光伏组串的电流信号的发送装置的制作方法

本发明涉及光伏组串的用于发送电流信号的技术。

背景技术：

光伏组串是将包含光伏电池元件的多个光伏电池面板经由电力线进行串联连接而构成的用于取出电力的串联电路。将光伏组串并联配置的结构有时称为光伏阵列。通过使用光伏组串(包括光伏阵列的情况)，能够有效地取出利用太阳能而产生的电力。

当构成光伏组串的任一个光伏面板发生故障时，取出的电力降低，发电效率劣化。在从外部能够视觉辨认的故障的情况下(外部的损伤等)，能够进行基于作业员或使用了相机的监视的异常检测。然而，在光伏面板的内部发生了故障的情况下，基于目视的异常面板确定困难。在这样的情况下，即便在光伏组串整体的发电量能观察到异常，但是由于异常面板的确定或更换的作业产生费用，因此会给光伏发电厂的经济效率造成恶劣影响。特别是一般的光伏电池面板所使用的光伏电池元件作为电流源(即电阻无限大)进行动作。假设组串中的一部分的光伏电池面板发生故障，从该光伏电池元件流动的电流值减小(例如从1a成为0.1a)的情况下，根据电流的连续性，在组串整体流动的电流值减小(例如成为0.1a)，发电效率显著劣化。

下述专利文献1的图1～3记载了将电流信号叠加地向光伏组串的电力线的电流发送并利用接收机接收电流信号的技术。

在该技术中，由于经由光伏电池面板的寄生电容来传送电流信号，因此信号强度弱，存在信号的sn比(信噪比)容易劣化的倾向。因此，在串联连接的面板张数(所谓段数)增加的情况下，存在该技术难以使用的问题。

也可以考虑将各个光伏电池面板并联连接并从它们单独地将监视信息在电力线上发送的结构。然而，该结构为低电压并流过大电流，基于电力线的电力传送效率下降，因此并非一般情况，接收电力一侧的装置(逆变器)通常不对应于这样的结构。当然，也存在分别在光伏面板上将监视信息的发送用的配线(或者在基于无线的发送的情况下为无线设备)与电力线另行地分别配置的方法，但是存在装置结构复杂化这样的问题。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-155271(图1～图3)

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明基于前述的状况而作出。本发明的主要目的在于提供一种提高向光伏组串的电力线叠加传送的电流信号的sn比(信噪比)而能够有效地进行故障部位的确定的技术。

用于解决课题的方案

解决前述的课题的方案可以记载为以下的项目。

(项目1)

一种发送装置，用于将具备经由电力线而相互串联连接的多个光伏电池元件的光伏组串中的监视信息作为电流信号进行发送，其中，

所述发送装置具备电流源、控制器、及旁通电容器，

所述电流源以相对于所述光伏电池元件成为并联的方式连接于所述电力线，

所述控制器成为通过控制所述电流源的电流值而生成所述电流信号的结构，

所述旁通电容器以相对于所述光伏电池元件及所述电流源成为并联的方式连接于所述电力线，由此，成为能够将从所述光伏组串的负极侧传送的电流信号向正极侧传送的结构。

(项目2)

根据项目1记载的发送装置，其中，

所述电流源以成为与相对于该电流源并联连接的所述光伏电池元件相同的电流极性的方式连接于所述电力线。

(项目3)

根据项目1或2记载的发送装置，其中，

所述发送装置还具备连接在所述电流源与所述旁通电容器之间的发送用二极管，由此，成为阻止从所述电流源向所述旁通电容器的电流而向所述电力线送入电流的结构。

(项目4)

根据项目3记载的发送装置，其中，

所述发送装置还具备相对于所述旁通电容器串联且相对于所述发送用二极管并联地插入的电阻。

(项目5)

根据项目1～4中任一项记载的发送装置，其中，

所述电流源具备泵用电容器，该泵用电容器根据来自所述控制器的信号，在所述电流信号断开时蓄积电荷，在所述电流信号接通时向所述电力线送出电流。

(项目6)

根据项目1～4中任一项记载的发送装置，其中，

所述电流源具备放电用线圈，

所述放电用线圈成为如下结构：根据来自所述控制器的接通信号，引入电流而蓄积磁通，根据来自所述控制器的断开信号，在按照时间常数的时间期间向所述电力线送出了电流之后，将所述电流信号断开。

