特開 2024-133329 太陽電池モジュールの故障診断方法及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024133329

(43)【公開日】2024-10-01

(54)【発明の名称】太陽電池モジュールの故障診断方法及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   H02S 50/00 20140101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H02S50/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024115857

(22)【出願日】2024-07-19

(62)【分割の表示】P 2023545616の分割

【原出願日】2022-08-30

(31)【優先権主張番号】P 2021141871

(32)【優先日】2021-08-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】300023899

【氏名又は名称】株式会社ラプラス・システム

(74)【代理人】

【識別番号】110002295

【氏名又は名称】弁理士法人Ｍ＆Ｐａｒｔｎｅｒｓ

(72)【発明者】

【氏名】堀井 雅行

(72)【発明者】

【氏名】生田 邦彦

(57)【要約】

【課題】太陽光発電システムの運転中に発電制御装置（ＰＣＳ）から常時取得される各種の計測値からストリングのＩ－Ｖカーブを求め、Ｉ－Ｖカーブレベルでしか見つけることができない故障の診断を可能にする。
【解決手段】
１つ以上のストリングに接続された出力制御機能付きの発電制御装置と、前記発電制御装置に対して出力指令値を与えると共に前記発電制御装置の計測データを受信する制御端末とを含む太陽光発電システムにおいて、
前記制御端末が、前記制御指令値を１００％と０％との間で連続的かつ段階的に変化させて前記発電制御装置に送出すると共に、その応答出力として得られる電圧値及び電流値を前記ストリングごとに順次取得し記録することで、Ｉ－Ｖカーブの一部分を描画することを特徴とする。さらに、部分的なＩ－Ｖカーブから完全なＩ－Ｖカーブを得る方法をも提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

出力制御機能付きの発電制御装置と、前記発電制御装置に対して出力指令値を与えると共に前記発電制御装置の計測データを受信する制御端末とを含む太陽光発電システムにおいて、
前記発電制御装置は１つ以上のストリングに接続され、前記発電制御装置は、前記ストリングの各々に対して独立した個別のＭＰＰＴ回路によって発電電力を制御し、
前記制御端末が定格出力に対する発電出力の上限値の割合である出力指令値を１００％と０％との間で連続的かつ段階的に変化させて前記発電制御装置に送出することにより前記発電制御装置が前記ストリングごとに出力指令値を１００％と０％との間で連続的かつ段階的に変化させると共に、前記発電制御装置から前記制御端末への応答出力として得られる電圧値及び電流値を前記制御端末が前記ストリングごとに順次取得し記録することで、前記発電制御装置における最大出力点から開放電圧側までの部分的なＩ－Ｖカーブを描画することを特徴とするＩ－Ｖカーブの取得方法。

【請求項2】

前記部分的なＩ－Ｖカーブに基づいて、前記最大出力点から短絡電流側のＩ－Ｖカーブを推定することを特徴とする請求項１記載のＩ－Ｖカーブの取得方法。

【請求項3】

請求項１又は２記載のＩ－Ｖカーブの取得方法を用いて描画した部分的なＩ－Ｖカーブ又は完全なＩ－Ｖカーブのいずれかを、正常な太陽電池モジュールについて描画されたＩ－Ｖカーブの一部又は全部、又は他のストリングについて計測及び描画されたＩ－Ｖカーブの一部又は全部と比較することにより、故障を診断する故障診断方法。

【請求項4】

請求項１記載のＩ－Ｖカーブの取得方法を実行するためのプログラムであって、
前記制御端末が前記発電制御装置に対して、定格出力に対する発電出力の上限値の割合である出力指令値を１００％から０％まで連続的かつ段階的に変化させるステップと、
前記制御端末が各出力指令値における前記発電モジュールの電圧及び電流の値を前記ストリングごとに取得するステップと、
を含む部分的なＩ－Ｖカーブの取得プログラム。

【請求項5】

請求項４記載のプログラムにおいて、
前記部分的なＩ－Ｖカーブに基づいて、前記最大出力点から短絡電流側のＩ－Ｖカーブを推定するステップをさらに含むことを特徴とする、Ｉ－Ｖカーブの取得プログラム。

【請求項6】

請求項１記載のＩ－Ｖカーブの取得方法を用いて描画した部分的なＩ－Ｖカーブを、二次関数で近似するパラメータを用いて近似関数式を求めることにより、前記部分的なＩ－Ｖカーブを二次関数で規定することを特徴とするＩ－Ｖカーブの取得方法。

