JP6958146B2 - アーク検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池モジュールの各ストリングと、太陽電池モジュールからの直流を交流に変換するパワーコンディショニングサブシステム（以下、ＰＣＳと略す。）との各部に発生するアークの発生箇所を特定することができるアーク検出装置に関するものである。

普及が拡大する太陽光発電システムにおいては、太陽電池モジュールからＰＣＳまでが直流回路である。この直流回路では、効率アップのために高電圧化が図られている。
高電圧化に伴い、太陽電池モジュール内部や接続コネクタ部、接続箱、出力ケーブル等の各部において、部品劣化や、地震等による振動、衝撃、破損等により、アークが発生することがある。アークの発生は、アークが高温であることから、様々な支障が生じる可能性がある。

アーク発生を検出する従来の装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載のアーク検出保護装置は、検出器から検出信号を受信すると、開閉器を開極する第１のステップを実行し、第１のステップの実行により検出器からの検出信号が停止した場合には、開閉器の開極を維持し、かつ開閉器でアークが発生したことをパワーコンディショナーに通知する第２のステップを実行し、第１のステップを実行してもセンサからの検出信号が継続している場合には、開閉器より上位部位で異常が発生していることをパワーコンディショナーに通知する第３のステップを実行する、というものである。この特許文献１では、検出器として、光を検出することで、発電時におけるアークの発生に感応する光センサとしたり、アーク発生時に生じる電磁波信号に感応するアンテナとしたりすることが記載されている。

特開２０１４−４２３６４号

しかし、特許文献１に記載のアーク検出保護装置では、アークの発生箇所を特定することができるものの、ストリング毎に設置されている開閉器を順次開放し、信号の有無を繰り返すことによって、発生箇所を特定するものである。従って、ストリング毎に開閉器が必要であり、かつアーク発生箇所を特定するためには開閉器を開放するために、開放したストリングは発電が停止してしまう。また、開閉器が必要であることから、アーク発生の検出のみを行う場合には、特許文献１に記載のアーク検出保護装置の技術は適用できない。

太陽光発電システムでは、太陽電池モジュールの各ストリングの出力ケーブルが接続箱に接続され、配線が集約されてＰＣＳに接続される構成（集中型ＰＣＳ−ＰＶシステム）や、各ストリングの出力ケーブルがそれぞれ直接ＰＣＳに接続される構成（マルチストリングＰＣＳ−ＰＶシステム）などがある。
このような様々な構成においては、各ストリングの太陽電池モジュールや、各ストリングから接続箱までの間、または各ストリングから直接接続されたＰＣＳまでの間、接続箱からＰＣＳまでの間などで、アークが発生する可能性がある。そのため、様々な構成でも、アーク発生の箇所を特定できることが重要である。

そこで本発明は、様々な構成の太陽光発電システムでも、太陽電池モジュールによる発電を停止することなく、アーク発生箇所を特定することができるアーク検出装置を提供することを目的とする。

本発明のアーク検出装置は、太陽電池モジュールの各ストリングの出力ケーブル毎のノイズレベルを計測する測定手段と、前記測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値とを比較することによりアーク発生を判定する第１判定手段と、前記第１判定手段がアーク発生を検出したときに、前記各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値に基づいて、ノイズレベルが最大値となるストリングでアークが発生したものか、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものかを判定する第２判定手段とを備えたことを特徴とする。

本発明のアーク検出装置によれば、まず、第１判定手段により、測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値とを比較することにより、アークが発生したか否かを判定する。アークが発生していれば、第２判定手段により、ノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値に基づいて判定する。第２閾値により、ノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの差異が小さい場合には、各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものと判定することができる。また、ノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの差異が大きい場合には、ノイズレベルが最大値となるストリングでアークが発生したものと判定することができる。

前記第２判定手段は、前記各ストリングのノイズレベルの最大値から所定割合分を前記第２閾値として、前記各ストリングのノイズレベルと比較し、前記第２閾値を超えたストリング数が１であれば、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定し、前記第２閾値を超えたストリング数が複数であれば、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定することができる。
第２判定手段が、各ストリングのノイズレベルの最大値から所定割合分を第２閾値として、各ストリングのノイズレベルと比較する。
その結果、第２閾値を超えたストリング数が１であれば、最大値となったストリングのノイズレベルが他のストリングのノイズレベルより大きいことを示しているため、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定することができる。
また、第２閾値を超えたストリング数が複数であれば、最大値となったストリングのノイズレベルと他のストリングのノイズレベルの差が小さく、ノイズが各ストリング以外から各ストリングに回り込んだものと推定できるため、各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定することができる。

前記第２判定手段は、前記各ストリングのノイズレベルの最大値と２番目とのレベル差の度合いを判定するための閾値を前記第２閾値として、前記レベル差が前記第２閾値以上であれば、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定し、前記第２閾値未満であれば、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定することができる。
第２判定手段が、各ストリングのノイズレベルの最大値と２番目とのレベル差を第２閾値と比較する。
その結果、レベル差が第２閾値以上であれば、最大値となったストリングのノイズレベルが他のストリングのノイズレベルより大きいことを示しているため、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定することができる。
また、レベル差が第２閾値未満であれば、最大値となったストリングのノイズレベルと他のストリングのノイズレベルの差が小さく、ノイズが各ストリング以外から各ストリングに回り込んだものと推定できるため、各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定することができる。

