JP2015155889A - 多重ストリングアーク故障検出デバイスの改良されたノイズ伝搬耐性 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズ伝搬耐性を改善できるＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】システムは、少なくとも２つの電流出力をそれぞれモニタする少なくとも２つの電流センサを備える。電流センサは逆の極性を有し、結合された電流出力信号を提供するよう並列に接続される。電流センサは、少なくとも２つの隣接する導線を介して、それぞれの電流出力をモニタする。アーク放電が、第１の導線上の場所で発生する場合、第１の導線上のアーク放電と同様のアーク電流の特徴を有するアーク放電（隣接する導線のクロストーク）が、他の隣接する導線上の場所で発生し得る。システムは、光起電性（ＰＶ）システム内のこのような隣接する導線のクロストークを効果的に相殺し、これにより、ＰＶストリングレベルでのアーク放電を検出するアーク故障検出デバイスの性能を改善する。
【選択図】図８

Description

本特許出願は、「ＤＣアークおよび負荷スイッチングノイズを区別するシステムおよび方法」という表題で２０１２年１１月１６日に出願された米国特許出願第１３／６７９,０３９の一部継続出願である、「多数の電流センサを使用した、光起電性ストリングレベルでのホームランアーク検出」という表題で２０１３年３月１５日に出願された米国特許出願第１３／８３６，３４５の一部継続出願である。

本出願は、一般に電気回路におけるアーク放電（arcing）を検出することに関し、特に、複数のＰＶストリングを有する光起電性（ＰＶ）システムにおいて用いられるアーク故障検出デバイスにおけるノイズ伝搬耐性を改善したシステムおよび方法に関する。

近年、光起電性（ＰＶ）システムなどのＤＣ電力システムが、バッテリの充電から交流（ＡＣ）グリッドへの電力供給に至るまで、家庭用用途および産業用用途においてますます採用されている。このようなＰＶシステムは、１つまたは複数のＰＶストリングを形成するように直列に接続された複数のＰＶモジュール（例えば、ソーラーパネル）を含むことができる。複数のＰＶストリングは、並列に接続することができ、充電器（チャージャ）またはインバータ負荷を最終的に駆動するためにコンバイナボックスを介して配線される。典型的なＰＶシステムにおいては、各ＰＶモジュールは、５０Ｖｄｃで最大約１０アンペアの電流出力を発生させるように構成することができ、各ＰＶストリングは、ＰＶストリング上に接続されるＰＶモジュールの数により、最大約１０００Ｖｄｃまたはそれ以上の電圧出力を生成するように構成することができる。さらに、並列に接続されたＰＶストリングは、典型的なＰＶシステムの全体の電流出力を約２００アンペア（ａｍｐ）またはそれ以上に上昇させるように構成することができる。

上述のＰＶシステムなどのＤＣ電力システムが、比較的高い電流出力および電圧出力を発生させるように構成され得るので、このような電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムおよび方法が必要である。例えば、電流出力および電圧出力がそれぞれ２００アンペアおよび１０００Ｖｄｃ程度とすることのできる典型的なＰＶシステムにおいては、直列アーク放電はＰＶ電力ケーブルを切断することによって生じることがあり、並列アーク放電はＰＶ電力ケーブルを短絡させることによって生じることがあり、地絡アーク放電は、地面へのＰＶ電力ケーブルを短絡させることによって生じることがある。しかし、これまで、電力システムにおけるアーク放電を検出する公知のシステムおよび方法は、直列アーク放電、並列アーク放電、地絡アーク放電等と、チャージャ負荷、インバータ負荷、ＤＣ−ＤＣ負荷スイッチング、ＤＣ−ＡＣ負荷スイッチング、ＤＣ切断スイッチ、無線周波数（ＲＦ）ピックアップ、ＤＣ電力線通信等によって発生されるノイズとを、高い信頼性をもって区別することができなかった。

本発明によれば、改善されたノイズ伝搬耐性を提供することのできる、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムおよび方法が開示される。ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するこのようなシステムの１つは、ホームランケーブル（home run cable）またはその他の適切な配線ラン（wiring run）を介して提供される少なくとも２つの電流出力をそれぞれモニタする働きをする、少なくとも２つの電流センサを含む。少なくとも２つの電流センサは、逆極性（例えば、Ｎ極とＳ極）を有し、並列、直列、または並列／直列の相互接続のその他の適切な組み合わせで構成および配列されて、結合された電流出力信号を提供する。システムは、整流器、フィルタ、比較器、パルス積分器、およびプロセッサをさらに含む。少なくとも２つの電流センサは、光起電性（ＰＶ）システムとすることのできるＤＣ電力システムの少なくとも２つの電流出力をそれぞれモニタする働きをする。少なくとも２つの電流出力は、ＰＶシステム内の少なくとも２つの隣接するＰＶストリングにそれぞれ対応する少なくとも２つの導線を介して、それぞれの電流センサによるモニタリングのために提供され得る。アーク放電が、ＰＶストリングの最初の１つ（「第１のＰＶストリング」）に対応する導線上の場所で生じる場合、第１のＰＶストリング上のアーク放電のようなアーク電流の特徴（例えば、直列アーク放電）を有するアーク放電が、第１のＰＶストリングに隣接する少なくとも１つのＰＶストリングに対応する導線上の場所で発生できる。隣接するＰＶストリングに対応する導線上で発生できるこのようなアーク放電を、本明細書では「隣接する導線のクロストーク（adjacent conductor crosstalk）」とも呼ぶ。システムは、ＰＶシステム内のこのような隣接する導線のクロストークを効果的に相殺するように構成され、これにより、ＰＶストリングレベルでアーク放電を検出するアーク故障検出デバイスの機能が改善する。システムは、インバータ負荷ノイズに対する耐性が改善されたこのようなアーク故障検出デバイスを提供することもできる。

開示するシステムにおいて、それぞれの電流センサによって提供される結合された電流出力信号は、１つまたは複数のアーク放電事象を潜在的に示すことのできる、１つまたは複数の重大なｄｉ／ｄｔ事象を表す高周波数ＡＣ電流情報を含むことができる。整流器は、電流センサからのＡＣ電流情報を含む結合された電流出力信号を受け取り、結合された電流出力信号を整流したものをフィルタへ提供し、この信号は続いてフィルタリングされる。ＡＣ電流情報を含む結合された電流出力信号は、代替的に、整流される前にフィルタしてもよいことに留意されたい。比較器は、フィルタされた信号を受け取り、潜在的なアーク放電事象に応答して、１つまたは複数のパルスを生成する。パルス積分器は、比較器からパルスを受け取り、それぞれのパルスの幅（持続期間）を示す出力を生成する。プロセッサも比較器からパルスを受け取り、複数の予め決められた時間間隔内で、潜在的なアーク放電事象の数に対応し得る、予め決められた時間間隔ごとのパルスカウント（ＰＣ）を決定する。プロセッサはさらに、パルス積分器によって生成された出力を受け取り、それぞれの予め決められた時間間隔内で、それぞれの潜在的なアーク放電事象の強度に対応し得る、予め決められた時間間隔ごとのパルス幅（ＰＤ）を決定する。その後、プロセッサは、１つまたは複数のアーク故障検出アルゴリズムを使用してＰＣおよびＰＤを処理し、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズをより適切に区別する。

一態様において、プロセッサは、各予め決められた時間間隔の最後で、２つの変数、すなわち、平均パルスカウント（ＡＰＣ）および平均パルス幅変動（ＡＰＤＦ）の値を算出する。例えば、プロセッサは、直近の時間間隔のＰＤと、直近の時間間隔よりも前の１つまたは２つ以上の時間間隔で生じる時間間隔のＰＤとの差の絶対値を取ることにより、または、その他の適切な技法により、各予め決められた時間間隔の最後でパルス幅変動（ＰＤＦ）を算出することができる。プロセッサは、各時間間隔の最後で、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが、第１の特定の閾値を超えるかどうかをさらに判定する。比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが、それぞれの時間間隔の最後で第１の特定の閾値を上回る場合、その時間間隔は、実際のアーク放電事象が発生したであろう間隔とみなされる。例えば、プロセッサが、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが、それぞれの時間間隔の間に、第１の特定の閾値を上回ると判定する場合、プロセッサは、出力「１」またはその他の適切な出力を発生でき、そうでない場合には、プロセッサは出力「０」またはその他の適切な出力を発生できる。プロセッサは複数の時間間隔で発生された出力（１または０）を平均し、それぞれの出力の平均が第２の特定の閾値を超える場合に、実際のアーク放電が生じたであろうと想定し、プロセッサは、このようなアーク放電を示す別の出力を発生させる。この方法で、プロセッサは複数の時間間隔にわたりＰＤＦを評価することができ、プロセッサが、複数の時間間隔に渡るＰＤＦが高いと判断する場合には、プロセッサは実際のアーク放電が生じたであろうことを示す出力を発生できる。

