JPWO2013098916A1 - 故障検出装置及びその検出方法 - Google Patents

Abstract

ＰＶアレイ２ａ，２ｂとインバータ５をそれぞれ接続するための並列に接続された２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂと、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂを集約してインバータ５と接続するための集約された電線ＬＰ，Ｌｎとを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置１であって、ストリングＳＴａの電線ＳＴａｐに流れる電流Ｉａｐを検出し、集約された電線ＬＰに流れる電流Ｉｐを検出し、ストリングＳＴａに電流Ｉａｐが流れていることを検出し、かつ集約された電線ＬＰに電流Ｉｐが流れていないことを検出した場合、故障として検出する。

Description

本発明は、電流に基づいて故障を検出する故障検出装置に関する。

一般に、大容量の電力を得るために複数の電池を並列に接続することが知られている。例えば、大規模の太陽光発電システムの場合、ＰＶ(photovoltaic）アレイが接続されたストリングが多数並列に接続されている。また、これらのＰＶアレイの故障を検出するために、ストリングに流れる電流を監視することが知られている。

一方、電気回路において、電流を検出して地絡又は短絡を検出することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、全てのＰＶアレイの故障を検出するには、全てのストリングの正側及び負側に電流センサを設けなければならない。しかし、このように電流センサを設けると、大規模の太陽光発電システムの場合、電流センサの数が増大する。電流センサの数が増加すると、この電流センサに付随する機器（例えば、信号処理用のＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器）及び配線も増加することになる。従って、このように故障を検出する装置は、システム全体のコストの増加を招く。

特開２０１０−１９７１７２号公報

本発明の目的は、故障を検出するための電流センサの数を低減することのできる故障検出装置を提供することにある。

本発明の観点に従った故障検出装置は、複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置であって、１つを除く全ての前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出する複数の接続回路電流検出手段と、前記集約回路に流れる電流を検出する集約電流検出手段と、少なくとも１つの前記接続回路電流検出手段により電流が流れていることを検出し、かつ前記集約電流検出手段により電流が流れていないことを検出した場合、故障として検出する故障検出手段とを備える。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る故障検出装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る故障検出装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る故障検出装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る故障検出装置を適用した太陽光発電システムの構成を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る故障検出装置１を適用した太陽光発電システム１０の構成を示す構成図である。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

ここでは、２つのＰＶアレイ２ａ，２ｂ及び２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂが並列に接続された太陽光発電システム１０について主に説明するが、ＰＶアレイ及びストリングは２つ以上であればいくつ設けてもよい。

太陽光発電システム１０は、故障検出装置１と、２つのＰＶアレイ２ａ，２ｂと、２つの電流センサ３ａｐ，３ｓｐと、平滑コンデンサ４と、インバータ５と、連系変圧器６とを備えている。太陽光発電システム１０は、電力系統７に接続されている。

ストリングＳＴａ，ＳＴｂは、ＰＶアレイ２ａ，２ｂとインバータ５をそれぞれ接続する回路である。各ストリングＳＴａ，ＳＴｂには、それぞれ正極の電線ＳＴａｐ，ＳＴｂｐと負極の電線ＳＴａｎ，ＳＴｂｎが含まれている。各ストリングＳＴａ，ＳＴｂの正極の電線ＳＴａｐ，ＳＴｂｐ及び負極の電線ＳＴａｎ，ＳＴｂｎは、それぞれＰＶアレイ２ａ，２ｂに接続されている。全てのストリングＳＴａ，ＳＴｂは、並列接続により集約された１組の電線Ｌｐ，Ｌｎを含む回路に接続されている。集約された電線Ｌｐ，Ｌｎは、インバータ５の直流側に接続されている。

２つのＰＶアレイ２ａ，２ｂは、インバータ５の直流側に並列に接続されている。ＰＶアレイ２ａ，２ｂは、太陽光などの光により発電する電池である。ＰＶアレイ２ａ，２ｂは、発電した電力をインバータ５に供給する。

平滑コンデンサ４は、インバータ５の直流側に設けられている。平滑コンデンサ４は、ＰＶアレイ２ａ，２ｂから供給される直流電圧を平滑化する。

インバータ５は、ＰＶアレイ２ａ，２ｂから供給される直流電力を電力系統７に同期する交流電力に変換する。インバータ５は、変換した交流電力を連系変圧器６を介して電力系統７に供給する。電力系統７は、例えば商用系統である。なお、インバータ５は、直流電力を単相交流電力に変換してもよいし、三相交流電力に変換してもよい。

