CN1241028C - 直流接地检测装置和使用它的系统连接发电装置 - Google Patents

直流接地检测装置和使用它的系统连接发电装置 Download PDF

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Abstract

提供一种直流接地检测装置，低成本并且高精度地检测直流电流的接地，同时确保安全性高。该直流接地检测装置包括：零相变流器ZCT(41)，通过检测磁芯(44)测定流过多个直流线路(39A、39B)的直流电流的电流量之差，并输出电流测定信号；温度传感器(50)，测定零相变流器ZCT(41)附近的温度，输出温度测定信号；以及MPU(53)，将对应于测定信号的电流量之差以温度测定信号所对应的温度进行温度校正，根据温度校正后的电流量之差，检测测定对象导线上产生的直流接地。

Description

直流接地检测装置和使用它的系统连接发电装置
技术领域
本发明涉及系统连接发电装置，它配有直流接地检测装置，检测流过发电单元产生的直流电流的直流电力线的接地，向商用电源系统回馈该发电单元产生的直流电力。
背景技术
近年来，不仅自家使用以太阳光作为能源进行发电的电力，而且还在普及使用可将自家使用不了的剩余电力回馈给商用电源系统的系统连接发电装置。
在这样的系统连接发电装置中，将太阳电池产生的直流电力的电压用升压电路进行升压，用逆变器电路控制为与商用电源系统的交流电力相同频率的交流电力。
此外，在这样的系统连接发电装置中，例如，如专利文献1所示，在连接太阳电池和系统连接发电装置的直流电力线上设置电流传感器，通过该电流传感器的输出变化来判断直流电力线的接地(ground fault)，通过将太阳电池与系统连接发电装置分离来提高安全性。
【专利文献1】(日本)特开2001-275259号公报
但是，在现有的系统连接发电装置中，在为了减小用于直流接地检测的电流传感器(变流器)的温度偏差并提高检测精度，在卷饶绕组的磁性体中，例如需要使用过饱和电抗器等那样的昂贵材料，存在成本上升的问题。
为了解决该问题，即使温度偏差比较大，但仍考虑使用价格低的电流传感器，但为了确保检测精度高，附加温度校正电路，但产生必须选择使用温度偏差小的电流传感器的新问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种低成本的直流接地检测装置、以及配有直流接地检测装置的系统连接发电装置。
为了解决上述课题，本发明的直流接地检测装置具有具有贯通一对直流电力线，输出流过所述直流电力线的电流的电流差的零相变流器(ZCT)，根据所述电流差和预定的基准值来判断所述直流电力线的接地，其特征在于，该直流接地检测装置包括：温度传感器，检测所述零相变流器(ZCT)的温度或该零相变流器附近的环境温度；温度校正部，根据所述温度传感器的检测温度来对所述零相变流器(ZCT)输出的电流差进行温度校正运算；以及直流接地检测部，根据所述温度校正部中温度校正后的电流差来对所述一对直流电力线中产生的直流接地进行检测。
本发明的系统连接发电装置，具有：升压电路，将发电单元供给的直流电力进行升压；逆变器电路，将所述升压电路升压的直流电力变换成以规定频率控制的交流电力；以及控制装置，可将所述交流电力回馈给商用电源系统，控制所述升压电路和所述频率；并具有接地检测装置，检测从所述发电单元供给所述直流电力的直流电力线的接地；其特征在于，所述直流接地检测装置具有贯通一对直流电力线，输出流过所述直流电力线电流的电流差的零相变流器(ZCT)，根据所述电流差和预定的基准值来判断所述直流电力线的接地，并且包括温度传感器，检测所述零相变流器(ZCT)的温度或该零相变流器附近的环境温度；温度校正部，根据所述温度传感器的检测温度来对所述零相变流器(ZCT)输出的电流差进行温度校正运算；以及直流接地检测部，根据所述温度校正部中温度校正后的电流差来对所述一对直流电力线中产生的直流接地进行检测。
此外，发电单元是照射太阳光并产生所述直流电力的太阳电池。
