JP6357679B2 - 地絡検出のための方法および装置 - Google Patents

Description

[0001] 本開示の実施形態は、一般に地絡検出に関し、特に、地絡を検出するための方法および装置に関する。

[0002] ソーラーパネルまたは太陽電池（ＰＶ）モジュールは、受けた太陽光からのエネルギーを直流電流（ＤＣ）へ変換する。ＰＶモジュールは、生成する電気エネルギーを蓄えることができず、そのため、エネルギーは、バッテリーまたは揚水式水力発電蓄積器などのエネルギー蓄積システムへと消散されるか、あるいは、負荷によって消散されなければならない。生成されたエネルギーを使用するための１つの選択肢は、１つ以上のインバータを使用して、ＤＣ電流を交流電流（ＡＣ）へ変換し、そのＡＣ電流を商用配電網に結合することである。そのような分散発電（ＤＧ）システムにより生成される電力は、商用電力会社に販売することができる。

[0003] 生成された電力を商用ＡＣ配電網に結合するために、インバータは、ＤＣ側に地絡状態が存在するかどうかを決定して、そのような状態が存在する場合には電力生成を行えないようにするなど、特定の安全規格を満たさなければならない。地絡電流を測定するためにインバータにグランド基準を有するには、グランドをインバータから配電網へと戻すように伝搬する必要があり、それにより、付加的な配線がもたらされ、したがって、グランド接続をサポートするためのコストがもたらされる。

[0004] したがって、当該技術分野においては、グランド基準に接続することなく地絡状態を検出するための方法および装置が必要である。

[0005] 本発明の実施形態は、一般に、特許請求の範囲に更に完全に記載されるように、図の少なくとも１つに示されてこれら図に関連して説明されるような地絡インピーダンスの決定に関する。

[0006] 本開示のこれらのおよび他の特徴および利点は、同様の参照数字が全体にわたって同様の部分を示す添付の図と併せた、本開示の以下の詳細な説明の精査により理解され得る。

[0007] 本発明の前述の特徴を詳細に理解できるように、先に簡単に要約された発明の更に特定の説明が実施形態を参照することにより成され、それらの実施形態の一部が添付図面に示される。しかしながら、本発明は他の同様に効果的な実施形態を受け入れる余地があり得るため、添付図面が、この発明の単なる典型的な実施形態を示すにすぎず、したがって、この範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意されるべきである。

本発明の１つ以上の実施形態に係る配電システムのブロック図である。 本発明の１つ以上の実施形態に係るインバータの別の実施形態のブロック図である。 本発明の１つ以上の実施形態に係るコントローラのブロック図である。 地絡状態が存在するかどうかを決定するための本発明の１つ以上の実施形態に係る方法のブロック図である。 本発明の１つ以上の実施形態を備える電力変換のためのシステムのブロック図である。

[0013] 図１は、本発明の１つ以上の実施形態に係る配電システム１００のブロック図である。配電システム１００（「システム１００」）は、インバータ１０４の両端子間に結合される太陽電池（ＰＶ）モジュール１０２を備え、インバータ１０４はＡＣ配電網１１８（「配電網１１８」）に更に結合される。インバータ１０４は、ＰＶモジュール１０２からのＤＣ電力を商用配電網に準拠したＡＣ電力へと変換して、生成されたＡＣ電力を配電網１１８に結合させる。図１に描かれるように、配電網１１８は、第１の相線Ｌ１、第２の相線、および、グランドに結合される中性線Ｎを備え、この場合、線Ｌ１，Ｌ２は、インバータのプラス出力およびマイナス出力のそれぞれに結合される。他の実施形態において、配電網１１８は、単相線および接地される中性線、接地される接続部を有する三相線、および、同様のものなどの他のトポロジーを有する。

[0014] 幾つかの実施形態において、インバータ１０４は、これに加えてあるいは代えて、ＰＶモジュール１０２以外の他のタイプの再生可能エネルギー源（例えば、風力タービン、水力発電システム、または、同様の再生可能エネルギー源）、バッテリー、または、同様のものなどの１つ以上の適したＤＣ源からＤＣ電力を受けてもよい。幾つかの別の実施形態では、複数のＤＣ源がインバータ１０４に結合されてもよい（例えば、インバータ１０４がストリングインバータまたは単一集中型インバータであってもよい）。

