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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

  • こんにちは！Avago Technologiesのソーラーエネルギーアプリケーション向け光ファイバ製品に関するホワイトペーパーの内容を理解しています。インバータ制御、太陽追尾、変電所自動化など、様々な用途に適用可能な光ファイバ製品の特長、モデル、仕様などについて、ご質問にお答えします。
  • 光ファイバ製品は、どのようなソーラーエネルギーシステム用途で使用できますか？
    光ファイバを使用する利点は何ですか？
    どのような種類の光ファイバ製品が提供されていますか？
    IEC 61850規格との関係は？
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
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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
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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。
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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。
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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
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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
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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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注：日本語データシート、アプリケーションノートは、版が古い場合がございます。最新の内容については、英語版をご参照ください。
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