一態様において、プロセッサは、３つの変数、すなわち、ＡＰＣ、ＡＰＤＦ、および平均パルス幅変調（ＡＰＤＭ）の値を、各予め決められた時間間隔の最後に算出する。例えば、プロセッサは、各予め決められた時間間隔の間に、時間間隔を４分の１ごとに隔てた、４つのＰＤ測定、ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を行い、以下のように、各時間間隔の最後にＡＰＤＭを算出することにより、またはその他の適切なにより、ＡＰＤＭを算出することができる。
ＡＰＤＭ＝｜ＡＰＤ１＋ＡＰＤ２−ＡＰＤ３−ＡＰＤ４｜＋｜ＡＰＤ１−ＡＰＤ２−ＡＰＤ３＋ＡＰＤ４｜
上式で、複数の予め決められた時間間隔を通して、「ＡＰＤ１」は、「ＰＤ１」測定の平均であり、「ＡＰＤ２」は「ＰＤ２」測定の平均であり、「ＡＰＤ３」は「ＰＤ３」測定の平均であり、「ＡＰＤ４」は「ＰＤ４」測定の平均である。プロセッサは、各時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値を超えるかどうか、ならびに比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値を超えるかどうかをさらに判定する。それぞれの時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値を超えると判定された場合、その時間間隔は、アーク放電が生じたであろう間隔とみなされる。例えば、それぞれの時間間隔の間に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値を超えるとプロセッサが判定した場合、プロセッサは、出力「１」もしくはその他の適切な出力を生成することができ、または、プロセッサは出力「０」またはその他の適切な出力を生成できる。プロセッサは、複数の時間間隔にわたって生成された出力（１または０）を平均し、それぞれの出力の平均が第３の特定の閾値を超える場合には、実際のアーク放電が生じたであろうと想定され、プロセッサは、そのようなアーク放電を示す別の出力を発生させる。この方法で、プロセッサは、実際のアーク放電と、グリッドタイインバータ負荷などの非常にノイズの多い負荷とをさらに確実に区別することができる。

別の態様では、プロセッサは、各予め決められた時間間隔の最後に、５つの変数、すなわち、ＡＰＣ、ＡＰＤＦ、ＡＰＤＭ、平均パルス幅（ＡＰＤ）、および平均パルスカウント変動（ＡＰＣＦ）の値を算出する。例えば、プロセッサは、直近の時間間隔のＰＣと、直近の時間間隔の前の１つまたは２つ以上の時間間隔で生じる時間間隔のＰＣとの差の絶対値を取ることにより、またはその他の適切な技法により、ＡＰＣＦを算出できる。各時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値を超えるかどうか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値を超えるかどうか、比ＡＰＣＦ／ＡＰＣが第３の特定の閾値を超えるかどうか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤが第４の特定の閾値を声かどうか、ＡＰＣが第５の特定の閾値を超えるかどうか、ならびに、ＡＰＤが第６の特定の閾値を超えるかどうかを、プロセッサは判定する。それぞれの時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値を超え、ＡＰＣＦ／ＡＰＣが第３の特定の閾値を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤが第４の特定の閾値を超え、ＡＰＣが第５の特定の閾値を超え、ＡＰＤが第６の特定の閾値を超えると判定された場合、その時間間隔は、実際のアーク放電が生じたであろう間隔とみなされる。それゆえ、プロセッサは、出力「１」またはその他の適切な出力を発生でき、そうでない場合には、プロセッサは、出力「０」またはその他の適切な出力を発生できる。プロセッサは複数の時間間隔にわたって発生された出力（１または０）を平均し、それぞれの出力の平均が第７の特定の閾値を超える場合、実際のアーク放電が生じたと想定し、プロセッサはそのようなアーク放電を示す別の出力を発生させる。この方法で、ＤＣ電力システムにおいて、アーク放電対負荷ノイズを示す、いくつかの最低レベルの正規化された平均的な変動が存在することが想定できる。

複数の予め決められた時間間内で、各時間間隔のパルスカウント（ＰＣ）、および予め決められた時間間隔ごとのパルス幅（ＰＤ）を少なくとも判定し（ＰＣおよびＰＤは、ＰＤ電力システムにおける潜在的なアーク放電事象の数および強度にそれぞれ対応することができる）、その後、１つまたは複数のアーク故障検出アルゴリズムを用いてＰＣおよびＰＤを処理することにより、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する開示するシステムおよび方法は、高い信頼性をもって、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズを区別できる。

本発明のその他の機能、特徴および態様が、以下の詳細な説明から明らかとうなろう。

本明細書に組み込まれ、またこれの一部を構成する添付の図面は、本明細書に示す１つまたは複数の実施形態を示し、詳細な説明とともに、これらの実施形態を説明する。

典型的な光起電性（ＰＶ）システムのブロック図である。

様々なタイプのアーク放電の起こり得る場所をさらに示す、図１ａのＰＶシステムを示す図である。

図１ｂに示した様々なタイプのアーク放電を検出するアーク故障検出器の実行可能な位置をさらに示す、図１ａのＰＶシステムを示す図である。

本発明による、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する例示的なシステムのブロック図である。

図２のシステムを使用した、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第１の例示的な方法のフロー図である。

図２のシステムを使用した、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第２の例示的な方法のフロー図である。

図２のシステムを使用した、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第３の例示的なシステムのフロー図である。

図２のシステムを使用した、インバータ負荷が駆動する間、ならびに、連続的なインバータノイズが存在する下でのアーク放電の間に発生され得る例示的なパルスストリームデータの図である。 図２のシステムを使用した、インバータ負荷が駆動する間、ならびに、連続的なインバータノイズが存在する下でのアーク放電の間に発生され得る例示的なパルスストリームデータの図である。 図２のシステムを使用した、インバータ負荷が駆動する間、ならびに、連続的なインバータノイズが存在する下でのアーク放電の間に発生され得る例示的なパルスストリームデータの図である。 図２のシステムを使用した、インバータ負荷が駆動する間、ならびに、連続的なインバータノイズが存在する下でのアーク放電の間に発生され得る例示的なパルスストリームデータの図である。

図２のシステムを使用した、多数の時間間隔の関数として測定および算出され得る例示的な変数の図である。 図２のシステムを使用した、多数の時間間隔の関数として測定および算出され得る例示的な変数の図である。 図２のシステムを使用した、多数の時間間隔の関数として測定および算出され得る例示的な変数の図である。

図２のシステムを使用した、負荷スイッチングノイズからＤＣアークを区別する例示的な技法を示す図である。 図２のシステムを使用した、負荷スイッチングノイズからＤＣアークを区別する例示的な技法を示す図である。 図２のシステムを使用した、負荷スイッチングノイズからＤＣアークを区別する例示的な技法を示す図である。

本発明による、ＤＣ電力システムにおける直列アークを検出する例示的なシステムのブロック図である。

図７のシステムの代替的な実施形態のブロック図である。

２０１３年３月１５日に「多数の電流センサを使用した、光起電性ストリングレベルでのホームランアーク検出」という表題の米国特許出願第１３／８３６，３４５号、および２０１２年１１月１６日に出願した「ＤＣアークおよび負荷スイッチングノイズを区別するシステムおよび方法」という表題の米国特許出願第１３／６７９,０３９号の開示は、参照によりそれら全体が本明細書に組み込まれる。

図１ａは、典型的なＤＣ電力システム、特に光起電性（ＰＶ）システム１００を示す。このようなＰＶシステムは、バッテリの充電から、ＡＣグリッドへの電力供給に至るまで、家庭用用途および産業用用途にますます用いられている。ＰＶシステム１００は、複数のＰＶモジュール（例えば、ソーラパネル）１０１．１〜１０１．ｎ、１０３．１〜１０３．ｍ、１０５．１〜１０５．ｐ、コンバイナボックス１０４、および負荷１０６を含む。図１ａに示すように、ＰＶモジュール１０１．１〜１０１．ｎは、第１のＰＶストリング１０２．１を形成するように直列に接続され、ＰＶモジュール１０３．１〜１０３．ｎは、第２のＰＶモジュール１０２．２を形成するように直列に接続され、ＰＶモジュール１０５．１〜１０５．ｎは、第３のＰＶモジュール１０２．３を形成するように直列に接続される。さらに、第１、第２および第３のＰＶストリング１０２．１、１０２．２、１０２．３は、並列に接続することができ、最終的に負荷１０６を駆動するように、コンバイナボックス１０４を介して配線される。負荷１０６は、チャージャ負荷、インバータ負荷、またはその他の適切な負荷とすることができる。図１ａにさらに示すように、コンバイナボックス１０４は、各ＰＶストリング用のストリングヒューズ１０８、およびサージプロテクタ１１０を含むことができる。代替的に、ＰＶシステム１００が、その他の適切な数のＰＶストリングを形成するために直列に接続されたその他の適切な数のＰＶモジュールを含むように構成されてもよいことに留意すべきである。

