオフセット電源、前記演算増幅器の出力端と反転入力端との間に接続された帰還抵抗を含み、前記第１電流センサの出力電圧と前記第２電流センサの出力電圧との差に応じたレベルの電圧を出力する、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
7. 前記ストリングモニタは、
   前記第１電流センサおよび前記第２電流センサが正常であるかをその第１電流センサの出力電圧と第２電流センサの出力電圧との対比により自己診断する診断手段、
   をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
8. 前記ストリングモニタは、
   前記太陽電池ストリングの正側出力ラインと負側出力ラインとの間に接続された第１抵抗および第２抵抗の直列回路、この直列回路における第２抵抗から前記負側出力ラインにかけて順方向に設けられたダイオード、および前記第２抵抗に生じる電圧を増幅する演算増幅器を有し、前記正側出力ラインと前記負側出力ラインとの間の電圧の値に応じたレベルの電圧を出力する電圧検出回路、
   をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
9. 前記ストリングモニタは、
   前記太陽電池ストリングの負側出力ラインに流れる電流の値に応じて前記第１電流センサの出力電圧と同方向にレベル変化する電圧を出力する第３電流センサと、
   前記第１電流センサの出力電圧と前記第３電流センサの出力電圧との差分を増幅する交流差動増幅回路と、
   前記太陽電池ストリングの出力ラインの地絡を前記交流差動増幅回路の出力から検出する地絡検出手段と、
   をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。
10. 前記ストリングモニタは、
    前記太陽電池ストリングの出力ラインに設けた電流トランスと、
    前記電流トランスに生じる電圧を増幅する交流差動増幅回路と、
    前記太陽電池ストリングの出力ラインの地絡を前記交流差動増幅回路の出力から検出する地絡検出手段と、
    をさらに含む、
    ことを特徴とする請求項３または請求項４記載の太陽光発電向けストリングモニタシステム。

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