前記第１判定手段は、前記測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値との比較によるアーク検出が連続して第３閾値に基づく回数に達したときにアーク発生と判定することができる。
連続して第１閾値を超えたノイズレベルの回数が第３閾値を超えることで、第１判定手段が、アーク発生と判断することにより、偶発的に発生したノイズをアーク発生によるアークノイズと誤検出することを防止することができる。

前記太陽電池モジュールからの回路電流を測定する電流測定器と、前記回路電流を第４閾値と比較し、前記回路電流が小さいときに前記第３閾値を増加させ、前記回路電流が大きいときに前記第３閾値を減少させる閾値設定手段とを備えたものとすることができる。
閾値設定手段により、電流測定器により測定された回路電流が第４閾値に基づいて、第１判定手段がアーク発生の判定に使用する第３閾値が示す連続回数の設定値を増減させることができる。

前記測定手段からのノイズレベルと前記第１閾値とのレベル差と、第５閾値を比較し、前記レベル差が小さいときに前記第３閾値を減少させ、前記レベル差が大きいときに前記第３閾値を増加させる閾値設定手段とを備えたものとすることができる。
閾値設定手段により、測定手段からのノイズレベルと第１閾値とのレベル差に基づいて、第１判定手段がアーク発生の判定に使用する第３閾値が示す連続回数の設定値を増減することができる。

前記測定手段からのノイズレベルのうち前記第１閾値を超えたノイズレベルを除いて蓄積して平均値を演算し、前記平均値と前記第１閾値とのレベル差が第６閾値を外れた場合に、レベル差が前記第６閾値となるように前記第１閾値を増減する閾値設定手段を備えたものとすることができる。
ノイズレベルの平均値と第１閾値とのレベル差が第６閾値を外れた場合に、閾値設定手段は、レベル差が第６閾値となるように第１閾値を増減するので、最適な判定のための閾値を得ることができる。

本発明のアーク検出装置によれば、測定手段が、各ストリングの出力ケーブル毎のノイズレベルを計測することで、ノイズレベルが最大値となるストリングでアークが発生したものか、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものかを判定できるので、様々な構成の太陽光発電システムでも、アーク発生箇所の検出に、太陽電池モジュールによる発電を停止することなく、アーク発生箇所を特定することができる。

本発明の実施の形態１に係る太陽光発電システムの構成を説明するための図である。 図１に示す太陽光発電システムのアーク検出装置の構成を説明するための図である。 図２に示すアーク検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。 幹線にて発生したアークノイズおよび各ストリングにて発生した場合のアークノイズの関係を説明するための表である。 本実施の形態１に係るアーク検出装置の第１変形例の構成を説明するための図である。 図５に示すアーク検出装置の第１変形例の動作を説明するためのフローチャートである。 本実施の形態１に係るアーク検出装置の第２変形例の構成を説明するための図である。 本実施の形態１に係るアーク検出装置の第３変形例の構成を説明するための図である。 本実施の形態１に係るアーク検出装置の第４変形例の構成を説明するための図である。 図９に示すアーク検出装置の第４変形例の動作を説明するための図であり、ノイズレベルと第１閾値とのレベル差が大きい場合を説明するための図である。 図９に示すアーク検出装置の第４変形例の動作を説明するための図であり、ノイズレベルと第１閾値とのレベル差が小さい場合を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係るアーク検出装置の構成を説明するための図である。 図１２に示すアーク検出装置の動作を説明するための図である。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るアーク検出装置を用いた太陽光発電システムについて、図１から図４に基づいて説明する。
図１に示す太陽光発電システム１０は、集中型ＰＣＳ−ＰＶシステムに、アークの発生箇所を特定するためのアーク検出装置４０が設置されたものである。
集中型ＰＣＳ−ＰＶシステムは、太陽電池モジュールＭが直列接続された各ストリングＳ（Ｓ１〜Ｓ４）と、ストリングＳからの出力ケーブルＣ１〜Ｃ４が接続された接続箱２０と、接続箱２０により集約された配線が接続されたＰＣＳ３０とを備えている。

ストリングＳ（Ｓ１〜Ｓ４）は、太陽電池モジュールＭが直列接続されていることで、太陽電池モジュールＭが出力する直流電圧を３００Ｖから１５００Ｖ程度に高電圧化して出力する。

接続箱２０は、ストリングＳ（Ｓ１〜Ｓ４）からの出力ケーブルＣ１〜Ｃ４の正極側が接続されると共に、負極側が整流素子を介して接続され、幹線となってＰＣＳ３０に接続されている。
ＰＣＳ３０は、ストリングＳ（Ｓ１〜Ｓ４）からの出力を調整された電力として図示しない負荷に供給するものである。ＰＣＳ３０の機能としては、ストリングＳ（Ｓ１〜Ｓ４）からの直流の出力を交流に変換することの他に、最大出力動作点制御（ＭＰＰＴ：Maxi
mum Power Point Tracking）により、刻々と変化する環境変化のその時々における最大電
力を負荷へ出力する。