[0015] インバータ１０４は、ＤＣ−ＡＣ段１０８の両端子間に結合されるＤＣ−ＤＣ段１０６と、ＤＣ−ＡＣ段１０８の出力の両端子間に結合されるＡＣ電圧モニタ１１６と、ＤＣ−ＤＣ段１０６、ＤＣ−ＡＣ段１０８、および、ＡＣ電圧モニタ１１６のそれぞれに結合されるコントローラ１１０とを備える。ＤＣ−ＤＣ段１０６は、ＰＶモジュール１０２からＤＣ入力を受けて、その受けたＤＣ電力をコントローラ１１０により制御されるように第２のＤＣ電力へと変換する。その後、ＤＣ−ＡＣ段１０８は、ＤＣ−ＤＣ段１０６からのＤＣ電力をコントローラ１１０によって制御されるように単相ＡＣ出力電力へと変換して、その出力電力を配電網１１８の線Ｌ１，Ｌ２に結合する。ＤＣ−ＡＣ段１０８は、サイクロコンバータ、Ｈ−ブリッジ、または、同様のものなどの任意の適したＤＣ−ＡＣインバータ回路であってもよい。他の実施形態において、ＤＣ−ＡＣ段１０８は、二相ＡＣ出力、分相ＡＣ出力、または、三相ＡＣ出力などの他のタイプのＡＣ出力を生成してもよい。幾つかの別の実施形態では、ＤＣ−ＤＣ段１０６が存在しなくてもよく、また、ＤＣ−ＡＣ段１０８がＰＶモジュール１０２からＤＣ電力を受ける。

[0016] ＡＣ電圧モニタ１１６は、ＡＣ出力電圧をサンプリングするためにＤＣ−ＡＣ段１０８からの出力の両端子間に結合される。ＡＣ電圧モニタ１１６は、瞬間ＡＣ出力電圧（すなわち、線Ｌ１，Ｌ２間の差分電圧ＶＬ１−ＶＬ２）を測定して、そのサンプル（すなわち、サンプリングされた電圧を示す信号）をコントローラ１１０へ与える。コントローラ１１０内のフェーズロックループ（ＰＬＬ）は、配電網周波数にロックオンして、主時間基準をインバータ１０４へ出力する。コントローラ１１０は、振幅および位相の両方における基本的な内容を配電網電圧から抽出する。この場合、理想的に、位相は、常にゼロであるべきだが、大きな歪みの存在下で歪められ得る。したがって、コントローラ１１０は、ＡＣ出力電圧をベクトルとして、すなわち、振幅および位相の両方に関して決定する。測定されたＡＣ出力電圧は、地絡検出（後述する）中および電力変換中に使用される。幾つかの実施形態において、ＡＣ電圧モニタ１１６は、サンプルをデジタル形式で与えるためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備えてもよい。

[0017] インバータ１０４は地絡検出回路１１２を更に備える。地絡検出回路１１２は、コンデンサＣｍ，Ｃｓと、スイッチＳ１，Ｓ２と、ＡＣ電圧モニタ１１４とを備える。コンデンサＣｍ，Ｃｓは直列に結合されて分圧器を形成する。コンデンサＣｍの第１の端子がＤＣ−ＤＣ段のマイナス入力に結合され（他の実施形態では、第１の端子がＤＣ−ＤＣ段のプラス入力に結合されてもよい）、コンデンサＣｍの第２の端子がコンデンサＣｓの第１の端子に結合され、また、ＡＣ電圧モニタ１１４がコンデンサＣｍの両端子間に結合される。コンデンサＣｓの第２の端子はスイッチＳ１，Ｓ２に結合される。幾つかの実施形態において、コンデンサＣｓ，Ｃｍは、地絡検出のために使用されることに加えて、電磁妨害（ＥＭＩ）保護をインバータ１０４に与えてもよい。また、本明細書中に記載される発明に影響を与えることなく、更なるＥＭＩ保護コンデンサがＣｓ，Ｃｍの両端子間に結合されてもよい。