図１ｂは、アーク放電が発生する可能性のあるＰＶシステム１００内の多数の例示的な場所１２１〜１２９を示す。例えば、直列アーク放電は、場所１２１、１２５、１２９で発生する可能性があり、並列アーク放電は、場所１２２、１２６で発生する可能性があり、地絡アーク放電は、場所１２３、１２４、１２７、１２８で発生する可能性がある。さらに、図１ｃは、ＰＶシステム１００内の、アーク故障検出器（ＡＦＤ）１３２、１３４，１３６がこのような起こり得るアーク放電を検出するのに位置することのできる例示的な箇所を示す。例えば、ＡＦＤ１３２、１３４は、ＰＶストリングが結合されたコンバイナボックス１０４内に位置することができ、ＡＦＤ１３６は、負荷１０６に近接して位置することできる。その他の適切な数のＡＦＤが、ＰＶシステム１００内で、その他の適切な箇所でアーク放電を検出するのに用いることができることに留意されたい。

図２は、本出願による、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するための例示的なシステム２００を示す。例えば、システム２００は、ＰＶシステム１００内のＡＦＤ１３２、１３４、１３６などの１つまたは複数のＡＦＤ内で実行されて、より高い信頼性をもって、ＤＣアーク放電と負荷スイッチングノイズを区別することができる。図２に示すように、システム２００は、電流センサ２０２、整流器２０４、フィルタ２０６、比較器２０８、パルス積分器２１０、およびプロセッサ２１２を含む。電流センサ２０２は、ＤＣ電力システムの電流出力をモニタする変流器として実行できる。例えば、変流器として実行される電流センサ２０２は、正（＋）のＤＣ電力線または負（−）のＤＣ電力線のいずれかと直列に接続され得る。電流センサ２０２は、１つまたは複数の起こり得るアーク放電事象を示すことのできる、１つまたは複数の重大なｄｉ／ｄｔ事象を示す高周波数ＡＣ電流情報を含む信号を提供する。全波整流器として実行できる整流器２０４は、ＡＣ電流情報を含む信号を電流センサ２０２から受け取り、続いてハイパスフィルタリングするために、当該信号の整流されたものをフィルタ２０６に提供する。

比較器２０８は、整流された信号を受け取り、起こり得るアーク放電事象に応答して、ライン２１４上で１つまたは複数のパルスを発生させる。パルス積分器２１０は、比較器２０８からパルス受け取り、ライン２１６上でそれぞれのパルスの幅（持続期間）を示す出力を発生させる。マイクロコントローラとして実行できるプロセッサ２１２も、ライン２１４上で比較器からパルスを受け取る。プロセッサ２１２は、複数の予め決められた時間間隔内で、起こり得るアーク放電事象の数に対応し得る時間間隔ごとのパルスカウント（ＰＣ）を決定する。プロセッサ２１２は、ライン２１６上でパルス積分器２１０によって生成された出力をさらに受け取り、それぞれの予め決められた時間間隔内で、それぞれの起こり得るアーク放電事象の強度に対応し得る時間間隔ごとのパルス幅（ＰＤ）を決定する。１つまたは複数のアーク故障検出アルゴリズムを使用して、本明細書においてさらに述べるように、プロセッサ２１２は、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズとをより適切に区別し、少なくともいくつかの時間で、出力としてアーク故障表示２１８を発生させるように、少なくともＰＣおよびＰＤを処理できる。

ＰＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第１の例示的な方法３００ａを、図２と同様に図３ａを、参照して以下に説明する。方法３００ａを使用して、システム２００は、複数の予め決められた時間間隔にわたってＰＤの変動を評価することができ、システム２００がそれぞれの時間間隔にわたってＰＤの変動が高いと判定する場合、システム２００は、アーク故障表示２１８を発生させることができ、これにより実際のアーク放電が生じたであろうことが示される。例えば、各予め決められた時間間隔は、任意の適切な時間間隔に等しいものとすることができる。いくつかの実施形態では、予め決められた時間間隔は、ＡＣ電力線への電磁結合を最小にするために、また、グリッドタイインバータ負荷によって発生されるスイッチングノイズを減少させるために、ＡＣグリッドサイクル期間の約２分の１に相当し得る。ステップ３０２に示すように、プロセッサ２１２は、２つの変数、すなわち平均パルスカウント（ＡＰＣ）および平均パルス幅変動（ＡＰＤＦ）の値を各時間間隔の最後に算出する。例えば、このような平均は、余分なメモリを必要とすることなく変数を保持するために、１次ローパスフィルタを使用して達成できる。いわゆるスパッタリングアークは、数は少ないが、連続的なアーク放電よりも強力なので、このような平均により、より連続的なアーク放電だけでなくスパッタリングアークも、その他のノイズ源からより適切に区別される。このような平均の時定数は、約２０ミリ秒から２００ミリ秒までの範囲、またはその他の適切な時間的価値の範囲に及ぶことができる。

プロセッサ２１２は、各予め決められた時間間隔の最後に、直近の時間間隔のＰＤと、直近の時間間隔より前の１つまたは２つ以上の時間間隔で生じる時間間隔のＰＤとの差の絶対値を取ることによって、またはその他の適切な技法によって、パルス幅変動（ＰＤＦ）を算出できる。ステップ３０４に示すように、プロセッサ２１２は、各時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超えるかどうかを判定する。比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが、それぞれの時間間隔の最後に第１の特定の閾値Ｃ１を超える場合は、その時間間隔は、実際のアーク放電事象が生じ得た間隔であると見なされる。例えば、プロセッサ２１２が、それぞれの時間間隔の間に比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の閾値Ｃ１を超えると判定する場合、プロセッサ２１２は、ステップ３０６で示すように、出力「１」またはその他の適切な出力を発生できる。そうでない場合には、プロセッサ２１２は、ステップ３０８で示すように、出力「０」またはその他の適切な出力を発生できる。ステップ３１０に示すように、プロセッサ２１２は、複数の予め決められた時間間隔にわたって発生した出力（１および／または０）を平均する。例えば、このような平均は、複数の時間間隔にわたり、ローパスフィルタ、ランニングサム（running sum）、もしくはイベントカウンタを使用して、またはその他の適切な技法を使用して実行できる。さらに、この平均の時定数は、０．１秒から１．０秒の範囲内とすることができ、起こり得るアーク故障表示が適正な時間内に生じるのを可能にする。ステップ３１２に示すように、プロセッサ２１２は、それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超えるかどうかを判定する。それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超える場合、実際のアーク放電が生じたと想定され、プロセッサ２１２は、ステップ３１４に示すように、アーク故障表示２１８を発生させる。そうでない場合には、方法３００ａはステップ３０２に戻る。

ＰＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第２の例示的な方法３００ｂを、図２と同様に図３ｂを参照して以下に説明する。方法３００ｂを使用して、システム２００は、実際のアーク放電と、グリッドタイインバータの負荷などの非常に雑音の多い負荷とをより確実に区別できる。ステップ３１６に示すように、プロセッサ２１２は、３つの変数、すなわちＡＰＣ、ＡＰＤＦ、および平均パルス幅変調（ＡＰＤＭ）の値を各時間間隔の最後に算出する。例えば、プロセッサ２１２は、時間間隔を４分の１に隔てた各時間間隔の間の４つのＰＤ測定、ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を行い、各時間間隔の最後に、次のようにＡＰＤＭを算出することによって、またはその他の適切な技法によって、ＡＰＤＭを算出することができる。
ＡＰＤＭ＝｜ＡＰＤ１＋ＡＰＤ２−ＡＰＤ３−ＡＰＤ４｜＋｜ＡＰＤ１−ＡＰＤ２−ＡＰＤ３＋ＡＰＤ４｜ （１）
上式において、複数の時間間隔にわたり、「ＡＰＤ１」はそれぞれの「ＰＤ１」測定の平均であり、「ＡＰＤ２」はそれぞれの「ＰＤ２」測定の平均であり、「ＡＰＤ３」はそれぞれの「ＰＤ３」測定の平均であり、「ＡＰＤ４」はそれぞれの「ＰＤ４」測定の平均である。例えば、各４分の１間隔の測定のこのような平均は、複数の時間間隔にわたりローパスフィルタを使用して実行できる。さらに、各時間間隔は、ＡＣグリッドサイクル期間の２分の１またはその付近とすることができ、例えば、６０Ｈｚまたは５０ＨのＡＣグリッドについては１／（２＊５５Ｈｚ）とすることができる。ステップ３１８に示すように、プロセッサ２１２は、各時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超えるかどうか、ならびに比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えるかどうかを判定する。それぞれの時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えると判定される場合、その時間間隔は、実際のアーク放電事象が生じたであろう間隔であるとみなされる。例えば、プロセッサ２１２が、それぞれの時間間隔の間に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えると判定する場合、プロセッサ２１２は、ステップ３２０に示すように、出力「１」またはその他の適切な出力を発生させ得る。そうでない場合には、プロセッサ２１２は、ステップ３２２に示すように、出力「０」またはその他の適切な出力を発生させ得る。ステップ３２４に示すように、プロセッサ２１２は、複数の時間間隔にわたって発生された出力（１および／または０）を平均する。ステップ３２６に示すように、プロセッサ２１２は、それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超えるかどうかを判定する。それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超える場合には、実際のアーク放電が生じたと想定され、プロセッサ２１２は、ステップ３２８に示すように、アーク故障表示２１８を発生させる。そうでない場合には、方法３００ｂはステップ３１６に戻る。

ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する第３の例示的な方法３００ｃを、図２と同様に図３ｃを参照して以下に説明する。方法３００ｃは、ＤＣ電力システムにおいて、アーク放電対負荷ノイズを表す、いくつかの最小レベルの正規化された平均的な変動が存在することを確実にする方法を提供する。ステップ３３０に示すように、プロセッサ２１２は、各予め決められた時間間隔の最後に、５つの変数、すなわち、ＡＰＣ、ＡＰＤＦ、ＡＰＤＭ、平均的なパルス幅（ＡＰＤ）、および平均的なパルスカウント変動（ＡＰＣＦ）の値を算出する。例えば、プロセッサ２１２は、直近の時間間隔のＰＣと、直近の時間間隔より前の１つまたは２つの間隔で生じる時間間隔のＰＣとの差の絶対値を取ることにより、またはその他の適切な技法により、ＡＰＣＦを算出できる。ステップ３３２に示すように、プロセッサ２１２は、各時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超えるか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えるか、比ＡＰＣＦ／ＡＰＣが第３の特定の閾値Ｃ３を超えるか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤが第４の特定の閾値Ｃ４を越えるか、ＡＰＣが第５の特定の閾値Ｃ５を超えるか、ならびに、ＡＰＤが第６特定の閾値Ｃ６を超えるかを判定する。それぞれの時間間隔の最後に、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超え、比ＡＰＣＦ／ＡＰＣが第３の特定の閾値Ｃ３を超え、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤが第４の特定の閾値Ｃ４を越え、ＡＰＣが第５の特定の閾値Ｃ５を超え、ならびに、ＡＰＤが第６特定の閾値Ｃ６を超える場合、そのような時間間隔は実際のアーク放電事象が生じたであろう間隔であると見なされる。それゆえ、プロセッサ２１２は、ステップ３３４に示すように、出力「１」またはその他の適切な出力を発生させる。そうでない場合には、プロセッサ２１２は、ステップ３３６に示すように、出力「０」またはその他の適切な出力を発生させる。ステップ３３８に示すように、プロセッサ２１２は複数の時間間隔にわたって発生された出力（１および／または０）を平均する。ステップ３４０に示すように、プロセッサ２１２は、それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超えるかどうかを判定する。それぞれの出力の平均が特定の閾値出力値Ｃ０を超える場合、実際のアーク放電が生じたと想定され、ステップ３４２に示すように、プロセッサ２１２はアーク故障表示２１８を発生させる。そうでない場合には、方法３００ｃはステップ３３０に戻る。

ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する、開示するシステムおよび方法は、以下の例証的な実施形態ならびに図１、図２、図３ａ、図３ｂ、図４ａ〜図４ｂ、図５ａ〜図５ｃおよび図６ａ〜図６ｃを参照して、さらに下記で説明される。第１の例では、直列アーク放電が、ＤＣ電力システムにおいてパルス幅変動（ＰＤＦ）とパルス幅変調（ＰＤＭ）の両方の原因となり得ることを説明する。図４ａは、インバータ負荷とすることのできる負荷１０６が起動する間に、ライン２１４上で比較器２０８によって発生される例示的なパルスストリーム４００を示す。この第１の例では、このようなインバータ負荷は、約６０Ｈｚに相当する周波数を有することのできるＡＣグリッドに接続できる。図４ａに示すように、パルスストリーム４００は、一連のパルスバースト４０１、４０２、４０３、４０４を含み、これらは、インバータ負荷が起動する間に生成される負荷スイッチングノイズを一般に表す。各パルスバースト４０１、４０２、４０３、４０４は、１／（２＊６０Ｈｚ）または約８．３３３３μ秒（マイクロ秒）の予め決められた時間間隔内で発生する。図４ｂは、パルスバースト４０１、４０２、４０３、４０４のうちの１つに含むことのできる、一連の例示的なパルス４１０を示す。図４ｂに示すように、それぞれのパルス４１０の期間および幅の両方は、一般に均一である。

図４ｃは、連続的なインバータノイズが存在する下での直列アーク放電中にライン２１４上で比較器２０８によって発生される例示的なパルスストリーム４２０を示す。図４ｃに示すように、パルスストリーム４２０は、一連のパルスバースト４１１、４１２、４１３、４１４を含み、これらは約８．３３３μ秒の予め決められた時間間隔内で生じる。図４ｃにさらに示すように、直列アーク放電は、追加のパルスバースト４１６をパルスバースト４１２、４１３の間に生じさせた。直列アーク放電によって引き起こされた追加のパルスバースト４１６は、負荷スイッチングノイズにより生じる周期的なパルスバースト４１１、４１２、４１３、４１４と同期しないことに留意されたい。直列アーク放電が、パルスバースト４１２、４１３の間に追加のパルスバーストを生じさせたので、このような直列アーク放電は、パルスストリーム４２０内で時間間隔ごとにいくつかのＰＤＦを生じさせた。

図４ｄは、パルスバースト４１１、４１２、４１３、４１４のうちの１つに含むことのできる一連の例示的なパルス４３０を示す。直列アーク放電の間に発生した一連のパルス４３０を、インバータ負荷が起動する間に発生した一連のパルス４１０と比較することにより、直列アーク放電が一連のパルス４３０内にいくつかのＰＤＭも引き起こしたことが観察できる。それぞれのパルス４３０の幅が、パルス４１０の幅よりも一般に狭く、これにより、インバータ負荷が起動する間に生成されたパルス４１０は、継続的なインバータ負荷のノイズが存在する下での直列アーク放電の間に生成されたパルス４３０よりも強いものとすることができることが示される点に留意されたい。それでもなお、アーク放電の一般的な不規則性は、より均一の負荷スイッチングノイズよりも大きなＰＤＦおよび／またはＰＤＭを生成可能であることが観察できる。

第２の例において、時間間隔ごとのパルスカウント（ＰＣ）と時間間隔ごとのパルス幅（ＰＤ）の両方は、連続的なインバータ負荷が存在する下でのアーク放電の間よりも、インバータ負荷が起動する間でより大きくなり得、それゆえ、時間間隔ごとに測定されたＰＣおよび／またはＰＤの分析それだけでは、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズを確実に区別するのは不十分であろう。図５ａは、５から１５の番号を付けた複数の例示的な時間間隔で、プロセッサ２１２によって測定されたパルスカウントを示す。図５ａに示すように、インバータ負荷が起動する間の時間間隔ごとの測定されたＰＣは、一般に、約２０〜３０カウントの範囲内にあり、他方で、直列アーク放電の間の時間間隔ごとの測定されたＰＣは、直列アーク放電の間に測定されたＰＣが２０カウントと３０カウントの間である時間間隔１１を除いて、一般に、約１０〜２０カウントの範囲内にある。図５ｂは、５から１５の番号を付けた例示的な時間間隔でプロセッサ２１２によって測定されたパルス幅を示す。図５ｂに示すように、インバータ負荷が起動する間の時間間隔ごとの測定されたＰＤは、一般に、約２００〜３００μ秒の範囲内にあり、他方で、直列アーク放電の間の時間間隔ごとの測定されたＰＤは、直列アーク放電の間に測定されたＰＤが１００μ秒から２００μ秒の間にある時間間隔１１を除いて、一般に約０〜１００μ秒の範囲内にある。

