CN102472789B - 光电系统中电弧的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对光电系统的直流通路中的电弧进行检测的方法，其中在重复时间帧(7)期间检测所述直流通路的电流(I_DC)的值并生成均值(8)。本发明还涉及一种光电系统。为了借助于光电系统的部件可靠地检测电弧，在所述时间帧(7)期间，检测所述直流通路的电压(U_DC)的值并生成均值(8，8′)，并且基于所述电流(I_DC)的均值(8)和所述电压(U_DC)的均值(8′)，通过计算方法连续地计算出至少一个检测信号(9)和至少一个检测阈值(10)。

Description

光电系统中电弧的检测方法

技术领域

本发明涉及对光电系统的直流通路中的电弧进行检测的方法，其中在重复时间帧期间检测该直流通路的电流的值，并生成均值。 

本发明还涉及如下的光电系统，该光电系统具有用于将电力馈送至AC电压网的部件、具有DC-DC转换器和用于将由至少一个太阳能电池产生的与直流电流相关联的DC电压转换为用于馈送到该AC电压网的AC电压的DC-AC转换器，并具有控制设备。 

背景技术

由于外层材料在极短的时间内被点燃，因此在光电系统中经常发生诸如串联电弧或并联电弧之类的直流电弧，造成危险的和损失惨重的火灾。由于直流电弧没有过零，因此它们不会自动地被熄灭。因此，电弧检测非常有必要。 

根据WO95/25374A1，已知一种串联电弧和并联电弧的检测方法。在该方法中，检测单元连接至光电系统的主直流导体，使得能够检测电压变化并因此而检测电弧。所使用的检测单元是模拟电路，并具体包括两个感应耦合的谐振电路、两个比较器和一个延迟级，使得该主直流导体中的DC断路器能够被启用和禁用。该方法的一个缺点是，光电系统中必须具有用于该方法的附加硬件部件，这会导致额外的成本。另一个缺点是，基本上无法对该方法的参数进行后续的改变或修改。 

EP1796238A2公开了另一种用于串联电弧和并联电弧的检测方法，该方法是利用软件模块实现的。为了检测串联电弧，生成电流波形的时间帧内的算数均值。如果在两个连续的时间帧期间该均值的差超过了一个阈值，则计数器递增。如果该差保持在该阈值以下，则该计数器递减。如果计数器状态超过了一定值，则检测到串联电弧。为了检测并联电弧，确定在一个时间帧内电流波形的最大值和最小值，并计算该最大值与最小值之差。如果该差大于特定的阈值，则另一个计数器递增。如果该差保持在该阈值以下，则 该计数器递减。如果计数器状态超过了一定值，则检测到并联电弧。该方法的一个缺点是仅考虑了电流波形。此外，仅在多次电流变化后才能检测到电弧，而那时损害已经发生。另一个缺点是，该差检测方法是用于串联电弧和并联电弧的。 

发明内容

本发明的目的是创建上述方法和上述光电系统，借助本发明提出的方法和系统，利用光电系统的部件能够对该光电系统的安全性进行监视。将能够避免或者至少减少已有系统的缺点。 

本发明的该目的是通过如下方法实现的，在该方法中，在时间帧期间检测直流通路的电压的值并生成均值，并且基于电流的均值和电压的均值，借助计算方法连续地计算至少一个检测信号和至少一个检测阈值。 

本发明的该目的还通过上述光电系统实现，在该光电系统中，设置了用于测量DC电压和DC电流的测量设备，而控制设备被设计成执行上述检测方法。 

与所述解决方案和所附权利要求书有关的一个优点是，由于对电流和电压二者都进行检测，因此总是针对逆变器的输出功率执行该检测。这意味着该检测方法能够对电弧和入射辐射的变化进行区分。因此，也能够检测具有较小功率水平的电弧，这使得能够在早期检测到电弧。另一个优点是，该方法的灵敏度可以通过校正因子来调节，并可以使用该光电系统的部件（例如逆变器的控制设备）来执行。因此，可以借助于软件更新来实现有利地以数字形式实现的该方法。因此，能够对该光电系统的至少一个现有部件加以改进或集成。另外有利的是，还可以以低采样率（低至百赫兹范围）执行该检测方法。这意味着相应地需要处理更少的值，使得能够使用可用的资源，并因此能够使部件成本最小化。 

