JP2017190996A - Arc failure detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、太陽光発電システムの太陽光パネルが接続された直流回路におけるアークの発生（以下、アーク故障ともいう）を検出するアーク故障検出装置に関するものである。 The present invention relates to an arc failure detection device that detects the occurrence of an arc (hereinafter also referred to as an arc failure) in a DC circuit to which a solar panel of a photovoltaic power generation system is connected, for example.
近年、二酸化炭素の排出等による環境負荷低減への意識の高まり、エネルギー政策の見直し等により、メガソーラや家庭用太陽光発電を含む太陽光発電システムの導入が進んでいる。これらのシステムでは、比較的高い直流電圧（２００[Ｖ]〜１，０００[Ｖ]程度）が用いられているため、システム内の直流回路で発生した直流アークによる火災事故が問題視されつつある。 In recent years, the introduction of photovoltaic power generation systems including mega solar and household photovoltaic power generation has been promoted due to increasing awareness of environmental impact reduction due to carbon dioxide emissions, etc., and review of energy policies. In these systems, since a relatively high DC voltage (about 200 [V] to 1,000 [V]) is used, a fire accident caused by a DC arc generated in a DC circuit in the system is becoming a problem. .
直流回路では、交流回路と異なって電流ゼロ点が存在しないため、一旦発生したアークは消えにくく、火災に至りやすいという問題がある。
このような問題に鑑み、米国では、米国電気工事基準としてＮＥＣ６９０．１１が規格化され、太陽光発電装置には直流アークを検出して保護可能なデバイスを実装することが義務付けられており、ＵＬ規格１６９９Ｂにより機器の仕様が規定されている。このため、今後、日本やヨーロッパ等においても同様に規格化される可能性がある。
In the DC circuit, unlike the AC circuit, since there is no current zero point, there is a problem that once the arc is generated, it is difficult to disappear and a fire is likely to occur.
In view of such problems, in the United States, NEC 690.11 has been standardized as a US electrical work standard, and it is obliged to install a device capable of detecting and protecting a DC arc in a photovoltaic power generation apparatus. The specification of the device is defined by the standard 1699B. For this reason, it may be standardized in the future in Japan, Europe, and the like.
従来、太陽光発電システム等の直流回路におけるアーク検出手段または装置としては、以下に示すものが知られている。
例えば、特許文献１に記載されたアーク検出手段では、太陽光発電システム内の端子台でのネジの締め忘れ等により接続が不完全な場合にアークが発生して短絡や断線故障に至る点に着目し、端子台の入出力側配線間の電圧及び出力電流の変動状態を検出することにより、端子台のアークを電気ノイズ等と区別して検出可能としている。
Conventionally, what is shown below is known as an arc detection means or apparatus in a DC circuit such as a solar power generation system.
For example, in the arc detection means described in
また、特許文献２には、メガソーラのように多数の太陽光パネルが複数系統に分かれており、かつ、パワーコンディショナシステム（以下、ＰＣＳともいう）内のインバータのスイッチングノイズが重畳する直流回路に適用されるアーク検出装置が開示されている。このアーク検出装置では、直流回路を開閉する遮断器の端子間に設けた電圧センサの出力をパワースペクトルに変換し、このパワースペクトルからインバータのスイッチングノイズに相当する周波数帯域を除去した後のパワースペクトルの傾きに基づいて、直流回路におけるアークの発生を検出している。
特許文献１に記載された発明は、端子台の近傍で電圧及び電流の変動が発生した場合にアークの検出が可能になるものである。しかしながら、特にメガソーラ等の大規模な太陽光発電システムでは、ケーブル等が長距離にわたって敷設されており、アークに起因する故障は様々な箇所で発生する可能性がある。このため、端子台付近の電圧センサに対して遠方の太陽光パネル側でアークが発生した場合には、電圧センサ付近で急激な電圧変動はほとんどないため、アークの発生を検出することが困難であった。
The invention described in
また、特許文献２に係る先行技術は、アーク故障時に発生する電圧の高周波成分を検知するものである。ここで、アーク故障が発生した太陽光パネル系統（故障ストリング）と健全な太陽光パネル系統（健全ストリング）とを区別して検出するためには、逆流防止ダイオード付きの太陽光発電システムとする必要がある。しかし、２０１５年現在、世界的な主流は、逆流に対する安全策としてＰＶヒューズが使用されており、このシステムでは、故障ストリングと健全ストリングとを区別することができず、アーク発生時にはその発生個所を遮断するためにシステム全体を停止しなくてはならないと共に、故障点の特定や復旧に多くの時間を要している。
従って、太陽光発電システムの構成によっては、故障ストリングと健全ストリングとを区別できないため、太陽光発電事業の継続性が悪いという問題があった。
Moreover, the prior art which concerns on
Therefore, depending on the configuration of the photovoltaic power generation system, there is a problem that the continuity of the photovoltaic power generation business is poor because the failure string and the healthy string cannot be distinguished.