電流センサ３ａｐは、ストリングＳＴａの正極の電線ＳＴａｐを流れる電流Ｉａｐを検出するように設けられている。電流センサ３ａｐは、検出した電流Ｉａｐを故障検出装置１に出力する。

電流センサ３ｓｐは、集約された正極の電線Ｌｐに流れる電流Ｉｐを検出するように設けられている。電流センサ３ｓｐは、検出した電流Ｉｐを故障検出装置１に出力する。電流センサ３ｓｐは、制御の精度を高めるためにインバータ５の直流側に設ける電流センサと兼用してもよい。

故障検出装置１では、故障を検出するために、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂに１つの電流センサ３ａｐを設ける。ストリングがｎ（ｎは２以上の自然数）並列の場合、１つを除く全てのｎ−１のストリングの正極又は負極のいずれかに電流センサを設ける。従って、ストリングに設けられる電流センサの数は、ｎ−１となる。これに、集約された正極の電線Ｌｐに設けられる電流センサ３ｓｐを加えると、故障検出装置１に用いられる電流センサの数はｎとなる。

故障検出装置１は、２つの電流センサ３ａｐ，３ｓｐにより検出された電流Ｉａｐ，Ｉｐに基づいて、各ストリングＳＴａ，ＳＴｂの故障を検出する。故障検出装置１は、故障を検出すると、上位監視装置８に故障の発生を知らせる故障検出信号Ｓｎｇを出力する。

次に、故障検出装置１による故障の検出方法について説明する。

故障検出装置１は、ストリングＳＴａの正極の電線ＳＴａｐに電流Ｉａｐが流れていることを検出し、かつ集約された正極の電線Ｌｐに電流Ｉｐが流れていないことを検出した場合、故障電流が流れている（故障が発生している）と判断する。このとき、検出した電流Ｉａｐの向きは考慮しない。

ストリングがｎ並列の場合、電流センサを設けた全てのストリングのうち少なくとも１つのストリングで電流を検出し、集約された正極の電線Ｌｐに流れる電流Ｉｐを検出しなかった場合、故障電流が流れていると判断する。

次に、故障を検出する原理について説明する。なお、電流の向きは、全てのＰＶアレイ２ａ，２ｂが正常に発電しているときに流れる方向を順方向とする。即ち、正極の電線Ｌｐ，ＳＴａｐ，ＳＴｂｐに流れる電流Ｉａｐ，Ｉｐは、ＰＶアレイ２ａ，２ｂからインバータ５に入力される方向が順方向となる。負極の電線Ｌｎ，ＳＴａｎ，ＳＴｂｎに流れる電流は、インバータ５からＰＶアレイ２ａ，２ｂに出力される方向が順方向となる。以降においても、順方向の向きは同様に考えるものとする。

まず、夜間にＰＶアレイ２ｂが短絡し、日中になってＰＶアレイ２ａが正常に発電し出した場合について考える。

この場合、ＰＶアレイ２ａから出力される電流がＰＶアレイ２ｂに流れる。即ち、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂ間で循環電流が流れるため、集約された電線Ｌｐ，Ｌｎに電流は流れない。このとき、ストリングＳＴａの正極の電線ＳＴａｐに流れる電流Ｉａｐは、順方向に流れ、ストリングＳＴｂの正極の電線ＳＴｂｐに流れる電流Ｉｂｐは、逆方向に流れる。

次に、夜間にＰＶアレイ２ａが短絡し、日中になってＰＶアレイ２ｂが正常に発電し出した場合について考える。

この場合、ＰＶアレイ２ｂから出力される電流がＰＶアレイ２ａに流れる。即ち、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂ間で循環電流が流れるため、集約された電線Ｌｐ，Ｌｎに電流は流れない。このとき、ストリングＳＴａの正極の電線ＳＴａｐに流れる電流Ｉａｐは、逆方向に流れ、ストリングＳＴｂの正極の電線ＳＴｂｐに流れる電流Ｉｂｐは、順方向に流れる。

このように、ストリングＳＴａに設けられた電流センサ３ａｐにより方向に関係なく電流Ｉａｐが検出され、集約された電線Ｌｐに設けられた電流センサ３ｓｐにより電流Ｉｐが検出されなかった場合、故障電流が流れているものと判断することができる。