アーク検出装置４０は、図２に示すように、測定手段４１０と、第１判定手段４２０と、第２判定手段４３０と、表示手段４４０と、接点出力手段４５０とを備えている。
測定手段４１０は、太陽電池モジュールＭの各ストリングＳの出力ケーブルＣ１〜Ｃ４毎のノイズレベルを計測する機能を備えている。測定手段４１０は、検出器４１１（４１１ａ〜４１１ｄ）と、切替手段４１２と、Ａ／Ｄ変換手段４１３と、周波数解析手段４１４とを備えている。

検出器４１１（４１１ａ〜４１１ｄ）は、各ストリングＳからの出力ケーブルＣ１〜Ｃ４毎にクランプされ、配置されている。
検出器４１１は、太陽電池モジュールＭから出力ケーブルＣ１〜Ｃ４に流れる直流に重畳する電流変化を磁気的変化に応じた電流を出力するＣＴとすることができる。

測定手段４１０の切替手段４１２、Ａ／Ｄ変換手段４１３、周波数解析手段４１４と、第１判定手段４２０と、第２判定手段４３０と、表示手段４４０と、接点出力手段４５０とは、装置本体４００に格納されている。
周波数解析手段４１４と、第１判定手段４２０と、第２判定手段４３０とは、マイクロコンピュータでアーク検出プログラムを実行させたものとすることができる。

図２に示す切替手段４１２は、検出器４１１ａ〜４１１ｄを単位時間毎に順番に選択して、検出器４１１ａ〜４１１ｄから入力した信号を出力するセレクタとすることができる。
Ａ／Ｄ変換手段４１３は、検出器４１１ａ〜４１１ｄからのアナログ信号をデジタル信号に変換する。

周波数解析手段４１４は、Ａ／Ｄ変換手段４１３により変換した電圧を示すデジタル信号を一定時間取込み、連続した波形としての周波数成分を解析する。周波数解析手段４１４では、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）により、数百Ｈｚ〜１００ｋＨｚの帯域のスペクトラム分析を行っている。

第１判定手段４２０は、測定手段４１０からのノイズレベルに基づいて、いずれかのストリングＳにおけるアーク発生を、絶対値として設定されたアーク検出閾値（第１閾値）と比較することにより判定する機能を備えている。

第２判定手段４３０は、第１判定手段４２０がアーク発生を検出したときに、各ストリングＳ１〜Ｓ４のノイズレベルの最大値に応じた相対値として設定された第２閾値と、各ストリングＳ１〜Ｓ４のノイズレベルＳとを比較し、第２閾値を超えたストリング数が１であれば、該当ストリングＳにてアークが発生したものと判定し、第２閾値を超えたストリング数が複数であれば、各ストリングＳ１〜Ｓ４以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定する。

表示手段４４０は、第２判定手段４３０からのアーク発生箇所を表示するものである。表示手段４４０は、ＬＣＤやＬＥＤランプ等とすることができる。本実施の形態１では、図１に示すように、表示手段４４０をＬＥＤランプとしており、第２閾値を超えたストリングＳ１〜Ｓ４に対応してＬＥＤランプを点滅させている。
接点出力手段４５０は、第２判定手段４３０からのアーク発生箇所に応じた接点を開放したり、短絡したりして、アーク発生を報知するものである。接点出力手段４５０は、例えば、リレーとすることができる。

以上のように構成された本発明の実施の形態１に係るアーク検出装置の動作を図１から図４に基づいて説明する。
図３に示すように各ストリングのアークノイズのノイズレベルを測定する（ステップＳ１０）。この測定は、まず、図１に示す出力ケーブルＣ１〜Ｃ４に配置された検出器４１１ａ〜４１１ｄから信号を、図２に示す切替手段４１２により順番に入力する。例えば、切替手段４１２は、検出器４１１ａ〜４１１ｄから信号を１０ｍｓごとに選択してＡ／Ｄ変換手段４１３に出力する。

Ａ／Ｄ変換手段４１３に入力された信号は、アナログ信号からデジタル信号に変換される。そして、周波数解析手段４１４により、連続した波形としての周波数成分を解析することで、図１に示す各ストリングＳの出力ケーブルＣ１〜Ｃ４毎のノイズレベルを計測する。

次に、図２に示す第１判定手段４２０は、ノイズレベルと第１閾値とを比較する（ステップＳ２０）。
ＰＣＳ３０は太陽電池モジュールＭで発電した直流を交流に変換するための装置であることからスイッチングノイズ（ＰＣＳノイズ）が定常的に直流回路（ストリング側回路）にも発生している。ＰＣＳノイズは、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ付近の周波数成分を多く含んでおり、ＰＣＳ３０が太陽電池モジュールＭの発電状況に応じて最大電力変換を行うように動作することから、ノイズレベルは変化する。
アークノイズは、このＰＣＳノイズと重なる周波数帯域だが、ＰＣＳノイズより高レベルで発生することから、第１閾値は、ＰＣＳノイズより高く、アークノイズレベルより低い値に設定される。