(项目7)

一种监视装置，其中，

所述监视装置具备项目1～6中任一项记载的发送装置、及接收部，

所述接收部成为接收经由所述电力线传送来的所述电流信号的结构。

(项目8)

一种光伏发电系统，其中，

所述光伏发电系统具备项目7记载的监视装置、及用于取出经由所述电力线传送来的电力的电力取出部。

发明效果

根据本发明，能够提高向光伏组串的电力线叠加传送的电流信号的sn比而有效地进行故障部位的确定。

附图说明

图1是用于表示本发明的第一实施方式的光伏发电系统的概略性的结构的框图。

图2是用于说明在图1的系统中使用的光伏组串的结构的说明图。

图3是表示在图1的系统中使用的发送部(发送装置)的电流源的结构例的电路图。

图4是表示在图1的系统中使用的接收部的结构例的电路图。

图5是用于说明在接收部检测的时间波形和关于该时间波形的圆滑化处理的说明图，图5(a)是接收部的检测波形，图5(b)是圆滑化处理后的波形，图5(c)是通过与阈值的比较而得到的数字信号。

图6是用于说明在本发明的第二实施方式的光伏发电系统中使用的发送部的结构的说明图。

图7是与图3(a)～(d)的各类型的电流源对应的在接收部观察到的脉冲波形的坐标图。

图8是用于说明光伏电池面板的排列状态的例子的说明图，图8(a)为20×1阵列，图8(b)为10×2阵列，图8(c)为5×4阵列。

图9是表示与图3(a)～(d)的各类型的电流源对应的在接收部观察到的脉冲波形的坐标图。

图10是表示通过图3(a)所示的类型的电流源产生的电流信号的检测结果的坐标图。

图11是表示通过图3(c)所示的类型的电流源产生的电流信号的检测结果的坐标图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的第一实施方式的光伏发电系统。

(第一实施方式的结构)

本实施方式的光伏发电系统具备光伏组串1、电力取出部2、及接收部3(参照图1及图2)。

(光伏组串)

光伏组串1具备多个光伏面板10、及电力线11。在以下的说明中，在参照第n个光伏面板时，如光伏面板10n那样，向标号附加后缀。在只是称为光伏面板10时，是指任一个光伏面板。

(光伏面板)

多个光伏面板10经由电力线11而串联连接，由此，能够由电力线11传送利用光伏电池得到的电力。

各光伏面板10的结构基本上同样，因此在下述中，以一个光伏面板10为例进行说明。但是，根据需要可以变更各光伏面板的结构。

光伏面板10具备光伏电池元件14、及发送部15。发送部15对应于本发明的发送装置的一个具体例。

(光伏电池元件)

如图2所示，光伏电池元件14可以作为一个电源来掌握。该电源虽然也依赖于动作模式，但是基本上，具有不是电压源(理想的情况是内部电阻＝0)而是作为电流源(理想的情况是内部电阻＝∞)的特性。作为光伏电池元件，基本上可以设为与以往同样的结构，因此省略进一步的详细说明。

(发送部)

发送部15具备电流源151、控制器152、旁通电容器153(参照图2)。此外，本例的发送部15追加性地具备发送用二极管154和旁通用二极管155。

(电流源)

电流源151以相对于光伏电池元件14成为并联的方式连接于电力线11。关于电流源的具体的结构例在后文叙述。该例的电流源151以成为与相对于该电流源151并联连接的光伏电池元件14相同的电流极性的方式连接于电力线11。

(控制器)

控制器152成为通过控制电流源151的电流值而生成电流信号的结构。作为控制器，可以使用例如微处理器(mcu：micro-controllerunit)。但是，作为控制器，不受其制约，只要通过在所希望的时刻进行电流源151的电流值控制(例如接通断开控制)而能够生成适当的电流信号即可。

(旁通电容器)

旁通电容器153以相对于光伏电池元件14及电流源151成为并联的方式连接于电力线11。在本实施方式中，通过该结构，成为能够将从光伏组串1中的负极侧传送的电流信号向正极侧(在图2中为电流i的方向)传送的结构。

(发送用二极管)