図５ｃは、５から１５の番号を付けた例示的な時間間隔でプロセッサ２１２によって算出されたパルス幅変動（ＰＤＦ）を示す。第１の例示的な方法３００ａに関して本明細書において述べるように、プロセッサ２１２は、直近の時間間隔のＰＤと、直近の時間間隔より前の１つまたは２つ以上の時間間隔で生じる時間間隔のＰＤとの差の絶対値を取ることによって、各時間間隔の最後にＰＤＦを算出できる。図５ｃに示すように、インバータ負荷が起動する間に算出されたＰＤＦは、一般に０〜１０μ秒の範囲内にある。ただし、算出されたＰＤＦがちょうど２０μ秒以上である時間間隔５、約３０μ秒である時間間隔７、ちょうど約１０μ秒以上である時間間隔１１、および１０μ秒と２０μ秒である時間間隔１５はそれぞれ例外である。図５ｃにさらに示すように、直列アーク放電の間に算出されたＰＤＦも一般に０〜１０μ秒の範囲内にある。ただし、算出されたＰＤＦが約４０μ秒以上である時間間隔１１、４０μ秒と５０μ秒の間である時間間隔１３、１０μ秒と２０μ秒の間である時間間隔１４、および約２０μ秒である時間間隔１５は例外である。従って、図５ｃに示す算出されたＰＤＦに基づいて、時間間隔ごとの算出されたＰＤＦの分析それだけでは、やはり、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズを確実に区別するには不十分であろう。

第３の例において、各時間間隔の最後に、少なくとも比ＰＤＦ／ＰＣを分析することは、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズを確実に区別するのに十分であろうことが実証される。図６ａは、プロセッサ２１２によって判定された、５から１５の番号を付けた各例示的な時間間隔の最後での比ＰＤＦ／ＰＣを示す。図６ａに示すように、直列アーク放電の間に判定された比ＰＤＦ／ＰＣは、インバータ負荷が起動する間に判定された、対応する比ＰＤＦ／ＰＣよりも著しく大きい（例えば、時間間隔６および８から１５の比ＰＤＦ／ＰＣをそれぞれ参照）。比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが（第１の例示的な方法３００ａのステップ３０４について本明細書に述べたように）各番号を付けた時間間隔の最後に判定される場合は、直列アーク放電の間に判定されたこのような比ＡＰＤＦ／ＡＰＣは、やはり、インバータ負荷が起動する間に判定された、対応する比ＡＰＤＦ／ＡＰＣよりも著しく大きいであろう。さらに、プロセッサ２１２が各番号を付けた時間間隔の最後にまずＡＰＤＦおよびＡＰＣを算出し、その後、各番号を付けた時間間隔の比ＡＰＤＦ／ＡＰＣを判定したならば、直列アーク放電の間に判定されたこのような比ＡＰＤＦ／ＡＰＣは、同様に、インバータ負荷が起動する間に判定された、対応する比ＡＰＤＦ／ＡＰＣよりも著しく大きいであろう。従って、図６ａに示した比ＰＤＦ／ＰＣに基づいて、各時間間隔の最後に少なくとも比ＰＤＦ／ＰＣを分析することは、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズとをより高い信頼性をもって区別するのに十分であろうと結論付けることができる。

この第３の例において、各時間間隔の最後に少なくとも比ＰＤＦ／ＰＤＭを分析することが、やはり、ＤＣアークと、グリッドタイインバータ負荷などの非常にノイズの多い負荷とを確実に区別するのに十分であろうことをさらに実証する。図６ｂは、プロセッサ２１２によって測定された、５から１５の番号を付けた例示的な時間間隔の、４分の１の時間間隔ごとのＰＤを示す。図６ｂに示すように、各時間間隔のＰＤの大部分は、それぞれの時間間隔のわずかな間に生じる。例えば、番号を付けた時間間隔のそれぞれで、約２５０μ秒から３００μ秒の範囲に及ぶ大部分のＰＤは、それぞれの間隔の開始頃の時間間隔のわずかな間で生じる。図６ｂに示した４分の１の時間間隔ごとの測定されたＰＤに基づいて、第３の例示において、例えば２ｘ６０Ｈｚまたは１２０Ｈｚといった、グリッド周波数の約２倍で著しいパルス幅変調（ＰＤＭ）があり得ると結論付けることができる。

図６ｃは、５から１５の番号を付けた例示的な時間間隔でプロセッサ２１２によって判定された比ＰＤＦ／ＰＤＭを示す。ＡＰＤＭの算出と同様に、第２の例示的な方法３００ｂについて本明細書に説明するように、ＰＤＭは、各番号を付けた時間間隔の間に、時間間隔の４分の１に分けた４つのＰＤ、ＰＤ１、ＰＤ２、ＰＤ３、ＰＤ４を測定し、以下のように時間間隔の最後にＰＤＭを算出することにより、またはその他の手適切な技法により、算出することができる。
ＰＤＭ＝｜ＰＤ１＋ＰＤ２−ＰＤ３−ＰＤ４｜＋｜ＰＤ１−ＰＤ２−ＰＤ３＋ＰＤ４｜ （２）
図６ｃに示すように、直列アーク放電の間に判定される比ＰＤＦ／ＰＤＭは、一般に、インバータ負荷が起動する間に判定される、対応する比ＰＤＦ／ＰＤＭよりも著しく大きい（例えば、時間間隔６および８〜１５のそれぞれのＰＤＦ／ＰＤＭを参照。）比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが、（第２の例示的な方法３００ｂのステップ３１８に関して本明細書に述べるように）各番号を付けた時間間隔の最後に判定された場合、直列アーク放電の間に判定されたこのような比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭは、やはり、インバータ負荷が起動する間に判定された対応する比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭよりも著しく大きいであろうことに留意されたい。さらに、プロセッサ２１２が、各番号を付けた時間間隔の最後にＡＤＰＦおよびＡＤＭをまず算出し、その後に各時間間隔の比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭを判定する場合、直列アーク放電の間に判定されたこのような比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭは、同様に、インバータ負荷が起動する間に判定された、対応する比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭよりも著しく大きいであろう。従って、図６ｃに示した比ＰＤＦ／ＰＤＭに基づいて、各時間間隔の最後に少なくとも比ＰＤＦ／ＰＤＭを分析することが、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズとをより高い信頼性をもって区別するのに十分であると結論付けることができる。

ＤＣ電源システムにおけるアーク放電を検出する、開示したシステムおよび方法の上記の例示的な実施形態を説明したが、その他の代替的な実施形態または修正形態を実行することができる。例えば、比ＡＰＤＦ／ＡＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超えるか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えるか、比ＡＰＣＦ／ＡＰＣが第３の特定の閾値Ｃ３を超えるか、比ＡＰＤＦ／ＡＰＤが第４の特定の閾値Ｃ４を超えるか、ＡＰＣが第５の特定の閾値Ｃ５を超えるか、および／またはＡＰＤが第６の特定の閾値Ｃ６を超えるか、をプロセッサ２１２は複数の予め決められた時間間隔の最後に判定できることを、例えば第３の例示的な方法３００ｃに関して本明細書において説明した。いくつかの実施形態では、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の検出は、代替的に、それぞれの時間間隔の最後に、比ＰＤＦ／ＰＣが第１の特定の閾値Ｃ１を超えるか、比ＰＤＦ／ＰＤＭが第２の特定の閾値Ｃ２を超えるか、比ＰＣＦ／ＰＣが第３の特定の閾値Ｃ３を超えるか、比ＰＤＦ／ＰＤが第４の特定の閾値Ｃ４を超えるか、ＰＣが第５の特定の閾値Ｃ５を超えるか、および／またはＰＤが第６の特定の閾値Ｃ６を超えるかを判定することに基づくものとできる。

電流センサ２０２が、ＤＣ電力システムの電流出力をモニタする変流器として実行できることも、本明細書において説明した。いくつかの実施形態では、電流センサ２０２は、適切な回路を有するＡＣ検出変流器としても機能することのできるＤＣ電流センサを使用して実行できる。ＤＣ電流センサによって提供されるＤＣ電流データは、電力システムノイズに関するアーク故障検出を改善させるように、高周波数ＡＣ電流情報を増大できる。さらに、いくつかの実施形態では、ＤＣ電力システムの電圧出力が、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する電流出力の代わりにモニタされ得る。このような実施形態は、直列アーク放電と並列アーク放電を良好に区別するように、電力システム電流データだけでなく電力システム電圧データも用いることができる。さらに、いくつかの実施例では、電流センサ２０２は、ＤＣ電力線に接続され得るＡＣ電圧データと置換することができる。このようなＡＣ電圧センサは、ＤＣ電力システムと、１つまたは複数のＡＦＤとの電気的な絶縁を提供する、キャパシタ結合の変流器として実行できる。

また、ＰＶシステム１００が、アーク放電が検出された際に、このようなアーク放電を消滅させるのに用いることのできるＤＣ切断スイッチ１１２を含むことができる点を、本明細書において説明した。いくつかの実施形態では、このようなアーク放電を消滅させるために、ＰＶシステムは、１つまたは複数のＰＶパネルを切断するための、１つまたは複数のＰＶモジュール内の固体スイッチ、１つまたは複数のＰＶストリングを負荷から切断するための、コンバイナボックス内の１つまたは複数の接触器または回路遮断器、および／または負荷をオープン／ショートするための１つまたは複数のメカニズムを含む。

