JP5393891B2 - 光起電システムにおけるアーク検出方法及びそのような光起電システム - Google Patents

Description

本発明は、光起電システムの直流電路においてアークを検出する方法に関し、そこでは、直流電路の電流の値が繰り返されるタイムフレームの間に検出され、平均値が生成される。

また、本発明は、交流電圧グリッドに電力を供給する構成要素を有し、少なくとも１つの太陽電池によって生成された直流に関連する直流電圧を、交流電圧グリッドに供給するために、交流電圧に変換する直流−直流変換器及び直流−交流変換器を有し、そして制御装置を有する光起電システムにも関する。

直列アーク又は並列アークのような直流アークは、周囲の材料が非常に短い時間に点火されるので、しばしば光起電システムに危険で大きな火災をもたらす。直流アークは、ゼロクロスしないので、自動的には消弧されない。それ故、アーク検出が重要である。

ＷＯ９５／２５３７４Ａ１より直列アーク及び並列アークの検出方法が知られている。この方法では、検出ユニットが光起電システムの主直流回路に接続されて、電圧変化及びそれ故アークが検出され得る。使用される検出ユニットは、アナログ回路であり、特に２つの誘導結合された共振回路と、２つの比較器と、遅延回路とを含み、主回路の中の直流遮断器が有効化及び無効化される。この方法の欠点は、検出方法のために、追加コストを発生させる追加ハードウェア要素を光起電システムに組み込まなければならないことである。さらなる欠点は、検出方法のパラメータのさらなる変更及び改良が実質的に不可能なことである。

ソフトウェアモジュールによって実行される他の直列アーク及び並列アークの検出方法が、ＥＰ１７９６２３８Ａ２より知られている。直列アークを検出するために、算術平均が電流波形のタイムフレームの中で生成される。もしも連続する２つのタイムフレームの間の平均値が閾値を超えたなら、カウンタを増加させる。もしも閾値よりも低いままであれば、カウンタを減少させる。そして、直列アークは、カウンタの値が所定の値を超えたときに検出される。並列アークを検出するために、タイムフレームの中で電流波形の最大値及び最小値が決定されて、それらの差が算出される。もしもその差が所定の閾値よりも大きければ、別のカウンタを増加させる。もしもその差が閾値よりも小さければ、このカウンタを減少させる。そして、並列アークは、カウンタの値が所定の値を超えたときに検出される。この方法の欠点は、電流波形だけしか考慮されないことである。また、アークは、電流が複数回変化した後にしか検出されないので、既に損傷が発生している。さらなる欠点は、異なる検出方法が直列アークと並列アークとに使用されることである。

本発明の課題は、光起電システムの安全が光起電システムの構成要素を使用して監視できる、上記の方法及び上記の光起電システムを創成することである。公知のシステムの欠点を解消又は少なくとも低減する。

本発明の課題は、タイムフレームの間に直流電路の電圧の値を検出して平均値を生成し、電流及び電圧の平均値に基づき、演算によって少なくとも１つの検出信号及び少なくとも１つの検出閾値を算出する方法によって達成される。

本発明の課題は、直流電圧及び直流電流を検出する測定装置が設けられ、制御装置が上述の検出方法を実行するように設計された上述の光起電システムによっても達成される。

前記解決策及び続く特許請求の範囲に関する利点は、電流と電圧の両方が検出されるので、変換器の出力電力に関連して検出が常に実行されることである。これは、検出方法がアークと入射する放射の変化とを見分けることを意味する。したがって、電力レベルの低いアークも検出され、アークの早期検出をもたらす。さらなる利点は、方法の感度が補正係数によって調節でき、例えば変換器の制御装置のような光起電システムの要素を使用して実行できることである。有利にもディジタルで実現されるこの方法は、それ故、ソフトウェアの更新により実現できる。したがって、光起電システムの少なくとも１つの既存の要素への簡単な組み付け又は組み込みができる。さらなる利点は、検出方法が低いサンプリングレート（数百Ｈｚの低い範囲）でも実行できることである。これは、処理すべき値が対応して少ないことを意味し、利用可能な資源を使用でき、それにより、要素の費用を最低限に維持できる。

さらなる利点は、以下の詳細な説明から推察され得る。

光起電システムの概略ブロック図である。 それぞれの平均値を決定するための光起電システムの電流及び電圧の概略経時変化である。 アークが発生するまでの電圧の平均値及び長期平均値、並びに、得られる検出信号の概略経時変化である。 アークが発生するまでの電圧の平均値及び長期平均値、並びに、得られる検出信号の概略経時変化である。 直列アークの検出の間の経時変化の概略図である。 並列アークの検出の間の経時変化の概略図である。 アークの間の光起電システムの変換器の得られる操作点の概略図である。