また、前述したように、特許文献２においては、ＰＣＳによるスイッチングノイズ周波数成分を特定してこの成分をパワースペクトルから除去しているが、ＰＣＳによってはインバータのスイッチング周波数を可変にしたものもあるため、このスイッチング周波数が変化した場合にアークの検出精度が低下するおそれもあった。
Further, as described above, in
そこで、本発明の解決課題は、システムの構成やアークの発生位置に関わらず、また、スイッチングノイズに影響されることなく高精度な検出を可能としたアーク故障検出装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an arc fault detection apparatus that enables highly accurate detection regardless of the system configuration and arc generation position and without being affected by switching noise.
上記課題を解決するために、請求項１に係るアーク故障検出装置は、直流回路を開閉する遮断器と直流母線との間に接続され、かつ、
前記直流回路の電流を検出する電流センサと、
前記電流センサにより検出した電流の周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、
前記周波数スペクトルの周波数ごとに対数演算する対数演算処理部と、
前記対数演算処理部による対数演算値の総和値を演算する総和値演算部と、
前記総和値の大きさと所定の閾値とに基づいて前記直流回路におけるアーク故障の有無を判定するアーク故障判定処理部と、を備えたものである。
In order to solve the above problems, an arc fault detection device according to
A current sensor for detecting a current of the DC circuit;
A frequency analysis unit for calculating a frequency spectrum of the current detected by the current sensor;
A logarithmic operation processing unit that performs logarithm operation for each frequency of the frequency spectrum;
A total value calculation unit for calculating a total value of logarithm calculation values by the logarithm calculation processing unit;
And an arc fault determination processing unit that determines whether or not there is an arc fault in the DC circuit based on the magnitude of the total value and a predetermined threshold value.
請求項２に係るアーク故障検出装置は、請求項１に記載したアーク故障検出装置において、前記アーク故障判定処理部は、所定の設定時間内に、前記総和値が第一閾値を超えた回数が第二閾値を超えた場合に、前記直流回路におけるアーク故障有りと判定するものである。
The arc failure detection device according to
請求項３に係るアーク故障検出装置は、請求項１または２に記載したアーク故障検出装置において、前記電流センサの出力から特定周波数成分の電流を抽出する信号抽出部を備え、前記信号抽出部の出力を前記周波数解析部へ入力するものである。
An arc failure detection device according to claim 3 is the arc failure detection device according to
請求項４に係るアーク故障検出装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記アーク故障判定処理部によってアーク故障有りと判定されたときに、アークの発生を通報する警報装置を備えたものである。
An arc fault detection apparatus according to
請求項５に係るアーク故障検出装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載したアーク故障検出装置において、前記アーク故障判定処理部によってアーク故障有りと判定されたときに、前記遮断器を開放するものである。
The arc fault detection device according to claim 5 is the arc fault detection device according to any one of
請求項６に係るアーク故障検出装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載したアーク故障検出装置が、太陽光パネルの出力電流が流れる前記直流回路に接続され、前記太陽光パネルと共に一つのストリングを構成しているものである。
An arc failure detection device according to
請求項７に係るアーク故障検出装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載したアーク故障検出装置が、複数の太陽光パネルの出力電流がそれぞれ流れる前記直流回路を集約した直流母線上の１箇所に接続されているものである。
The arc fault detection device according to claim 7 is a DC bus in which the arc fault detection device according to any one of
本発明は、故障ストリングに特徴的に発生する電流信号の高周波成分（アークノイズ）に基づいてアーク故障を検出するものである。このアークノイズは、同一系統内であれば、故障点や検出位置に関わらず観測可能であり、逆流防止ダイオードの有無に関係なく得られるため、アーク故障が発生したストリングの特定も容易である。
従って、本発明によれば、様々な構成の太陽光発電システムに適用可能なアーク故障検出装置を得ることができる。
また、本発明においては、電流センサの出力の周波数スペクトルを周波数ごとに対数演算し、その総和値に基づいてアーク故障を判定するため、他の周波数成分に比べて信号強度が大きいＰＣＳのスイッチングノイズによる影響を低減し、故障電流が小さい場合でも高精度にアーク故障を検出することが可能である。
The present invention detects an arc fault based on a high-frequency component (arc noise) of a current signal characteristically generated in the fault string. This arc noise can be observed within the same system regardless of the failure point or the detection position, and can be obtained regardless of the presence or absence of the backflow prevention diode. Therefore, it is easy to identify the string in which the arc failure has occurred.
Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain an arc failure detection device applicable to solar power generation systems having various configurations.
In the present invention, the frequency spectrum of the output of the current sensor is logarithmically calculated for each frequency, and arc faults are determined based on the sum of the frequencies. Therefore, the switching noise of PCS having a higher signal strength than other frequency components. It is possible to detect the arc fault with high accuracy even when the fault current is small.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態のアーク故障検出装置を備えた太陽光発電システムの概略構成図である。まず、図１に基づいて太陽光発電システムの構成を説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a photovoltaic power generation system provided with the arc failure detection device of this embodiment. First, the configuration of the photovoltaic power generation system will be described with reference to FIG.
一般的に、太陽光発電システムは、複数の太陽光パネルがストリング単位で並列接続された回路によって構成されている。図１において、ストリングＳ１，Ｓ２は、太陽光パネル１と開閉・アーク故障検出ブロック１００、及び、太陽光パネル２と開閉・アーク故障検出ブロック２００をそれぞれ備え、これらのストリングＳ１，Ｓ２が直流回路１０１，２０１に接続されている。
図１では、ストリングが二つ並列に接続されているが、更に多数のストリングが並列接続される場合もある。また、各ストリングにおいて、複数の太陽光パネルが適宜、直列または並列に接続される場合もあるが、ここでは図示を省略する。
Generally, a solar power generation system is configured by a circuit in which a plurality of solar panels are connected in parallel in string units. In Figure 1, the
In FIG. 1, two strings are connected in parallel, but a larger number of strings may be connected in parallel. In each string, a plurality of solar panels may be appropriately connected in series or in parallel, but the illustration is omitted here.
ストリングＳ１，Ｓ２は、直流母線３００を介してパワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）４００に接続されている。なお、ＰＣＳ４００の主な機能はインバータによる直流／交流変換によって代表されるため、図１では直流／交流変換を示す記号によってＰＣＳ４００を示している。太陽光パネル１，２により発電した直流電力は、直流回路１０１，２０１、開閉・アーク故障検出ブロック１００，２００及び直流母線３００を介してＰＣＳ４００により商用周波数の交流電力に変換され、一般家庭や工場等の需要家に供給される。
本実施形態のアーク故障検出装置は、開閉・アーク故障検出ブロック１００，２００の各一部を構成しており、ストリング単位でアーク故障を検出する。
The strings S 1 and S 2 are connected to the power conditioner system (PCS) 400 via the
The arc fault detection apparatus of this embodiment constitutes a part of each of the open / close / arc fault detection blocks 100 and 200, and detects an arc fault in units of strings.