发送用二极管154连接在电流源151与旁通电容器153之间。在本实施方式中，由此，成为阻止从电流源151向旁通电容器153的电流而向电力线11送入电流的结构。

(旁通用二极管)

旁通用二极管155串联地插入到第k-1个光伏面板与第k+1个光伏面板之间。在此，k是着眼的光伏电池面板的编号，在本例中为1≤k≤n。旁通用二极管155是即使在第k个光伏面板发生了某些障碍的情况下，也经由旁通用二极管155使电流流动用的结构。作为该旁通用二极管155，可以与在以往的光伏面板中使用的旁通用二极管为同样构成，因此省略进一步的详细说明。

(电力取出部)

在该实施方式中，电力取出部2成为使用逆变器(具体而言为dc/ac逆变器或dc/dc转换器)从电力线11取出电力的结构。作为电力取出部2，只要是将从光伏面板10传送的电力从电力线11取出的结构即可，可以使用任意的结构。作为本实施方式的电力取出部，能够利用现有的结构，因此省略进一步的详细说明。

(接收部)

接收部3成为接收经由电力线11从发送部15传送来的电流信号的结构。作为本例的接收部3，成为使用变流器ct而取出电流值的变化作为信号的结构。关于接收部的详细结构也在后文叙述。

(本实施方式中的发送部的动作)

在前述的本实施方式的发送部15中，通过电流源151的开关(接通/断开的切换)，能够产生电流信号。在电流源151产生的电流信号与在电力线11中流动的电流叠加而向接收部3传送。在此，在本实施方式中，由于设置发送用二极管154，因此来自电流源151的电流信号不向旁通电容器153的方向流动。如果假设电流信号的一部分向旁通电容器153的方向流动，则信号成分通过电容器，因此噪声乘载于电力线11，电流信号的sn比劣化。在本实施方式中，通过抑制这样的噪声的产生，能够提高电流信号的sn比。

另外，在本实施方式中，在电流方向上的上游侧(例如第k-1个光伏面板)产生的电流信号经由电力线11向第k个光伏面板传送。该电流信号通过第k个光伏面板中的旁通电容器153和发送用二极管154，向下游侧(例如第k+1个光伏面板)传送。基本上光伏电池元件14成为电流源，因此如果未设置旁通电容器153时，则电流信号被电流源阻止，不向下游侧传送。相对于此，在本实施方式中，通过设置旁通电容器153而能够向下游侧传送电流信号。而且，在本实施方式中，不依赖于光伏面板的寄生电容而利用电容器153传递电流信号，因此能够提高电流信号的sn比。

即使假设光伏组串1并联连接而成为阵列结构的情况下，也能够适用本实施方式的技术。在通常的光伏组串中，由于插入逆流防止用的二极管，因此能够防止在某组串中流动的电流信号向其他的组串流入的情况。因此，即使在阵列结构的情况下，也能够使电流信号向接收部3的方向流动而进行检测。

(电流源的实施例)

以下，参照图3(a)～(d)，说明前述实施方式中的发送部15使用的电流源151(包含控制器152)的更具体的实施例。需要说明的是，在上述的实施例的说明中，如电阻r1、电容器c1那样使用共通的标号，但是根据各个电路结构而采用适当的特性。而且，图3中的端子a及b对应于图2中的端子a及b。

(电流源的实施例1)

实施例1的发送部15(参照图3(a))是电容泵型的结构。该发送部成为使用蓄积于电容器c2的电荷而产生电流的结构。在断开电流源151时，控制器152(具体而言微处理器)使晶体管q3为接通，并使q2为断开(即结果是q1也为断开)。由此，电容器c2成为蓄积有电荷的状态。为了使电流源151为接通，而使晶体管q3为断开，使q2为接通(即结果是q1也为接通)。由此，电容器c2的二极管(d3或d2)侧的电位接近于成倍地上升(这是因为，c2的电位对于电容器c1的电位进行补加)。电容器c2通过二极管d3送出电流。该电流的大小通过在晶体管q1中流动的电流来控制。在晶体管q1连接电流限制二极管d4，其控制在晶体管q1中流动的电流的大小。在脉冲送出期间(即，电流信号的接通波形的送出期间)，电容器c1的电位下降，但是通过电阻r1而连接于电源线，由此从电源线引入的电流的大小小于电容器c2送出的电流的大小。