本発明は、添付の概略図を参照してさらに詳細に説明される。説明全体に含まれる開示は、同じ参照符号を有する均等な部分に同様に適用されるものと想定され得る。さらに、例示的実施形態の個々の特徴又は示した例示的実施形態は、それ自体が本発明に係る独立した解決策を示す。

図１から７を用いて、光起電システムの直流電路におけるアーク検出の方法を説明する。

図１は、少なくとも１つの太陽電池２によって生成された入力直流電圧Ｕ_ＤＣを、関連する入力直流電流Ｉ_ＤＣと共に交流電圧グリッド３の中に供給又は需要家に提供される電圧Ｕ_ＡＣに供給する、光起電システムの変換器１のブロック図を示す。光起電システムは、変換器１に加えて、接続ボックス等（不図示）のさらなる構成要素を含み得る。変換器１は、入力直流電圧Ｕ_ＤＣを変換器１における次の直流−交流変換に好ましい直流電圧Ｕ_ＤＣ’に変換する直流−直流変換器４を含む。直流−交流変換器５及び対応する制御装置６により、直流電圧Ｕ_ＤＣ’は、交流電圧Ｕ_ＡＣに変換される。したがって、直流電路は、太陽電池２と変換器１との間に位置する（破線で図示）。これは、例えば、変換器１に接続された１つの接続ボックスの中に、実質的に全ての並列及び直列に接続された太陽電池２を一緒に結合する。結果として、直流電路は、複数の導体及び接点を含むが、分かりやすいように、１つの導体のみが図示されている。

接点は、例えば、熱変化、経時変化、設置不良、及び／又は、ねじ又はクランプの緩みによって緩み得るので、いわゆる直列アークが発生する。一方、並列アークは、主として、導体が互いに接近して案内されているときの絶縁の不良又は損傷により生じる。アークは、直流電路を流れる電流Ｉ_ＤＣのために変換器１の作動中に形成され、危険な火災発生引き起こし得る。これを防止するために、そのようなアークを検出する方法が使用される。これらにおいて、図２に示すように、直流電路の電流Ｉ_ＤＣの値は、繰り返されるタイムフレーム７の間に検出され、それらからタイムフレーム７当たりの平均値８，８’が生成される。そして、最新の平均値８，８’又は最後のタイムフレーム７の平均値８，８’は、前のタイムフレーム７の平均値８，８’と比較される。本発明によれば、タイムフレーム７の間に直流電路の電圧Ｕ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＤＣが検出されて、それぞれの場合に平均値８，８’が生成され、そして、電圧Ｕ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＤＣの平均値８，８’に基づいて、演算方法により検出信号９及び検出閾値１０が連続して算出される。検出信号９を検出閾値１０と比較することによって、直列アーク及び／又は並列アークが検出される。

検出方法の原理は、変換器１のような、光起電システムの構成要素の入力時の直流電路の測定装置によって継続的に検出される電圧Ｕ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＤＣの値に基づく。これらの測定値は、例えば変換器１の制御装置６で実行される計算方法に提供される。原則として、電圧Ｕ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＤＣの計算は、同じ方法で行える。また、入射する光放射の変化がアークとして検出されないという事実が検出方法には不可欠である。アークは、単発的な電圧Ｕ_ＤＣ及び電流Ｉ_ＤＣの変化を生じるが、比較すると入射する放射の変化がゆっくりと連続して行われる。

検出方法は、変換器１の始動プロセスの後に開始され、検出方法の値は、好ましくは、始動プロセスによってリセットされる。測定装置は、計算方法によって等しいサイズのタイムフレームに分割される継続的な測定値を提供する。各タイムフレーム７において、電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの値は、タイムフレーム７が所定の時間、例えば５０ｍｓを有するようなサンプリング周期で検出される。１つのタイムフレーム７の後、図２に図示するように、最新の電流Ｉ_ＤＣの平均値８及び電圧Ｕ_ＤＣの平均値８’がタイムフレーム７において取り込んだ値から生成される。平均値８，８’を算出することにより、散発的な変化が適切に相殺される。タイムフレーム７の中の電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの平均値８，８’は、破線で示されている。これら個々の平均値８，８’の一時的プロファイルは、図３及び４に例示される。