図２は、図１における一方のストリングＳ２、特に開閉・アーク故障検出ブロック２００内のアーク故障検出装置２２０の構成を示している。ここで、ストリングＳ１，Ｓ２の構成は同一であり、本実施形態では、図１の故障点ＦのようにストリングＳ２におけるアークの発生を仮定しているため、図２ではストリングＳ２側を示している。
FIG. 2 shows the configuration of one of the strings S 2 in FIG. 1, in particular, the arc
図２において、開閉・アーク故障検出ブロック２００は、遮断器２１０とアーク故障検出装置２２０とを備えている。
遮断器２１０は、太陽光パネル２とアーク故障検出装置２２０との間に接続され、後述する第二閾値判定部２２８の出力によって開閉制御される。
アーク故障検出装置２２０は、直流回路２０１の片側の線路に配置された変流器等の電流センサ２２１を備えている。図２では、電流センサ２２１が正極側線路に配置されているが、負極側線路に配置しても良い。
In FIG. 2, the switching / arc
The
The arc
電流センサ２２１の出力は、信号抽出部としての狭帯域フィルタ部２２２に送られて電流の特定周波数成分が抽出される。この狭帯域フィルタ部２２２にはディジタルフィルタを使用しても良いが、後段の処理では高周波成分のみを処理するので、マイコンの分解能を十分確保するためにも、オペアンプや抵抗、コンデンサ等を使用したアナログ回路によって構成することが望ましい。
The output of the
狭帯域フィルタ部２２２により抽出された電流の特定周波数成分は、周波数解析部２２３に送られる。この周波数解析部２２３以降では、マイコンやＤＳＰ（ディジタル・シグナル・プロセッサ）等によって以下の演算をディジタル処理し、アーク故障の有無を判定する。
The specific frequency component of the current extracted by the
図３は、この実施形態における一連の信号処理を示すフローチャートである。
狭帯域フィルタ部２２２から出力された電流の特定周波数成分は、周波数解析部２２３にてＦＦＴ（高速フーリエ変換）により所定の時間間隔で周波数解析され、周波数スペクトルが算出される（ステップＳＴ１）。算出された周波数スペクトルは周波数ごとに対数演算処理部２２４にて対数演算され（ステップＳＴ２）、対数演算値の総和値が総和値演算部２２５により算出される（ステップＳＴ３）。
FIG. 3 is a flowchart showing a series of signal processing in this embodiment.
The specific frequency component of the current output from the
次に、算出された総和値は、図２のアーク故障判定処理部２２９内の第一閾値判定部２２６により、第一閾値と比較される（ステップＳＴ４）。そして、総和値が第一閾値を超えた回数をカウント部２２７により計数し、第二閾値判定部２２８では、設定時間内に前記総和値が第一閾値を超えた回数が第二閾値を超えた場合にアーク故障と判定する（ステップＳＴ５ ＹＥＳ，ＳＴ６）。この故障判定信号を用いて、図２の遮断器２１０を開放すると共に、アーク故障警報装置２３０を介して警報を発生させる。また、総和値が第一閾値を超えた回数が第二閾値を超えない場合には、アーク故障ではないと判定する（ステップＳＴ５ＮＯ，ステップＳＴ７）。
ここで、前記第一閾値及び第二閾値は、システムの構成に応じて予め設定された値である。
Next, the calculated total value is compared with the first threshold value by the first threshold
Here, the first threshold and the second threshold are values set in advance according to the system configuration.
次いで、本実施形態によるアーク故障の検出動作を、図４〜図１２の実験結果（故障点を図１のＦと仮定）に基づいて説明する。
始めに、アーク発生時の太陽光発電システム内の挙動について説明する。
図４は、アーク故障検出装置２２０の設置位置における直流回路２０１の電圧波形を示し、図５は、各ストリングＳ１，Ｓ２の直流回路１０１，２０１を流れる電流波形を示している。なお、故障点Ｆでは、図４，図５における時間０[ｓｅｃ]にアークが発生したものとする。
Next, the arc failure detection operation according to the present embodiment will be described based on the experimental results of FIGS. 4 to 12 (assuming the failure point is F in FIG. 1).
First, the behavior in the photovoltaic power generation system when an arc occurs will be described.
Figure 4 shows the voltage waveform of the
図４から明らかなように、アーク故障検出装置２２０の設置位置における直流回路２０１の電圧は、アーク発生前後でほとんど変化していない。これは、ごく短時間のアークが発生した場合には、ＰＣＳ４００によって電圧がほぼ一定に制御されるためである。従って、直流回路の電圧変動に基づいてアーク故障を検出することは困難である。
As is clear from FIG. 4, the voltage of the
一方、電流について考察すると、図５から明らかなように、健全ストリングＳ１では直流回路１０１に電圧変動がないため、電流もほとんど変動していない。
これに対し、故障ストリングＳ２ではアークの発生直後に電流が大きく変動し、その後に平均値が低下した状態が維持されている。その理由としては、故障ストリングＳ２の太陽光パネル２の電圧が故障点Ｆのアーク電圧（２０[Ｖ]〜５０[Ｖ]程度）の分だけ故障点Ｆ側より上昇したため、太陽光パネル２(太陽電池)の電流電圧特性により、太陽光パネル２の出力電流が電圧の増加に伴って減少したことによる。
On the other hand, considering the current, as is apparent from FIG. 5, since there is no voltage change in the sound string S 1 in the
In contrast, current fluctuates greatly immediately after the occurrence of the fault string S 2 in the arc, the average value thereafter is maintained a state in which reduced. The reason is that the voltage of the
上述したようにアーク発生前後の電流値の挙動を観測してアーク故障を検出することも考えられるが、太陽光パネルの出力電流は日射量に応じて時々刻々と変化するので、単に電流値の変化のみに基づいて判断することは難しい。
そこで、本実施形態では、以下のようにしてアーク故障を検出するようにした。
As described above, it is conceivable to detect the arc fault by observing the behavior of the current value before and after the occurrence of the arc, but the output current of the solar panel changes from moment to moment according to the amount of solar radiation. It is difficult to judge based on change alone.
