Broadcom ソーラーエネルギー・アプリケーション向け光ファイバ仕様

ブランド: Broadcom

モデル: ソーラーエネルギー・アプリケーション向け光ファイバ

タイプ: 仕様

ソーラーエネルギー・アプリケーション向け光ファイバ

White Paper

はじめに

ソーラーエネルギーは、近年、石油/石炭の価格変動や地球温

暖化問題などにより、世界中で需要に応えられる安い代替エネル

ギー源として注目されています。石油は、有限の消費されていく資

源であり、そのため需要が多い時は価格が高騰します。石油/石炭

による発電機は、化石燃料を電力に変換するときに、地球に有害

な多量のCO

や他の汚染物質を発生します。

ソーラー・ファーム発電システムは、太陽の熱から大量の電流を発

生します。設備のリーク電流を防ぎ、発電システムの品質と信頼性

を保証するために、ガルバニック絶縁が重要になります。光ファイ

バは、電力設備の制御および通信部への高電圧/電流グリッチや

不要な信号を絶縁し保護します。また、光ファイバを使用してソー

ラー・パネルの追尾機能を制御することもできます。光ファイバ通

信は、銅線より長距離のリンク接続が可能です。ソーラー・ファーム

のサイズが大きくなるほど、すべてのソーラー・パネルを監視し

図1. ソーラー発電ブロック図

By Alek Indra

ソーラー発電

制御する長距離リンク接続が必要になり、これに応えられるのは

光ファイバ・ケーブルだけです。

ソーラーエネルギー・システム向け光ファイバ製品の主な用途に

は次のものがあります。

• インバータ用パワー半導体ゲート・ドライバ

• 太陽追尾制御および通信ボード

• ソーラー・ファーム変電所の自動保護リレー

ソーラー・パネルは、光起電力モジュールや太陽熱収集装置に

よって太陽エネルギーを収集し、電気エネルギーに変換します。

ソーラー・パネルによって発電された電力を送電するには、電力

をユーティリィティ・グレードAC電力に変換しなければなりません

(図1)。

太陽エネルギー・システムでは、AC電力に変換するためにインバ

ータが使用され、送電線に接続するために変圧器で電圧を中間/

高電圧に高めています。また、送電線に障害が発生した場合、シス

テムを保護するために回路遮断器が設置されます。要求のAC電

力を生成するために、パワー半導体素子は、クリーンで高信頼の

AC電力を保証するために、正確な周波数でオン/オフするように

調整されなければなりません。このために、信号のオン/オフは、高

ガルバニック絶縁が可能な光ファイバリンクを介してDSP組込み

コントローラで制御します。

次のようなパワー半導体素子が市販されています。

• 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ(IGBT)

• ゲート・ターンオフ・サイリスタ(GTO)

• 一体型ゲート整流サイリスタ(IGCT)

• 対称型ゲート整流サイリスタ(SGCT)

• エミッタ・ターンオフ・サイリスタ(ETO)

高電圧や電流スイッチング装置を信頼性の高い制御、または

フィードバック信号によって制御するために、一般に、光ファイバ・

コンポーネントが使用されます(図2、表1)。

図2. IGBTのゲート・ドライバのブロック図

表1. パワー半導体素子制御向け一般型名

型名説明データ伝送速度

距離*

POF (1mm) HCS® (200µm)

HFBR-1521ETZ 650nm,トランスミッタ

DC–5MBd 20m

HFBR-2521ETZ 650nm,レシーバ

HFBR-1522ETZ 650nm,トランスミッタ

DC–1MBd 43m

HFBR-2522ETZ 650nm,レシーバ

HFBR-1528Z 650nm,トランスミッタ

DC–10MBd 40m 300m

HFBR-2528Z 650nm,レシーバ

AFBR-1624Z,AFBR-1629Z 650nm,トランスミッタ

DC–50MBd 50m

AFBR-2624Z,AFBR-2529Z 650nm,レシーバ

*光リンク距離は実際のデータ伝送速度により変化します。データ伝送速度が低いほど光リンク距離が長くなります。

HCSは、OFSの登録商標です。

アバゴ・テクノロジーのVersatile Link製品ファミリー(HFBR-0500Z

シリーズ)は、パワー半導体制御ボード向けの最も普及している標

準部品です。これらの部品は、トランスミッタおよびレシーバ回路

が簡単なため、システムにTTL論理レベルで容易に組み込むこと

ができます。図3に、データ伝送速度5MBdで動作する一般的な

インタフェース回路を示します。

ソーラー・パネルの制御および監視システム

太陽エネルギーから電力への変換を最大に高めるには主に2つ

の方法があります。1つの方法は、最も効率の高いソーラー・パネ

ルを使用することです。もう1つの方法は、日中の太陽の動きを追

尾することです。追尾システムを備えたソーラー・パネルが、固定

式システムより多くの電気を出力することが分かっています。[1,2]