次に、第１判定手段４２０は、ノイズレベルが第１閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ３０）。ノイズレベルが第１閾値以下である場合には、ステップＳ１０へ移行する。ノイズレベルが第１閾値より大きい場合には、第２判定手段４３０による判定へ移行する。

第２判定手段４３０は、ノイズレベルの最大値を探索する（ステップＳ４０）。次に、第２判定手段４３０は、最大値から所定割合分を演算して第２閾値として設定する（ステップＳ５０）。

ここで、各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別する第２閾値を決定するための所定割合について詳細に説明する。
(ストリングでアーク発生した場合)
まず、ストリングＳ１〜Ｓ４のいずれかでアークが発生した場合では、アークノイズのほとんどは、ＰＣＳ３０およびアークが発生したストリングＳに流れるが、実際にはアークノイズの一部が未発生のストリングＳにも回り込む。
回り込む割合は、太陽電池モジュールＭの種類やシステム回路構成で異なるが、「未発生ストリングのノイズレベル」を「アーク発生したストリングノイズレベル」で割ったときの割合で表すことができ、例えば、割合Ａ（％）とする。

(幹線でアーク発生した場合)
幹線でアークが発生した場合（以下、幹線アークと称す。）の各ストリングＳ１〜Ｓ４のアークノイズレベルは、各ストリングＳを構成する太陽電池モジュールＭの構成が同じであることから、それぞれのストリングＳの発電電力およびインピーダンスもほぼ同等である。
従って、アークノイズがＰＣＳを通過し、全ストリングへ均等に回り込み流れるため、理論的には、各ストリングＳのアークによるノイズレベルは、幹線アークのノイズレベルをストリング数で割った値になる。
しかし、実際には、各ストリングへのアークノイズの回り込みにはばらつきがある。ばらつきの割合は、回路構成や太陽電池モジュールＭの特性などによるばらつき等で異なるが、最大値に対する最小値の割合で表すことができ、割合Ｂ（％）とする。

（第２閾値決定）
上記の２つの割合Ａ，Ｂを考慮し、第２閾値は、最大ノイズレベルの割合Ａより大きく、割合Ｂよりも小さい割合で規定する必要がある。
例えば、割合Ａが１０％、割合Ｂが７０％であれば、平均して４０％が妥当であるため、第２閾値はノイズレベルの最大値×０．４とすることができる。
このようにして、各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値を決定することができる。

（アークの検出）
図４（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、幹線アークの場合、幹線アークのノイズレベルを１００とすると、ストリングＳ１〜Ｓ４では、全ストリングに回り込んで流れることで、幹線でのノイズレベルの２４〜２６の発生が想定されている。
また、ストリングＳ１にてアークが発生した場合（以下、ストリングアークと称す。）では、ストリングＳ１でのストリングアークのノイズレベルを１００とすると、幹線およびストリングＳ２〜Ｓ４では、ストリングＳ１から回り込んで流れることで、幹線でのノイズレベルは７０、他のストリングＳ２〜Ｓ４は１０の発生が想定されている。

図４（Ａ）に示す表では、第１閾値を２０としているため、幹線アークの場合では、ストリングＳ１〜Ｓ４のいずれの場合も第１閾値よりも大きいため、第２閾値による判定へ移行する。
また、図４（Ａ）および同図（Ｃ）に示すように、ストリングアークの場合では、ストリングＳ１が第１閾値よりも大きいため、第２閾値による判定へ移行する。

第２閾値による判定では、図４（Ｂ）に示す幹線アークの場合、ノイズレベルの最大値はストリングＳ１のノイズレベルが他のストリングＳ２〜Ｓ４より大きい２６である。そのため、最大値の所定割合分を４０％とした第２閾値は、２６×０．４＝１０となる。
従って、ステップＳ６０にて、第２判定手段４３０が第２閾値と各ストリングＳ１〜Ｓ４の各ノイズレベルとを比較すると、ストリングＳ１のノイズレベルは第２閾値より大きいが、各ストリングＳ２〜Ｓ４の各ノイズレベルも、第２閾値より大きいと判定する。

ステップＳ７０にて、第２判定手段４３０は、第２閾値より大きいノイズレベルのストリング数が複数であると判断したときには、最大値となったストリングＳ１のノイズレベルと他のストリングＳのノイズレベルの差が小さく、ノイズが各ストリングＳ１〜Ｓ４に回り込んだものと推定できる。
そのため、ステップＳ８０にて、表示手段４４０や接点出力手段４５０などの報知手段が、幹線アークであることを出力する。

ステップＳ５０にて、ノイズレベルの最大値から第２閾値を演算するときに、ストリングアークの場合、図４（Ｃ）に示すように、ノイズレベルの最大値はストリングＳ１のノイズレベルが他のストリングＳ２〜Ｓ４より大きい１００である。そのため、最大値の４０％とした第２閾値は、１００×０．４＝４０となる。
従って、ステップＳ６０にて、第２判定手段４３０が第２閾値と各ストリングＳ１〜Ｓ４の各ノイズレベルとを比較すると、ストリングＳ１のノイズレベルは第２閾値より大きいが、各ストリングＳ２〜Ｓ４の各ノイズレベルは、第２閾値より小さい。