Therefore, in this embodiment, an arc failure is detected as follows.
まず、図６は、ストリングＳ２の故障点Ｆでアークが発生した時の、健全ストリングＳ１側のアーク故障検出装置における電流検出値の周波数解析結果を示し、図７は、図６と同じタイミングにおける故障ストリングＳ２側のアーク故障検出装置２２０における電流検出値の周波数解析結果を示している。
図６の健全ストリングＳ１側では、アーク発生前後（発弧前後）で周波数特性はほとんど変わらないが、図７の故障ストリングＳ２側では、発弧後に、１００[ｋＨｚ]付近までの周波数成分が発弧前に比べて上昇している。これは、一般的にはアークノイズと呼ばれる信号によるものであり、このアークノイズは、アークが発生した故障ストリングのみに顕著に現れることが知られている。よって、図１に示すように、ストリングごとにアーク故障検出装置を設置した場合には、アークノイズに着目して信号処理を行うことで故障ストリングの特定が可能となる。
First, FIG. 6 shows the frequency analysis result of the current detection value in the arc fault detection device on the sound string S 1 side when an arc occurs at the fault point F of the string S 2 , and FIG. 7 is the same as FIG. It shows the frequency analysis result of the current detection value in the arc
The sound string S 1 side in FIG. 6, but almost unchanged frequency characteristic arcing longitudinal (front-rear arcing), a malfunction string S 2 side of FIG. 7, after arcing, frequency components up to the vicinity of 100 [kHz] Is higher than before the arc. This is generally due to a signal called arc noise, and it is known that this arc noise appears notably only in a fault string where an arc has occurred. Therefore, as shown in FIG. 1, when an arc failure detection device is installed for each string, it is possible to identify the failure string by performing signal processing with attention paid to arc noise.
本発明のアーク故障検出装置は、図１３に示すように、直流母線３００に複数のストリングＳ１，Ｓ２が並列に接続されており、これらを集約する形で１台の開閉・アーク故障検出ブロック（アーク故障検出装置）５００を配置することも可能である。この場合、故障ストリングの特定はできないが、システム内のいずれかのストリングにおいてアークが発生したことは検知可能であり、アーク故障検出装置も太陽光発電システムに1台配置するのみで良い。
この配置では、一方のストリングＳ２（太陽光パネル２）でアークが発生すると、アーク故障検出装置内の電流センサ２２１には、故障ストリングＳ２からの電流に加えて、健全なストリングＳ１（太陽光パネル１）からの電流が重畳して流れることになる。
従って、アーク故障検出装置は、十数[Ａ]程度の電流が流れる場合にも誤動作せず、また、故障ストリングの電流に健全ストリングの電流が重畳された場合でも、アーク故障を適切に検出する必要がある。
As shown in FIG. 13, the arc fault detection device of the present invention has a plurality of strings S 1 and S 2 connected in parallel to a
In this arrangement, when an arc is generated in one of the strings S 2 (solar panel 2), the
Therefore, the arc fault detection device does not malfunction even when a current of about a dozen [A] flows, and appropriately detects an arc fault even when the current of the healthy string is superimposed on the current of the fault string. There is a need.