【請求項7】

請求項６記載の前記部分的なＩ－Ｖカーブを規定する近似関数式の個数が１つであるか２つ以上であるかを判別することにより、故障の有無を診断することを特徴とする故障診断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、太陽電池モジュールの故障診断方法、より詳細には、太陽光発電制御装置の出力制御機能を利用したＩ－Ｖ特性の測定を利用した故障診断方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

太陽光発電システムにおける故障診断技術に関しては、故障の部位や原因等に応じて種々の手法が知られている。このうち、それぞれの太陽電池モジュールにつながる各ストリング（入力回路）の状態をもっとも正確かつ詳細に診断する方法は、各ストリングの電流－電圧特性（以下、「Ｉ－Ｖカーブ」という。）を計測することである。

【0003】

ストリングのＩ－Ｖカーブを測定する装置として、「太陽電池モジュール特性試験装置」と呼ばれる外部の計測機器が知られている（特許文献１）。Ｉ－Ｖカーブを計測することにより、太陽電池が所定の特性値で動作しているかどうかを正しく判別することができる。

【0004】

しかし、太陽電池モジュール特性試験装置はあくまで検査用の装置であり通常運転中に使用できる「モニタリング用のシステム」ではないため、この装置の使用に際しては、予め発電制御装置（パワーコンディショナ）を停止して装置を接続するためにストリングを解列して太陽電池モジュールを切り離す必要がある。或いは、日射強度の弱い早朝や夕方に計測することが必要となる（例えば、特許文献２第８段落～第２１段落）。但し、一般的には、Ｉ－Ｖカーブを計測する場合、日射強度がある程度の強さであることが好ましい。

【0005】

また、接続する太陽電池モジュール特性試験装置によって計測できる容量の上限（例えば１０ｋＷ程度、機種によってはそれ以下）が存在し、また高価な外部装置を準備しなければならないといった問題もある。さらに、これらの技術上の問題もさることながら、専門知識をもった技術者が現地で作業しなければならないことも、システム全体のメンテナンスコストを上げる要因となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１７－１０８５８６号公報

【特許文献2】特開２０１７－６３５９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

太陽光発電システムの運転中に発電制御装置（ＰＣＳ）から常時取得される各種の計測値からストリングのＩ－Ｖカーブを求めることは、技術的に極めて困難であると考えられている。現在の一般的な発電制御装置は常時太陽電池モジュールが最大電力で動作するＭＰＰＴ（最大出力点追従）制御を行っており、サンプリング周期（例えば１分）ごとに最大出力点の電圧値及び電流値（最大出力動作電圧Ｖｐｍａｘ、最大出力動作電流Ｉｐｍａｘ）等のデータを取得している。そのデータ量は、１分毎のデータを取得しているシステムの場合、１データあたり１年間で５２５６００点（６０×２４×３６５）に登る。

【0008】

一方、Ｉ－Ｖカーブのパラメータは５つ（ｎ、Ｉ_ｐｈ、Ｉ_０、Ｒ_ｓ、Ｒ_ｐ）あり、未知数５つに対して取得可能なデータ４つであるから、解析的に解を導くことは不可能と考えられる。Ｉ－Ｖカーブを求めるために数値計算やビッグデータ解析、ＡＩ（人工知能）解析や機械学習を適用することも、少なくとも現時点では非現実的と考えられる。

【0009】

本発明は、以上のような技術的課題を解決しようとするものであり、発電制御装置に対して発電量の上限を制御指令値として与える機能を備えた制御端末（計測制御システム）を利用して、Ｉ－Ｖカーブレベルでしか見つけることができない故障の診断を可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るＩ－Ｖカーブの取得方法は、出力制御機能付きの発電制御装置と、前記発電制御装置に対して出力指令値を与えると共に前記発電制御装置の計測データを受信する制御端末とを含む太陽光発電システムにおいて、
前記発電制御装置は１つ以上のストリングに接続され、前記発電制御装置は、前記ストリングの各々に対して独立した個別のＭＰＰＴ回路によって発電電力を制御し、
前記制御端末が定格出力に対する発電出力の上限値の割合である出力指令値を１００％と０％との間で連続的かつ段階的に変化させて前記発電制御装置に送出することにより前記発電制御装置が前記ストリングごとに出力指令値を１００％と０％との間で連続的かつ段階的に変化させると共に、前記発電制御装置から前記制御端末への応答出力として得られる電圧値及び電流値を前記制御端末が前記ストリングごとに順次取得し記録することで、前記発電制御装置における最大出力点から開放電圧側までの部分的なＩ－Ｖカーブを描画することを特徴とする。