ステップＳ７０にて、第２判定手段４３０は、第２閾値より大きいノイズレベルのストリング数が１であると判断したときには、最大値となったストリングのノイズレベルが他のストリングのノイズレベルより大きいことを示しているため、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定することができる。
ステップＳ９０にて、表示手段４４０や接点出力手段４５０などの報知手段が、ストリングアークであり、発生したストリングはストリングＳ１であることを出力する。

このように、測定手段４１０により各ストリングのノイズレベルを計測し、これらのノイズレベルと、アーク発生を示す第１閾値とを比較することで、アークが発生したか否かを判定し、アークが発生していれば、第２判定手段４３０により、ノイズレベルの最大値と他のストリングＳのノイズレベルとの関係を識別するため第２閾値と比較する。
これにより、第２の閾値を超えたストリング数が１の場合はノイズレベルが最大値となるストリングＳ１でアークが発生したものと判定することができる。
また、第２の閾値を超えたストリング数が複数の場合は、各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものと判定することができる。

このようにして、１つのストリングに発生したノイズレベルが突出してるのか、または全体のストリングに平均的にノイズレベルが発生しているのかを識別するための第２の閾値を用いて、各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別することにより、ストリングアークか幹線アークかを判定することができる。
このとき、各ストリングＳ１〜Ｓ４の出力ケーブルは遮断されないため、各ストリングＳ１〜Ｓ４の太陽電池モジュールＭはＰＣＳ３０に対して発電を継続することができる。

本実施の形態１では、太陽光発電システム１０が接続箱２０を有する集中型ＰＣＳ−ＰＶシステムであったが、各ストリングＳ１〜Ｓ４が直接ＰＣＳに接続されるマルチストリングＰＣＳ−ＰＶシステムである場合にも、応用することができる。

従って、アーク検出装置４０は、各ストリングの出力ケーブル毎のノイズレベルを計測するだけであるため、様々な構成の太陽光発電システムでも計測することができ、太陽電池モジュールによる発電を停止することなく、アーク発生箇所を特定することができる。

［実施の形態１の第１変形例］
本発明の実施の形態１に係る第１変形例について図５および図６に基づいて説明する。なお、図５においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
上記したように、ＰＣＳノイズレベルは、太陽電池モジュールＭの発電状況に応じて最大電力変換を行うように動作することから変化する。また、ノイズレベルは、ＰＣＳの機種、太陽光発電システムの構成およびアークの放電状態により変動する。このことから、アークを検出するための第１閾値は、低すぎるとＰＣＳノイズも検出してしまい、高すぎるとアーク発生が検出できないといったことになる。

図５に示すアーク検出装置４１では、第１判定手段４２１は、図６に示すように、ステップＳ１３０にてノイズレベルが第１閾値を超えていなければ、ステップＳ１４０にて該当ストリングＳのカウンタをリセットし、ステップＳ１１０へ移行するが、ステップＳ１３０にて、ノイズレベルが第１閾値を越えたと判断した場合に、ステップＳ１５０にて、第１閾値を越えたノイズレベルの該当ストリングＳのカウンタを＋１とする。

そして、ステップＳ１６０にて、第１判定手段４２１は、第１閾値を超えた連続回数（アーク検出の連続回数）を示す所定回数（第３閾値）に、カウンタ値が達したか否かを判断する。第３閾値は、例えば、５回とすることができる。
カウンタ値が所定回数に達した場合には、アーク発生と判断して、第２判定手段４３０による処理（ステップＳ１７０以降の処理）へ移行する。カウンタ値が所定回数に達していない場合には、継続してアークノイズを検出するために、ステップＳ１１０へ移行する。

このように、連続して第１閾値を超えたノイズレベルの回数が所定回数（第３閾値）を超えることで、アーク発生と判断することにより、偶発的に発生したノイズをアーク発生によるアークノイズと誤検出することを防止することができる。

なお、図６に示すフローチャートでは、ステップＳ１１０からステップＳ１２０までは、図３に示すステップＳ１０からステップＳ２０までと同じであり、図６に示すステップＳ１７０からステップＳ２２０までは、図３に示すステップＳ４０からステップＳ９０までと同じであるため、説明は省略する。

［実施の形態１の第２変形例］
本発明に実施の形態１に係るアーク検出装置の第２変形例について、図７に基づいて説明する。なお、図７においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
実施の形態１の第１変形例では、ノイズレベルが第１閾値を連続して超えた回数を示すカウンタ値が第３閾値を超えたことで、アーク発生を判断していた。第２変形例では、この第３閾値を回路電流の測定値に応じて変更するものである。

図７に示すようにアーク検出装置４２は、アーク検出用に各ストリングＳ１〜Ｓ４（図１参照）に設置された検出器４１１ａ〜４１１ｄの他に、幹線にクランプされた電流測定器４１１ｅを備えている。また、アーク検出装置４２は、Ａ／Ｄ変換手段４６０と、閾値設定手段４７０とを備えている。