[0018] スイッチＳ１，Ｓ２はそれぞれ、双方向スイッチ（例えば、背面接続された金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、リレー接点、または、同様のもの）であり、コンデンサＣｓの第２の端子とＤＣ−ＡＣ段のプラス出力およびマイナス出力のそれぞれとの間に結合される。スイッチＳ１，Ｓ２およびＡＣ電圧モニタ１１４はコントローラ１１０に更に結合される。

[0019] 本発明の１つ以上の実施形態によれば、地絡検出回路１１２は、インバータ１０４でグランドに接続する必要なく地絡状態が存在するかどうかを決定するために使用される。グランド接続が必要とされないため、システムトポロジーを簡略化できる。例えば、インバータ１０４へのケーブル内にグランド配線が必要とされず、インバータ１０４のための非接地ケーシングが使用されてもよく（例えば、インバータケーシングがプラスチックまたは他の非導電材料から形成されてもよい）、また、インバータ１０４のためにグランド接続が必要とされない。したがって、インバータ１０４は、非接地インバータであり、「二重絶縁」分類下で安全性が認定される。

[0020] 地絡状態が存在するかどうかを決定するため、コンデンサＣｓ，Ｃｍを通って、インバータ１０４のＤＣ側に存在するかもしれない任意の想定し得る地絡部を経由して、グランドへと戻るように流れる電流を引き起こすべく、配電網側電圧が使用される。その後、以下のようにコンデンサＣｍの両端子間に生み出されるＡＣ電圧を測定することによって、地絡部のインピーダンスを決定することができる。インバータ１０４が電力を生成していない期間中に、コンデンサＣｓ，Ｃｍにより形成される容量分圧器を介して配電網側の線Ｌ１をＤＣ−ＤＣ段のマイナス入力に結合させるために、スイッチＳ１が閉じられる（コントローラ１１０により制御される）。Ｃｓ，Ｃｍにおけるキャパシタンスは、コンデンサＣｍの両端子間に生成される電圧をＡＣ電圧モニタ１１４が測定するのに適した値にスケーリングするように選択される。一般には、この選択は、Ｃｍの両端子間の電圧がＣｓの両端子間の電圧よりもかなり低いようになっており、例えば、容量分圧器は、３０から１までに至る程度の電圧減少をもたらしてもよい。ＤＣポートとＡＣポートとの間に所要の安全絶縁を与えるために、コンデンサＣｍ，Ｃｓの一方または両方は適切に安全な定格のコンデンサである。幾つかの実施形態において、Ｃｓは、４．７ナノファラド（ｎＦ）の上限のキャパシタンス値を有するＹ１、Ｙ２またはＹ３安全定格などの安全定格コンデンサであり、また、Ｃｍは１５０ｎＦのキャパシタンス（例えば、３３：１分圧器に関して）を有する。

[0021] ＡＣ電圧モニタ１１４は、コンデンサＣｍの両端子間の電圧をサンプリングして、そのようなサンプル（すなわち、サンプリングされた電圧を示す信号）をコントローラ１１０へ与える。幾つかの実施形態において、ＡＣ電圧モニタ１１４は、サンプルをデジタル形式で与えるためのアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を備えてもよい。コントローラ１１０は、受けた電圧サンプルに基づいて、線Ｌ１がＣｍ／Ｃｓを介してＤＣマイナス入力に結合されるときのコンデンサＣｍの両端子間の電圧におけるベクトル値Ｖ１を決定する。Ｖ１を決定するために幾つかの電圧サンプルがコントローラ１１０によって使用されてもよく、例えば、コントローラ１１０は、Ｖ１を決定するために複数の電圧サンプルの平均値を計算してもよい。

[0022] その後、スイッチＳ１が開かれるとともに、スイッチＳ２が閉じられて（コントローラ１１０により制御される）、配電網側の線Ｌ２がＣｓ，Ｃｍにより形成される容量分圧器を介してＤＣ−ＤＣ段のマイナス入力に結合される。ＡＣ電圧モニタ１１４は、再び、コンデンサＣｍの両端子間の電圧をサンプリングして、その電圧サンプル（すなわち、サンプルリングされた電圧を示す信号）をコントローラ１１０へ与える。コントローラ１１０は、受けた電圧サンプルに基づいて、配電網側の線Ｌ２とＤＣマイナス入力とがＣｍ／Ｃｓを介して結合されるときのコンデンサＣｍの両端子間の電圧におけるベクトル値Ｖ２を決定する。Ｖ２を決定するために幾つかの電圧サンプルがコントローラ１１０によって使用されてもよく、例えば、コントローラ１１０は、Ｖ２を決定するために複数の電圧サンプルの平均値を計算してもよい。その後、スイッチＳ２が開かれる。