次の工程において、最新の平均値８，８’及び前のタイムフレーム７の平均値８，８’、つまり連続する平均値８，８’のそれぞれから、計算方法により偏差平均値が算出される。このため、２つのタイムフレームの間の急な変化を検出できる。

また、最新の平均値８，８’は、継続的に更新される最新の長期平均値１１をそれぞれ算出するために使用される。長期平均値１１，１１’のプロファイルも、図３及び４に示されている。長期平均値１１，１１’は、最新の長期平均値１１，１１’における最新の平均値８，８’の影響が小さくなるように、ディジタルローパスフィルタにより最新の平均値８，８’から算出される。それ故、適宜選択した時定数及び／又はフィルタ係数を用いて、アークが入射する放射の変化と区別され得ることが保証され得る。したがって、最新の長期平均値１１，１１’は、平均値８，８’の急な変化と比較して、実質的にゆっくり変化するだけである。

同じ原理により、それぞれの長期偏差平均値は、同じフィルタ係数のディジタルローパスフィルタによって、それぞれの最新の偏差平均値から算出される。また、ここで、それぞれの偏差平均値の効果は、それにしたがって小さい。そのため、長期偏差平均値は、それが偏差平均値よりもゆっくり変化するような遅れ要素のように振る舞う。結果として、長期偏差平均値は、入射する放射の強度の量として機能し、それにより、アークが放射の変化から区別され得る。

偏差平均値、長期平均値１１，１１’及び平均値８，８’に基づいて対応する方法で算出された長期偏差平均値により、検出信号９及び検出閾値１０の両方がここで算出できる。

検出信号９を算出するために、長期偏差平均値及び偏差平均値から電圧Ｕ _ＤＣ の検出信号９ｕに対応する電圧Ｕ _ＤＣ の値が生成され、当該値に長期偏差平均値及び偏差平均値から生成される電流Ｉ _ＤＣ の検出信号９ｉに対応する電流Ｉ _ＤＣ の値が乗じられる。このため、それらの値は、それぞれの場合に同時に算出された長期偏差平均値と偏差平均値との差である。大きな差は、電圧Ｕ_ＤＣ又は電流Ｉ_ＤＣのそれぞれの急な変化をもたらす。これは、急な変化が、長期偏差平均値よりも偏差平均値をよりはっきりさせる効果を有するからである。このようにして、アークが点火されたときのような短く急な変化が加味されることを確実にする。入射する放射のレベルによる変化が加味されなければならず、これは、そのような変化がより長い時間を掛けて行われ、偏差が実質的にゼロになるため、長期平均値１１，１１’及び平均値８，８’と同じ効果を有する。

図３及び４によれば、対応する検出信号９ｕ及び９ｉを生じさせる、平均値８，８’及び長期平均値１１，１１’についての急な変化が時間点１２に示されている。同様に、緩慢な変化は検出信号９ｕ又は９ｉを生じない。

これら２つの、電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの偏差又は検出信号９ｕ及び９ｉの乗算により、変化は、対応して増幅され、アークが迅速に検出される。この種の計算の結果は、電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣに同時に急な変化が生じない限り、検出信号９が実質的にゼロである。そのため、これは、緩やかな変化には、長期偏差平均値及び偏差平均値が同様の反応をし、それらの偏差及び同様に検出信号９がゼロとなる。しかしながら、アークの発生により急激で同時の変化が生じたなら、検出信号９も大きく変化する。そのため、検出信号９は、実質的に、アークによる電力の損失を意味する電力の変化を反映する。

一方、検出閾値１０を算出するために、同じ時間点において算出された電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの長期平均値１１が乗じられる。このため、検出閾値１０は実質的に最新の電力に対応する。

そのような検出信号９及び検出閾値１０の算出により、それらが電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣに基づいて継続的に算出されるので、それらは、常に、変換器１の出力電力に一致する。

アークを後の段階で検出できるために、検出信号９は、図５及び６の時間１２に見られるように、検出閾値１０を超えなければならない。アークを検出するために、電力の変化は、最近の電力を超える必要がある。これは不可能であるため、少なくとも検出閾値１０又は検出信号９を算出するために補正係数が使用される。当然に、検出閾値１０の算出及び検出信号９の算出の両方に、乗算する補正係数を使用できる。この場合、検出信号９のための補正係数は１より大きく、検出閾値１０のための補正係数は１より小さい。それ故、電力の低い、つまりアーク長の短いアークを検出できることが保証される。これらの計算に基づいて、検出閾値１０は、電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの緩慢な変化に適用される。検出閾値１０が最新の電力及び入射する放射の強さに応じて変化する電力に対応するので、検出閾値１０は、自動的に最新の条件に適合させられる。加えて、検出閾値１０のための補正係数及び検出信号９のための補正係数が適切に互いを参照し合うことで、それぞれの補正係数によりアークの検出の感度は調節される。