電流測定器４１１ｅは、幹線にクランプする磁気コアと、磁気コアのギャップ部に挿入されたホール素子とを備えたホール素子方式電流センサとすることができる。電流測定器４１１ｅは、幹線に流れる電流による磁気コア内の磁束が、ホール素子を通過することで、ホール素子のホール効果により、磁束に応じたホール電圧を、幹線に流れる電流として出力する。

Ａ／Ｄ変換手段４６０は、電流測定器４１１eからのアナログ信号をデジタル信号に変換する。閾値設定手段４７０は、Ａ／Ｄ変換手段４６０で変換された幹線に流れる回路電流値に応じたデジタル値が、所定値（第４閾値）より小さいときには、第１判定手段４２１がアーク発生の判定に使用する第３閾値が示す連続回数の設定値を、当初の値から増加させた値とする。例えば、第３閾値を５回から７回や１０回とすることができる。

また、閾値設定手段４７０は、電流測定器４１１ｅにより測定された回路電流が所定値より大きいときには、第３閾値が示す連続回数の設定値を当初の値から減少させた値とする。例えば、第３閾値を５回から３回とすることができる。

回路電流が小さい場合では、アーク電流が小さく、アークの熱量が少ないので、第３閾値が示すカウンタ値を大きく連続回数を増加させても、ケーブルや機器への影響が小さい。
従って、アーク発生を確定させるまでの第３閾値を増加させ、アーク発生の確定までの時間を長く取ることにより、アーク発生によるアークノイズをしっかりと検出することができる。

反対に、回路電流が大きい場合では、アーク電流が大きくアークの熱量が多いので、ケーブルや機器への影響が大きい。
従って、アーク発生を確定するまでの第３閾値を減少させ、アーク確定までの時間を短くすることにより、アーク発生を短時間に検出することができる。

なお、第２変形例では、第３閾値がアーク検出の連続回数であったが、第３閾値がアーク検出のための測定時間としてもよい。第３閾値を測定時間としたときには、第１判定手段４２１は第３閾値が示す測定時間の間で行える回数、アーク検出を行い、連続してアークを検出したときにアーク発生を判定するようにすればよい。

また、第２変形例では、電流測定器４１１ｅを幹線に設置したが、正確に、それぞれのストリングＳ１〜Ｓ４からの回路電流を測定するには、検出器４１１ａ〜４１１ｄと同様に、ストリングＳ１〜Ｓ２の出力ケーブルＣ１〜Ｃ４に電流測定器４１１ｅを設置することが望ましい。

［実施の形態１の第３変形例］
本発明に実施の形態１に係るアーク検出装置の第３変形例について、図８に基づいて説明する。なお、図８においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
図７に示す実施の形態１の第２変形例では、閾値設定手段４７０により、回路電流が所定値（第４閾値）より大きいか否かにより、第１閾値を超えた連続回数を示す所定回数（第３閾値）を増減していたが、図８に示す第３変形例では、アーク検出装置４３の閾値設定手段４７１により、測定手段４１０からのノイズレベルと、第１閾値とのレベル差に基づいて、第１判定手段４２１がアーク発生の判定に使用する第３閾値が示す連続回数の設定値を増減するようにしている。

閾値設定手段４７１は、測定手段４１０からのノイズレベルと、第１閾値とのレベル差が、所定値（第５閾値）より小さいときには、第３閾値が示す連続回数の設定値を当初の値から減少させた値とする。例えば、第３閾値を５回から３回とすることができる。

また、閾値設定手段４７１は、測定手段４１０からのノイズレベルと、第１閾値とのレベル差が、所定値（第５閾値）より大きいときには、第３閾値が示す連続回数の設定値を当初の値から増加させた値とする。例えば、第３閾値を５回から７回や１０回とすることができる。

回路電流が大きい場合、高周波成分を含むアークノイズが出力ケーブルＣ１〜Ｃ４を伝搬して周波数解析手段４１４により検出されるアークノイズは、レベルが小さくなる傾向にある。そのため、アークノイズのノイズレベルと第１閾値とのレベル差が小さくなる。
一方、回路電流が大きいため、アーク電流が大きくなり、アークの熱量が多くなるので、ケーブルや機器への影響が大きい。
従って、アークノイズのノイズレベルと第１閾値とのレベル差が第５閾値より小さい場合には、アーク発生を確定するまでの第３閾値を減少させ、アーク確定までの時間を短くすることにより、アーク発生を短時間に検出することができる。

回路電流が小さい場合では、周波数解析手段４１４により検出されるアークノイズは、レベルが大きくなる傾向にある。そのため、アークノイズのノイズレベルと第１閾値とのレベル差が大きくなる。
回路電流が小さいため、アーク電流が小さくなり、アークの熱量が少ないので、ケーブルや機器への影響が小さい。
従って、アークノイズのノイズレベルと第１閾値とのレベル差が第５閾値より大きい場合には、アーク発生を確定するまでの第３閾値を増加させ、アーク発生の確定までの時間を長く取ることにより、アーク発生によるアークノイズをしっかりと検出することができる。