[0023] スイッチＳ１，Ｓ２の作動／非作動は配電網電圧波形と同期される。例えば、配電網１１８に合わせて同期されるインバータ１０４のフェーズロックループ（ＰＬＬ）を使用して、スイッチＳ１，Ｓ２の動作を同期させてもよい。幾つかの実施形態では、例えばスイッチＳ１，Ｓ２が低い周波数でのみ切り換わることができるデバイスであるときに、スイッチＳ１，Ｓ２は、配電網周波数以下の周波数で動作されて、少なくとも１つの配電網サイクルにわたってそれぞれが閉じられたままであるが、これらのスイッチは、読み取り時にはノイズを減少させるために長期間にわたって主に閉じられたままである。幾つかのそのような実施形態において、スイッチＳ１，Ｓ２のそれぞれは、幾つかの配電網サイクル（例えば、１０配電網サイクル）にわたってＯＮに切り換えられてもよい。他の実施形態において、スイッチＳ１，Ｓ２は、配電網周波数よりも高い周波数で動作されてもよいが、これらのスイッチは、一般に、電力変換のために使用される変換器スイッチング周波数よりも低い周波数で動作される。

[0024] 得られた電圧サンプルに基づいて、それぞれのＶ１，Ｖ２における振幅および位相が評価される。例えば、それぞれのＶ１，Ｖ２ごとに振幅および位相を決定するために、シングルビン高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して単一周波数（例えば、配電網周波数）を評価してもよい。同様に、ＡＣ電圧モニタ１１６により得られる電圧サンプル基づいて、差分電圧ＶＬ１−ＶＬ２における振幅および位相が決定される。一般に、ＶＬ１−ＶＬ２は、Ｖ１，Ｖ２を測定して決定するプロセス中に連続的に測定される。Ｖ１およびＶ２が測定される時間同士の間でＶＬ１−ＶＬ２が変化した場合には、それが適切に安定するまで測定を繰り返すことができる。

[0025] Ｖ１，Ｖ２および差分電圧ＶＬ１−ＶＬ２に基づいて、グランドに対するＰＶモジュールのインピーダンスＺｐｖがコントローラ１１０によって以下のように決定される。

[0026] Ｚｐｖ＝Ｚｓ×（１−α）／α （１）

[0027] この場合、

[0028] α＝［（Ｖ１−Ｖ２）／（ＶＬ１−ＶＬ２）］×Ｚｓ／Ｚｍ （２）

[0029] また、この場合、ＺｓおよびＺｍは、コンデンサＣｓ，Ｃｍのそれぞれのインピーダンスであり、また、Ｚｐｖ、Ｚｓ、および、αは全てベクトル量である。グランドに対する決定されたＰＶモジュールインピーダンスＺｐｖの振幅及び／又は位相は、その後、地絡状態が存在するかどうかを決定するためにコントローラ１１０によって評価されてもよい。例えば、地絡状態は、Ｚｐｖの振幅が１０キロオーム未満である場合に存在すると決定されてもよい。これに加えてあるいは代えて、Ｚｐｖの位相に基づいて抵抗性リーク（Ｚｐｖの実部）が容量性リーク（Ｚｐｖの虚部）から区別されてもよい。地絡状態が決定されると、コントローラ１１０は、インバータ１０４による電力生成を行えないようにして、その状態を示す警報を発してもよい。任意の地絡状態を検査するために、定期的に、例えばインバータ起動前に毎朝、グランドに対するＰＶモジュールインピーダンスが決定されてもよい。

[0030] 特定の実施形態では、既に説明した分圧器機能を与えるために、コンデンサＣｍ及び／又はコンデンサＣｓ以外のデバイスが使用されてもよい（例えば、適切に安全な定格のレジスタがＣｍ，Ｃｓの代わりに使用されてもよい）。