また、ＰＶシステム１００が、コンバイナボックス１０４を含むことができることも本明細書において説明した。いくつかの実施例では、このようなＰＶシステムは、コンバイナボックスなしで実行することもでき、これにより、１つまたは複数のＰＶストリングは負荷に直接的に接続可能である。

さらに、ＤＣ電力システムにおいてアーク放電を検出する例示的な方法３００ａ、３００ｂ、３００ｃに用いられた比は、一般に、複素数除算の演算を使用する必要はないが、例えば、特定の閾値をそれぞれの比の分母で乗算した後に、条件テストを用いて実行され得る。より複雑なテストがこれらの比のうちの２つ以上を組み合わせることによって規定することができることにさらに留意されたい。例えば、２つの比、ＡＰＤＦ／ＡＰＣおよびＡＰＤＦ／ＡＰＤＭは、単一の比ＡＰＤＦ^２／ＡＰＣ／ＡＰＤＭを形成するように組み合わせることができる。同様に、２つの比、ＰＤＦ／ＰＤＣおよびＰＤＦ／ＰＤＭは、単一の比ＰＤＦ^２／ＰＣ／ＰＤＭを形成するように組み合わせることができる。これらの比のその他の適切な組み合わせも、ＤＣアークと負荷スイッチングノイズを良好に区別するのに用いることができる。

本明細書において説明した１つまたは複数の実施形態は、各ＰＶモジュールまたはＰＶストリングが、その最大の電力ポイントで動作するようにＤＣ−ＤＣ変換を調整するオプティマイザなどのＰＶ負荷と、各ＰＶモジュールがその最大の電力ポイントで動作するようにＤＣ−ＡＣ変換を調整するマイクロインバータと、１つまたは複数のＰＶストリングに接続されたＤＣ−ＡＣインバータとを含むことができる。本明細書において説明した実施形態は、各ＰＶモジュールに取り付けられたアーク故障検出器（ＡＦＤ）と組み合わせることもでき、また、地絡検出器とともに使用することもできる。

さらに、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステム２００（図２参照）は、電流センサ２０２、整流器２０４、フィルタ２０６、比較器２０８、パルス積分器２１０、およびプロセッサ２１２を含むことができ、電流センサ２０２は、ＤＣ電力システムの電流出力をモニタする変流器として実行できる点を本明細書において説明した。いくつかの実施形態では、ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムは、ＤＣ電力システムにおける直列アークの改良された検出を提供するように、複数のこのような電流センサを含むことができる。

図７は、ＤＣ電力システムにおけるホームランケーブルまたはその他の適切な配線ラン上のアーク放電を検出する例示的なシステム７００を示す。図７に示すように、システム７００は、複数の電流センサ７０２．１〜７０２．４、整流器７０４、フィルタ７０６、比較器７０８、パルス積分器７１０およびプロセッサ７１２を含む。例えば、複数の電流センサ７０２．１〜７０２．４は、それぞれ、ＤＣ電力システムの電流出力をモニタする変流器として実行することができる。システム７００の動作は、システム７００が４つの電流センサ７０２．１〜７０２．４を使用して動作することを除いて、システム２００（図２参照）の動作と同様である。図７は、システム７００が説明の目的のために４つの電流システム７０２．１〜７０２．４を含むことを示しており、システム７００は、代替的に、任意のその他の適切な数のこのような電流センサを含むことができることに留意されたい。

システム７００は、下記の例証的な説明および図７を参照してさらに理解されよう。この例において、４つの電流センサ７０２．１〜７０２．４は並列に接続されて、合計１２本またはその他の適切な数のこのようなＰＶストリングを含むことのできるホームランケーブル上で４つのＰＶストリングをそれぞれモニタする。さらに、この例において、直列アーク放電は約３アンペア（ＡＣ）の電流変動を有するホームランケーブル上に生じると想定される。同じインピーダンスと仮定すると、ホームランケーブル上の１２本のＰＶストリングのそれぞれは、それゆえ、約３／１２または０．２５アンペア（ＡＣ）のアーク電流を受け取る。それぞれの電流センサ７０２．１〜７０２．４によってモニタされる４つのＰＶストリングに関して、電流センサ７０２．１によってモニタされる第１のＰＶストリングは、約０．２５アンペア（ＡＣ）のアーク電流Ｉ_１を受け取り、電流センサ７０２．２によってモニタされる第２のＰＶストリングは、約０．２５アンペア（ＡＣ）のアーク電流Ｉ_２を受け取り、電流センサ７０２．３によってモニタされる第３のＰＶストリングは、約０．２５アンペア（ＡＣ）のアーク電流Ｉ_３を受け取り、電流センサ７０２．４によってモニタされる第４のＰＶストリングは、約０．２５アンペア（ＡＣ）のアーク電流Ｉ_４を受け取る。しかし、４つの電流センサ７０２．１〜７０２．４が並列に接続されるので、全波整流器７０４に提供される結合されたアーク電流は、約４＊０．２５または１アンペア（ＡＣ）である。

システム７００（図７参照）内の全波整流器７０４にレベルの上昇したアーク電流を提供するために、並列に接続された４つの電流センサ７０２．１〜７０２．４を用いることにより、ホームランケーブルまたはその他の適切な配線ラン上の直列アーク放電の検出の改善が達成できる。図７は並列に接続された４つの電流センサ７０２．１〜７０２．４を示しているが、任意の適切の数のこのような電流センサが、並列、直列、または並列／直列相互接続のその他の適切な組み合わせで接続され得ることに留意されたい。約３アンペア（ＡＣ）の電流変動を有するこのような直列アーク放電が、説明目的のために上記で説明されたが、システム７００がその他の適切なレベルの直列アーク放電を検出するのに用いることができることにさらに留意されたい。

図８は、ＤＣ電力システムにおける、ホームランケーブルまたはその他の適切な配線ラン上のアーク放電を検出する別の例示的なシステム８００を示す。システム７００（図７参照）の代替的な実施形態であるシステム８００は、複数のＰＶストリングを有するＰＶシステムに用いられるアーク故障検出デバイスにおいてアークノイズ伝搬の影響を削減するのに使用できる。例えば、アーク放電が、複数のＰＶストリングのうちの最初の１つ（第１のＰＶストリング）に対応する導線上の場所で生じる場合、第１のＰＶストリング上のアーク放電のものと同様のアーク電流の特徴（例えば直列アーク放電）を有するアーク放電は、第１のＰＶストリングに隣接する少なくとも１つのＰＶストリングに対応する導線上の場所で生じることができる。隣接するＰＶストリングに対応する導線上で生じ得るこのようなアーク放電は（このようなアーク放電を、本明細書では「隣接する導線のクロストーク」とも称する）、一般にＰＶシステム内のインピーダンスの分配によるものであり、かつ、それぞれのＰＶストリングのインピーダンスに応じて、振幅および位相シフトが減少したものと通常は特徴付けられる。図８のシステム８００は、ＰＶシステム内のこのような隣接する導線のクロストークを効果的に相殺する（打ち消す）ように構成される。この方法において、ＰＶストリングレベルで、直列アーク放電などのアーク放電を検出するアーク故障検出デバイスの機能を改善することができる。

図８に示すように、システム８００は、並列接続された複数の電流センサ８０２．１〜８０２．４、整流器８０４、フィルタ８０６、比較器８０８、パルス積分器８１０、およびプロセッサ８１２を含む。例えば、複数の電流センサ８０２．１〜８０２．４は、それぞれ、ＰＶシステムにおけるＰＶストリングの電流出力をモニタする変流器として実行できる。システム８００の動作は、システム７００（図７参照）の動作と同様である。しかし、システム７００内の電流センサ７０２．１〜７０２．４が同じ極性（例えば、同じ「Ｎ」極または「Ｓ」極）を有して構成されるのに対し、隣接するＰＶストリングの電流出力をモニタするシステム８００内の電流センサ８０２．１〜８０２．４は、逆の極性を有して構成される。例えば、隣接するＰＶストリングをモニタする電流センサ８０２．１、８０２．２は、それぞれ逆のＳ極およびＮ極を有して構成することができ、隣接するＰＶストリングをモニタする電流センサ８０２．２、８０２．３は、それぞれ逆のＮ極およびＳ極を有して構成することができ、隣接するＰＶストリングをモニタする電流センサ８０２．３、８０２．４は、それぞれ逆のＳ極およびＮ極を有して構成することができる。