根据本发明，不附加温度校正电路，并且不选择使用温度偏差小的零相变流器(ZCT)，就能够低成本、高精度地检测直流电流的接地并确保安全性高。
附图说明
图1是表示采用了本发明的系统连接发电装置的实施例的系统连接发电装置和商用电源系统的电路图。
图2是表示图1的直流接地检测装置的方框图。
图3是说明直流线路的电流差和检测磁芯的输出电流(第1A/D端口的输入电压)的关系的温度依赖性的图。
图4是实施例的概要处理流程图。
具体实施方式
下面参照图1～图4来说明本发明的优选实施例。
图1是表示一实施例的系统连接发电装置、一例发电单元的系统连接发电装置、以及商用电源系统间的连接状态的电路图。作为发电单元，除了太阳电池以外，也可以使用燃料电池或公知的发电机，如果是交流发电机，则使用整流为直流后的直流电力。
如图1所示，在系统连接发电装置10中，作为系统连接发电装置的太阳电池11，通过端子P、N连接。
系统连接发电装置10通过端子R、O、T连接到商用电源系统13(图中为单相三线方式)。而且，系统连接发电装置10将太阳光照射太阳电池11产生的直流电力变换成与商用电源系统13频率相同的交流电力，回馈(供给)给商用电源系统13。
太阳电池11使用由多个太阳电池单元构成的阵列结构(PV阵列)。
系统连接发电装置10主要包括升压电路14、逆变器电路15、低通滤波器电路16、以及作为控制装置的微型计算机17。
在微型计算机17中，连接测定向升压电路14供给的来自太阳电池11的直流电力的电压的发电电压传感器33、同样地测定电流的发电电流检测传感器34、测定升压电路14升压后的直流电力的电压的升压电压检测传感器18、测定系统连接发电装置输出的端子R、O间的交流电压的第1系统电压检测传感器19、同样地测定端子O、T间的交流电压的第2系统电压检测传感器20、测定从逆变器电路15输出的交流电力的电流的逆变器输出电流检测传感器21、以及为测定零相变流器(ZCT)的温度或附近的环境温度而设置的温度传感器50。
升压电路14通过噪声滤波器35输入由太阳电池11产生的不稳定的直流电力(因晴、阴、雨、早晨、昼、夜等环境因素，发电电力产生变动)，将其电压升压到大于商用电源系统13的系统电压。升压电路14包括平滑电容器22、扼流线圈23、开关电路24、二极管25及电容器26。
平滑电容器22使输入到扼流线圈23和开关电路24的直流电力稳定。
开关电路24包括开关元件27和二极管28。这里，作为开关元件27，最好是功率晶体管、功率MOSFET、或IGBT等。通过该开关元件27的导通/截止动作，使存储在扼流线圈23中的电流与平滑电容器22的电压一起使二极管25的阳极侧成为高压，通过二极管25电流流过电容器26，将电容器26的端子电压提高到接近所述高电压。二极管25防止来自电容器26的电流逆流。
通过调整使开关元件27导通工作的时间(即，导通占空率)，升压电路14控制电容器26两端获得的电压。即，在商用电源系统13的系统电压为交流200V时，由于其波峰值(峰值)为+280V，为了将交流电力从系统连接装置12回馈给商用电源系统13，所以升压电路14升压的电压需要在直流280V以上。实际上，考虑到逆变器电路15的开关元件29(后述)的导通电阻和电流平滑电路16的电抗器31的电阻，将升压电路14升压的电压设定为比280V大20～30V的值。
逆变器电路15桥状地连接四个(产生单相交流时为4个，产生三相交流时为6个)开关元件29，各开关元件29配有二极管30(续流二极管)。而且，逆变器电路15将升压电路14升压后的直流电力变换成与商用电源系统13频率相同并且相位一致或大致一致的模拟正弦波的交流电力。
即，逆变器电路15通过使开关元件29导通/截止，对从升压电路14输入的直流电力进行脉宽调制(PWM)而变换为交流电力。而且，调整使开关元件29导通动作的时间(导通占空率)，以使从该逆变器电路15输出的交流电力(交流电流、交流电压)的波形与商用电源系统13的系统电压的交流电压波形一致。由此，从逆变器电路15输出的交流电力的相位和频率与商用电源系统13的系统电力的相位和频率基本一致。
如图1所示，电流平滑电路16由电抗器31和电容器32形成，对逆变器电路15变换后的交流电力的电流进行平滑。该电流平滑电路16平滑后的交流电力经噪声滤波器36、解列连接器37及保护继电器38回馈给商用电源系统13。
解列连接器37受微型计算机17控制，使系统连接发电装置10和商用电源系统13的连接/分离受到控制。即，后面将详述，微型计算机17向解列连接器37输出操作信号，在系统连接发电装置10运转结束时将系统连接发电装置10和商用电源系统13分离，在系统连接发电装置10运转开始时将系统连接发电装置10和商用电源系统13连接。
发电电压检测传感器33例如包括隔离放大器，测定由太阳电池11发电并向升压电路14输入的直流电力的电压，将该测定值输出到微型计算机17。
发电电流检测传感器34例如包括变流器，测定由太阳电池11发电并向升压电路14输入的直流电力的电流，将该测定值输出到微型计算机17。
升压电压检测传感器18例如包括隔离放大器，测定由升压电路14升压输出的升压电压，将该测定值输出到微型计算机17。
第1系统电压检测传感器19和第2系统电压检测传感器20包括变压器，测定商用电源系统13的系统电力的系统电压，并将该测定值输出到微型计算机17。
逆变器输出电流检测传感器21例如包括变流器，测定由逆变器电路15变换的交流电流，将该测定值输出到微型计算机17。
温度传感器50测定零相变流器(ZCT)41的温度或附近的环境温度，将该测定值输出到微型计算机17。
图2是直流接地检测装置40的概要结构方框图。
构成直流接地检测装置40一部分的微型计算机17包括输出导通/截止信号的PWM端口(PWM：Pulse Width Modulation)47、输入模拟电压的第1A/D端口48、输入作为温度传感器50的测定值的模拟电压的第2A/D端口49、输入输出接口部51、振荡-分频电路52、MPU(中央运算单元)53、ROM(只读存储器)54、RAM(随机存取存储器)55、总线(信号线)56。
输入输出接口部51对PWM端口47、第2A/D端口49、MPU53和振荡-分频电路之间的信号(数据)授受进行控制。
振荡-分频电路52根据水晶振子46的振动来生成基准振荡信号(基准时钟信号)，根据基准振荡信号，将具有规定频率、规定导通占空率(例如50％)和规定电压的脉冲信号串通过输入输出接口部51、PWM端口47、励磁放大器(缓冲放大器)42输出到零相变流器(ZCT)41，作为励磁脉冲信号。作为励磁脉冲信号，例如输出以+2.5V为中心的+2.5V的脉冲波形电压。
MPU53根据ROM54内的控制程序，进行微型计算机17的整体控制。
ROM54预先存储包含控制程序的控制数据。
RAM55临时存储各种数据。
总线56将输入输出接口部51、MPU53、ROM54或RAM55相互连接。
下面说明微型计算机17的主要动作。
根据上述结构，微型计算机17通过输入发电电压检测传感器33的测定值和发电电流检测传感器34的测定值并进行运算，来判断太阳电池11的发电电力。微型计算机17在该发电电力达到预定的固定值(根据太阳电池单元的数目或系统连接发电装置10的固有值适当选择设定)以上时，将解列连接器(常开接片)37进行导通动作，将接片闭合，使系统连接发电装置10和商用电源系统13连接，开始系统连接发电装置10的运转。
此外，微型计算机17进行调节，以使从系统连接发电装置10向商用电源系统13输出的交流电力的波峰值(峰值)大于第1系统电压检测传感器19测定的交流电压的波峰值和第2系统电压检测传感器20测定的交流电压的波峰值的合计值，使升压电压检测传感器18测定的直流电压是比上述波峰值的合计值大20～30V的电压。该调节由微型计算机17进行开关元件27的导通/截止信号的导通占空率的调节，以便获得输出到升压电路1时的基于预定图形的模拟正弦波。
而且，微型计算机17根据第1系统电压检测传感器19和第2系统电压检测传感器20检测出的系统电压波形(正弦波)来判断零交叉时刻，使开关元件27的导通/截止信号与其同步，以便获得基于上述预定图形的模拟正弦波。
通过该微型计算机17对升压电路14和逆变器电路15的控制，与商用电源系统13的交流电力大体一致的交流电力从系统连接发电装置10供给到商用电源系统13。
可是，在上述系统连接发电装置10中，存在连接太阳电池11和升压电路14的两条直流线路39A、39B。因而通过直流线路39A、39B，从太阳电池11向升压电路14流入直流电流。
因此，在本实施方式中，在作为测定对象导线的两条直流线路39A、39中，设置直流接地检测装置40的零相变流器(ZCT)41。
这里，说明直流接地检测装置40。
如图2所示，直流接地检测装置40形成具有零相变流器(ZCT)41、励磁放大器42、倍压整流电路43和上述微型计算机17的结构，检测系统连接发电装置10的太阳电池11侧的直流接地。
零相变流器(ZCT)41形成将两条直流线路39贯通检测磁芯44的结构。该ZCT形成卷绕了绕组的磁性体由高导磁铁镍合金等那样的低价材料构成的结构。将该ZCT构成的检测磁芯(检测磁性体)44容纳于机盒45内。
励磁放大器42将从微型计算机17的PWM端口47输出的励磁脉冲信号输出到零相变流器(ZCT)41的绕组上，使检测磁芯44成为励磁状态。
由此，在检测磁芯44保持励磁状态下，测定流过两条直流线路39A、39B的电流之差(差分)，将对应于该电流差的输出电流(交流)输出到倍压整流电路43。
即，在直流线路39A或直流线路39B中没有产生接地时，流过两条直流线路39A、39B的电流相同，来自检测磁芯44的输出电流正负对称并抵消为零。
相反，在直流线路39中产生接地时，在流过直流线路39A的电流和流过直流线路39B的电流之间产生对应于接地程度的差(电流差ΔI)。
倍压整流电路43将从零相变流器(ZCT)41的检测磁芯44输出的输出电流(交流)整流为直流，同时变换成两倍以上的电压，并输出到微型计算机17的第1A/D端口48(A/D：Analogue to Digital)。
微型计算机17根据输入到第1A/D端口48的电压值的大小，检测在直流线路39A、39B上是否发生了直流接地。
这里，说明直流接地的检测。
图3是说明流过直流线路39A的电流和流过直流电路39B的电流的电流差与检测磁芯44的输出电流(∝第1A/D端口48的输入电压)的关系的图。
例如，如图3所示，进行设定，以在检测磁芯44附近的环境温度为基准温度Tref时，在流过直流线路39A的电流和流过直流电路39B的电流的电流差ΔI为I0(例如100mA)以上时，即，在来自检测磁芯44的输出电流I＝Iref时，判定为在直流线路39A、39B中发生了直流接地。
这种情况下，在对应于电流差ΔI＝I0的电压Vref以上的电压输入到第1A/D端口48时，微型计算机17的MPU53判断为在直流线路39A、39B上发生了接地，并检测直流接地。
但是，实际上，流过直流线路39A的电流和流过直流电路39B的电流的电流差ΔI、即检测磁芯44的输出电流I具有温度依赖性。
例如，在温度T1时，电流差ΔI＝I0时的检测磁芯44的输出电流I1为
I1＜Iref
即
V1＜Vref，尽管发生了直流接地，微型计算机17的MPU53也不能检测出直流接地。
相反，在温度T2时，电流差ΔI＝I0时的检测磁芯44的输出电流I1为
I1＞Iref
即
V1＞Vref，微型计算机17的MPU53可以检测出直流接地，但电流差ΔI在I02～I0的范围，检测磁芯44的输出电流I1仍在Iref以上，在该电流差ΔI的范围中，尽管没有发生直流接地，但微型计算机17的MPU53还是检测出直流接地。
因此，在本实施例中，MPU53根据温度传感器50测定的检测磁芯44附近的温度，校正输入到第1A/D端口48的电压，无论实际的温度如何，都进行将输入到第1A/D端口48的电压变换成基准温度Tref时的电压的温度校正运算。
这里，说明通常工作时的直流接地检测装置40的工作。
图4是直流接地检测装置40的概要处理流程图。
MPU53通过输入输出接口部51接受由检测磁芯44和倍压整流电路43输入到第1A/D端口48的电压，进行电流差测定(步骤S1)。
接着，MPU53通过输入输出接口部51接受由温度传感器50输入到第2A/D端口49的电压，进行检测磁芯44附近的实际温度Tm的测定(步骤S2)。
接着，MPU53参照ROM54，根据步骤S2中测定的温度Tm，将输入到第1A/D端口48的电压值Vm校正到基准温度Tref时的电压值，进行求出校正电压值Vmc的温度校正运算(步骤S3)。
接着，MPU53判别校正电压值Vmc是否在基准电压Vref以上，判别是否可检测出直流接地(步骤S4)。
在步骤S4的判别中，在校正电压值Vmc低于基准电压Vref时(步骤S4中为“否”)，MPU53没有检测出直流接地，结束该定时中的直流接地检测处理。
在步骤S4的判别中，在校正电压值Vmc在基准电压Vref以上时(步骤S4中为“是”)，MPU53检测出直流接地，进行电流电路的断路、通知用户(警报输出、警报灯闪亮等)等接地检测时处理(步骤S5)，结束直流接地检测处理。
此外，在系统连接发电装置10运转停止时，来自太阳电池11的电流不流过直流线路39A、39B，所以来自电流传感器41的检测磁芯44的输出电流也为零。微型计算机17的MPU53在系统连接发电装置10运转停止时，检测磁芯44的输出电流不为零，因而在电压输入到A/D端口48的情况下，判断为在电流传感器41上产生不良情况，并输出例如警报等。
如以上说明的那样，根据本发明，由具备普通交流漏电断路器的低价ZCT(零相变流器)构成对流过连接到太阳电池11的直流线路39A、39B的电流之差进行测定的零相变流器(ZCT)41的检测磁芯44，所以可以用低成本构成零相变流器(ZCT)41，同时通过使用该零相变流器(ZCT)41进行的直流接地的检测，从而可在系统连接发电装置10中确保安全性高。
这种情况下，测定检测磁芯44附近的温度，为了降低电流传感器41的温度依赖性的影响，进行温度校正运算，所以不附加温度校正电路，并且不选择使用温度偏差小的零相变流器(ZCT)，可高精度进行接地检测。
以上，根据上述实施例说明了本发明，但本发明不限于此，在微型计算机17的内部，根据温度传感器50的测定值来校正零相变流器(ZCT)41的测定值，也可以根据温度传感器50的测定值来校正基准电压Vref。
在上述实施例中，论述了发电单元是太阳电池11，系统连接发电装置进行太阳光发电的情况，但也可以采用使用风力发电装置等其他发电单元，将发电电力回馈给商用电源系统的结构。
在上述实施例中，论述了将直流接地检测装置40应用于太阳光发电的情况，但也可以应用于产生高电压的燃料电池等中。

Claims (3)

1.一种直流接地检测装置，具有贯通一对直流电力线，输出流过所述直流电力线的电流的电流差的零相变流器ZCT，根据所述电流差和预定的基准值来判断所述直流电力线的接地，其特征在于，该直流接地检测装置包括：温度传感器，检测所述零相变流器ZCT的温度或该零相变流器附近的环境温度；温度校正部，根据所述温度传感器的检测温度来对所述零相变流器ZCT输出的电流差进行温度校正运算；以及直流接地检测部，根据所述温度校正部中温度校正后的电流差来对所述一对直流电力线中产生的直流接地进行检测。
2.一种系统连接发电装置，具有：升压电路，将发电单元供给的直流电力进行升压；逆变器电路，将所述升压电路升压的直流电力变换成以规定频率控制的交流电力；以及控制装置，可将所述交流电力回馈给商用电源系统，控制所述升压电路和所述频率；并具有接地检测装置，检测从所述发电单元供给所述直流电力的直流电力线的接地；其特征在于，所述直流接地检测装置具有贯通一对直流电力线，输出流过所述直流电力线电流的电流差的零相变流器ZCT，根据所述电流差和预定的基准值来判断所述直流电力线的接地，并且包括温度传感器，检测所述零相变流器ZCT的温度或该零相变流器附近的环境温度；温度校正部，根据所述温度传感器的检测温度来对所述零相变流器ZCT输出的电流差进行温度校正运算；以及直流接地检测部，根据所述温度校正部中温度校正后的电流差来对所述一对直流电力线中产生的直流接地进行检测。
3.如权利要求2所述的系统连接发电装置，其特征在于，所述发电单元是照射太阳光并产生所述直流电力的太阳电池。
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