[0031] 幾つかの別の実施形態において、地絡検出回路１１２は、外部構成要素（すなわち、インバータ１０４内に含まれない）であってもよい。これに加えてあるいは代えて、地絡検出回路１１２を制御する、及び／又は、グランドに対するＰＶモジュールインピーダンスＺｐｖ（および任意の関連するパラメータ）を決定するとともに地絡状態が存在するかどうかを評価するための回路がインバータ１０４の外部にあってもよい。

[0032] 図２は、本発明の１つ以上の実施形態に係るインバータ１０４の別の実施形態のブロック図である。既に説明したように、インバータ１０４は、ＤＣ−ＡＣ段１０８に結合されるＤＣ−ＤＣ段１０６を備え、それぞれの段がコントローラ１１０に結合され、また、インバータ１０４は、ＤＣ−ＡＣ段の出力の両端子間に結合されるとともにコントローラ１１０に結合されるＡＣ電圧モニタ１１６を備える。

[0033] ＤＣ−ＤＣ段１０６は入力ブリッジ２０２とコンデンサ２０４とを備え、この場合、コンデンサ２０４は、入力ブリッジ２０２からの第１の出力端子に結合される。入力ブリッジ２０２は、スイッチ２２０−１／２２０−２とスイッチ２２２−１／２２２−２とがＨブリッジの第１および第２のレッグ（すなわち、左右のレッグ）をそれぞれ形成するように配置されるスイッチ２２０−１，２２０−２，２２２−１，２２２−２（例えば、ｎ型金属−酸膜−半導体電界効果トランジスタ、すなわちＭＯＳＦＥＴ）を備えるフルＨブリッジである。スイッチ２２０−１，２２０−２，２２２−１，２２２−２のそれぞれのゲート端子およびソース端子は、スイッチを動作可能に制御するためにコントローラ１１０に結合される。他の実施形態において、スイッチ２２０−１，２２０−２，２２２−１，２２２−２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ｐ型ＭＯＳＦＥＴ、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、および、同様のものなどの任意の他の適した電子スイッチであってもよい。入力ブリッジ２０２の第１の出力端子は、スイッチ２２０−１，２２０−２間に結合されるとともに、コンデンサ２０４の第１の端子に結合される。入力ブリッジ２０２の第２の出力端子はスイッチ２２２−１，２２２−２間に結合される。別の実施形態では、入力ブリッジ２０２がハーフＨブリッジなどの他のタイプのＤＣブリッジであってもよい。

[0034] ＤＣ−ＡＣ段１０８は、ＤＣ−ＤＣ段１０６の両端子間に結合される一次側２０６ｐと、ＡＣブリッジ２５０の両端子間に結合される二次側２０６ｓとを有する変圧器２０６（例えば、ＤＣ−ＡＣ段１０８の境界にある）とを備える。ＡＣブリッジ２５０は、スイッチ２５２−１，２５２−２，２５４−１，２５４−２（例えば、ＭＯＳＦＥＴまたは他の適した電子スイッチ）と、コンデンサ２５６，２５８とを備えるサイクロコンバータであるＡＣハーフブリッジである。各スイッチ２５２−１，２５２−２，２５４−１，２５４−２のゲート端子およびソース端子は、スイッチを動作可能に制御するためにコントローラ１１０に結合される。スイッチ２５２−１，２５２−２は、直列に背面同士が結合される（すなわち、スイッチのソース端子同士が互いに結合される）とともに、ＡＣブリッジ２５０の第１のレッグを形成するためにコンデンサ２５６の第１の端子に更に直列に結合される。同様に、スイッチ２５４−１，２５４−２は、直列に背面同士が結合されるとともに、ＡＣブリッジ２５０の第２のレッグを形成するためにコンデンサ２５８の第１の端子に更に直列に結合される。第１および第２のＡＣブリッジレッグは、互いに並列に結合される（すなわち、スイッチ２５２−１，２５４−１のドレイン端子が互いに結合されるとともに、コンデンサ２５６，２５８の第２の端子が互いに結合される）とともに、変圧器の二次側２０６ｓの両端子間に結合される。ＡＣブリッジ２５０は、それぞれのスイッチの対とコンデンサとの間に結合される第１および第２の出力端子に対してＡＣ出力電力を結合させる。特定の実施形態では、コンデンサ２５６，２５８が１０００ｎＦ程度であってもよく、また、変圧器２０６が１：６の巻数比を有してもよい。