［実施の形態１の第４変形例］
本発明に実施の形態１に係るアーク検出装置の第４変形例について、図９から図１１に基づいて説明する。なお、図９においては、図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
第４変形例では、定期的に測定したＰＣＳノイズのノイズレベルと第１閾値との差に基づいて、第１閾値を増減している。

第４変形例では、図９に示す閾値設定手段４７２が、まず、第１閾値を超えたノイズレベルを除いて、測定手段４１０から定期的に入力したノイズレベル（ＰＣＳノイズレベル）を蓄積して平均値を演算する。次に、閾値設定手段４７２は、平均値と第１閾値とのレベル差が規定値（第６閾値）を外れた場合に、規定値となるように第１閾値を増減する。

例えば、ＰＣＳノイズのノイズレベルが低い場合を図１０に基づいて説明する。
ステップＳ２１０にて、閾値設定手段４７２が測定手段４１０からＰＣＳノイズのノイズレベルを定期的に取得すると、ステップＳ２２０にて、閾値設定手段４７２がノイズレベルを蓄積して平均値を演算し、平均値と第１閾値とのレベル差を規定値と比較した結果、レベル差が規定値より大きいため、平均値と第１閾値とのレベル差が規定値となるよう第１閾値を減少する。
以降、レベルを下げた新しい第１閾値にて、第１判定手段４２０によるアーク発生を検知する（ステップＳ２３０）。

次に、ＰＣＳノイズのノイズレベルが低い場合を図１１に基づいて説明する。
ステップＳ３１０にて、閾値設定手段４７０が測定手段４１０からＰＣＳノイズのノイズレベルを定期的に取得する。次に、ステップＳ３２０にて、閾値設定手段４７２がノイズレベルを蓄積して平均値を演算し、平均値と第１閾値とのレベル差を規定値と比較した結果、レベル差が規定値より小さいため、平均値と第１閾値とのレベル差が規定値となるよう第１閾値を増加する。
以降、レベルを上げた新しい第１閾値にて、第１判定手段４２０によるアーク発生を検知する（ステップＳ３３０）。

このように、ＰＣＳノイズレベルは、ＰＣＳの種類や太陽電池の発電状況に応じて最大電力変換を行うＭＰＰＴ（Maximum power point tracking）制御によりノイズレベルも変化するが、上記手順により、閾値設定手段４７２が、定常時のＰＳＣノイズのレベルを常時監視し、第１閾値を増減させることにより、最適な判定のための閾値を得ることができ、誤検出の防止と検出の確実性の両立を図ることができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るアーク検出装置を用いた太陽光発電システムについて、図１２および図１３に基づいて説明する。なお、図１２においては図２と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。

図１２に示す本実施の形態２に係るアーク検出装置４５は、実施の形態１に係るアーク検出装置４０（図２参照）と同様に、集中型ＰＣＳ−ＰＶシステムに設置されている。

アーク検出装置４５では、第２判定手段４３１が、アークの発生が幹線か各ストリングＳかを判定している。
次に、第２判定手段４３１による判定を図１３に基づいて説明する。なお、図１３においては、ステップＳ４１０からステップＳ４３０による第１閾値による判定は、図３に示すステップＳ１０からステップＳ３０と同じであるため、説明を省略する。

第２判定手段４３１は、各ストリングＳのノイズレベルから最大値となったストリングＳと、２番目に大きい値のストリングＳとを特定する（ステップＳ４４０）。
次に、第２判定手段４３１は、ノイズレベルの最大値と２番目の値とのレベル差を演算して、第２閾値と比較する（ステップＳ４５０）。
第２閾値は、ストリングのノイズレベルの最大値と２番目とのレベル差の度合いを判定するための閾値であり、例えば、ノイズレベルの最大値×０．６とすることができる。

最大値と２番目の値とのレベル差が第２閾値以上である場合には、ステップＳ４６０にて、第２判定手段４３１は、最大値が測定されたストリングＳにてアークが発生したと判定する。これは、アークがストリングＳのいずれかで発生したものであれば、図４に示す表からも判るように、アーク発生のストリングＳと、他のストリングＳとのレベル差は大きくなる。従って、最大値が測定されたストリングＳにてアークが発生したと判定することができる。
その場合には、表示手段４４０や接点出力手段４５０などの報知手段が、ストリングアークであることを出力する（ステップＳ４７０）。

また、レベル差が第２閾値未満である場合には、ステップＳ４６０にて、第２判定手段４３１は、幹線にてアークが発生したと判定する。これは、アークが幹線にて発生したものであれば、図４（Ａ）に示す表からも判るように、幹線からのアークノイズが各ストリングＳ１〜Ｓ４へ回り込むため、それぞれのストリングＳのノイズレベルはレベル差が小さくなる。従って、幹線にてアークが発生したと判定することができる。
その場合には、表示手段４４０や接点出力手段４５０などの報知手段が、幹線アークであることを出力する（ステップＳ４８０）。