原則的に、直列アーク及び並列アークのための検出閾値１０の算出にそれぞれ異なる補正係数が使用され、直列アークのための検出閾値１０ｓ及び並列アークのための検出閾値１０ｐがもたらされる。アークを検出するために、共通の検出信号９が使用される。このため、先ず、共通の方法が、両方の種類のアークのために使用でき、発生しているアークの種類を検出できる。これは、光起電システムの異なる挙動に起因し得、それにより、変換器１は、図７に示すように、その操作点ＡＰを変化させる。

直列アークが光起電システムにおいて生じたなら、入力直流電圧Ｕ_ＤＣは、アーク電圧の降下によって減少させられ、それは、直列アークにより、変換器１がその操作点ＡＰを操作点ＡＰｓに変化させる結果となる。これはまた、実に、出力電圧の低下をもたらすが、整流器１の継続的な運転は可能である。直列アークにより生じる操作点ＡＰにおける小さい変化に比べて、操作点ＡＰは、並列アークの発生において大きく変化する。並列アークは、変換器１の入力と並列にある低いアーク電圧で生じ、変換器の抵抗よりも低い値の抵抗を有するので、電流Ｉ_ＤＣの非常に小さい部分だけが変換器１に流れる。結果として、操作点ＡＰは、図７に示すように、並列アークによって操作点ＡＰｐとなるように変化する。そのような操作点ＡＰｐにおいて、効果的な変換器１の操作は、もはやできない。

それ故、電圧変化及び電流変化は、並列アークの場合には直列アークの場合よりも大きい。結果として、並列アークのための検出閾値１０ｐもまた、直列アークのための検出閾値１０ｓよりも高い。図５のように、検出信号９が並列アークのための検出閾値１０ｐではなく直列アークのための検出閾値１０ｓを超えたなら、直列アークが検出される。一方、図６のように、検出信９号が両方の検出閾値１０ｓ及び１０ｐを超えたなら、並列アークが検出される。本計算方法によれば、検出信号９は、電流及び／又は電圧、或いは、操作点ＡＰにおける急な変化により生成され、入射する放射の強度の変化による操作点ＡＰにおける緩やかな変化には実質的に検出信号９が生成されない。

計算方法によって、検出信号９並びに検出閾値１０ｓ及び１０ｐが算出された後、検出方法によって検出信号９と検出閾値１０ｓ／１０ｐとが互いに比較される。検出信号９が少なくとも検出閾値１０ｓ／１０ｐの少なくとも１つを超えるならアークが発生している。つまり、直列アーク又は並列アークが検出される。１つが検出された後に異なる測定も必要であるので、アークの種類の識別が必要である。

検出方法が光起電システムの（上述の）変換器１以外の構成要素において実行されたなら、その他の構成要素と変換器１との対応する通信が行われる。通信は、例えば、無線手段又は優先リンク（専用バス、直流電路の変調等）上で行える。

直列アークの検出において、変換器は、実質的に変動する電流がそれ以上生成されないような安全な状態におかれる。直流電路における電流が遮断され、アークが消弧される。一方、並列アークが検出されたなら、直流電路がスイッチによって短絡される。それによりアーク電圧は、アークが消弧されるように実質的にゼロになる。直流−直流変換器４又は変換器１に並列に接続された専用スイッチが、前記スイッチとして使用できる。

上記検出方法は、周波数選択分析（例えば、ディジタルフィルタによる）及び／又は周波数ドメイン解析（例えば、高速フーリエ変換）と組み合わせてもよい。この場合、電圧Ｕ_ＤＣ及び／又は電流Ｉ_ＤＣの波形のスペクトル成分の大きさにより、計算方法の結果に適当に組み合わせ得る追加の検出信号９及び追加の検出閾値１０が生成される。このため、信頼性がさらに高められる。

モバイルラジオ等によってインターネットを通じて送信される警報信号も生成され得る。

アークが検出されないのであれば、つまり、検出信号９が検出閾値１０より低いままであれば、検出方法が継続される。通常、検出用法は、変換器１の操作の間に実行される。検出方法は、変換器１の入力において安定した値が利用できるように、変換器１の始動プロセスの後に開始される。