電流センサ８０２．１、８０２．２は、代替的にそれぞれ逆のＮ極およびＳ極を有して構成してもよく、電流センサ８０２．２、８０２．３は、代替的にそれぞれ逆のＳ極およびＮ極を有して構成してもよく、また、電流センサ８０２．３、８０２．４は、代替的にそれぞれ逆のＮ極およびＳ極を有して構成してもよいことに留意されたい。図８は、説明の目的のために４つの電流センサ８０２．１〜８０２．４を含んでおり、システム８００が、ＰＶシステムにおけるその他の適切な数のＰＶストリングの電流出力をモニタする、その他の適切な数のこのような電流センサを代替的に含んでもよいことにさらに留意されたい。さらに、図８は並列に接続された４つの電流センサ８０２．１〜８０２．４を示しているが、その他の適切な数のこのような電流センサは、並列、直列、または並列／直列相互接続の任意の組み合わせで接続することができる。

システム８００は、以下の説明的な例および図８を参照してさらに理解されよう。第１の例において、電流センサ８０２．１、８０２．２、８０２．３、８０２．４は、合計１２本またはその他の適切な数のＰＶストリングを含むことのできるホームランケーブル上で、それぞれ第１のＰＶストリング、第２のＰＶストリング、第３のＰＶストリング、および第４のＰＶストリングをモニタするように並列に接続される。それぞれの電流センサ８０２．１〜８０２．４によってモニタされる４つのＰＶストリングに関して、第１のＰＶストリングは第２のＰＶストリングにのみ隣接しており、第２のＰＶストリングは、第１のＰＶストリングと第３のＰＶストリングの両方に隣接しており、第３のＰＶストリングは、第２のＰＶストリングと第４のＰＶストリングの両方に隣接しており、第４のＰＶストリングは、第３のＰＶストリングにのみ隣接している。

この第１の例では、直列アーク放電は、第１のＰＶストリングに対応する導線上の場所で生じると想定される。このような直列アーク放電に応答して、第１のＰＶストリングに応答する導線は、電流センサ８０２．１の主巻線（Ｌ５）上へアーク電流Ｉ_ｐ１を流し、これは電流センサ８０２．１の２次巻線（Ｌ６）上でアーク電流Ｉ_ｓ１となる。第１のＰＶストリングが、第２のＰＶストリングに隣接するので、隣接する導線のクロストークが第１のＰＶストリングと第２のＰＶストリングの間で発生する。このような隣接する導線のクロストークに応答して、第２のＰＶストリングに対応する導線は、電流センサ８０２．２の主巻線（Ｌ１）上にアーク電流Ｉ_ｐ２を流し、これは、電流センサ８０２．２の２次巻線（Ｌ２）上でアーク電流Ｉ_ｓ２となる。

電流センサ８０２．１および８０２．２は、それぞれ逆のＳ極およびＮ極を有して構成されるので、電流センサ８０２．１の２次巻線（Ｌ６）上のアーク電流Ｉ_ｓ１は、電流センサ８０２．２の２次巻線（Ｌ２）上でアーク電流Ｉｓ２に対して１８０度の位相シフトを有する。電流センサ８０２．１によってモニタされる第１のＰＶストリング、および電流センサ８０２．２によってモニタされる第２のＰＶストリングが、実質的に同一のインピーダンスを有し、かつ、それぞれの電流センサ８０２．１、８０２．２が実質的に同じ特性を有すると仮定すると、第１のＰＶストリングと第２のＰＶストリングの間のこのような隣接するクロストークから生じるコモンモードの電流ノイズは、アーク電流Ｉ_ｓ２に対するアーク電流Ｉ_ｓ１の１８０度の位相シフトにより、アーク電流Ｉ_ｓ１、Ｉ_ｓ２の組み合わせにおいて（例えば、組み合わされた電流Ｉ_{ｃｏｍｂｉｎｅｄ}において：図８参照）、相殺されるであろう。電流センサ８０２．３および８０２．４もそれぞれ逆のＳ極およびＮ極を有して構成されるので、第３のＰＶストリングと第４のＰＶストリングの間の隣接する導線のクロストークから生じるコモンモードの電流ノイズは、同じ方法で相殺されるであろう。

第２の例において、直列アーク放電は第２のＰＶストリングに対応する導線の場所で生じると想定される。このような直列アーク放電に応答して、第２のＰＶストリングに対応する導線は、電流センサ８０２．２の主巻線（Ｌ１）上にアーク電流Ｉ_ｐ２を流し、これは電流センサ８０２．２の２次巻線（Ｌ２）上でアーク電流Ｉ_ｓ２となる。第２のＰＶストリングが第１のＰＶストリングに隣接するので、隣接する導線のクロストークが、第２のＰＶストリングと第１のＰＶストリングの間に生じる。第２のＰＶストリングと第１のＰＶストリングの間のこのような隣接する導線のクロストークに応答して、第１のＰＶストリングに対応する導線は、電流センサ８０２．１の主巻線（Ｌ５）上にアーク電流Ｉ_ｐ１を流し、これは電流センサ８０２．１の２次巻線（Ｌ６）上でアーク電流Ｉ_ｓ１となる。さらに、第２のＰＶストリングは第３のＰＶストリングにも隣接するので、隣接する導線のクロストークが、第２のＰＶストリングと第３のＰＶストリングの間で生じる。第２のＰＶストリングと第３のＰＶストリングの間のこのような隣接する導線のクロストークに応答して、第３のＰＶストリングに対応する導線は、電流センサ８０２．３の主巻線（Ｌ３）上にアーク電流Ｉ_ｐ３を流し、これは電流センサ８０２．３の２次巻線（Ｌ４）上でアーク電流Ｉ_ｓ３となる。

電流センサ８０２．２および８０２．１が、それぞれ逆のＮ極およびＳ極を有して構成されるので、電流センサ８０２．２の２次巻線（Ｌ２）上のアーク電流Ｉ_ｓ２は、電流センサ８０２．１の２次巻線（Ｌ６）上のアーク電流Ｉ_ｓ１に対して１８０度の位相シフトを有する。第１の例と同様に、第１のＰＶストリングおよび第２のＰＶストリングが実質的に同一のインピーダンスを有し、かつそれぞれの電流センサ８０２．１、８０２．２が実質的に同一の特性を有すると仮定すると、第２のＰＶストリングと第１のＰＶストリングの間の隣接する導線のクロストークによって生じるコモンモードの電流ノイズは、アーク電流Ｉｓ１に対するアーク電流Ｉｓ２の１８０度の位相シフトにより、アーク電流Ｉ_ｓ２、Ｉ_ｓ１の組み合わせにおいて（すなわち、組み合わされた電流Ｉ_{ｃｏｍｂｉｎｅｄ}において：図８参照）相殺されるであろう。

同様に、電流センサ８０２．２および８０２．３がそれぞれ逆のＮ極およびＳ極を有して構成されるので、電流センサ８０２．２の２次巻線（Ｌ２）上のアーク電流Ｉ_ｓ２は、電流センサ８０２．３の２次巻線（Ｌ４）上のアーク電流Ｉ_ｓ３に対して１８０度の位相シフトを有する。第２のＰＶストリングおよび第３のＰＶストリングが実質的に同じインピーダンスを有し、かつ、それぞれの電流センサ８０２．２、８０２．３が実質的に同じ特性を有すると仮定すると、第２のＰＶストリングと第３のＰＶストリングの間のこのような隣接する導線のクロストークから生じるコモンモードの電流ノイズも、アーク電流Ｉ_ｓ３に対するアーク電流Ｉ_ｓ２の１８０度の位相シフトにより、アーク電流Ｉ_ｓ２、Ｉ_ｓ３の組み合わせにおいて（すなわち、結合された電流Ｉ_{ｃｏｍｂｉｎｅｄ}において：図８参照）相殺されるであろう。電流センサ８０２．３および８０２．２が逆の極性（Ｓ極、Ｎ極）を有して構成され、電流センサ８０２．３および８０２．４も逆の極性（Ｓ極、Ｎ極）を有して構成されるので、第３のＰＶストリングと第２のＰＶストリングの間、および第３のＰＶストリングと第４のＰＶストリングの間の隣接する導線のクロストークから生じるコモンモードの電流ノイズは、同じ方法で相殺されるであろう。

ＰＶシステムにおいて隣接するＰＶストリングの電流出力をモニタするシステム８００（図８参照）内の電流センサ８０２．１〜８０２．４が、隣接するＰＶストリング間の隣接する導線のクロストークを効果的に相殺するように、逆の極性を有して構成できることを上記で説明した。一実施形態では、ＰＶシステムにおいて隣接するＰＶストリグの電流出力をモニタする電流センサ８０２．１〜８０２．４は、代替的に同じ極性（例えば同じＮ極またはＳ極）を有して構成してもよく、それぞれの隣接するＰＶストリングに対応する導線は、反対方向に電流を提供するように構成および配置してもよい。この方法で、隣接するＰＶストリング間の隣接する導線のクロストークによって生じるコモンモードの電流ノイズも、方向性の対向する電流を結果的に組み合わせることで効果的に相殺できる。