このように、各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値を用いて、ノイズレベルの最大値と２番目の値とのレベル差が、規定値である第２閾値以上であれば、最大値となったストリングＳのノイズレベルが他のストリングＳのノイズレベルより大きいことを示しているため、ノイズレベルＳが最大値のストリングＳにてアークが発生したものと判定することができる。
また、レベル差が第２閾値未満であれば、最大値となったストリングＳのノイズレベルが他のストリングＳのノイズレベルの差が小さく、ノイズレベルが各ストリングＳに回り込んだものと推定できるため、各ストリングＳ以外の他の箇所、例えば幹線でアークが発生したものであると判定することができる。
そのため、アーク検出装置４５は、様々な構成の太陽光発電システムでも、太陽電池モジュールによる発電を停止することなく、発生箇所を特定することができる。

なお、各ストリングＳ１〜Ｓ４が直接ＰＣＳに接続されるマルチストリングＰＣＳ−ＰＶシステムにアーク検出装置４５が設置される場合に、ノイズレベルの最大値と２番目のレベル差が第２閾値以上であれば、最大値が測定されたノイズレベルであったストリングである。
しかし、ノイズレベルの最大値と２番目のレベル差が第２閾値未満であれば、アークの発生は、各ストリングＳ１〜Ｓ４では無く、ＰＣＳ内など、他の箇所と判断することができる。

なお、実施の形態２に係るアーク検出装置４５においても、実施の形態１の第１変形例から第４変形例の各構成を適用することにより、同様の効果を得ることができる。

本発明のアーク検出装置は、各ストリングの出力ケーブルごとにノイズレベルを計測する測定手段を設置するだけで、アーク発生箇所が特定できるため、集中型ＰＣＳ−ＰＶシステムまたはマルチストリングＰＣＳ−ＰＶシステムのいずれの方式でも好適である。

１０ 太陽光発電システム
２０ 接続箱
３０ ＰＣＳ
４０，４１，４２，４３，４４，４５ アーク検出装置
４００ 装置本体
４１０ 測定手段
４１１，４１１ａ〜４１１ｄ 検出器
４１１ｅ 電流測定器
４１２ 切替手段
４１３，４６０ Ａ／Ｄ変換手段
４１４ 周波数解析手段
４２０，４２１ 第１判定手段
４３０，４３１ 第２判定手段
４４０ 表示手段
４５０ 接点出力手段
４７０，４７１，４７２ 閾値設定手段
Ｍ 太陽電池モジュール
Ｓ，Ｓ１〜Ｓ４ ストリング
Ｃ１〜Ｃ４ 出力ケーブル

Claims (7)

1. 太陽電池モジュールの各ストリングの出力ケーブル毎の電流波形からノイズレベルを計測する測定手段と、
   前記測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値とを比較することによりアーク発生を判定する第１判定手段と、
   前記第１判定手段がアーク発生を検出したときに、前記各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値に基づいて、ノイズレベルが最大値となるストリングでアークが発生したものか、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものかを判定する第２判定手段とを備え、
   前記第２判定手段は、前記ストリングのノイズレベルの最大値と２番目とのレベル差の度合いを判定するための閾値を前記第２閾値として、前記レベル差が前記第２閾値以上であれば、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定し、前記第２閾値未満であれば、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定するアーク検出装置。
2. 太陽電池モジュールの各ストリングの出力ケーブル毎の電流波形からノイズレベルを計測する測定手段と、
   前記測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値とを比較することによりアーク発生を判定する第１判定手段と、
   前記第１判定手段がアーク発生を検出したときに、前記各ストリングのノイズレベルの最大値と他のストリングのノイズレベルとの関係を識別するための第２閾値に基づいて、前記第２閾値を超えたストリング数が１であれば、ノイズレベルが最大値のストリングにてアークが発生したものと判定し、前記第２閾値を超えたストリング数が複数であれば、前記各ストリング以外の他の箇所でアークが発生したものであると判定する第２判定手段とを備えたアーク検出装置。
3. 前記第２判定手段は、前記ストリングのノイズレベルの最大値から所定割合分を前記第２閾値とする請求項２記載のアーク検出装置。
4. 前記第１判定手段は、前記測定手段からのノイズレベルとアーク発生を示す第１閾値との比較によるアーク検出が連続して第３閾値に基づく回数に達したときにアーク発生と判定する請求項１から３のいずれかの項に記載のアーク検出装置。
5. 前記太陽電池モジュールからの回路電流を測定する電流測定器と、
   前記回路電流を第４閾値と比較し、前記回路電流が小さいときに前記第３閾値を増加させ、前記回路電流が大きいときに前記第３閾値を減少させる閾値設定手段とを備えた請求項４記載のアーク検出装置。
6. 前記測定手段からのノイズレベルと前記第１閾値とのレベル差を、第５閾値と比較し、そのレベル差が小さいときに前記第３閾値を減少させ、前記レベル差が大きいときに前記第３閾値を増加させる閾値設定手段とを備えた請求項４記載のアーク検出装置。
7. 前記測定手段からのノイズレベルのうち前記第１閾値を超えたノイズレベルを除いて蓄積して平均値を演算し、前記平均値と前記第１閾値とのレベル差が第６閾値を外れた場合に、レベル差が前記第６閾値となるように前記第１閾値を増減する閾値設定手段を備えた請求項１から６のいずれかの項に記載のアーク検出装置。

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