根据以下说明，可以推导出进一步的优点。 

附图说明

下面将参照所附示意图更详细地描述本发明，其中，假设在整个说明书中包含的公开以相同的附图标记同样适用于等同部分。此外，根据本发明，所示的一个或多个示例性实施方式的独立特征本身可以表示独立的解决方 案。 

在附图中： 

图1是一种光电系统的示意性框图； 

图2是用于确定各均值的光电系统的电流和电压的时间进程（time course）； 

图3是在发生电弧之前电压的均值和长时均值的示意性时间进程，以及所得到的检测信号； 

图4是在发生电弧之前电流的均值和长时均值的示意性时间进程，以及所得到的检测信号； 

图5是在检测串联电弧期间的时间进程的示意图； 

图6是在检测并联电弧期间的时间进程的示意图；以及 

图7是在发生电弧期间光电系统的逆变器的所得到的工作点的示意图。 

具体实施方式

应当注意的是，所引入的示例性实施方式的相同部分被赋予了相同的附图标记。 

下面将参照图1到7说明光电系统的直流通路中的电弧的检测方法。 

图1示出了光电系统的逆变器1的框图，该逆变器1将由至少一个太阳能电池2生成的与输入DC电流I_DC相关联的输入DC电压U_DC转变为AC电压U_AC，该AC电压U_AC被馈送到AC电压网3或提供给用户。该光电系统除了包括逆变器1以外，还可以包括其他部件，例如连接箱和/或类似部件（未示出）。逆变器1包含DC-DC转换器4，该DC-DC转换器4将输入DC电压U_DC转换为适于逆变器1的后续DC-AC转换器5的DC电压U_DC’。借助于DC-AC转换器5和相应的控制设备6，该DC电压U_DC’被转换为AC电压U_AC。因而，直流通路位于太阳能电池2与逆变器1之间（如虚线所示）。这基本上将所有的并联和串联的太阳能电池2组合为例如连接至逆变器1的一个连接箱。结果，该直流通路包括多个导体和接触点，其中，为了清楚起见，仅示出了一个导体。 

这些接触点可能由于例如温度波动、老化、安装缺陷和/或不良的螺纹连接或夹持而导致变松，从而发生所谓的串联电弧。作为对比，并联电弧主要是由于当这些导体被引导至彼此接近时存在绝缘缺陷或破坏而导致的。由 于直流通路中的电流IDC流动而在逆变器1工作期间发生电弧，并会导致爆发危险的火灾。为了防止发生这些情况，使用对这样的电弧进行检测的方法。在这些方法中，在重复的时间帧7期间检测直流通路的电流I_DC的值，并且每时间帧7根据这些电流值生成均值8,8'，如图2所示。然后，将最新均值8,8'或最后时间帧7的均值8,8'与前一时间帧7的均值8,8'进行比较。根据本发明，在时间帧7期间，对直流通路的电压U_DC和电流I_DC的值进行检测，并且在每种情况下都生成均值8,8'，基于电流I_DC和电压U_DC’的均值8,8'，借助于计算方法连续地计算出检测信号9和检测阈值10。通过将检测信号9与检测阈值10进行比较，对串联和/或并联电弧进行检测。 

该检测方法的基础依赖于利用测量设备连续地检测到的光电系统的部件（例如逆变器1）的输入处的直流通路的电压U_DC和电流I_DC的值。这些测量值被提供给例如由逆变器1的控制设备6执行的计算方法。原则上，可以按照相同的方式执行电压U_DC和电流I_DC的计算。对于该检测方法而言最重要的是，入射光辐射的变化不被检测为电弧。电弧会导致电流I_DC和电压U_DC的一次性快速变化，而作为对比，入射光辐射的变化是缓慢和连续地发生的。 

