CN102265169A - 光伏设备中电弧的检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过超声波检测光伏器件中的电弧的检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：测定(E1)超声波传感器(6；16)接收的信号的至少一个参数，所述至少一个参数在信号振幅、信号持续时间、信号中心频率之中选取；用预定值比较(E2)所述至少一个信号参数的测定值，以确定测定值是否相当于电弧的数值。
Description
技术领域
本发明涉及光伏
系统中电弧的检测方法和光伏系统的安全控制方法。本发明也涉及光伏模块和光伏器件，它们配有防止电弧出现的安全装置。
背景技术
光伏设备以很大的直流电压和直流电流工作，这就产生出现电弧的危险。在错误操作之后，例如，如果操作人员不合时宜地断开一负载连接器，或者由于设备连接线损坏，就会出现这种电弧。这些电弧长时间产生很强的等离子热辐射，因为在直流电压下，与交流系统相反，电压值从不为零，因此，对于人和设备非常危险。此外，光伏模块安装于建筑物屋顶，在出现电弧的情况下，很可能使构架起火。
光伏设备可通过变流器连接于电网。在这种布置中，配设安全系统，可检测光伏模块场与变流器之间电连接件上可能产生的电弧。但是，这些系统不够，因为这种电弧容易在光伏模块本身处发生。现在尚无任何安全解决方案防止这种危险。
公知地，文献FR2827675提出可增加一超声传感器，检测刚性电导体中的电弧，所述超声传感器定位在该导体上，用于测定该导体上电弧产生的声波。该解决方案适于特定的普通电路的刚性金属导电体。光伏模块在玻璃保护材料中具有非常特殊的结构，其中，超声波的波动与在简单铜导体中的行为根本不相同。另外，光伏模块一般定位在侵蚀性外部环境中，完全受到风、雨、冷、热等气候条件的制约。因此，应用于铜导电体的传统解决方案不适用于远离光伏设备的非常特殊的范围。
由于光伏设备中发生的电弧类型的电事故，存在附加的技术问题，其在于使检修操作最佳化，因为相同的模块数量多，且因为其在这种设备中的位置不容易接近，所以检修操作可能显得令人厌烦。
发明内容
因此，本发明的总目的是提出一种解决方案，检测光伏设备中的电弧，以提高这种设备的安全性。
更确切地说，本发明力求达到全部或部分下述目的：
本发明的第一个目的是提出一种解决方案，可检测光伏模块中出现的电弧。
本发明的第二个目的是提出一种解决方案，可确保光伏设备的安全，在检测电弧的情况下，尤其是在快速操作时，会出现电弧。
本发明的第三个目的是提出一种解决方案，便于检修发生电弧的光伏设备。
为此，本发明涉及用超声波检测光伏器件中的电弧的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
-测定超声波传感器接收的信号的至少一个参数，所述至少一个参数在信号振幅、信号持续时间、信号中心频率之中选取；
-用预定值比较所述至少一个信号参数的测定值，以确定所述测定值是否相当于电弧的数值。
用预定值比较至少一个参数的测定值的第二个步骤包括以下的检验，以便确定信号正是由电弧产生：
-检验接收的信号的振幅是否大于或等于40dB；和/或
-检验接收的信号的持续时间是否为15μs至25μs；和/或
-检验接收的信号的中心频率是否为200kHz至360kHz。
电弧的超声波检测方法还可包括以下的辅助步骤，以便确定信号正是由电弧产生：
-检验记录的信号的有效电压是否从5dBEA至15dBEA的第一数值增大到15dBEA至25dBEA的第二数值。
本发明也涉及光伏器件的安全控制方法，其特征在于，其包括如前所述的电弧的超声波检测方法；然后其包括一步骤，该步骤在于在检测到电弧情况下断开光伏器件的电路，以便熄灭电弧。
所述方法可采用以下辅助步骤：
-在检测到电弧、接着断开电路之后，恢复光伏器件工作至少一次；
-如果再次检测到电弧，则停止光伏器件的工作，且发送光伏器件的故障信息。
控制方法可包括一个确定光伏器件中电弧位置的辅助定位步骤。
所述确定光伏器件中电弧位置的定位步骤包括以下分步骤：
-对每个传感器存储信号接收时间，并按接收顺序分类这些传感器；
-根据每个传感器上信号的到达顺序，确定电弧位置。
另外，光伏器件的安全控制方法可包括一个从光伏器件超过电力生产的一确定阈值的瞬间开始实施电弧检测方法的预备步骤。
本发明也涉及光伏模块，其特征在于，所述光伏模块包括用于检测电弧的超声波传感器和从该超声波传感器至一处理单元的通信部件。