所定の間隔で、検出方法の試験実行をすることもできる。これは、検出方法の機能を点検する。これは、例えば、変換器１又は外部装置によって直接行うことができ、光起電システムの休止状態で行うことができる。試験実行は、例えば、異なる速度で変化し、例えばパルスジェネレータ、信号発生器等の装置により生成される電圧信号及び／又は電流信号が変換器１の入力に入力されるように実行される。また、これらの電圧信号及び／又は電流信号は、特定の値によりシミュレートされ得る。これらの値は、検出方法にしたがって、電流Ｉ_ＤＣ及び電圧Ｕ_ＤＣの継続的検出値の代わりに使用される。信号の振幅は、変換器の出力電力に適当に合わせられる。波形は、緩やかな変化と急な変化との両方をシミュレートできるように、適当頻度で変化させられる。したがって、低頻度の波形変化において、これは変化が入射する放射の強度の変化に対応するため、アークが検出されてはならならず、高頻度の波形頻度においてアークが検出されねばならない。適当な振幅の選択により、検出方法が直列アークと並列アークとを識別できるかどうかの調査もできる。

Claims (15)

1. 光起電システムの直流電路のアークを検出する方法であって、前記直流電路の電流の値（Ｉ_ＤＣ）が繰り返されるタイムフレーム（７）の中で検出されて平均値（８）が生成され、前記タイムフレーム（７）の中で、前記直流電路の電圧の値（Ｕ_ＤＣ）が検出されて平均値（８’）が生成され、前記電流（Ｉ_ＤＣ）及び前記電圧（Ｕ_ＤＣ）の平均値（８，８’）に基づいて、計算方法によって少なくとも１つの検出信号（９）及び少なくとも１つの検出閾値（１０）が継続的に算出され、前記少なくとも１つの検出信号（９）をそれぞれの平均値（８，８’）から算出するために、２つの連続する平均値（８，８’）の差により偏差平均値が算出されることを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つの検出信号（９）及び少なくとも１つの検出閾値（１０）をそれぞれの平均値（８，８’）から算出するために、長期平均値（１１，１１’）がディジタルローパスフィルタによって算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの検出信号をそれぞれの偏差平均値から算出するために、長期偏差平均値がディジタルローパスフィルタによって算出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. それぞれの前記タイムフレーム（７）の後に、前記検出信号（９）及び前記検出閾値（１０）が、前記電流（Ｉ_ＤＣ）及び前記電圧（Ｕ_ＤＣ）の偏差平均値、長期平均値（１１，１１’）及び長期偏差平均値によって算出されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記電圧（Ｕ_ＤＣ）の長期偏差平均値及び偏差平均値から生成された値と、前記電流（Ｉ_ＤＣ）の長期偏差平均値及び偏差平均値から生成された値とが掛け合わされて、前記検出信号（９）が生成されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記検出信号（９）の値に、１より大きい補正係数が乗じられることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記電流（Ｉ_ＤＣ）及び前記電圧（Ｕ_ＤＣ）の長期平均値（１１，１１’）が、前記検出閾値（１０）を生成するために掛け合わされることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記検出閾値（１０）は、直列アークの検出のために、１より小さい補正係数が掛け合わされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記検出閾値（１０）は、並列アークの検出のために、１より小さい補正係数が掛け合わされることを特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記検出信号（９）が前記検出閾値（１０）を超えたときにアークが検出され、直列アークと並列アークとの区別がなされることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記アークの検出の後、当該アークを消弧することを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記並列アークを消弧するために、前記直流電路がスイッチにより短絡され、前記直列アークを消弧するために、前記直流電路の電流が遮断されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 試験実行により前記検出方法の機能を点検することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記検出方法は、前記光起電システムの始動プロセスの後に始動することを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 交流電圧グリッド（３）に電力を供給する構成要素を有する光起電システムであって、直流−直流変換器（４）と、少なくとも１つの太陽電池（２）によって生成された直流電流（Ｉ_ＤＣ）に関連する直流電圧（Ｕ_ＤＣ）を、前記交流電圧グリッド（３）に供給するための交流電圧（Ｕ_ＡＣ）に変換する直流−交流変換器（５）と、制御装置（６）とを有し、前記直流電圧（Ｕ_ＤＣ）及び前記直流電流（Ｉ_ＤＣ）を測定するための測定装置が設けられ、前記制御装置（６）は、請求項１から１４に記載の方法に従って、当該光起電システムの直流電路のアークを検出するための方法を実行するように設計されていることを特徴とする光起電システム。

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