図８は、図１３のように、直流母線３００とＰＣＳ４００との間に１台の開閉・アーク故障検出ブロック（アーク故障検出装置）５００が接続されている場合の、アーク発生前後（発弧前後）における電流振幅の周波数解析結果を示している。なお、開閉・アーク故障検出ブロック５００の構成は、図２に示した開閉・アーク故障検出ブロック２００と同様であり、図８は図２の周波数解析部２２３の出力に相当する。
FIG. 8 shows before and after the occurrence of an arc (before and after the occurrence of an arc) when one open / close / arc failure detection block (arc failure detection device) 500 is connected between the
図８に示した例は、アーク故障検出装置内の電流センサ２２１による電流検出値が１２[Ａ]の場合の発弧前後の周波数解析結果であり、例えば、故障ストリングの電流２[Ａ]に健全ストリングの電流１０[Ａ]が重畳しているような場合である。
この図８を図７と比較すると、図８では図７に比べ電流値が１２[Ａ]となり大きいため、発弧前の信号（ＰＣＳ４００に起因するスイッチング周波数ノイズ）も大きくなる。一方で、発弧に伴うアークノイズの信号は故障ストリングの電流値２[Ａ]に依存した大きさのため、図７と同レベルとなる。
このような場合でも、図７に比べ発弧前後での信号の変化は小さいが、アークノイズによる１００[ｋＨｚ]付近までの周波数成分の増加は現われるため、前述した対数演算処理部２２４、総和値演算部２２５、アーク故障判定処理部２２９等の演算処理により、いずれかのストリングにおいてアークが発生したことを検出するのは可能である。
The example shown in FIG. 8 is a frequency analysis result before and after the firing when the current detection value by the
When FIG. 8 is compared with FIG. 7, in FIG. 8, the current value is 12 [A] larger than that in FIG. 7, and thus the signal before firing (switching frequency noise due to the PCS 400) also increases. On the other hand, since the signal of the arc noise accompanying the arc generation has a magnitude depending on the current value 2 [A] of the fault string, it becomes the same level as in FIG.
Even in such a case, the change in the signal before and after the ignition is small compared to FIG. 7, but an increase in the frequency component up to around 100 [kHz] due to the arc noise appears. It is possible to detect that an arc has occurred in any of the strings by arithmetic processing such as the
次に、図９は、アークによる故障電流（電流センサ２２１による電流検出値）が２[Ａ]及び１２[Ａ]の場合の電流過渡応答を示した図である。また、図１０は、図９における電流の変化を明確化するために、図９の各電流波形から直流成分を除去した信号（１ [ｋＨｚ]以上の高周波成分を通過させるハイパスフィルタ（ＨＰＦ）の出力信号）を示している。 Next, FIG. 9 is a diagram showing a current transient response when the fault current due to the arc (current detection value by the current sensor 221) is 2 [A] and 12 [A]. Further, FIG. 10 shows a signal obtained by removing a DC component from each current waveform of FIG. 9 (high-pass filter (HPF) that passes a high frequency component of 1 [kHz] or more) in order to clarify the change in current in FIG. Output signal).
図９によれば、発弧前後における電流の変化は電流値の違いよりも小さいため、単純に電流値を閾値に設定してアーク発生を検出することはできない。また、図１０から明らかなように、電流信号を単にハイパスフィルタに通過させただけでは、特に電流が１２[Ａ]の場合に健全時と故障時との区別（時刻０を挟んだ発弧前後の区別）が難しいため、アークの検出が困難である。
つまり、図９，図１０により、発弧前後における電流値の変化や高周波成分の変化だけを観測しても、アーク故障を確実に検出することは困難であることがわかる。
According to FIG. 9, since the change in current before and after arcing is smaller than the difference in current value, it is not possible to simply detect the occurrence of arc by setting the current value as a threshold value. Further, as is clear from FIG. 10, when the current signal is simply passed through the high-pass filter, it is distinguished between a healthy time and a failure time especially when the current is 12 [A] (before and after the ignition with the
That is, FIG. 9 and FIG. 10 show that it is difficult to reliably detect an arc fault even if only the change in current value and the change in high-frequency component before and after the ignition are observed.
なお、電流の周波数スペクトル（電流スペクトル）の総和を単純に求めて位相情報を除去することにより、アーク発生を検出する方法も考えられる。しかし、図１１に示すように、電流スペクトルの単純総和値では、インバータのスイッチング周波数の電流成分が顕著に現われるため、例えば、健全時において１２[Ａ]の電流が流れても誤動作しない（アーク発生を誤検出しない）程度の閾値を設定しておくと、２[Ａ]の電流が流れている状態でアークが発生した場合に信号の大部分が上記閾値を下回ってしまい、アーク発生を検出することが困難である。
後述するように、機械接点を有する遮断器などの動作によるアークノイズ信号と区別するために、アーク信号が一定時間経過した場合にアーク故障と判断する必要があるが、この閾値では電流値２[Ａ]の場合は５０[ｍｓ]以降は閾値をほとんど下回り、この短い時間内では遮断器などの動作によるアーク信号との区別がつかないためアーク故障として判断することが困難となる。
A method of detecting arc occurrence by simply obtaining the sum of the current frequency spectrum (current spectrum) and removing the phase information is also conceivable. However, as shown in FIG. 11, in the simple sum value of the current spectrum, the current component of the inverter switching frequency appears remarkably. For example, no malfunction occurs even when a current of 12 [A] flows in a healthy state (arc generation) If an arc is generated with a current of 2 [A] flowing, most of the signal falls below the above threshold and the occurrence of the arc is detected. Is difficult.
As will be described later, in order to distinguish from an arc noise signal due to the operation of a circuit breaker having a mechanical contact, it is necessary to determine that an arc failure has occurred when the arc signal has passed for a certain period of time. In the case of A], after 50 [ms], it is almost below the threshold value, and since it cannot be distinguished from the arc signal due to the operation of the circuit breaker within this short time, it is difficult to determine as an arc fault.
これに対し、本実施形態によれば、例えば１０[ｋHz]以下の周波数帯域における電流スペクトルを周波数ごとに対数演算して対数演算値の総和値を求めることにより、顕著なスイッチング周波数が圧縮されてアークノイズによる低周波数成分が比較的際立つようになる。従って、図１２に示すごとく、健全時の電流では動作しないような閾値を設定したとしても、電流が２[Ａ]の状態でアークが発生した場合には閾値を上回ることになり、アークの発生を確実に検出することができる。
なお、図１１，図１２に示す信号処理は、サンプリング周波数１[ＭＨｚ]、サンプリング数２０４８点（約２[ｍｓ]）のデータ間隔で行っているが、使用するマイコンやＤＳＰ等の性能に応じて適宜調整しても良い。
On the other hand, according to the present embodiment, for example, a significant switching frequency is compressed by logarithmically calculating a current spectrum in a frequency band of 10 [kHz] or less for each frequency to obtain a sum of logarithmically calculated values. Low frequency components due to arc noise become relatively prominent. Therefore, as shown in FIG. 12, even if a threshold value that does not operate with a current at the time of health is set, when an arc is generated in a state where the current is 2 [A], the threshold value is exceeded, and an arc is generated. Can be reliably detected.
The signal processing shown in FIGS. 11 and 12 is performed at a sampling frequency of 1 [MHz] and a data interval of 2048 sampling points (about 2 [ms]), depending on the performance of the microcomputer or DSP used. May be adjusted as appropriate.
また、図１２では、発弧開始直後に信号成分が顕著に増加しているが、この現象は機械接点を有する遮断器、スイッチ等の開放時にも現れるものであり、これらの増加現象による誤動作を防止しなくてはならない。更に、アークノイズの大きさは常に一定とは限らず、アークノイズは変化しながら継続するものであるため、対数演算値の総和値に基づく更なる判定基準を備える必要がある。 In FIG. 12, the signal component increases remarkably immediately after the start of arcing, but this phenomenon also appears when the circuit breaker, switch, etc. having mechanical contacts are opened. It must be prevented. Furthermore, since the magnitude of the arc noise is not always constant and the arc noise continues while changing, it is necessary to provide a further determination criterion based on the sum of logarithmic calculation values.
そこで、本実施形態では、図２のアーク故障判定処理部２２９及び図３のステップＳＴ５，ＳＴ６にて説明したように、所定の設定時間内に対数演算値の総和値が第一閾値を超えた回数が、アーク故障判定基準となる第二閾値を超えた時点でアーク故障有りと判定するようにした。
例えば、設定時間としての１００[ｍｓ]の間に、総和値が第一閾値を超えた回数が４０回（第二閾値が４０回）を超えた時点で、アーク故障と判定するように設定する。これにより、図１２に示した電流２[Ａ]の例では、アーク発生から約８０[ｍｓ]を経過した時点でアーク故障を判定することができる。なお、これらの設定時間や各閾値は、システムに配置される遮断器の遮断特性（アーク継続時間）等に応じて適宜調整しても良い。
Therefore, in the present embodiment, as described in the arc failure
For example, it is set so that an arc failure is determined when the number of times that the total value exceeds the first threshold exceeds 40 (the second threshold is 40) during 100 [ms] as the set time. . As a result, in the example of the current 2 [A] shown in FIG. 12, it is possible to determine an arc failure when about 80 [ms] has elapsed since the occurrence of the arc. In addition, you may adjust these set time and each threshold value suitably according to the interruption | blocking characteristic (arc continuation time) etc. of the circuit breaker arrange | positioned at a system.
以上のようにこの実施形態によれば、太陽光発電システムの構成や直流回路内の発生位置によらずアーク故障を検出可能であると共に、ＰＣＳのスイッチングノイズによる誤判定をなくし、また、故障電流が小さい場合にも確実に検出可能なアーク故障検出装置を実現することができる。 As described above, according to this embodiment, it is possible to detect an arc failure regardless of the configuration of the photovoltaic power generation system and the generation position in the DC circuit, eliminate erroneous determination due to switching noise of the PCS, and Thus, it is possible to realize an arc fault detection device that can be reliably detected even when is small.
Ｓ１，Ｓ２：ストリング
１，２：太陽光パネル
１００，２００，５００：開閉・アーク故障検出ブロック
１０１，２０１：直流回路
２１０：遮断器
２２０：アーク故障検出装置
２２１：電流センサ
２２２：狭帯域フィルタ部（信号抽出部）
２２３：周波数解析部
２２４：対数演算処理部
２２５：総和値演算部
２２６：第一閾値判定部
２２７：カウント部
２２８：第二閾値判定部
２２９：アーク故障判定処理部
２３０：アーク故障警報装置
３００：直流母線
４００：パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）
Ｆ：故障点
S 1, S 2: String 1:
223: Frequency analysis unit 224: Logarithmic calculation processing unit 225: Total value calculation unit 226: First threshold determination unit 227: Count unit 228: Second threshold determination unit 229: Arc failure determination processing unit 230: Arc failure alarm device 300: DC bus 400: Power conditioner system (PCS)
F: Failure point
Claims (7)
前記直流回路の電流を検出する電流センサと、
前記電流センサにより検出した電流の周波数スペクトルを算出する周波数解析部と、
前記周波数スペクトルの周波数ごとに対数演算する対数演算処理部と、
前記対数演算処理部による対数演算値の総和値を演算する総和値演算部と、
前記総和値の大きさと所定の閾値とに基づいて前記直流回路におけるアーク故障の有無を判定するアーク故障判定処理部と、
を備えたことを特徴とするアーク故障検出装置。 Connected between the circuit breaker that opens and closes the DC circuit and the DC bus; and
A current sensor for detecting a current of the DC circuit;
A frequency analysis unit for calculating a frequency spectrum of the current detected by the current sensor;
A logarithmic operation processing unit that performs logarithm operation for each frequency of the frequency spectrum;
A total value calculation unit for calculating a total value of logarithm calculation values by the logarithm calculation processing unit;
An arc fault determination processing unit that determines the presence or absence of an arc fault in the DC circuit based on the magnitude of the total value and a predetermined threshold;
An arc fault detection device comprising:
前記アーク故障判定処理部は、
所定の設定時間内に、前記総和値が第一閾値を超えた回数が第二閾値を超えた場合に、前記直流回路におけるアーク故障有りと判定することを特徴とするアーク故障検出装置。 In the arc fault detection device according to claim 1,
The arc failure determination processing unit,
An arc fault detection device that determines that there is an arc fault in the DC circuit when the number of times the total value exceeds the first threshold exceeds a second threshold within a predetermined set time.
前記電流センサの出力から特定周波数成分の電流を抽出する信号抽出部を備え、前記信号抽出部の出力を前記周波数解析部へ入力することを特徴とするアーク故障検出装置。 In the arc fault detection device according to claim 1 or 2,
An arc fault detection apparatus comprising: a signal extraction unit that extracts a current of a specific frequency component from the output of the current sensor, and inputs the output of the signal extraction unit to the frequency analysis unit.
前記アーク故障判定処理部によってアーク故障有りと判定されたときに、アークの発生を通報する警報装置を備えたことを特徴とするアーク故障検出装置。 In the arc fault detection device according to any one of claims 1 to 3,
An arc failure detection device comprising an alarm device for reporting the occurrence of an arc when the arc failure determination processing unit determines that there is an arc failure.
前記アーク故障判定処理部によってアーク故障有りと判定されたときに、前記遮断器を開放することを特徴とするアーク故障検出装置。 In the arc fault detection device according to any one of claims 1 to 4,
An arc fault detection device that opens the circuit breaker when the arc fault determination processing unit determines that there is an arc fault.
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