该实施例1对应于“电流源具备根据来自控制器的信号，在电流信号的断开时蓄积电荷，在电流信号的接通时向电力线送出电流的泵用电容器的结构”的一具体例。

(电流源的实施例2)

实施例2的发送部15(参照图3(b))是称为感应泵型的结构。该发送部15使用用于向电路压入电流的电容器c2。在电流源151断开时，控制器152将晶体管q1保持为断开。为了将电流源151接通而生成脉冲，控制器152首先将晶体管q1在规定时间期间接通，然后断开。在接通状态期间，线圈l1从电容器c1逐渐引入电流。然后当晶体管q1成为断开状态时，来自线圈l1的电流通过二极管d2向电容器c2流动，使其电压上升。二极管d3是电流控制二极管，其限制晶体管q2生成的最大电流。由于之后的时间经过而晶体管q2断开，因此，电流源151断开。

(电流源的实施例3)

实施例3的发送部15(参照图3(c))是称为线圈直接连结型的结构。在该发送部15中，使用蓄积于线圈l1的磁通，来产生电流(作为电流源发挥作用)。在使电流源151断开时，预先使晶体管q1断开。从电流源151生成脉冲电流的情况下，控制器152最初使晶体管q1接通一定时间。并且，然后，使该晶体管q1断开。在晶体管q1接通期间，线圈l1逐渐从电容器c1引入电流，作为电流源发挥作用。当使晶体管q1断开时，从线圈l1通过二极管d2送出电流。送出的电流不久之后停止(由此，电流源151被看作断开)。

该实施例3对应于“电流源具备放电用线圈，放电用线圈根据来自控制器的接通信号，引入电流而蓄积磁通，根据来自控制器的断开信号，在按照时间常数的时间期间，在向电力线送出了电流之后，将电流信号断开的结构”的一具体例。

(电流源的实施例4)

实施例4的发送部15(参照图3(d))是称为逆电流型的结构。在该发送部15中，使用用于从电路引入电流的、即用于向电路送入逆极性的电流的晶体管q1。在电流源151断开时，控制器152将晶体管q1切换为断开。为了使电流源151接通，控制器经由电阻r1而使晶体管q1接通。在此，通过将电阻r1适当地设定为大的值，能够限制向晶体管q1流动的最大电流。需要说明的是，在该例中，不会产生正的电流从电流源151向发送用二极管154的方向流动的情况，因此能够省略发送用二极管154的设置。

(接收部的实施例)

接下来，基于图4，说明接收部3的具体的结构例。该接收部3通过使用变流器ct，与电力线11非接触地取出在电路中流动的电流i(参照图2)的变化量，将其通过ad转换器adc进行观测，由此能够取出从发送部15送出的信号。在图4中，将aref设为ad转换器的参考电压，在由电阻r1和r2分压后的电压(通常设为r1＝r2)安装变流器ct的一侧的接点。在变流器ct的两接点之间安装电阻r3。如果将变流器ct的另一侧的接点与ad转换器adc的输入连接，则能够观测电流的变化量作为电压的变化量。

在电力线11中流动的高频的噪声通过向变流器ct的两端插入电容器c2而能够切断。而且，低频的噪声处于50hz/60hz左右的带域的情况较多，因此通过ad转换后的信号处理(差值处理)能够除去。

(接收部中的接收动作的实施例)

如果将变流器ct的匝数比设为n：1，则在二次侧产生在电力线11(一次侧)中流动的电流δi(将电流i的变化量设为δi)的1/n的电流。电阻r1、r2及电容器c1生成定电压。通常，作为r1＝r2，生成1/2aref(在此，将模拟参考电压设为aref)。在变流器ct生成的电流在电阻r3中流动，因此，ad转换器adc的输入电压成为

例如，如果aref＝5v、n＝3000、100ma<δi<100ma、电阻r3＝30kω，则ad转换器adc的输入电压范围＝1.5v～3.5v(即1.5v<vadc<3.5v)。如图5所示，为了检测脉冲，需要圆滑化步骤。其原因是，脉冲形状不是准确的方形，而且，是因为，根据光伏面板的结构而信号强度变化。因此，在本例的接收部中，算出下述那样的平滑化后的值。

v(t)＝α1s(t)+(1-α1)v(t-1)(2)

vavg(t)＝α2v(t)+(1-α2)vavg(t-1)(3)

vmax(t)＝max{v(t)，vavg(t)+mindiff，

α3(vmax(t-1)-vavg(t-1))+vavg(t-1)}(4)