本実施形態によれば、夜間にＰＶアレイ２ａ，２ｂが短絡するなどの過電流が流れないような故障でも、１つを除く全てのｎ−１のストリングに各１つ設けられた電流センサ３ａｐにより検出された電流Ｉａｐ、及び集約された電線Ｌｐに設けられた電流センサ３ｓｐにより検出された電流Ｉｐに基づいて、検出することができる。

ここでは、全ての電流センサ３ａｐ，３ｓｐを正極の電線Ｌｐ，ＳＴａｐに設けた構成について説明したが、これらの電流センサ３ａｐ，３ｓｐは、負極の電線Ｌｎ，ＳＴａｎに設けてもよい。即ち、１つを除く全てのｎ−１のストリングに各１つ電流センサを設け、集約された電線Ｌｐ，Ｌｎに１つ電流センサを設ければ、故障を検出することができる。従って、ｎ並列のストリングであれば、設ける電流センサの数はｎとなる。

また、集約された電線Ｌｐに設ける電流センサ３ｓｐは、インバータ５の制御に用いられる電流センサを兼用することで、さらに電流センサの数を削減することができる。

さらに、故障を検出するための電流センサ３ａｐ，３ｓｐの数を削減することで、電流センサに付随する機器（例えば、Ａ／Ｄ変換器）及び配線も削減することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る故障検出装置１Ａを適用した太陽光発電システム１０Ａの構成を示す構成図である。

ここでは、２つのＰＶアレイ２ａ，２ｂ及び２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂが並列に接続された太陽光発電システム１０Ａについて主に説明するが、ＰＶアレイ及びストリングは２つ以上であればいくつ設けてもよい。

太陽光発電システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０において、集約された負極の電線Ｌｎが接地され、電流センサ３ｓｐを電流センサ３ｓｎに代え、２つの電流センサ３ａｎ，３ｂｐを追加し、故障検出装置１を故障検出装置１Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

電流センサ３ａｎは、ストリングＳＴａの負極の電線ＳＴａｎを流れる電流Ｉａｎを検出するように設けられている。電流センサ３ａｎは、検出した電流Ｉａｎを故障検出装置１Ａに出力する。電流センサ３ｂｐは、ストリングＳＴｂの正極の電線ＳＴｂｐを流れる電流Ｉｂｐを検出するように設けられている。電流センサ３ｂｐは、検出した電流Ｉｂｐを故障検出装置１Ａに出力する。

電流センサ３ｓｎは、集約された負極の電線Ｌｎに流れる電流Ｉｎを検出するように設けられている。電流センサ３ｓｎは、接地極である負極に設けられている。電流センサ３ｓｎは、検出した電流Ｉｎを故障検出装置１Ａに出力する。電流センサ３ｓｎは、制御の精度を高めるためにインバータ５の直流側に設ける電流センサと兼用してもよい。

故障検出装置１Ａでは、故障を検出するために、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂに３つの電流センサ３ａｐ，３ａｎ，３ｂｐを設ける。ストリングがｎ並列の場合、１つを除く全てのｎ−１のストリングの正極及び負極に電流センサを設け、除いた１つのストリングの正極又は負極のいずれかに電流センサを設ける。従って、ストリングに設けられる電流センサの数は、２ｎ−１となる。これに、集約された負極（接地極）の電線Ｌｎに設けられる電流センサ３ｓｎを加えると、故障検出装置１Ａに用いられる電流センサの数は２ｎとなる。

故障検出装置１Ａは、４つの電流センサ３ａｐ，３ａｎ，３ｂｐ，３ｓｎにより検出された電流Ｉａｐ，Ｉａｎ，Ｉｂｐ，Ｉｎに基づいて、各ストリングＳＴａ，ＳＴｂの故障を検出する。故障検出装置１Ａは、故障を検出すると、上位監視装置８に故障の発生を知らせる故障検出信号Ｓｎｇを出力する。

次に、故障検出装置１Ａによる故障の検出方法について説明する。

故障検出装置１Ａは、各ストリングＳＴａ，ＳＴｂの正極側を流れる電流Ｉａｐ，Ｉｂｐ及び集約された負極の電線Ｌｎに流れる電流Ｉｎに基づいて、次式を用いて地絡電流Ｉｇを演算する。