用于检测电弧的超声波传感器位于框架上或所述光伏模块的玻璃上。
最后，本发明也涉及光伏器件，其包括光伏模块，光伏模块安装在一个或多个底架上，其特征在于，所述光伏器件包括至少一个用于检测电弧的超声波传感器，所述超声波传感器定位在一光伏模块上或支承多个光伏模块的一底架上；并且，所述光伏器件包括一处理单元，其实施前述的电弧检测方法。
所述光伏器件包括至少一个用于两个光伏模块的超声波传感器。
所述光伏器件包括安全装置，所述安全装置功能是在检测到电弧的情况下断开电路，所述光伏器件实施前述的安全控制方法。
所述安全装置定位在光伏器件的光伏模块场的一输出端子上，或直接定位在全部的或部分的光伏模块处。
附图说明
下面，在参照附图对作为非限制性实施例给出的一特定实施方式的说明中，本发明的这些目的、特征和优越性将得到详细了解，附图如下：
图1示意地示出根据本发明的一实施方式的光伏器件。
图2示出光伏器件中电弧产生的声波。
图3示出光伏器件中光伏模块的热膨胀产生的声波。
图4示意地示出根据本发明的另一实施例的光伏器件。
图5类似于图4，示出实施根据本发明的一实施方式的光伏器件的安全控制方法的一个步骤。
具体实施方式
本发明涉及光伏模块和光伏模块场限定的环境中电弧发出的超声波信号的分析，以检测和鉴别电弧的声学识别标志。因此，本发明的设计在于：使用定位在一光伏模块处的一个或多个超声波传感器，然后，确定对所述传感器的测定值的专门处理，以准确地鉴别光伏设备中是否存在电弧。
图1示意地示出根据本发明的一实施方式的光伏器件。该光伏器件具有两个光伏模块2，其安装在一底架3上，且通过一变流器4连接于传统的电网5。根据本发明，该器件包括一超声波传感器6，其定位在一光伏模块2处，由一通信连接线7连接于一信号处理单元8，信号处理单元8适于分析传感器6传输的数据。该处理单元8本身由一通信部件9连接于一安全装置10，其功能是在出现电弧的情况下，根据处理单元8的要求断开电路。光伏器件的这些不同的部件直接由光伏模块供电。
根据本发明的实施方式，超声波传感器6进行最佳定位，以感测光伏器件的声波。例如，其可在模块的接线盒中布置在框架上或玻璃上。在其它实施例中，其也可安装在支承所述模块2的底架3上。
处理单元8的功能是分析超声波传感器6接收的数据，且通过硬件和/或软件，以模拟或数字的方式，实施电弧检测方法，这将在下面予以详述。该方法可在传感器传输的许多数据中，通过识别这种电弧的特定的声学识别标志，识别特定地对应电弧发出的噪声的数据。根据可行的实施例，该处理单元8可具有多个输入端和输出端，尤其是一个至变流器4和/或至另一个光伏器件控制部件或电能控制部件的输出端。其也可具有一计算单元和存储器，所述计算单元例如是一微型控制器，所述存储器用于存储相应于电弧的预定数据。
现在来详述本发明的电弧检测方法。
首先，根据预备步骤E0，所述方法仅从光伏器件超过一定的生产阈值的瞬间、例如超过其额定功率的至少10％开始处于工作方式，即测听超声波。在该阈值之下，电弧危险不存在，不必监控。
检测电弧的声学识别标志的基本步骤在于，用记录的电弧声学识别标志对照传感器6接收的数据，如图2所示。根据本发明，相应于该声学识别标志的声波以一些特定参数为特征，这些参数可采用预定范围的数值。这些参数是：
-信号振幅，其大于或等于40dB；该参数例如可实施所有小振幅噪声不予考虑的步骤；
-信号持续时间，其为15μs至25μs；
-信号中心频率，其为200kHz至360kHz；
-信号的有效电压，其一般从11dBEA增大到约25dBEA。该参数相对于前三个参数是辅助的，可与前三个参数中的一个或一个以上的参数结合使用。
因此，本发明的检测方法在于测定这些参数的全部或部分参数，以检验其是否处于与电弧数值相应的存储的预定值范围。
在前述三个主要参数中选择使用参数，是识别电弧的理想精确度和所需的计算时间之间的折衷方案。如果考虑所有参数，那么，电弧检测可达到几乎为零的误差率，但是，计算时间略微长一些，这会延缓对电路的干预。同样，这些参数中每个参数的预定值范围的选择，也代表在力求检测最多的电弧并去除来自另一事件的最多状况之间的折衷方案，以避免在没有电弧时断开电路。