在逆变器1的启动过程后开始该检测方法，其中，该检测方法的值优选由该启动过程重置。测量设备传输经过该计算方法而拆分到相同大小的时间帧7上的连续测量的值。在各时间帧7中，以一个采样频率检测电流I_DC和电压U_DC的值，使得时间帧7具有例如50ms的规定时段。在一个时间帧7后，根据在时间帧7中捕获的值生成电流I_DC的最新均值8和电压U_DC的当前均值8'，如图2中的曲线所示。通过计算均值8,8'，适当地取消偶发的变化。在时间帧7内电流I_DC和电压U_DC的均值8,8'用虚线画出。作为例子，在图3和图4中示出了这些单独的均值8,8'的时间曲线。 

在下一步骤，根据最新均值8,8'和前一时间帧7的均值8,8'中的每一个，亦即，根据两个连续均值8,8'，利用该计算方法计算差均值。因此，能够检测两个时间帧7之间的快速变化。 

此外，启用最新均值8,8'计算连续地更新的相应最新长时均值11。在图3和图4中也示出了长时均值11,11'的曲线。长时均值11,11'是通过数字低通滤波根据最新均值8,8'计算出来的，使得最新均值8,8'对最新长时均值11,11'的影响较小。因此，利用适当选择的时间常数和/或滤波器系数，能够确保将电弧与入射辐射的变化区分开。因而，与均值8,8'的快 速变化相比，最新长时均值11,11'基本上仅缓慢地变化。 

根据同样原理，借助具有相同滤波器系数的数字低通滤波，根据相应的最新差均值计算相应的长时差均值。这里同样的是，相应的差均值的影响因而较小。因此，长时差均值表现得类似于延时单元，使得该长时差均值比该差均值变化得更缓慢。结果，该长时差均值充当入射辐射强度的测度，由此能够将电弧与入射辐射的变化区分开。 

借助于基于均值8,8'以对应方式计算出的差均值、长时均值11,11'和长时差均值，现在可以计算检测信号9和检测阈值10。 

为了计算检测信号9，根据该长时差均值和该差均值而生成电压U_DC的值（其与电压U_DC的检测信号9u相对应），并将该值乘以根据该长时差均值和该差均值生成的与电流I_DC的检测信号9i相对应的电流I_DC的值。因此，在各种情况下，这些值均为同时计算出的长时差均值与差均值之差。因此，电压U_DC或电流I_DC的快速变化会导致该差更大。这是因为，与长时差均值相比，快速变化对差均值的影响要大得多。由此还确保了其中涉及短暂的快速变化，而这正是电弧被点燃时的情形。如果涉及因入射辐射水平而导致的变化，那么由于这种变化发生在较长的时间段，因此将对长时均值11,11'和均值8,8'具有相同的效果，由此差基本为零。 

根据图3和图4，在时间点12示出了均值8,8'和长时均值11,11'的快速变化，这得到相应的检测信号9u和9i。类似地，缓慢变化不会得到检测信号9u或9i。 

通过将这两个差或者将电流I_DC和电压U_DC的检测信号9u及9i相乘，该变化被相应地放大，由此快速检测出电弧。只要电压U_DC和电流I_DC没有同时出现快速变化，该方法的计算结果为，检测信号9基本为零。因此，这意味着，对于缓慢变化，长时差均值和差均值的表现方式相同，其结果是，它们的差为零，从而类似地检测信号9为零。然而，如果由于出现电弧而导致快速、同时的变化，则检测信号9也发生显著变化。因此，检测信号9大致反映了功率的变化，该功率变化描述了由于电弧而导致的功率损失。 

另一方面，为了计算检测阈值10，将在同一时间点计算出的电流I_DC和电压U_DC的长时均值11相乘。因此，检测阈值10基本上对应于最新功率。 

通过这样计算检测信号9和检测阈值10，由于它们是基于电压U_DC和电流I_DC而同时计算出来的，因此，检测信号9和检测阈值10总是与逆变器1 的输出功率相匹配。 

为了能够在后续阶段检测出电弧，检测信号9必须超过检测阈值10，如图5和6中的时间12所示。为了检测出电弧，功率变化必须超过最新功率。由于这种情况不可能发生，因此使用校正因子，以至少计算出检测阈值10或检测信号9。当然，乘数校正因子既可以用于计算检测阈值10，又可以用于计算检测信号9。在该情况下，检测信号9的校正因子具有大于1的值，而检测阈值10的校正因子具有小于1的值。因此，这确保了同样能够检测出具有低功率（即，具有短电弧长度）的电弧。基于这些计算，检测阈值10适于电流I_DC和电压U_DC的缓慢变化。由于检测阈值10对应于最新功率，而该功率又取决于入射辐射的强度，因此检测阈值10自动地适应于该最新状态。此外，借助于相应的校正因子，通过适当地彼此调节检测阈值10的校正因子和检测信号9的校正因子，能够对电弧检测的灵敏度进行自适应。 

原则上，差校正因子用于针对串联电弧和并联电弧计算相应的检测阈值，从而对于串联电弧得到检测阈值10s，而对于并联电弧得到检测阈值10p。为了检测电弧，使用公共检测信号9。因此，首先，可以对两种类型的电弧使用公共检测方法，其次，可以检测所出现的电弧的类型。这可以归因于光电系统在串联电弧和并联电弧的情况下的不同特性，而逆变器1改变了其工作点AP，如图7所示。 

如果在光电系统中出现串联电弧，则由于电弧电压降而导致输入DC电压UDC减小，这使得逆变器1由于该串联电弧而将其工作点AP改变为工作点APs。这还使得输出功率下降，情况确实如此，但整流器1能够继续工作。与串联电弧引起的工作点AP的较小变化形成对比，在并联电弧的情况下工作点AP变化非常大。由于并联电弧以一定的低电弧与逆变器1的输入并行地被燃烧，并且具有与逆变器电阻相对而言的低值电阻，因此电流I_DC仅有极少部分流到逆变器1。结果，工作点AP发生显著变化，如图7所示，从而由于并联电弧而得到工作点APp。在这样的工作点APp，逆变器1不再能够有效工作。 

因此，与串联电弧的情况相比，在并联电弧的情况下电压变化和电流变化更大。结果，用于并联电弧的检测阈值10p也比用于串联电弧的检测阈值10s高。如果检测信号9超过了用于串联电弧的检测阈值10s而没有超过用于并联电弧的检测阈值10p，如图5所示，则检测到串联电弧。另一方面， 如果检测信号9超过了检测阈值10s和检测阈值10p二者，则检测到并联电弧。根据该计算方法，检测信号9在电流和/或电压的快速变化时或者在工作点AP生成，其中，由于入射辐射强度的变化而导致的工作点AP的缓慢变化基本上不生成检测信号9。 

在利用该计算方法计算出检测信号9和检测阈值10s及10p后，根据该检测方法，将检测信号9与检测阈值10s/10p彼此进行比较。如果检测信号9超过了检测阈值10s/10p中的至少一个，则出现了电弧。亦即，检测到串联电弧或者并联电弧。由于一个电弧被检测到后还需要不同的测量，因此有必要对电弧的类型进行区分。 

如果在光电系统中的除了逆变器1（如上所述）以外的部件中执行该检测方法，则进行从该另外一个部件到逆变器1的相应通信。该通信例如可以通过无线装置或者通过有线链路（专用总线系统、调制到直流通路，等等）来实现。 

一检测到串联电弧，逆变器就被置入安全状态，使得基本上不再生成交流电。于是，在直流通路中流动的电流被阻断，从而将该电弧熄灭。另一方面，如果检测到并联电弧，则直流通路被一个开关短路。由此，电弧电压基本上变为零，从而将该该电弧熄灭。与逆变器1并联连接的DC-DC转换器4或者专用开关均可以用作该开关。 