Ｉｇ＝Ｉａｐ＋Ｉｂｐ−Ｉｎ …（１）
故障検出装置１Ａは、演算した地絡電流Ｉｇがゼロでないと判定した場合（例えば、地絡電流Ｉｇが予め設定された電流値以上である場合）、地絡が発生したと判断する。

ストリングがｎ並列の場合、各ストリングの正極の電線（又は、負極の電線）に流れる電流の総和から集約された電線に流れる電流を引くことで、地絡電流Ｉｇを演算する。

故障検出装置１Ａは、地絡が発生したと判断すると、地絡が発生しているストリングＳＴａ，ＳＴｂを特定するための演算処理を行う。具体的には、ストリングＳＴａ，ＳＴｂ毎に、正極側を流れる電流Ｉａｐ，Ｉｂｐと負極側を流れる電流Ｉａｎ，Ｉｂｎとを比較する。電流センサが設けられていないストリングＳＴｂの負極側を流れる電流Ｉｂｎは、次式を用いて演算する。

Ｉｂｎ＝Ｉｎ−Ｉａｎ …（２）
ストリングＳＴａで地絡が発生しているか否かを判断する場合、故障検出装置１Ａは、正極側を流れる電流Ｉａｐと負極側を流れる電流Ｉａｎとの差を演算する。故障検出装置１Ａは、演算した差がゼロでないと判定した場合（例えば、差が予め設定された電流値以上である場合）、ストリングＳＴａで地絡が発生したと判断する。ストリングＳＴｂについても同様に、故障検出装置１Ａは、ストリングＳＴｂの正極側を流れる電流Ｉｂｐと負極側を流れる電流Ｉｂｎとの差に基づいて、地絡が発生しているか否かを判断する。

故障検出装置１Ａは、地絡が発生したストリングＳＴａ，ＳＴｂを特定すると、故障検出信号Ｓｎｇに特定した地絡（故障）しているストリングを情報として含めて上位監視装置８に出力する。

本実施形態によれば、ＰＶアレイ２ａ，２ｂの地絡を、１つを除く全てのｎ−１のストリングの両極に設けられた電流センサ３ａｐ，３ａｎにより検出された電流Ｉａｐ，Ｉａｎ、残りの１つのストリングの片方の極に設けられた電流センサ３ｂｐにより検出された電流Ｉｂｐ、及び集約された接地極の電線Ｌｎに設けられた電流センサ３ｓｎにより検出された電流Ｉｎに基づいて、検出することができる。ｎ並列のストリングであれば、設ける電流センサの数は２ｎとなる。なお、図２では負極側を接地極とし、電流センサ３ｓｎを検出に利用しているが、正極側が接地された構成においては電流センサ３ｓｎの代わりに３ｓｐを設置し、検出を行う。

また、集約された電線Ｌｎに設ける電流センサ３ｓｐは、インバータ５の制御のために用いられる電流センサを兼用することで、電流センサの数を削減することができる。これにより、電流センサに付随する機器（例えば、Ａ／Ｄ変換器）及び配線も削減することができる。

さらに、故障検出装置１Ａは、地絡電流Ｉｇを測定することができる。従って、接地線などに地絡電流を測定するための電流センサを設ける必要がない。地絡電流Ｉｇを測定することにより、例えば、故障検出装置１Ａは、地絡電流が所定の電流値以上であった場合、インバータ５を停止（ゲートブロックなど）させるような信号を出力させることもできる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る故障検出装置１Ｂを適用した太陽光発電システム１０Ｂの構成を示す構成図である。

ここでは、１つのＰＶアレイ２に対して２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄが並列に接続された太陽光発電システム１０Ｂについて主に説明するが、１つのＰＶアレイに対して２つ以上であればいくつのストリングが並列に接続されていてもよい。

太陽光発電システム１０Ｂは、故障検出装置１Ｂと、ＰＶアレイ２と、３つの電流センサ３ｃｐ，３ｃｎ，３ｓｐと、平滑コンデンサ４と、インバータ５と、連系変圧器６と、４つの遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎを備えている。太陽光発電システム１０Ｂは、電力系統７に接続されている。平滑コンデンサ４、インバータ５、連系変圧器６、及び電力系統７については、第１の実施形態と同様である。また、ＰＶアレイ２は、第１の実施形態に係るＰＶアレイ２ａ，２ｂと同様である。

ストリングＳＴｃ，ＳＴｄは、ＰＶアレイ２とインバータ５を接続する回路である。各ストリングＳＴｃ，ＳＴｄには、正極の電線ＳＴｃｐ，ＳＴｄｐと負極の電線ＳＴｃｎ，ＳＴｄｎが含まれている。各ストリングＳＴｃ，ＳＴｄの正極の電線ＳＴｃｐ，ＳＴｄｐ及び負極の電線ＳＴｃｎ，ＳＴｄｎは、アレイ２に接続されている。全てのストリングＳＴｃ，ＳＴｄは、並列接続により集約された１組の電線Ｌｐ，Ｌｎに接続されている。集約された電線Ｌｐ，Ｌｎは、インバータ５の直流側に接続されている。

４つの遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎは、ＰＶアレイ２とインバータ５を接続する正極の電線ＳＴｃｐ，ＳＴｄｐと負極の電線ＳＴｃｎ，ＳＴｄｎに２つずつ設けられている。このように、正極の電線ＳＴｃｐ，ＳＴｄｐ及び負極の電線ＳＴｃｎ，ＳＴｄｎに複数の遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎをそれぞれ並列に設けることにより、遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎの容量を小さくして、実質的に容量の大きくした遮断器を設けた回路構成と同等の回路構成にすることができる。なお、ここでは、遮断器を用いた構成について説明するが、他の機器でもよい。例えば、電流の経路を複数に分割する理由としては、ヒューズの容量を減らすことを目的としてもよい。また、これ以外にも、太陽光発電システム１０Ｂの実施態様により、様々な機器を設ける場合がある。従って、これらの機器の容量を減らすことを目的とした構成でもよい。

遮断器９ｃｐは、ストリングＳＴｃの正極の電線ＳＴｃｐに設けられている。遮断器９ｃｎは、ストリングＳＴｃの負極の電線ＳＴｃｎに設けられている。遮断器９ｄｐは、ストリングＳＴｄの正極の電線ＳＴｄｐに設けられている。遮断器９ｄｎは、ストリングＳＴｄの負極の電線ＳＴｄｎに設けられている。遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎは、それぞれが設けられている電線ＳＴｃｐ，ＳＴｃｎ，ＳＴｄｐ，ＳＴｄｎの切断及び接続をする。

電流センサ３ｃｐは、ストリングＳＴｃの正極の電線ＳＴｃｐを流れる電流Ｉｃｐを検出するように設けられている。電流センサ３ｃｐは、検出した電流Ｉｃｐを故障検出装置１Ｂに出力する。電流センサ３ｃｎは、ストリングＳＴｃの負極の電線ＳＴｃｎを流れる電流Ｉｃｎを検出するように設けられている。電流センサ３ｃｎは、検出した電流Ｉｃｎを故障検出装置１Ｂに出力する。電流センサ３ｓｐは、第１の実施形態と同様に、集約された正極の電線Ｌｐに設けられているが、負極の電線Ｌｎに設けてもよい。

故障検出装置１Ｂでは、故障を検出するために、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄのうち１つのストリングＳＴｃに２つの電流センサ３ｃｐ，３ｃｎを設ける。ストリングがｎ並列の場合、１つを除く全てのｎ−１のストリングの正極及び負極に電流センサを設ける。従って、ストリングに設けられる電流センサの数は、２（ｎ−１）となる。これに、集約された正極の電線Ｌｐに設けられる電流センサ３ｓｐを加えると、故障検出装置１Ｂに用いられる電流センサの数は２ｎ−１となる。

故障検出装置１Ｂは、３つの電流センサ３ｃｐ，３ｃｎ，３ｓｐにより検出された電流Ｉｃｐ，Ｉｃｎ，Ｉｐに基づいて、各ストリングＳＴｃ，ＳＴｄの故障を検出する。故障検出装置１Ｂは、故障を検出すると、上位監視装置８に故障の発生を知らせる故障検出信号Ｓｎｇを出力する。

次に、故障検出装置１Ｂによる故障の検出方法について説明する。

故障検出装置１Ｂは、電流センサ３ｃｐ，３ｃｎが設けられたストリングＳＴｃに流れる電流Ｉｃｐ，Ｉｃｎ及び集約された正極の電線Ｌｐに流れる電流Ｉｐに基づいて、電流センサが設けられていないストリングＳＴｄに流れる電流Ｉｄｐ，Ｉｄｎを、次式を用いて演算する。