因此，按照选定的误差率，实施的检测方法可在也导致声波形成的许多其它可能的事件中识别出电弧。这种或然性对于光伏设备非常特殊，因为其外部环境产生许多噪声，并且因为其结构基于其电路在限定的环境中、在一般为玻璃的特殊材料中的定位。举例来说，光伏模块的热膨胀产生喀喇声的噪声，其也由超声波传感器测得，且传输到处理单元。图3示出这种事件时测得的声波。声波的持续时间一般大于25μs。另外，记录的信号的有效电压值保持不变，不会如同在出现电弧的情况下那样增大。光伏模块处遇到的其它主要噪声来自雨、风、冰雹、外部振动，雨除了可产生热冲击和上述膨胀现象的第一滴之外产生远离电弧的持续噪声，风产生幅度小的本底噪声，冰雹产生能量小的、频率不同于电弧频率的声波，外部振动例如地震引起的振动，其频率比电弧的频率低很多。
因此，本发明的电弧检测方法包括以下两个基本步骤：
E1：测定传感器接收的声信号在振幅、声波持续时间、中心频率中的至少一个参数；
E2：用存储的数值比较该至少一个参数的测定值，以确定测定值是否相应于电弧的数值。
更确切地说，第二个步骤E2可包括以下的检验，其可考虑接收的信号正好相应于电弧：
-E21：检验振幅是否大于或等于40dB；和/或
-E22：检验信号持续时间是否为15μs至25μs；和/或
-E23：检验中心频率是否为200kHz至360kHz。
其还可包括以下的辅助步骤：
-E24：检验记录的电信号的有效电压是否增大。有利地，可检验其是否从约为11dBEA、一般为5至15dBEA的第一数值增大到约为25dBEA、一般为15至25dBEA的第二数值。
最后，安全装置10可或者布置在光伏场出口处的接线端子之一上，或者例如在其接线盒中具有一个用于每个光伏模块的器件。在检测到电弧之后，处理单元8将信息和断开电路装置的指令传输给安全装置，从而可停止电流流通，阻止电弧，因而消除发生电弧的危险，尤其是消除火灾危险。该安全装置可包括一简单的遥控开关。
本发明也涉及光伏设备的安全控制方法，其实施前面详述的电弧检测方法，然后，步骤E3在于在检测到电弧的情况下断开电路，以便熄灭电弧。所述方法还可采用以下辅助步骤：
E4：在检测到电弧而断开电路之后，恢复光伏器件工作至少一次；
E5：如果再次检测到电弧，则停止工作，且传输设备的故障信息。该信息可用一信号指示器或任何适当的人机联系系统传递给操作人员。
图4示出根据一实施例的光伏器件，其与前述器件的不同之处在于，其具有八个光伏模块12和四个超声波传感器16。两个模块一个传感器的比例保持不变，而且是有利的。但是，也可考虑任何其它比例，这并不超出本发明的设计。这些不同的模块安装在一底板13上，且通过一变流器14与电网进行电连接。应当指出，本发明的设计也适于不与电网15连接的光伏设备，因为光伏设备依托于在光伏模块处的局部测定。超声波传感器16通过连接线17与一处理单元18进行通信联系，所述处理单元18本身通过一连接线19与一安全装置20进行通信联系。这些最近的组件类似于前述组件。
该装置以与前述方式类似的方式工作，实施前面说明的光伏设备的电弧检测与安全控制方法。根据一有利的特征，该装置实施确定电弧位置的辅助定位功能，从而有利于在尤其是面积非常大的设备发生故障的情况下，提高检修操作的效率。因此，这种功能可提高设备的可用率和效益，这对例如发电厂来说是很重要的。
因此，该装置采用的控制方法包括辅助步骤E6，其在于定位设备中电弧的出处。有利地，该步骤根据每个传感器接收电弧信号的即时数据进行，所述数据取决于声波从其源位置到传感器的传播时间，并从而指示其出处。
因此，确定位置的步骤E6可分成以下一些分步骤：
E61：存储接收电弧声波的第一传感器16的电弧声波接收时间t0，其用作其它传感器的参考时间；
E62：存储每个其它传感器i的声波接收时间ti，并按接收顺序分类这些传感器；
E63：根据光伏模块12的每个传感器16上声波的到达顺序，确定电弧位置。
图5示出该方法的一实施例。设备(其相当于图4所示的设备)的不同的光伏模块标以12a至12h，不同的传感器标以16a至16d。假定接收电弧声波的第一传感器是传感器16a，然后，假定声波按传感器16b、16c、16d的顺序到达。那么，电弧必然发生在光伏模块12c上。
确定位置的方法已经作为本发明的说明给出。其它方法是可行的，例如，考虑到不同的模块和传感器之间的确切距离，以便根据信号传播时间确定其距每个传感器的距离，然后确定其准确位置。
接着，所述装置可采用最后一个步骤E7，用例如直接定位在处理单元18处的人机联系系统，或者用任何其它通信部件，通过变流器14或电力控制中心，将确定位置的信息传输给设备的接收部分。
自然的是，本发明的设计不局限于上述光伏器件，而可实施成任何类型的光伏设备，其具有许多光伏模块和其它速率的超声波传感器。但是，两个光伏模块使用至少一个传感器是有利的。
因此，本发明的应用完全可达到所需的目的，而且还具有以下优越性：