所描述的检测方法也可以与频率选择分析（例如，借助于数字滤波器）和/或频域分析（例如快速傅里叶变换）相结合。在该情况下，由于在电压U_DC和/或电流I_DC的波形中的谱分量的大小，生成了附加检测信号9和附加检测阈值10，它们可以与该计算方法的结果适当地组合。因此，进一步提高了可靠性。 

还可以生成报警信号，该报警信号可以通过互联网或者借助于移动无线电等进行广播。 

如果没检测到电弧，即，如果检测信号9保持在检测阈值10以下，则该检测方法继续进行。通常，在逆变器1工作期间执行该检测方法。在逆变器1的启动过程后，开始该检测方法，使得在逆变器1的输入处能够得到稳定的值。 

还可以按规定间隔执行该检测方法的测试运行。这是对该检测方法的功能进行检查。这可以由例如逆变器1或外部设备直接执行，或者在光电系统 的休眠状态中执行。该测试运行例如执行为使得将例如由脉冲发生器、信号发生器或类似设备生成的、以不同速率变化的电压和/或电流信号施加在逆变器1的输入处。此外，这些电压和/或电流信号还可以用特定值来模拟。根据该检测方法来使用这些值而不是使用电流I_DC和电压U_DC的连续测量值。这些信号的幅度适当地匹配逆变器1的输出功率。这些波形随适当的频率变化，使得既能够模拟缓慢变化，又能够模拟快速变化。因而，在这些波形的低频处，必须检测到没有电弧，这是因为该情况对应于入射辐射的强度变化，而在较高频率处应当检测到电弧。通过适当选择幅度，还可以研究该检测方法是否能够区分串联电弧和并联电弧。 

Claims (13)

1.一种对光电系统的直流通路中的电弧进行检测的方法，其中在重复时间帧(7)期间检测所述直流通路的电流I_DC的值并生成所述电流I_DC的均值(8)，在所述时间帧(7)期间，检测所述直流通路的电压U_DC的值并生成所述电压U_DC均值(8')，从所述电流I_DC和所述电压U_DC的相应均值(8，8’)计算所述电流I_DC和所述电压U_DC的差均值和长时均值(11，11’)，从所述电流I_DC和所述电压U_DC的当前差均值计算所述电流I_DC和所述电压U_DC的长时差均值，并且其中基于所述电流I_DC和所述电压U_DC的均值(8，8')、差均值、长时均值(11，11’)和长时差均值，通过计算方法通过将根据所述电压U_DC的所述长时差均值和所述差均值生成的值乘以根据所述电流I_DC的长时差均值和所述差均值生成的值以形成检测信号(9)来连续地计算出至少一个检测信号(9)和至少一个检测阈值(10)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过数字低通滤波从所述电流I_DC和所述电压U_DC的相应均值(8，8’)计算所述电流I_DC和所述电压U_DC的长时均值(11,11')。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过数字低通滤波从所述电流I_DC和所述电压U_DC的相应差均值计算所述电流I_DC和所述电压U_DC的长时差均值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在各时间帧(7)后，通过所述电流I_DC和所述电压U_DC中每一个的差均值、长时均值(11,11')和长时差均值计算所述检测信号(9)和所述检测阈值(10)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述检测信号(9)的值乘以大于1的校正因子。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述电流I_DC的长时均值(11)和所述电压U_DC的长时均值(11')相乘以生成所述检测阈值(10)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述检测阈值(10)乘以小于1的校正因子以检测串联电弧。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述检测阈值(10)乘以小于1的校正因子以检测并联电弧。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述检测信号(9)超过所述检测阈值(10)时检测到电弧，并且对串联电弧和并联电弧进行区分。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在检测到电弧后，将所述电弧熄灭。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了熄灭所述并联电弧，利用开关将所述直流通路短路，而为了熄灭所述串联电弧，将所述直流通路中流动的电流阻断。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用测试运行对所述检测方法的功能进行检查。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述光电系统的启动过程之后，开始所述检测方法。