0＜α2＜α1＜α3＜1(5)

在此，s(t)是利用ad转换器取得的采样值(图5(a))，v(t)是初始圆滑值(primarysmoothedvalues)，vmax(t)及vavg(t)是圆滑值，赋予脉冲信号的强度及偏置(图5(b))。式中的α1、α2、及α3为时间常数。mindiff＞0为常数参数，其赋予vmax(t)与vavg(t)之间的最小的差值。

圆滑化后是脉冲检测阶段。在本实施方式中，导入函数active(t)。其是在脉冲信号为有效的情况下为1，如果并非如此则成为0的函数。该函数例如可以如下所述安装。

在此，β(0＜β＜1)是脉冲检测用的阈值。

(第二实施方式)

接下来，一边参照图6，一边说明在本发明的第二实施方式的光伏发电系统中使用的发送部15。需要说明的是，在该第二实施方式的说明中，对于与前述的第一实施方式的结构要素基本上共通的要素，使用同一标号，由此避免说明的烦杂。

在第二实施方式的发送部15中，发送用二极管154与旁通电容器153串联连接。而且，在该发送部15中，具备相对于旁通电容器153串联且相对于发送用二极管154并联地插入的电阻r。在第二实施方式中，不存在相对于来自光伏电池元件14的发电电力的基于发送用二极管154的电压下降(即电力的损失)，因此具有能够提高发电效率的优点。电阻r的电阻值设定为为了使旁通电容器发挥作用所需的值。

第二实施方式的光伏发电系统的其他的结构及优点与前述的第一实施方式同样，因此省略进一步的详细说明。

(实验例)

以下，说明前述的第一实施方式的光伏发电系统中使用的发送部15及接收部3的实验例。在以下中，关于如下内容进行探讨研究：

(1)不同的光伏电池动作模式下的脉冲波形，及

(2)不同的光伏阵列的结构中的脉冲波形。

而且，关于由接收部检测出的数据帧也进行探讨研究。

(实验的前提及条件)

在本实验中，关于使用了20张光伏面板的数据传送进行探讨研究。使用的光伏电池元件的模型为sy-m12w-12(sunyooosolarlimited制)。其开路电压为21.8v，短路电流为0.73a。最大电力为12w(17.4v、0.69a时)。

另外，作为旁通电容器153，使用1000μf，向各光伏面板间插入了旁通用二极管155。该实验中的负载电阻具备190μf的输入电容和电阻值在100ω～600ω之间可变的可变电阻。

在实验中，在第一个(#1)光伏面板10安装发送部15，在负载的部分安装有接收部3的变流器ct。而且，在实验中，使用不同类型(图3(a)～(d)所示的各类型)的电流源151。下述表1是在本实验例中使用的发送部15和接收部3的参数的值。在该表1中，从上方依次对应于图3(a)～(d)的例子。当然这些值只不过是一例，本发明不受这些值的制约。

[表1]

另外，在本实施方式中，作为控制器152，使用了具有16mhz的时钟频率的atmega328p-pu。

此外，为了本实施例的测定而使用了示波器(tektronix制mdo3014)。

另外，在本实验例中，使用了1000μsec的脉冲时隙。关于电容泵型(图3(a))和逆电流型(图3(d))的电流源151，将初次的500μsec作为活性化相位，将之后的500μsec作为非活性化相位。关于线圈基体型的电流源151(图3(b)和(c))，将先前的200μsec作为线圈充电期间，将之后的800μsec作为电流开放时间。

(实验例1：不同的i-v点处的脉冲形状)

光伏面板10的电气特性依赖于i-v曲线的状况。例如，将α、β、γ(α<β<γ)设为光伏面板10的动作电压，将电压β假定为与最大电力点对应。在电压α下，光伏面板10作为定电流源进行动作，但是在电压γ下，作为定电压源进行动作。在该实验例中，调查了使用串联连接的10张光伏面板10的例子中的脉冲波形的变化。下述表2示出该实验例的动作电压(v)。当然这些为一例，本发明不受上述的制约。下述表2的栏从左朝右而对应于图3(a)～(d)。