-因为超声波在玻璃中传输非常快(5000米/秒)，并在数毫秒内到达超声波传感器，所以所述装置适于非常快速地断开电路；
-因此，模块中的电弧检测可避免由于火灾而完全毁坏光伏设备；
-本发明的装置即使例如在钢筋混凝土建筑物上定位在金属结构附近，也能始终有效地工作；
-显然，在光伏模块以外，该解决方案与其它电弧检测解决方案兼容和互补，因此，可与所述其它解决方案结合使用。
Claims (14)
1.通过超声波检测光伏器件中的电弧的检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
-测定(E1)超声波传感器(6；16)接收的信号的至少一个参数，所述至少一个参数在信号振幅、信号持续时间、信号中心频率之中选取；
-用预定值比较(E2)所述至少一个信号参数的测定值，以确定所述测定值是否相当于电弧的数值。
2.根据权利要求1所述的电弧的超声波检测方法，其特征在于，用预定值比较至少一个参数的测定值的第二个步骤(E2)包括以下的检验，以便确定信号正是由电弧产生：
-检验(E21)接收的信号的振幅是否大于或等于40dB；和/或
-检验(E22)接收的信号的持续时间是否为15μs至25μs；和/或
-检验(E23)接收的信号的中心频率是否为200kHz至360kHz。
3.根据权利要求2所述的电弧的超声波检测方法，其特征在于，其还包括以下的辅助步骤，以便确定信号正是由电弧产生：
-检验(E24)记录的信号的有效电压是否从5dBEA至15dBEA的第一数值增大到15dBEA至25dBEA的第二数值。
4.光伏器件的安全控制方法，其特征在于，其包括根据前述权利要求1至3中任一项所述的电弧的超声波检测方法；然后其包括一步骤(E3)，该步骤(E3)在于在检测到电弧情况下断开光伏器件的电路，以便熄灭电弧。
5.根据权利要求4所述的光伏器件的安全控制方法，其特征在于，其实施以下辅助步骤：
-在检测到电弧、接着断开电路之后，恢复光伏器件工作至少一次(E4)；
-如果再次检测到电弧，则停止光伏器件的工作，且发送光伏器件的故障信息(E5)。
6.根据权利要求4或5所述的光伏器件的安全控制方法，其特征在于，其包括一个确定光伏器件中电弧位置的辅助定位步骤(E6)。
7.根据权利要求6所述的光伏器件的安全控制方法，其特征在于，所述确定光伏器件中电弧位置的定位步骤(E6)包括以下分步骤：
-对每个传感器(16i)存储信号接收时间(ti)，并按接收顺序(E61，E62)分类这些传感器；
-根据每个传感器(16i)上信号的到达顺序，确定电弧位置(E63)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的光伏器件的安全控制方法，其特征在于，其包括一个从光伏器件超过电力生产的一确定阈值的瞬间开始实施电弧检测方法的预备步骤(E0)。
9.光伏模块(2；12)，其特征在于，所述光伏模块包括用于检测电弧的超声波传感器(6；16)和从该超声波传感器至一处理单元(8；18)的通信部件。
10.根据权利要求9所述的光伏模块(2；12)，其特征在于，用于检测电弧的超声波传感器(6；16)位于框架上或所述光伏模块的玻璃上。
11.光伏器件，其具有安装在一个或多个底架(3；13)上的光伏模块(2；12)，其特征在于，所述光伏器件包括至少一个用于检测电弧的超声波传感器(6；16)，所述超声波传感器(6；16)定位在一光伏模块(2；12)上或支承多个光伏模块(2；12)的一底架(3；13)上；并且，所述光伏器件包括一处理单元(8；18)，其实施根据权利要求1至3中任一项所述的电弧检测方法。
12.根据权利要求11所述的光伏器件，其特征在于，所述光伏器件包括至少一个用于两个光伏模块(2；12)的超声波传感器(6；16)。
13.根据权利要求11或12所述的光伏器件，其特征在于，所述光伏器件包括安全装置(10；20)，所述安全装置(10；20)功能是在检测到电弧的情况下断开电路，所述光伏器件实施根据权利要求4至9中任一项所述的安全控制方法。
14.根据权利要求13所述的光伏器件，其特征在于，所述安全装置(10；20)定位在光伏器件的光伏模块(2；12)场的一输出端子上，或直接定位在全部的或部分的光伏模块(2；12)处。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111130 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |