CN103635820A - 光伏设备中的电弧检测 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于检测操作在直流电流模式中的光伏设备中的串联电弧的方法，其中，光伏设备包括N（N=1或N>1）个光伏模块（100，1，2，3），光伏模块连接至对于模块具有电容性行为的充电设备（10），方法包括：a）在N个模块（1≤n≤N）中的n个模块上检测电压的时间演变，b）在紧接在稳定电压的第一区域（A）和稳定电压的第二区域（B）之间的电压变化之后的至少5μs的持续时间期间识别电压变化，以及c）确定电压变化是否在大于或等于0.2V的值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间，其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间Tmin和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。

Description

光伏设备中的电弧检测
技术领域
本发明涉及光伏设备，并且尤其涉及用于在这些设备中检测电弧的装置。
背景技术
可能开发使用光伏板（PV）的设备。但是这种设备会随着时间而发生老化和故障。这些老化和故障可以是良性的（例如：关闭、产量损失、效率降低……），但是如果在连接上出现串联电弧，那么这些老化和故障也可能更加严重。事实上，在最差的情况下，这些现象的结果可能是甚至会导致安装有PV模块的建筑物损毁的火灾爆发。
图1A表示已知类型的系统中的电弧的位置，该系统包括连接至电网的3个光伏模块1、光伏模块2、光伏模块3和转换器（或逆变器）10。串联电弧可能发生在光伏模块1、光伏模块2、光伏模块3和逆变器12之间的区域13中。电弧还能够发生在模块内或模块之间。
因此尝试开发使电弧在出现之后能够立即被检测出的系统，以便使电弧停止并且非常严格地限制它们对设备及其周围的影响。
用于在低压直流或交流设备中检测电弧的已知解决方案主要以超声检测（通过电弧的声学特性（signature））或高频（通过电弧的RF特性）或甚至以热度测量（电弧的红外特性）为基础。现象的特性是使该现象信号能够被确定地识别的所有特性以及它们的值。
对于PV设备而言，一些实验室或产业开始开发相同类型的检测器。这些系统的主要限制在于它们用于测量特性的装置。事实上，因为特性为复杂的并且通常处在高频（对于声学和RF特性）处，所以它们要求带有高采样的非常繁重的软件处理，并且从而要求昂贵的组件。而且，包括噪音或来自电弧特性的干扰的辨别的处理时间可以是长的，范围从几秒至几分钟。
因此，这些解决方案并不满足对于快速可靠并且低成本的稳固性的需要。
文件FR2912848描述如何使用电压中的快速变化的测量来检测串联电弧。尝试精确估计该变化。
文件WO2011/17721描述了用于在PV系统中检测电弧的方法。这种检测是以平均电流测量和观察到的演变为基础的。
这种解决方案要求冗长测量和冗长处理。
发明内容
描述在直流电流下，光伏系统中电压的测量和电弧的特征特性信号的检测以执行快速可靠的测量。
更具体地，描述了一种用于检测操作在直流电流模式中的光伏设备中的串联电弧的方法，其中，光伏设备包括N（N=1或N>1）个光伏模块（100，1，2，3），光伏模块连接至对于模块具有电容性行为的充电设备（10），该方法包括：
a）在N个模块（1≤n≤N）中的n个模块上检测电压的时间演变，
b）在紧接在稳定电压的第一区域（A）和稳定电压的第二区域（B）之间的电压变化之后的至少5μs的持续时间期间识别所述电压变化，以及
c）确定电压变化是否在大于或等于0.2V的值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间，其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间Tmin和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。
可以完全或部分地通过分析或计算电压变化的斜率并且通过确定该斜率是否在Vmin/Tmax（0.04V/μs）和Vmax/Tmin（40V/μs）之间以执行确定步骤c）。
可以在N个光伏模块的组件上执行步骤检测a）。可以认为值Vmin大于或等于10V并且值Vmax小于或等于20V。
用于构成被考虑光伏模块的连接的材料限定了的电弧电压值VARC值。在该方法中，Vmin和Vmax可以位于对被考虑材料预先限定的电弧电压值VARC的任何一侧。
持续时间Tmin和Tmax可以位于与使得等于VARC的电压变化能够被施加在光伏模块的组件上所需要的持续时间对应的持续时间Tarc的任何一侧。
可以在N个光伏模块中的n个光伏模块的子组件上执行步骤检测a）。
在该情况中，值Vmin和Vmax可以位于值VARC*n/N的任何一侧，VArc对应于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压，值Vmax小于或等于20V*n/N，
持续时间Tmin和Tmax优选地位于持续时间Tarc*n/N的任何一侧，其中，Tarc对应于使得等于VARC的电压变化能够被施加在光伏模块的组件上所需要的持续时间，Tarc*n/N小于或等于5*nNμs。
可以将所测量的电压数字化，从电压的数字值来执行步骤a）至c）。
还描述了一种用于检测操作在直流电流模式中的光伏设备中串联电弧的设备，其中，光伏设备包括N（N=1或N>1）个光伏模块以及对于模块具有电容性行为的设备，该检测设备包括：
a）用于检测在N个模块中的n个模块上的电压的时间演变的装置，
b）用于在紧接在稳定电压的第一区域（A）和稳定电压的第二区域（B）之间的电压变化之后的至少5μs的持续时间期间识别所述电压变化的装置，以及
c）用于确定电压变化是否在大于或等于0.2V的值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间的装置，其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间Tmin和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。
用于确定电压是否在Vmin和Vmax之间以及上升时间是否在Tmin和Tmax之间的装置可以分析或计算或测量电压变化的斜率并且确定该斜率是否在Vmin/Tmax（0.04V/μs）和Vmax/Tmin（40V/μs）之间。
可以在N个光伏模块的组件上检测电压的时间演变，值Vmin大于或等于10V并且值Vmax小于或等于20V。
值Vmin和Vmax优选地位于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压值VARC的任何一侧。
持续时间Tmin和Tmax可以位于与将等于VARC的电压变化施加在光伏模块的组件上所需要的持续时间对应的持续时间Tarc的任何一侧。
可以在N个光伏模块中的n个光伏模块的子组件上检测电压的时间演变。
值Vmin和Vmax然后可以位于值VARC*n/N的任何一侧，VArc对应于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压，值Vmax小于或等于20V*n/N。持续时间Tmin和Tmax可以位于持续时间Tarc*n/N的任何一侧，其中，Tarc对应于将等于VARC的电压变化施加在光伏模块的组件上所需要的持续时间，Tarc*n/N小于或等于5*nNμs。
该设备可以包括用于对至少等于100Hz的频率进行滤波的装置。
其可以包括用于形成无源滤波器或形成有源滤波器的滤波装置和/或模拟滤波装置和数字滤波装置。
还可以提供用于对所测量的电压进行数字化的装置。
对于模块具有电容性行为的设备或装置可以包括转换器或逆变器或电池。
附图说明
图1A表示已知类型的系统中的电弧的位置，
图1B和1C示意性地表示光伏设备的一般构造，该光伏设备具有有位于光伏模块和转换器之间（图1B）或模块之间（图1C）的检测装置，
图2表示随着时间的变化，在光伏设备上的电弧期间电压的变化，
图3表示根据本发明的设备的一个实施方式，
图4表示根据本发明的设备的另一个实施方式，
图5表示根据本发明的设备的另一个实施方式，
图6表示光伏模块的特征电流/电压曲线，
图7表示根据本发明的设备的数字实施方式。
具体实施方式
图1B示意性地表示光伏设备的结构，该光伏设备包括3个光伏模块1、2、3，电弧测量装置8和元件10，其中，元件10向设备的输出施加电容性电荷或甚至对于多个模块如转换器或逆变器或电池具有电容性行为。
这个元件10连接至电网12。电弧可能发生在光伏模块1，光伏模块2，光伏模块3和/或该元件10之间。或者，电弧可能发生在PV模块之间或在PV模块中即在PV模块的电池之间。
通过光伏模块，意味着光伏电池的单片组件。
本说明并不限于三个光伏模块，而是可以用于任意数量N个的该模块。在接下来的文中，光伏模块的组件会由单个参考标号100来指示。
电弧测量装置8位于光伏模块100和装置10之间。它们使得光伏模块组的电压能够被测量。如图1C所示出的，如果希望检测串联模块中的多个模块中或多个模块之间的电弧，那么测量装置位于这串联模块中的每个模块1，模块2，模块3上。还可以存在n（1≤n≤N）个串联模块上的测量。
由于装置10的输入电容或由于装置10的输入电荷具有电容性属性，装置10在建立电弧的持续时间期间允许在PV模块100串列的输出处保持稳定的电压。如上文所已经陈述的，可替选地，可以提供将允许同样的稳定化效应的逆变器或电容性电荷如转换器或电池。
由光伏模块馈送的电压和电流取决于多个参数（光照、温度）并且可能显著地改变。