【0011】

この描画作業は予め制御端末上で制御指令値を時間毎に変化するプログラムを準備し、実行することにより実現される。プログラムの実行は、太陽光発電システムの容量によらず、１０分以下で完了する。また、制御端末が遠隔制御可能であれば遠隔地にある発電制御装置を制御できるため、通常運転中にストリング解列の必要もなく実施することが可能である。専門知識も専用の試験装置も不要となり、さらに技術者を現地に派遣する必要もなくなり、安全性も高い。

【0012】

また、上記Ｉ－Ｖカーブの取得方法を用いて描画したＩ－Ｖカーブの一部分を、正常な太陽電池モジュールについて描画されたＩ－Ｖカーブの一部又は全部、又は他のストリングについて計測及び描画されたＩ－Ｖカーブの一部又は全部と比較することにより、故障を診断する故障診断方法に適用可能である。

【0013】

本発明に係る部分的なＩ－Ｖカーブの取得プログラムは、前記Ｉ－Ｖカーブの取得方法を実行するためのプログラムであって、
前記制御端末が前記発電制御装置に対して、定格出力に対する発電出力の上限値の割合である出力指令値を１００％から０％まで連続的かつ段階的に変化させるステップと、
前記制御端末が各出力指令値における前記発電モジュールの電圧及び電流の値を前記ストリングごとに取得するステップと、
を含むことを特徴とする。
この場合、前記制御端末が前記発電制御装置に対して、前記出力指令値を１００％から０％まで連続的かつ段階的に変化させながら、その都度前記発電モジュールの電圧及び電流の値を計測することにより、前記発電制御装置の最大出力を低下させながら、最大出力点から開放電圧側（すなわちＩ－Ｖカーブにおける横軸Ｖとの交点）へのＩ－Ｖカーブを計測するステップを含むように構成する。このようにして描画されたＩ－Ｖカーブの形状に基づき、故障を診断することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、外部の計測機器が不要であり、ストリングの解列も必要がなく、さらには現地で作業する必要もないにも関わらず、太陽光発電システムを稼働して常時モニタリングしながらＩ－Ｖカーブレベルでしか見つけることができない故障の診断が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１（Ａ）、（Ｂ）は、典型的な発電制御システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図２（Ａ）は、発電制御装置の出力電流と出力電圧の関係を示す理想的なＩ－Ｖカーブである。図２（Ｂ）は、Ｉ－Ｖカーブに基づいて描かれた電力－電圧特性（以下、「Ｐ－Ｖカーブ」という。）である。

【図3】図３（Ａ）～図３（Ｃ）は、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すグラフである。

【図4】図４（Ｄ）～図４（Ｆ）は、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すグラフである。

【図5】図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、いずれも遠隔地であるＸ地点に設置された発電制御装置のＩ－Ｖカーブを上述した方法により、運転中に計測した実測データを示している。

【図6】図６は、太陽電池の等価回路を示している。

【図7】図７（Ａ）は、意図的に故障の状態にして測定した発電制御装置の出力電流と出力電圧の関係を示すグラフである。図７（Ａ）は、２つの二次関数の組み合わせとしてフィッティングされたことを表している。すなわち、近似関数式の個数は２ということが分かる。図７（Ｂ）は、１つの二次関数としてフィッティングされたことを表している。そのため、異常な太陽電池モジュールは存在しないと推定される。

【図8】図８（Ｇ）～図８（Ｉ）は、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すグラフである。

【図9】図９（Ｊ）～図９（Ｌ）は、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は、いずれも本発明の要旨の認定において限定的な解釈を与えるものではない。また、同一又は同種の部材については同じ参照符号を付して、説明を省略することがある。

【0017】

（第１の実施形態）－課題の解決原理／部分的なＩ－Ｖカーブの取得方法について－
図１（Ａ）、（Ｂ）は、典型的な発電制御システムの構成を示すブロック図である。太陽電池モジュール１は発電制御装置２に接続され、系統４と連系して負荷（不図示）に電力を供給する。制御端末６は、発電制御装置２と信号線で接続されており、発電制御装置から計測データを受け取り、記録する計測端末としての役割を担うと共に、必要に応じて制御指令値を送出する。