[表2]

图7示出结果。在图7(a)的电容泵型的情况下，能得到+0.35v的大小的明确的正的脉冲和之后的负的脉冲。在图7(b)的感应泵型的情况下，首先产生-0.1v的负电压。这大概是向线圈的电流充电的缘故。然后，在200μsec的期间，产生了+0.3v的稍不明确的脉冲。在图7(c)的线圈直接型的情况下，同样产生-1.0v的负电压，但是然后，在200μsec的期间，生成了+7v的明确的大的脉冲。然后，产生了-6v的负电压脉冲。在图7(d)的逆电压型的情况下，成为了将图(a)的情况进行了上下反转的特性。

在上述的结果中，电压α、β、γ之间的差异小。

(实验例2)

接下来，作为实验例2，调查了与光伏面板10的阵列结构对应的脉冲形状。图8(a)～(c)示出了三个阵列结构图案。20×1是将20张面板串联连接的结构(即作为光伏组串而为一个)，10×2是将基于10张面板的串并联配置2个的结构，5×4是将基于5张面板的串并联配置4个的结构。在该实验例中，在各自的结构中，将赋予最大电力的电压设为动作电压。即，在20×1的情况下为348v，在10×2的情况下为174v，在5×4的情况下为87v。

结果如图9(a)～(d)所示。上述的坐标图与电流源的类型的关系与图7的情况同样。通过上述的结果进行考察时，得到的脉冲信号强度的大小成为10×2阵列>20×1阵列>5×4阵列。然而，无论在哪个事例中，它们的信号强度都超过检测水平。因此可知，本发明的技术也能够使用于将光伏组串并联配置而构成的光伏阵列。

(实验例3)

在实验例3中，调查了数据帧传送特性。在该实验例中，使用了电容泵型(参照图7(a))和线圈直接型(参照图7(c))。

该实验例中的数据帧如下这样设定。即，数据帧以8位信号11111111开始。接下来，4字节(例如对于面板的id、电压、电流及温度分别分配1字节)连续。最后，插入基于错误检测用的crc8等的校验和。数据帧的全长为48位。而且，在该例中，将1及0的值插入1000msec的间隔而传送，在值1时，发送部15生成500μsec的脉冲，在值0时，不生成脉冲。

在该实验例中，作为前述的接收部3的具体的结构例(参照前述式(1)～(5))中的参数组(α1、α2、α3、β、mindiff)，在电容泵型的发送部的情况下设为(0.25、0.00001、0.9、0.5、2)，在线圈直接型的发送部的情况下设为(0.5、0.00001、0.999、0.75、2)。采样间隔为约100μsec。

图10及11示出如下内容：

(1)v(t)、vmax(t)、varg(t)(它们是对s(t)进行了平滑化的值)及ad转换器中的采样数据，及，

(2)active(t)(作为脉冲信号而检测到的值)的图案。

如其结果所示，脉冲能够由接收部3容易地检测出。然而，在许多0连续的情况下，可能会失去时间同步。

需要说明的是，前述的脉冲调制方式只不过为一例，可以利用例如脉冲宽度调制、脉冲位置调制等适当的调制方式。而且，在将来自多个电流源151的电流信号叠加于电力线11的情况下，也可以使用如扩散符号化方式那样进行信号的辨别的方式。当然，通过按照面板而使信号发送时期不同(即分时方式)，也能够传送电流信号。

需要说明的是，前述的发送部与接收部的组合对应于本发明中的监视装置的一具体例。

另外，该监视装置与用于取出经由电力线传送的电力的电力取出部2的组合对应于本发明的光伏发电系统的一具体例。

需要说明的是，本发明的内容没有限定为前述实施方式。本发明是在权利要求书记载的范围内对于具体的结构施加各种变更的发明。例如，在前述的实施方式中使用的各电路元件包括具有等价的功能的各种元件或电子器件的情况。

标号说明

1光伏组串

10光伏面板

11电力线

14光伏电池元件

15发送部

151电流源

152控制器

153旁通电容器

154发送用二极管

155旁通用二极管

2电力取出部

3接收部

adcad转换器

ct变流器。