图6显示光伏模块根据所接收的照明（从200-1000W/cm2）的特征曲线。由模块馈送的电流根据该照明（在第一近似中成比例地）而强烈地改变。图6的曲线上的操作点P1，P2，…，Pk是模块对于给定的照明传送最大功率的点。
为了优化发电，转换器或逆变器10施加操作电压，因而它们产生最大功率（这个功能称为最大功率点追踪（MPPT））。
在电压测量中，装置8使得电弧的特征特性能够被识别，该特征特性被表示成在PV设备100上的电压的快速上升。这种变化由瞬时电压Vi的演变来表示，其中，瞬时电压Vi具有强烈振荡并且可以具有图2中所表示的形式。还表示了通过对瞬时电压Vi进行滤波而导致的电压Vf。应注意这些电压变化发生在被称为初始值的电压值V0处的第一电压稳定区域（图2中的区域A）和在被称为最终值的电压值V1处的第二电压稳定区域（图2中的区域B）之间。这个第二电压稳定区域具有至少几μs例如至少5μs或至少10μs的持续时间。结果，由电压边缘导致的变化改变电压值。
在上升边缘之后，电压设置在电压边缘的等于大约V0+VARC的最终值V1处，并且基本上在上文所指示的最小持续时间内的维持在这个值上。
在瞬时电压Vi的边缘的开始时观察到的电压振荡可以改变。在第一电压稳定区域和第二电压稳定区域之间，该特性被特征为电压Vi的在值为0.2V和20V之间的正向改变ΔV（=V1-V0）（对于Vg也一样，因为通过对曲线Vi进行平滑处理而从Vi直接推导出同样的改变。）
如本文以下所解释地，这个值可以根据测量位置以及位于电弧检测器所处于的PV模块100串列中的PV模块的数量而变化。
最大值ΔV即20V与电弧的物理特征有关。事实上，如文件FR2912848中所已经附带解释的，电弧可能分解成3个区域：
·１个电极/空气接口区域
·1个等离子体区域
·1个空气/电极接口区域
两个接口区域显示为二极管的PN结，这个结是导电材料和隔离器之间的结。
这个结因此具有与出现的材料的电势直接相关的固定电势。空气的电势不改变，但是电极的电势可能根据电极是否为铜或铝或银而改变。这个电势从而出现在每个接口处并且是电弧的特征。在点火出现时发生该电势（在等离子体建立之前）并且在电弧上测量的该电势的最大值在10V和20V之间。
取决于电弧检测器8的位置，所测量的值是不同的。这个测量值在光伏设备的前面处具有10V至20V的最大值（在模块1的正极端子+和模块n的负极端子之间的测量）。
如果电弧检测器位于模块1，2，3，…，或N的任一个上，那么电弧检测器所看到的电压值除以等于N（+/-5%）的因子，其中N为PV串列中PV模块的数量。
再次利用上文已经使用的符号，在串列的单个模块处测量的电压会在电弧建立的结束时改变VARC/N（+/-5%），其中N为串列中PV模块的数量。事实上，如果组件上的电压变化为VARC，那么这个变化会分布在N个模块中的每个模块上。如果测量在具有来自该串列的N个模块中的n个模块的组件上的电压，那么会具有nxVARC/(N)的变化。
发生在光伏系统中的串联电弧的另一个参数为电弧的电压边缘的上升时间ΔT（图2的曲线Ⅱ上从t0至t1），该上升时间是在电压的初始值V0和最终值V1之间测量的，具有误差余量例如大约10%，这个误差余量是由于波形上的噪音造成的。上升时间与光伏模块的物体特征以及它们的动态行为有关。PV模块表示一些可变的杂散电容或等同值。因此PV模块具有对于其电压步骤特征的响应时间。但是这个时间取决于PV模块的不同技术而几乎没有改变；该时间在0.5μs和5μs之间。
至于电压变化，当在串列的单个模块上测量电压时，这个上升时间值除以模块的数量。在来自N个模块的组件的n个模块上的组件上，这个上升时间值为nxΔT/N。
这些特征允许在2个电压稳定区域之间，使用所识别的电压变化ΔV和上升时间值ΔT，识别的串联电弧的特性、PV系统的介质特征。
可以相似地或等同地识别电弧：
–通过在电压变化的时间演变期间的电压变化的持续时间ΔT和斜率；
–通过在电压变化的时间演变期间的电压变化ΔV和电压变化的斜率；
电弧的出现被表示为：
–在0.5μs和5μs之间的上升时间期间，10V和20V之间的最大电压变化（如果在模块的组件上来进行测量的话）；
–或者，在0.5μs和5μs之间的上升时间期间，40V/μs或0.4V/μs之间的电压边缘斜率；
–或者，在40V/μs或0.4V/μs之间的电压边缘斜率，或者在10V和20V之间的最大电压变化（如果在模块的组件上来进行测量的话）。
换句话说，在任一方式中，确定电压变化是否在大于或等于0.2V值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间，其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。
如果在N个光伏模块的组件上执行测量或检测，那么值Vmin大于或等于10V并且值Vmax小于或等于20V。
当在来自N个模块的n个模块的组件或单个模块上执行测量时，上述值是合适的；但是在这两个情况下，变化斜率或电压边缘的值保持一样。
因此，如果在N个光伏模块的n个子组件上执行检测的步骤，那么值Vmax可能视为小于或等于20V*n/N，Tarc*n/N小于或等于5*n/Nμs。
用于检测电弧的设备的示例性实施方式实现一种使得信号能够被获得并且上文描述的类型的特性能够被辨别的技术装置。
对于此，许多技术解决方案是可能的。
上文所提出的每个解决方案中的尝试将电弧的特性与在形成电弧检测的装置8的输入处观察到的电压的其它干扰隔离。事实上，在PV系统上，电压并非完美平滑的，具体在100Hz处存在有干扰，该干扰具有正弦形状和取决于由逆变器10在电网上所注入的功率等级的可变幅度：这些干扰是由逆变器生成的谐波，被施加在逆变器的输入处并且从被施加到PV设备的D-C部分上。一些干扰可能处在更高频率处，例如Dirac型干扰，表示发动机起始干扰或靠近PV设备的其它元件并且发射电磁干扰。例如，发动机可能位于靠近PV设备的环境中并且发射干扰电磁场或由逆变器的输出来供电。
最后，与通过电力线载波（PLC）的通信的使用有关的干扰可能干扰电弧检测器。这些干扰可能来自例如在PV设备中通过电力线载波（PLC）来通信的智能系统的出现。
如图3所示出的，第一示例性实施方式包括使用级联模拟无源滤波器。该级联模拟无源滤波器包括3级：第一无源滤波器30（带通），第二无源滤波器30（高通）和放大器4。
这些级可能聚集为单一的一个级。在图3中，这些级后紧接着缓冲器36和解耦装置38，解耦装置38用于将PV模块从电路中解耦以保护PV模块。缓冲器使所测量的信号的回弹能够被滤除。电弧鲜有不同并且在电弧的等离子体稳定前包括多个点火：只检测第一次点火是可取的。
滤波器30，滤波器32允许隔离合适的频率（随着0.5μs和2μs之间的前端上升的特征时间）并且因此拒绝低频率（低于1000Hz）和高频率。
如图4中所示出的，还可以利用允许增加有源元件的选择性的有源元件来执行这种滤波（量级为6以代替利用无源滤波的量级1或2）。图4中示出的这个设备包括：
–形成源滤波器（高通）的装置40，
–形成放大器和比较器的装置42，形成无源滤波器（低通）的装置44，
–形成无源滤波器（低通）的装置44，
–缓冲器46，
–以及解耦装置48。
最后，如图5中所示出的模拟装置和数字装置的结合是可能的，其包括：
–解耦装置52，
–形成放大器和比较器的装置54，
–数字处理装置56。
其它实施方式是可能的，例如在同一设备54中，放大和比较功能是非必须的。
基本上，越青睐模拟系统，设备的反应时间越快。对具有快速反应时间（几十微妙）是有兴趣的，因为从此可能限制电弧等离子体的出现，从而避免系统的物理退化。执行功能的组件数量减少得越多，成本就减少得越多，因此这点只对于在电压和模拟特性有用（对电流或RF没用并且因此具有繁重数字处理）。
在所描述的不同设备中，根据上文描述的方法中的一种，检测到电压和对应的上升时间，并且具体为：
–由于比较器，在0.2V和20V之间的最大电压变化，
–由于滤波器的选择性，在0.5μs和5μs之间的这个变化的上升之间。
图7中示出另一个实施方式，该实施方式是数字模式，使用获取串列和模拟/数字转换器60，模拟/数字转换器60允许将该特性从它环境噪音相中区别出来。这个数字实施方式并不要求滤波。优选地，转换器60允许在等于4MHz或5MHz的频率处对信号进行采样。数字处理装置允许计算不同的值并且实现根据本发明的处理步骤。

Claims (20)

1.一种用于检测操作在直流电流模式中的光伏设备中的串联电弧的方法，其中，所述光伏设备包括N（N=1或N>1）个光伏模块（100，1，2，3），所述光伏模块连接至对于所述模块具有电容性行为的充电设备（10），所述方法包括：
a）在N个模块中的n（1≤n≤N）个模块上检测电压的时间演变，
b）在紧接在稳定电压的第一区域（A）和稳定电压的第二区域（B）之间的电压变化之后的至少5μs的持续时间期间识别所述电压变化，以及
c）确定所述电压变化是否在大于或等于0.2V的值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间，其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间Tmin和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，完全或部分地通过分析所述电压变化的斜率，通过确定该斜率是否在Vmin/Tmax（0.04V/μs）和Vmax/Tmin（40V/μs）之间，以执行确定步骤c）。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述N个光伏模块的组件上执行步骤检测a），所述值Vmin大于或等于10V并且所述值Vmax小于或等于20V。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其中：
值Vmin和Vmax位于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压值VARC的任何一侧，
并且，所述持续时间Tmin和Tmax位于与将等于VARC的电压变化施加在所述光伏模块的所述组件上所需要的持续时间对应的持续时间Tarc的任何一侧。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述N个光伏模块中的n个光伏模块的子组件上执行步骤检测a）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
所述值Vmin和Vmax位于值VARC*n/N的任何一侧，VArc对应于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压，所述值Vmax小于或等于20V*n/N，
并且，所述持续时间Tmin和Tmax位于持续时间Tarc*n/N的任何一侧，其中，Tarc对应于将等于VARC的电压变化施加在所述光伏模块的所述组件上所需要的持续时间，Tarc*n/N小于或等于5*nNμs。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，使用模拟或数字装置（50，52，54）执行无源或有源滤波。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，将所测量的电压数字化，从所述电压的数字值来执行步骤a）至c）。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述充电设备（10）包括转换器或逆变器或电池。
10.一种用于检测操作在直流电流模式中的光伏设备中的串联电弧的设备，其中，所述光伏设备包括N（N=1或N>1）个光伏模块（100，1，2，3）以及对于所述模块具有电容性行为的设备（10），所述检测设备包括：
a）用于在N个模块中的n个模块上检测电压的时间演变的装置（8），
b）用于在紧接在稳定电压的第一区域（A）和稳定电压的第二区域（B）之间的电压变化之后的至少5μs的持续时间期间识别所述电压变化的装置（8），以及
c）用于确定所述电压变化是否在大于或等于0.2V的值Vmin和小于或等于20V的值Vmax之间的装置（8），其中，该变化的上升时间在大于或等于0.5μs的持续时间Tmin和小于或等于5μs的持续时间Tmax之间。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述装置（8）通过分析所述电压变化的斜率以确定该斜率是否在Vmin/Tmax（0.04V/μs）和Vmax/Tmin（40V/μs）之间，确定所述电压是否在Vmin和Vmax之间以及所述上升时间是否在Tmin和Tmax之间。
12.根据权利要求10或11所述的设备，所述装置（8）在所述N个光伏模块的组件上检测电压的所述时间演变，所述值Vmin大于或等于10V并且所述值Vmax小于或等于20V。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的设备，其中：
值Vmin和Vmax位于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压值VARC的任何一侧，
并且，所述持续时间Tmin和Tmax位于与将等于VARC的电压变化施加在所述光伏模块的所述组件上所需要的持续时间对应的持续时间Tarc的任何一侧。
14.根据权利要求10或11所述的设备，所述装置（8）在所述N个光伏模块中的n个光伏模块的子组件上检测电压的所述时间演变。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，
所述值Vmin和Vmax位于值VARC*n/N的任何一侧，VArc对应于对用于构成被考虑光伏模块的连接的材料预先限定的电弧电压，值Vmax小于或等于20V*n/N，
并且，所述持续时间Tmin和Tmax位于持续时间Tarc*n/N的任何一侧，其中，Tarc对应于将等于VARC的电压变化施加在所述光伏模块的所述组件上所需要的持续时间，Tarc*n/N小于或等于5*nNμs。
16.根据权利要求10所述的设备，包括用于对至少等于100Hz的频率进行滤波的装置。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的设备，包括用于形成无源滤波器或形成有源滤波器的装置（30，32）。
18.根据权利要求10至16中的任一项所述的设备，包括模拟滤波装置和数字滤波装置（50，52，54）。
19.根据权利要求10所述的设备，包括用于对所测量的电压进行数字化的装置（60）。
20.根据权利要求10至19中的任一项所述的设备，其中，对于所述模块具有电容性行为的所述设备（10）包括转换器或逆变器或电池。
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