【0018】

発電制御装置２は、最大出力点追従制御（ＭＰＰＴ制御）を行う回路（ＭＰＰＴ回路）と、太陽電池モジュールで発電された直流電力を交流電力に変換するインバーター回路とが主要な構成要素となる。なお、図１（Ａ）に示すようなシングルストリングの発電制御装置は、太陽電池モジュール１と発電制御装置（ＰＣＳ）との間に接続箱が設置され、そこに複数のストリングが集約され、１系統に束ねられて発電制御装置に入力される構成を含む。また、図１（Ｂ）に示すようなマルチストリング（複数入力回路）の発電制御装置の場合、それぞれの太陽電池モジュールに対してＭＰＰＴ回路とインバーターが独立して複数設けられストリングごとにＭＰＰＴ回路が動作する。

【0019】

図２（Ａ）は、発電制御装置の出力電流と出力電圧の関係を示す理想的なＩ－Ｖカーブである。Ｉ－Ｖカーブは、太陽電池モジュールに可変抵抗器を接続し、抵抗値を０Ωから∞Ωへ変化させた際の直流電圧と直流電流の推移をグラフ化したものである。但し、このようなＩ－Ｖカーブを描くためには、ストリングを解列して発電制御装置を切り離すことが必要となり、太陽光発電システムが稼働中に描かれるものではない。

【0020】

図２（Ｂ）は、Ｉ－Ｖカーブに基づいて描かれた電力－電圧特性（以下、「Ｐ－Ｖカーブ」という。）である。電力Ｐは電流と電圧の積であるから、Ｉ－Ｖカーブの縦軸をＰとすれば計算によりＰ－Ｖカーブ（電力－電圧カーブ）を描くことができる。発電電力に着目する場合、Ｐ－ＶカーブにおいてＰの最大値Ｐｍａｘが重要となる。

【0021】

ここで、発電制御装置側（パワーコンディショナ）の機能であるＭＰＰＴ制御について簡単に説明する。一般に、発電制御装置では、Ｉ－Ｖカーブに基づいて電力－電圧（以下、「Ｐ－Ｖカーブ」という。）を計算し、その最大出力点の電力を交流に変換して出力を行っている。但し、実際の発電制御装置はＩ－Ｖカーブ又はＰ－Ｖカーブを描くことはなく、現在の電力Ｐの最大値Ｐｍａｘを探索するアルゴリズムを用いて、いわば「試行錯誤」で「最大出力点」を求める動作を繰り返している。従って、探索によって求められる最大出力点は、必ずしもＰ－Ｖカーブ上の最大出力点（真のＰｍａｘ）と一致する訳ではない。

【0022】

一方、発電出力に上限値を設け、発電出力を制限する「出力制御機能」を有する発電制御装置の場合、出力制御時には抵抗値を変化させて、最大出力点からずらすことによって指示された電力での出力を行っている。

【0023】

例えば、定格容量１００ｋＷの設備に対して、定格出力の５０％が出力指令値として与えられた場合、１００ｋＷ×５０％＝５０ｋＷが発電可能な最大電力となるような電流Ｉと電圧Ｖを定める。例えば、図２（Ｂ）の例で、最大出力点Ｐｍａｘの５０％となる電圧Ｖは２点（Ｐ１、Ｐ２）存在することになる。この場合、発電制御装置は、抵抗値をＰｍａｘが得られる抵抗値よりも高抵抗側である点Ｐ２に設定することにより、最大出力点から「開放電圧側」（高電圧側）へ出力電圧をシフトさせる制御を行うことが一般的である。

【0024】

すなわち、通常運転中の太陽光発電システムでは、ＭＰＰＴ制御回路が動作し、出力指令値が与えられない場合（すなわち出力指令値が１００％である場合）は最大出力点Ｐｍａｘを繰り返し探索しながら運転している。従って、運転中にストリングのＩ－Ｖカーブを知ることはできないが、少なくとも探索で求められた最大出力点Ｐｍａｘとそのときの電流値Ｉｍａｘ、電圧値Ｖｍａｘは知ることができ、それによって、制御端末は、発電制御装置が取得した最大出力点Ｐｍａｘにおける直流電流Ｉｍａｘ、直流電圧Ｖｍａｘを取得することができる。

【0025】

一方、制御端末が発電制御装置に出力指令値を与えた場合、発電制御装置は発電可能な出力電力の上限値を最大出力点Ｐｍａｘから所定の電力点Ｐｘに設定し、点Ｐｘにおける電流値Ｉ_ｘと電圧値Ｖ_ｘを求めることができる。それによって、制御端末は、発電制御装置が設定した電力点Ｐｘにおける電流値Ｉ_ｘと電圧値Ｖ_ｘを取得することができる。

【0026】

この仕組みを応用し、発電制御装置の発電出力を段階的に（例えば１サイクルごとに）、１００％から０％まで例えば１％刻みで連続的に低下させると、図２（Ｂ）に示す点Ｐｍａｘから点Ｐ０までの「部分的なＩ－Ｖカーブ」が描けることになる。この場合、例えば、１％刻みで１０秒間に１００％→０％へ発電制御装置への制御と計測を行う（１００ｍｓｅｃ通信計測×１００回＝１０秒）。このような手法は、スロープ時間が短い発電制御装置に好適である。なお、１００％→０％またはその逆の最終的な出力を％で与えるだけで、発電制御装置側でスロープを制御して変化する方式を採用するものもある。

【0027】

図１（Ｂ）はマルチストリング式の発電制御装置の構成を図示したものである。このように、ストリング（入力回路）ごとにＭＰＰＴ回路とＤＣ／ＡＣインバーターを持つ構成の発電制御装置の場合、１ストリングずつ「部分的なＩ－Ｖカーブ」を描くことができる。ストリングごとにＩ－Ｖカーブを取得し、比較することで、ストリングの異常を発見しやすくなる。

【0028】

或いは、マルチストリング式でない場合、制御率を一括指示し計測を行う発電制御装置に対して制御無し（１００％）から出力０％へ制御指示を行い、変化中の電流電圧の値を計測し、１つのＩ－Ｖカーブを取得する。

【0029】

（第２の実施形態）－完全なＩ－Ｖカーブの推定方法について－
上記の手法により得られた最大出力点の右側すなわち最大出力点Ｐｍａｘから開放電圧側までの部分的なＩ－Ｖカーブに基づいて、最大出力点の左側すなわち短絡電流側のＩ－Ｖカーブのモデル式を規定し、その近似式で表すことにより、完全なＩ－Ｖカーブを推定するという方法である。具体的な方法は、以下の通りである。
図６は、太陽電池の等価回路を示している。ここで、回路図中に示す記号の意味は以下の通りである。
電流：Ｉ、電圧Ｖ、Ｉ_ｐｈ：発生光起電流、Ｒ_ｓ：直列抵抗、Ｒ_ｐ：並列抵抗
この等価回路において、太陽電池を流れる電流Ｉと太陽電池によって発電される起電力Ｖの関係は、直列抵抗Ｒ_ｓと並列抵抗Ｒ_ｐを用いて以下の式１として表される。
［式１］

ここで、式１中の記号に含まれる定数の意味は以下の通りである。
Ｉ_０：ダイオード飽和電流、ｎ：ダイオードファクタ、ｋ：ボルツマン定数、ｑ：素電荷、Ｔ：太陽電池の絶対温度

【0030】

短絡電流、開放電圧、最大出力、及びオームの法則に関する４つの方程式（式２～式５）から、標準試験環境すなわち日射１．０ｋＷ／ｍ^２、モジュール温度２５℃を想定し、パラメータ（ダイオードファクタｎ、発生光起電流Ｉ_ｐｈ、ダイオード飽和電流Ｉ_０、直列抵抗Ｒ_ｓ、並列抵抗Ｒ_ｐ）を求める。
［式２］

（但し、Ｃ＝ｑ／ｎｋＴ）
［式３］

（但し、Ｃ＝ｑ／ｎｋＴ）
［式４］

［式５］

ここで、上記式中の記号Ｖ_ｏｃ、Ｉ_ｓｃ、Ｉ_Ｐｍａｘ、Ｖ_Ｐｍａｘの意味は以下の通りである。
Ｖ_ｏｃ：開放電圧、Ｉ_ｓｃ：短絡電流Ｉ_Ｐｍａｘ：最大出力点Ｐｍａｘにおける電流値、
Ｖ_Ｐｍａｘ：最大出力点Ｐｍａｘにおける電圧値

【0031】

求めるべきパラメータが５つ（ｎ、Ｉ_ｐｈ、Ｉ_０、Ｒ_ｓ、Ｒ_ｐ）であるのに対して、方程式が４つであり、１つ不足するため、一意の解を特定することができない。しかし、５つのパラメータ全体を任意に変更することにより、４つの方程式を満たす最適解となるパラメータを推定する手法が考えられる。或いは、第１の実施形態で説明した部分的なＩ－Ｖカーブにフィッティングするパラメータの最適解を見つけることにより、完全なＩ－Ｖカーブを得ることができる。

【0032】

このようなパラメータの推定は、いわゆる最適解の探索問題に帰着するため、人工知能（ＡＩ）を用いた機械学習の得意とするところである。現在利用可能なＡＩ（人工知能）には、例えばディープニューラルネットワーク（ＤＮＮ）、畳み込みニューラルネットワーク（ＣＮＮ）、再起型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）など種々の方式が存在するが、最適解の探索には全ての方式を利用することができる。
そして、機械学習を用いたパラメータの推定により、５つのパラメータを求め、式１に代入することにより、図２（Ａ）のようなＩ－Ｖカーブ或いは図２（Ｂ）のようなＰ－Ｖカーブを完全な形で再現することができる。

【0033】

すなわち、第１の実施形態では、最大出力点Ｐｍａｘから開放電圧点までの部分的なI－Vカーブしか得られないため、短絡電流から最大出力点までのＩ－Ｖカーブに現れる異常を検出することはできないが、第２の実施形態では、予め実測値として取得した最大出力点の右側部分と、最大出力点から短絡電流側までのI－Vカーブまで部分（最大出力点の左側部分）とを含めた、完全なＩ－Ｖカーブを推定することが可能となる。
このようにＩ－Ｖカーブ全体を推定することで、部分的なI－Vカーブでは検出することが不可能な異常を検出できるようになる。この点については第５の実施形態において説明する。

【0034】

（第３の実施形態）－フィッティングによらないＩ－Ｖカーブの取得方法－
なお、フィッティングによらない完全なＩ－Ｖカーブの取得方法として、発電制御装置において、抵抗値が０［Ω］側（短絡電流側）であるＰ１方向にシフトさせる機能を設ける方法が考えられる。この方法によれば、Ｐｍａｘの左側すなわち短絡電流側のグラフを描くことができるため、第１の実施形態による方法と本実施形態による方法を実施することにより、完全なＩ－Ｖカーブを取得できる。但し、これを実現するためには、発電制御装置側の設計変更等が必要となる。

【0035】

（第４の実施形態）－部分的なＩ－Ｖカーブによる故障診断について－
（ｉ）グラフの形状に基づく診断
図３～図４は、いずれも、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すものである。上述の通り、太陽電池モジュール特性試験装置を用いてＩ－Ｖカーブを測定する場合、ストリングを解列して太陽電池モジュールを切り離す必要があるが、完全なＩ－Ｖカーブを取得できる。これに対して、部分的なＩ－Ｖカーブは、破線で示した領域のみを太陽光発電システムを運転中に取得する。

【0036】

図３（Ａ）は、太陽電池モジュールが正常に機能している状態のＩ－Ｖカーブである。「部分的な」とした理由は、直流電圧を表すグラフの横軸Ｖ［Ｖ］は、最大出力点Ｐｍａｘにおける電圧Ｖｍａｘ又はそれ以上の電圧であり、Ｖｍａｘよりも小さい電圧は描かれないからである。しかし、このような部分的なＩ－Ｖカーブでも太陽電池モジュールの状態をよく表すことができる。

【0037】

図３（Ａ）は、グラフの形状がほぼ水平に横に伸びており、その後ほぼ垂直に降下している。ここで、ＩｓｃとＶｏｃの値がモジュールの仕様に近い値であれば、この太陽電池モジュールにつながるストリングは正常に発電していると判断することができる。
このような「理想的なＩ－Ｖカーブ」を部分的なＩ－Ｖカーブで観察すると破線で囲った部分のＩ－Ｖカーブのみを取得することになる。この場合、部分的なＩ－Ｖカーブは理想的なＩ－Ｖカーブの一部と完全に一致する。

【0038】

図３（Ｂ）は、わずかに段になったＩ－Ｖカーブである。考えられる要因としては、
・モジュール間の電流仕様が合っていない（又はモジュール間で個体差がある）こと
・小さな部分影や汚れや太陽電池モジュール表面の劣化
・モジュールの破損（例えば、マイクロクラック等）
などが挙げられる。
このような「わずかに段になったＩ－Ｖカーブ」を部分的なＩ－Ｖカーブで観察するとＰｍａｘにおける最大電流Ｉｍａｘよりも低い電流値の点Ａからスタートして直後に急峻に折れ曲がる特徴的なグラフが描かれる。開放電圧は理想的なＩ－Ｖカーブと等しい。

【0039】

図３（Ｃ）は、深く段になったＩ－Ｖカーブである。考えられる要因としては、
・いくつかのモジュールに大きな（または複数の）影や汚れがあること
・モジュールの（比較的大きな）破損（例えば、クラック等）
などが挙げられる。
このような「深く段になったＩ－Ｖカーブ」については、点Ａよりも左（短絡電流側）から開放電圧点までが描画領域となる。

【0040】

図４（Ｄ）は、いくつか段になったＩ－Ｖカーブである。考えられる要因としては、
・いくつかのモジュールに小～中程度の影や汚れがあること
・モジュールの（比較的大きな）破損（例えば、クラック等）
・バイパスダイオードのショート故障
などが挙げられる。
このような「いくつか段になったＩ－Ｖカーブ」については、点Ａよりも左（短絡電流側）から開放電圧点までが描画領域となる。

【0041】

図４（Ｅ）は、Ｖｏｃの低いＩ－Ｖカーブである。これは、仕様よりもＶｏｃが低いという意味であり、考えられる要因としては、
・構造上の問題
・計測上の問題
・モジュールに大きな影があること
・モジュールに地絡があること
・バイパスダイオードのショート故障
などが挙げられる。
このような「Ｖｏｃの低いＩ－Ｖカーブ」については、点Ａよりも左（短絡電流側）から開放電圧点までが描画領域となる。

【0042】

図４（Ｆ）は、Ｉｓｃが低いＩ－Ｖカーブである。これは、仕様よりもＩｏｃが低いという意味で有り、考えられる要因としては、
・構造上の問題
・計測上の問題
・ストリングに均等な影や汚れがあること
・モジュールの劣化
・影の掛かったセルやクラスタにバイパスダイオードのオープン故障
などが挙げられる。
このような「短絡電流Ｉｓｃの低いＩ－Ｖカーブ」については、点Ａよりも左（短絡電流側）から開放電圧点までが描画領域となる。
開放電圧Ｖｏｃは理想的なＩ－Ｖカーブの開放電圧と等しいが短絡電流Ｉｓｃが理想的なＰｍａｘにおける電流値（Ｉｍａｘ）よりも低いことから、異常を診断することができる。

【0043】

以上のように、Ｉ－Ｖカーブでしか見つけられない様々な故障原因の可能性を、「部分的なＩ－Ｖカーブ」しか得られない場合であっても異常を見つけられる場合があると共に、本実施形態の手法によれば、その異常を通常運転中に、発見することが可能となる。

【0044】

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、いずれも遠隔地であるＸ地点に設置された発電制御装置のＩ－Ｖカーブを上述した方法により、運転中に計測した実測データを示している。これらのデータの計測時間はいずれも１０分間（指令値送信が６秒間隔×１００点：１００％→０％）であり、故障は見られなかった。
なお、１０分間の日射量は一定ではないため、多少のゆらぎが観測された。将来的には１秒、長くとも１０秒以内で取得できることが理想的であるが、現状は発電制御装置側の制約により、より長い時間を要することがある（概ね１分～１０分程度）。両者は時間帯、日射量、気温以外はすべて同じ条件で計測したものである。
意図的に影のかかった状態を作り、異常時のＩ－Ｖカーブ取得を実施することで、故障診断に役立てることも可能である。

【0045】

（ｉｉ）二次関数を用いたフィッティングに基づく診断
本件発明者の詳細な検討により、実測データに基づいて作成された部分的なＩ－Ｖカーブは、比較的単純な二次関数でよく近似できることが判明した。部分的なＩ－ＶカーブをＩ－Ｖカーブの一般式でフィッティングするためには、十分な教師データに基づく長期間の繰り返し学習が必要となる。しかし、二次関数で近似する手法であれば、２次係数、１次係数及び０次係数という３つのパラメーターだけで表されるため、比較的容易に実現可能である。
具体的には、得られた部分的なＩ－Ｖカーブを表現する近似関数式の個数を推定することで異常の有無を判別することができる。この推定は、近似関数式の個数と、各関係式の係数、定数項を対象とした最適化問題を解くことに帰着する。

【0046】

図７（Ａ）は、意図的に故障の状態にして測定した発電制御装置の出力電流と出力電圧の関係を示すグラフである。グラフ中に記入した計算式は、計測値を二次関数でフィッティングした式を表す。図７（Ａ）は、２つの二次関数の組み合わせとしてフィッティングされたことを表している。すなわち、近似関数式の個数は２ということが分かる。これに対して、図７（Ｂ）は、１つの二次関数としてフィッティングされたことを表している。そのため、異常な太陽電池モジュールは存在しないと推定される。

【0047】

（第５の実施形態）－完全なＩ－Ｖカーブによる故障診断について－
第２の実施形態又は第３の実施形態において説明した手法によれば、部分的に取得したＩ－Ｖカーブを含む「完全なＩ－Ｖカーブ」を取得できることになる。

【0048】

このように、Ｉ－Ｖカーブ全体を推定することで、部分的なＩ－Ｖカーブでは検出することが難しい異常を検出できることが期待される。

【0049】

図８（Ｇ）～図９（Ｌ）は、いずれも、太陽電池モジュール特性試験装置を用いて測定した「Ｉ－Ｖカーブ」の一例を示すグラフである。このうち、第１の実施形態で説明する手法により「部分的なＩ－Ｖカーブが得られた範囲で認められた所見」に限定すれば、その異常を反映した完全なＩ－Ｖカーブを推定することができる。例えば、図８（Ｇ）、（Ｈ）の場合は、点Ａの電流値がＰｍａｘの電流値（Ｉｍａｘ）よりも低い電流値として現れることから、Ｐｍａｘの左側に現れるＩ－Ｖカーブを正常な（理想的な）Ｉ－Ｖカーブと比較することにより、異常を検出することが可能となる。
また、図８（Ｉ）のような場合、開放電圧点から、電力が最大電力Ｐｍａｘに等しいか、可能な限り近くなるような電流・電圧点が得られないこと、すなわちＶｏｃ点Ｂの電圧が開放電圧Ｖｏｃよりも大幅に小さいため、部分的なＩ－Ｖカーブが得られないことから、異常を検出することが可能となる。
図９（Ｊ）のような場合、完全なＩ－Ｖカーブを推定することが難しいため、異常を見つけることが難しいと考えられる。しかし、図９（Ｋ）のような場合、最大出力点Ｐｍａｘを与える電圧における電流値が理想的な電流値よりも小さいことから、異常を検出することができる。
図９（Ｌ）のような場合、実際には最大出力点Ｐｍａｘに近い値で出力している状態を１００％としてそこから開放電圧側に変化させると急激に出力電流が０になることが分かるため、逆に０％から１００％に出力に制限指令値を変化させることにより、出力が得られる点を含めた部分についてのＩ－Ｖカーブを取得することができる。このとき、出力が得られ始めた際の出力電圧が開放電圧Ｖｏｃよりも大幅に小さいことが明らかとなるため、異常を検出することが可能となる

【0050】

発電制御装置の発電出力を１００％から０％まで一定の段階的に落としていく操作に要する時間はシステムの稼働時間と比べれば非常に短くできる。そのため、このような操作を行っても太陽光発電システムの稼働中への影響は極めて小さい。

【0051】

発電制御装置の出力指令値を１００％から０％まで変化させるにあたり、日射強度及びパネル温度変化の影響を避けるためにも、制御率の送信や出力制御の応答は速い方が良い。日射強度及びパネル温度の計測を同時に行うことができるとデータの精度向上にもつながる。

【0052】

また、制御端末をインターネット等のネットワークを介して遠隔操作し、取得したＩ－Ｖカーブのデータを収集することにより、全国各地に設置された太陽光発電システムにおける発電モジュールに対して計測データに基づく故障診断を短時間に行うことが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0053】

本発明は、出力指令値に従い発電電力を制御する機能を有する全ての発電制御装置（パワーコンディショナ）に適用でき、産業上の利用可能性は極めて大きい。

【符号の説明】

【0054】

１ 太陽電池モジュール
２ 発電制御装置（パワーコンディショナ）
４ 系統
６ 制御端末

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】