Ｉｄｐ＝Ｉｐ−Ｉｃｐ …（３）
Ｉｄｎ＝Ｉｐ−Ｉｃｎ …（４）
ストリングがｎ並列の場合、集約された正極又は負極の電線に流れる電流から電流センサの設けられていないストリングを除く全てのストリングの正極の電線に流れる電流の総和を引くことで、電流センサの設けられていないストリングの正極の電線に流れる電流を演算する。同様に、集約された正極又は負極の電線に流れる電流から電流センサの設けられていないストリングを除く全てのストリングの負極の電線に流れる電流の総和を引くことで、電流センサの設けられていないストリングの負極の電線に流れる電流を演算する。

このようにして、電流センサの設けられていないストリングＳＴｄも含めて、全てのストリングＳＴｃ，ＳＴｄの正極及び負極に流れる電流Ｉｃｐ，Ｉｃｎ，Ｉｄｐ，Ｉｄｎを測定する。

故障検出装置１Ｂは、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄにアンバランスな電流が流れているか否かを判断する。

具体的には、故障検出装置１Ｂは、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄの正極に流れる電流Ｉｃｐ，Ｉｄｐを比較する。故障検出装置１Ｂは、２つの電流Ｉｃｐ，Ｉｄｐを比較した結果、電流量に差があると判定した場合（例えば、２つの電流Ｉｃｐ，Ｉｄｐの差が予め設定された電流値以上である場合）、アンバランスな電流が流れていると判断する。同様に、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄの負極に流れる電流Ｉｃｎ，Ｉｄｎを比較して、アンバランスな電流が流れているか否かを判断する。なお、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄの電流の比較は、互いに極性の異なる電流を比較してもよい。

ストリングがｎ並列の場合、他のストリングに流れる電流と比較して、少ない電流（又は、多い電流）が流れているストリングがあるか否かを判定する。このような電流が流れているストリングがある場合、アンバランスな電流が流れていると判断する。

次に、アンバランスな電流が流れている場合に、故障と判断する理由について説明する。

２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄは、同じ１つのＰＶアレイ２とインバータ５の直流側との間に並列に接続されている回路である。２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄに、負荷は接続されていない。また、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄの正極及び負極の電線ＳＴｃｐ，ＳＴｃｎ，ＳＴｄｐ，ＳＴｄｎには、それぞれ遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎが設けられている。遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎは、投入されていれば、理想的にはインピーダンスはゼロである。

これらのことから、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄのインピーダンスは略ゼロである。従って、２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄに流れる電流は、理論上は略同じになる筈である。２つのストリングＳＴｃ，ＳＴｄにアンバランスな電流が流れている場合、ストリングＳＴｃ，ＳＴｄの電線ＳＴｃｐ，ＳＴｃｎ，ＳＴｄｐ，ＳＴｄｎの少なくとも１つにインピーダンスが増加するような故障が発生していると考えられる。

このような故障が発生する原因としては、地絡の他に、遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎなどの機器を接続するボルトの緩み、又は遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎなどの機器の故障などが考えられる。

よって、故障検出装置１Ｂは、アンバランスな電流が流れていることを検出することで、故障を検出することができる。

本実施形態によれば、ボルトの緩み又は遮断器９ｃｐ，９ｃｎ，９ｄｐ，９ｄｎの故障などを、１つを除く全てのｎ−１のストリングの両極に１つずつ設けられた電流センサ３ｃｐ，３ｃｎにより検出された電流Ｉｃｐ，Ｉｃｎ、及び集約された電線Ｌｐに設けられた電流センサ３ｓｐにより検出された電流Ｉｐに基づいて、検出することができる。従って、ｎ並列のストリングであれば、設ける電流センサの数は２ｎ−１となる。

また、集約された電線Ｌｐに設ける電流センサ３ｓｐは、インバータ５の制御に用いられる電流センサを兼用することで、さらに電流センサの数を削減することができる。

さらに、故障を検出するための電流センサ３ｃｐ，３ｃｎ，３ｓｐの数を削減することで、電流センサに付随する機器（例えば、Ａ／Ｄ変換器）及び配線も削減することができる。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る故障検出装置１Ｃを適用した太陽光発電システム１０Ｃの構成を示す構成図である。

ここでは、２つのＰＶアレイ２ａ，２ｂ及び２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂが並列に接続された太陽光発電システム１０Ｃについて主に説明するが、ＰＶアレイ及びストリングは２つ以上であればいくつ設けてもよい。

太陽光発電システム１０Ｃは、図１に示す第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０において、電流センサ３ｓｐを第２の実施形態に係る電流センサ３ｂｐに代え、故障検出装置１を故障検出装置１Ｃに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

故障検出装置１Ｃでは、故障を検出するために、２つのストリングＳＴａ，ＳＴｂにそれぞれ１つの電流センサ３ａｐ，３ｂｐを設ける。ストリングがｎ並列の場合、全てのストリングの正極又は負極のいずれかに電流センサを設ける。故障検出装置１Ｃに用いられる電流センサの数はｎとなる。

故障検出装置１Ｃは、２つの電流センサ３ａｐ，３ｂｐにより検出された電流Ｉａｐ，Ｉｂｐに基づいて、各ストリングＳＴａ，ＳＴｂの故障を検出する。故障検出装置１Ｃは、故障を検出すると、上位監視装置８に故障の発生を知らせる故障検出信号Ｓｎｇを出力する。

次に、故障検出装置１Ｃによる故障の検出方法について説明する。

故障検出装置１Ｃは、全てのストリングＳＴａ，ＳＴｂの正極側を流れる電流Ｉａｐ，Ｉｂｐの向きを判定する。ストリングＳＴａ，ＳＴｂに流れる電流Ｉａｐ，Ｉｂｐのうち１つでも逆方向であると判定した場合、故障検出装置１Ｃは、ストリングＳＴａ，ＳＴｂに故障が発生していると判断する。

次に、故障を検出する原理について説明する。

第１の実施形態で説明したように、夜間にＰＶアレイ２ｂが短絡し、日中になってＰＶアレイ２ａが正常に発電し出した場合、ストリングＳＴｂに流れる電流Ｉｂｐは、逆方向に流れる。また、夜間にＰＶアレイ２ａが短絡し、日中になってＰＶアレイ２ｂが正常に発電し出した場合、ストリングＳＴａに流れる電流Ｉａｐは、逆方向に流れる。

即ち、ストリングＳＴａ，ＳＴｂ間で循環電流が流れている場合、一方のストリングＳＴａ，ＳＴｂでは、逆方向の電流が流れる。ストリングがｎ並列の場合も同様に、いずれかのストリングには、逆方向の電流が流れる。

従って、いずれかのストリングＳＴａ，ＳＴｂに逆方向の電流が流れていることを検出することで、故障電流が流れていると判断することができる。

本実施形態によれば、夜間にＰＶアレイ２ａ，２ｂが短絡するなどの過電流が流れないような故障でも、全てのストリングに各１つ設けられた電流センサ３ａｐ，３ｂｐにより検出された電流Ｉａｐ，Ｉｂｐに基づいて、検出することができる。

ここでは、全ての電流センサ３ａｐ，３ｂｐを正極の電線ＳＴａｐ，ＳＴｂｐに設けた構成について説明したが、これらの電流センサ３ａｐ，３ｂｐは、負極の電線ＳＴａｎ，ＳＴｂｎに設けてもよい。即ち、全てのストリングに各１つ電流センサを設ければ、故障を検出することができる。従って、ｎ並列のストリングであれば、設ける電流センサの数はｎとなる。

また、故障を検出するための電流センサ３ａｐ，３ｂｐの数を削減することで、電流センサに付随する機器（例えば、Ａ／Ｄ変換器）及び配線も削減することができる。

なお、各実施形態において、故障検出装置１〜１Ｃをインバータ５の外側に設けたが、インバータ５の一部の機能として実装してもよい。

また、各実施形態において、故障検出装置１〜１Ｃは、故障を検出した場合、故障検出信号Ｓｎｇを上位監視装置８に出力する構成としたが、これに限らない。故障検出装置１〜１Ｃは、故障検出信号Ｓｎｇをインバータ５に出力してもよいし、その他の装置に故障検出信号Ｓｎｇを出力してもよい。また、故障検出装置１〜１Ｃは、故障検出信号Ｓｎｇを出力する代わりに、システムを保護するために遮断器に開放するための信号を出力してもよいし、その他の保護動作又は警報を出力してもよい。

さらに、各実施形態では、ＰＶアレイ２，２ａ，２ｂを用いた構成について説明したが、他の発電機又は電池などの電源を用いてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明によれば、故障を検出するための電流センサの数を低減することのできる故障検出装置を提供することができる。

Claims (10)

1. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置であって、
   １つを除く全ての前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出する複数の接続回路電流検出手段と、
   前記集約回路に流れる電流を検出する集約電流検出手段と、
   少なくとも１つの前記接続回路電流検出手段により電流が流れていることを検出し、かつ前記集約電流検出手段により電流が流れていないことを検出した場合、故障として検出する故障検出手段と
   を備えたことを特徴とする故障検出装置。
2. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置であって、
   １つの前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線と残りの全ての前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出する複数の接続回路電流検出手段と、
   前記集約回路の接地極の電線に流れる電流を検出する集約電流検出手段と、
   複数の前記接続回路電流検出手段によりそれぞれ検出された電流及び前記集約電流検出手段により検出された電流に基づいて、地絡電流を演算する地絡電流演算手段と、
   前記地絡電流演算手段により演算された地絡電流に基づいて、故障として地絡を検出する故障検出手段と
   を備えたことを特徴とする故障検出装置。
3. 前記故障検出手段により故障を検出した場合、複数の前記接続回路電流検出手段によりそれぞれ検出された電流及び前記集約電流検出手段により検出された電流に基づいて、故障した前記接続回路を特定する故障特定手段と
   を備えたことを特徴とする請求項２に記載の故障検出装置。
4. 直流電源とインバータとを接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置であって、
   １つを除く全ての前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出する複数の接続回路電流検出手段と、
   前記集約回路に流れる電流を検出する集約電流検出手段と、
   複数の前記接続回路電流検出手段によりそれぞれ検出された電流及び集約電流検出手段により検出された電流に基づいて、前記接続回路電流検出手段が設けられていない前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線にそれぞれ流れる電流を演算する接続回路電流演算手段と、
   複数の前記接続回路電流検出手段によりそれぞれ検出された電流及び前記接続回路電流演算手段によりそれぞれ演算された電流に基づいて、複数の前記接続回路に流れる電流を比較する電流比較手段と、
   前記電流比較手段による比較の結果、アンバランスな電流が流れていることを検出した場合、故障として検出する故障検出手段と
   を備えたことを特徴とする故障検出装置。
5. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出装置であって、
   全ての前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出する複数の接続回路電流検出手段と、
   少なくとも１つの前記接続回路電流検出手段により検出された電流の向きが前記直流電源から前記インバータに電力が供給される方向と逆方向である場合、故障として検出する故障検出手段と
   を備えたことを特徴とする故障検出装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の故障検出装置を備えたこと
   を特徴とするインバータ。
7. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出方法であって、
   １つを除く全ての前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出し、
   前記集約回路に流れる電流を検出し、
   少なくとも１つの前記接続回路に電流が流れていることを検出し、かつ前記集約回路に電流が流れていないことを検出した場合、故障として検出すること
   を含むことを特徴とする故障検出方法。
8. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出方法であって、
   １つの前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線と残りの全ての前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出し、
   前記集約回路の接地極の電線に流れる電流を検出し、
   検出した複数の前記接続回路に流れる電流及び検出した前記集約回路に流れる電流に基づいて、地絡電流を演算し、
   演算した地絡電流に基づいて、故障として地絡を検出すること
   を含むことを特徴とする故障検出方法。
9. 直流電源とインバータとを接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出方法であって、
   １つを除く全ての前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出し、
   前記集約回路に流れる電流を検出し、
   検出した複数の前記接続回路に流れるそれぞれ電流及び検出した前記集約回路に流れる電流に基づいて、検出していない前記接続回路の前記正極の電線及び前記負極の電線にそれぞれ流れる電流を演算し、
   検出した複数の前記接続回路にそれぞれ流れる電流及び演算した前記前記接続回路にそれぞれ流れる電流に基づいて、複数の前記接続回路に流れる電流を比較し、
   比較した結果、アンバランスな電流が流れていることを検出した場合、故障として検出すること
   を含むことを特徴とする故障検出方法。
10. 複数の直流電源とインバータとをそれぞれ接続するための並列に接続された正極の電線と負極の電線を含む複数の接続回路と、複数の前記接続回路を集約して前記インバータと接続するための集約回路とを含む電気回路の故障を検出する故障検出方法であって、
    全ての前記接続回路の前記正極の電線又は前記負極の電線に流れる電流をそれぞれ検出し、
    検出した少なくとも１つの前記接続回路に流れる電流の向きが前記直流電源から前記インバータに電力が供給される方向と逆方向である場合、故障として検出すること
    を含むことを特徴とする故障検出方法。

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