ソーラー・ファームは、大きなものほどユーティリィティ向けに大

量の電力を生成するため、各ソーラー・パネルの性能を監視する

ためにインテリジェント機能を備えています。例えば、パネルの電

気出力と温度を監視して電気出力を最大にするには、ソーラー・

パネルの角度と向きの制御がきわめて重要です。数メガワットの

電力を生成する商用ソーラー・ファームでは、ソーラー・パネルが

広大な面積に設置されるために高い信頼性のネットワークの制

御と監視が必要になりますが、光ファイバ・ネットワークだけが、こ

れらの要求に応えることができます。(図4,表2)。

図3. データ伝送速度5MBdのHFBR-1521Z/2521Zの回路図

表2. 制御および監視システム向け一般型名

型名説明データ伝送速度

距離*

POF (1mm) HCS® (200µm) 62.5um/125um

HFBR-1515BZ 650nm,トランスミッタ

DC–10MBd 40m 200m

HFBR-2515BZ 650nm,レシーバ

HFBR-1505CZ 650nm,トランスミッタ

DC–10MBd 50m 400m

HFBR-2505CZ 650nm,レシーバ

HFBR-1414Z 820nm,トランスミッタ

DC–5MBd 1500m 2000m

HFBR-2412Z 820nm,レシーバ

HFBR-1414Z 820nm,トランスミッタ

DC–20MBd 2700m

HFBR-2416Z 820nm,レシーバ

HFBR-1414Z 820nm,トランスミッタ

DC–160MBd 500m

HFBR-2416Z 820nm,レシーバ

*光リンク距離は実際のデータ伝送速度で変化します。データ伝送速度が低いほど光リンク距離が長くなります。

図4. 光ファイバによるソーラー・ファーム制御および監視システム

変電所自動化

変電所は、ソーラー・ファームで生成された電力を、最終消費者に

送電するためにユーティリィティ・グリッドに接続します。現在の変

電所自動化は、IEC 61850規格に基づいており、システム全体の信

頼性を高め、使用される銅線の数を大幅に減らすように設計され

ています[3,4](図5)。

変電所内のほとんどの設備(例えば、スイッチギヤ、変圧器、回路遮

断器など)は、中間/高電圧で動作するので、接続された低電圧装

置を保護するためにガルバニック絶縁が必要になります。また、こ

れらの設備は、高スイッチング電圧や電流による強い電磁気(EM)

を発生します。規格では、確実な制御を保証するために電磁気の

影響を受けない通信線を要求しています。　このように、光ファイ

バは、変電所の自動制御や通信線の要求に対する最適なソリュー

ションとなります。(表3)。

図5. IEC 61850ベースの変電所自動化

Control

Room

表3. 変電所の自動化向け製品

型名説明データ伝送速度

距離*

POF (1mm) HCS® (200µm) 62.5um/125um

AFBR-1624Z,AFBR-1629Z 650nm,トランスミッタ

DC–50MBd 50m

AFBR-2624Z,AFBR-2529Z 650nm,レシーバ -

AFBR-5978Z 650nm,トランスミッタ 125MBd 50m 100m -

AFBR-5972Z 650nm,トランスミッタ 125MBd 50m

HFBR-14X4Z 820nm,トランスミッタ

160MBd - - 500m

HFBR-24X6Z 820nm,レシーバ

HFBR-1312TZ 1300nm,トランスミッタ

160MBd - - 2km

HFBR-2316TZ 1300nm,レシーバ

HFBR-57E5APZ 1300nm,トランスミッタ 125/155MBd 2km

*光リンク距離は実際のデータ伝送速度で異なります。データ伝送速度が低いほど光リンク距離が長くなります。

HCSは、OFSの登録商標です。

アバゴ・テクノロジーは、10/100/1000Mbpsイーサネット・プロトコルをベースとしたIEC 61850の構築に適合した多くの製品を取り揃え

ています。図6に、ファスト・イーサネット光トランシーバの代表的な回路図を示します。アバゴ・テクノロジーのHFBR-57E5APZの入出力

データ信号はLVPECLであり、現在市販されている一般的なイーサネットPHYICへの接続が容易となっています。

図6. アバゴ・テクノロジーのHFBR-57E5APZファスト・イーサネット光ファイバ・トランシーバ駆動回路

–

References

1. Armstrong, S.; Hurley, W.G. “Investigating the Eﬀectiveness of

Maximum Power Point Tracking for a Solar System.”

 IEEE, Power

ElectronicsSpecialistsConference,2005.

2. Piao, Z.G.; Park, J.M; Kim, J.H.; Cho, G.B.; Baek, H.L.;

“A Study on the Tracking Photovoltaic System by Program

Type,”

 Electrical Machines and Systems, 2005. ICEMS 2005.

ProceedingsoftheEighthInternationalConferenceonVol2,

Pages:971–973,Sept2005

3. L.Andersson,Ch.BrunnerandF.Engler,

“Substation Automation

based on IEC 61850 with New Process Close Technologies,”

IEEE

PowertechBologna,June2003.

4. Ch. Brunner,

“IEC 61850 Process Connection—A Smart Solution

to Connect the Primary Equipment to the Substation Automation

System,”

ABBSwitzerland,Zurich,Switzerland.

Additional Resources

IEC61850Standard

http://www.iec.ch/

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AV02-1812JP-October01,2012

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