本明細書において説明した１つまたは複数の実施形態が、ソフトウェアおよび／またはハードウェアの多種多様な形態で実行できることが明らかとなろう。例えば、本明細書において説明した１つまたは複数の実施形態は、１つまたは複数のコンピュータデバイス、ハードウェアプロセッサ、および／または同様のもののうちの適切な構成を含んで、本明細書において説明した一部または全部のシステムおよび／または方法を実行および／またはサポートすることができる。さらに、１つまたは複数のコンピュータデバイス、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ等は、本明細書において説明したシステムおよび方法を実行するようにプログラムおよび／または構成することができる。

ＤＣ電力システムにおいてアーク放電を検出する、上記のシステムおよび方法の修正形態及び変形形態が、本明細書において開示した発明の概念から逸脱することなく実行できることを当業者は理解するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲および精神によって限定される場合を除いて、限定的に解釈されるべきでない。

Claims (21)

1. ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出する方法であって、
   少なくとも２つの逆の極性を有する電流センサによって少なくとも２つの電流出力をそれぞれ監視し、前記少なくとも２つの電流出力は、前記ＤＣ電力システム内の少なくとも２つの隣接する導体上の各電流センサによる監視のために提供され、
   前記少なくとも２つの電流出力を結合し、結合された電流出力を提供し、
   時間上の前記結合された電流出力の少なくとも１つの変化（ｄｉ／ｄｔ）に応答して１つまたは複数のパルスを生成し、
   プロセッサにより、前記ＤＣ電力システム内のアーク放電の存在を判定するように前記それぞれのパルスを処理し、
   前記プロセッサにより、前記ＤＣ電力システム内のアーク放電の存在を示す出力を生成する、方法。
2. 前記それぞれのパルスが関連する幅を有し、方法はさらに、
   プロセッサにより、少なくとも１つの予め決められた時間間隔におけるパルスの数をカウントし、当該予め決められた時間間隔のパルスカウントを提供し、
   前記プロセッサにより、前記予め決められた時間間隔における前記それぞれのパルスの幅の変動を測定し、
   前記プロセッサにより、前記パルスカウントに対する前記それぞれのパルスの幅の変動の第１の比を算出し、
   前記プロセッサにより、前記第１の比に少なくとも一部に基づき、前記ＤＣ電力システム内のアーク放電の存在を判定し、
   前記プロセッサにより、前記ＤＣ電力システム内のアーク放電の存在を示す出力を生成する、請求項１に記載の方法。
3. アーク放電の存在を判定することは、前記第１の比が第１の特定の閾値を超えると判定することを含む、請求項２に記載の方法。
4. パルスの数をカウントすることが、それぞれの予め決められた時間間隔のパルスカウントを提供するように、複数の予め決められた時間間隔のそれぞれにおいてパルスの数をカウントすることを含み、前記それぞれのパルスの幅の変動を測定することが、前記それぞれの予め決められた時間間隔における前記それぞれのパルスの幅の変動を測定することを含む、
   請求項２に記載の方法。
5. 前記第１の比を算出することが、各予め決められた時間間隔の後に前記パルスカウントの平均を算出することと、各予め決められた時間間隔の後に前記それぞれのパルスの幅の変動の平均を算出することと、および前記それぞれのパルスの幅の変動の平均および前記パルスカウントの平均に基づいて第１の比を算出することを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記プロセッサにより、前記予め決められた時間間隔における前記それぞれのパルスの幅の変調を測定すること
   をさらに含む、請求項２に記載の方法。
7. 前記プロセッサにより、前記それぞれのパルスの幅の変調に対する前記それぞれのパルスの幅の変動の第２の比を算出すること
   をさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. アーク放電の存在を判定することが、前記第１の比および前記第２の比に少なくとも一部に基づき、前記ＤＣ電力システム内のアーク放電の存在を判定することを含む、
   請求項７に記載の方法。
9. アーク放電の存在を判定することが、前記第１の比が第１の特定の閾値を超えると判定することと、および前記第２の比が第２の特定の閾値を超えると判定することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記それぞれのパルスの幅の変動を測定することが、複数の予め決められた時間間隔の前記それぞれのパルス幅の変動を測定することを含み、前記それぞれのパルスの幅の変調を測定することが、前記複数の予め決められた時間間隔の前記それぞれのパルスの幅の変調を測定することを含む、請求項７に記載の方法。
11. 前記第２の比を算出することが、各予め決められた時間間隔の後に前記それぞれのパルスの幅の変動の平均を算出することと、各予め決められた時間間隔の後に前記それぞれのパルスの幅の変調の平均を算出することと、前記それぞれのパルスの幅の変動の前記平均および前記それぞれのパルスの幅の変調の前記平均に基づいて前記第２の比を算出することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記プロセッサにより、前記予め決められた時間間隔の前記パルスカウントの変動を測定すること
    をさらに含む、請求項７に記載の方法。
13. 前記プロセッサにより、前記パルスカウントの変動対前記パルスカウントの第３の比、および前記それぞれのパルスの幅における変動対前記それぞれのパルスの幅の第４の比のうちの１つまたは複数を算出すること
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. アーク放電の存在を判定することが、第１の比と、第２の比、第３の比および第４の比のうちの１つまたは複数との少なくとも一部に基づき、前記ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の存在を判定することを含む、請求項１３に記載の方法。
15. アーク放電の存在を判定することが、前記第１の比が第１の特定の閾値を超えると判定することと、前記第２の比が第２の特定の閾値を超えると判定することと、前記第３の比が第３の特定の閾値を超えると判定することと、および前記第４の比が第４の特定の閾値を超えると判定することを含む、請求項１４に記載の方法。
16. アーク放電の存在を判定することが、前記パルスカウントが第５の特定の閾値を越えると判定することと、および前記それぞれのパルスの幅が第６の特定の閾値を超えると判定することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記パルスカウントにおける変動を測定することが、複数の予め決められた時間間隔で前記パルスカウントにおける変動を測定することを含み、前記それぞれのパルスの幅の変動を測定することが、前記複数の予め決められた時間間隔で前記それぞれのパルスの幅の変動を測定することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記第３の比を算出することが、各予め決められた時間間隔の後に前記パルスカウントにおける変動の平均を算出することと、各予め決められた時間間隔の後に前記パルスカウントの平均を算出することと、前記パルスカウントにおける変動の前記平均および前記パルスカウントの前記平均に基づいて、前記第３の比を算出することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第４の比を算出することが、各予め決められた時間間隔の後に前記それぞれのパルスの幅の変動の平均を算出することと、各予め決められた時間間隔の後に前記それぞれのパルスの幅の平均を算出することと、前記それぞれのパルスの幅の変動の前記平均および前記それぞれのパルスの幅の前記平均に基づき、前記第４の比を算出することを含む、請求項１７に記載の方法。
20. ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムであって、
    少なくとも２つの電流出力をそれぞれモニタするように動作し、結合された電流出力を提供するように構成および配置される少なくとも２つの電流センサであって、前記少なくとも２つの電流センサが逆の極性を有し、前記少なくとも２つの電流出力が、前記ＤＣ電力システムにおいて、少なくとも２つの隣接する導体上の前記それぞれの電流センサによるモニタのために提供される、電流センサと、
    時間上で前記結合された電流出力における少なくとも１つの変化（ｄｉ／ｄｔ）に応答して、１つまたは複数のパルスを生成するように動作する比較器と、
    前記ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の存在を判定し、前記ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の存在を示す出力を生成するように、前記それぞれのパルスを処理するように動作するプロセッサと
    を含む、システム。
21. ＤＣ電力システムにおけるアーク放電を検出するシステムであって、
    少なくとも２つの電流出力をそれぞれモニタするように動作し、結合された電流出力を提供するように構成および配置される少なくとも２つの電流センサであって、前記少なくとも２つの電流出力が、前記ＤＣ電力システムにおいて、少なくとも２つの隣接する導体上の前記それぞれの電流センサによるモニタのために提供され、前記少なくとも２つの隣接する導体が、反対の方向で、前記少なくとも２つの電流出力を提供するように構成および配置される、電流センサと、
    時間上で前記結合された電流出力における少なくとも１つの変化（ｄｉ／ｄｔ）に応答して、１つまたは複数のパルスを生成するように動作する比較器と、
    前記ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の存在を判定し、前記ＤＣ電力システムにおけるアーク放電の存在を示す出力を生成するように、前記それぞれのパルスを処理するように動作するプロセッサと
    を含む、システム。
    
    

Images