[0035] 幾つかの別の実施形態において、ＡＣブリッジ２５０は、フルＨブリッジ、三相ＡＣ出力または分相ＡＣ出力を配電網１１８に結合するための三相ブリッジ（例えば、三相サイクロコンバータ）、および、同様のものなどの異なるタイプのＡＣブリッジ回路であってもよい。

[0036] また、インバータ１０４は、ＤＣ−ＤＣ段のマイナス入力端子（すなわち、スイッチ２２０−２，２２２−２のソース端子）とＤＣ−ＡＣ段のマイナス入力端子（すなわち、コンデンサ２５６，２５８の第２の端子）との間に直列に結合されるコンデンサＣｍ，Ｃｓも備えるが、他の実施形態では、Ｃｓ，Ｃｍの直列の組合せがコンデンサ２０４と一次巻線２０６Ｐとの間に結合されてもよい。ＡＣ電圧モニタ１１４がコンデンサＣｍの両端子間に結合される。既に説明したように、コンデンサＣｍ，Ｃｓの一方または両方は適切に安全な定格のコンデンサであり、また、幾つかの実施形態において、Ｃｓは、４．７ｎＦのキャパシタンス値を有する「Ｙ１」安全定格コンデンサであり、Ｃｍは（典型的な分圧器比−例えば、これらのコンデンサ値に関して３３：１を与えるために）１５０ｎＦのキャパシタンスを有する。幾つかの別の実施形態において、コンデンサＣｍ，Ｃｓの一方または両方は、安全定格レジスタなどの他のタイプの適切に安全な定格のデバイスと置き換えられてもよい。

[0037] 本発明の１つ以上の実施形態によれば、インバータのＡＣポートとＤＣポートとの間に接続されるインピーダンスネットワークを駆動させてＰＶモジュール１０２における地絡を検出するためにＡＣブリッジスイッチが利用される。したがって、コンデンサＣｍ，Ｃｓ、ＡＣ電圧モニタ１１４、および、スイッチ２５２−１，２５２−２，２５４−１，２５４−２は地絡検出回路１１２の別の実施形態を形成し、この実施形態では、ＡＣ線Ｌ１とマイナスＤＣ入力端子との間に容量分圧器を結合させるためにスイッチ対２５２−１／２５２−２が作動され、また、ＡＣ線Ｌ２とマイナスＤＣ入力端子との間に容量分圧器を結合させるためにスイッチ対２５２−１／２５２−２が作動される。したがって、コンデンサＣｓがＡＣ側ＡＣブリッジ２５０からのＡＣ刺激によって駆動され、それにより、その刺激は、Ｃｍ，Ｃｓにより形成される容量分圧器を通ってＤＣ側の任意の想定し得る地絡部を経由してグランドへと戻るように流れる電流をもたらそうとする。既に説明したように、コンデンサＣｍの両端子間に生成される電圧は、地絡状態が存在するかどうかを決定するためにグランドに対するＰＶモジュールインピーダンスＺｐｖを計算するべく測定されて使用される。

[0038] 幾つかの実施形態において、ＡＣブリッジスイッチは、インバータ１０４が電力を生成していないとき（例えば、毎朝のインバータ起動前に）に地絡検出のために駆動される。そのような実施形態において、ＡＣブリッジスイッチは、（例えば、インバータ１０４のフェーズロックループ（ＰＬＬ）により）配電網電圧波形と同期されるとともに、配電網周波数以下の周波数で周期的に切り換えられ（すなわち、スイッチが整数の配電網サイクルにわたって動作される）、配電網周波数よりも高いがそれらの通常の（すなわち、電力生成）動作周波数よりも低い周波数で周期的に切り換えられ、あるいは、それらの通常の動作周波数で／それらの通常の動作周波数付近で周期的に切り換えられる。特定の実施形態では、ＡＣブリッジスイッチが配電網周波数よりも低い周波数で周期的に切り換えられてもよい。例えば、スイッチ対２５２−１／２５２−２が幾つかの配電網サイクル（例えば１０配電網サイクル）にわたってＯＮに切り換えられて、Ｃｍの両端子間の電圧が測定されてもよく、その後、スイッチ対２５４−１／２５４−２が幾つかの配電網サイクル（例えば１０配電網サイクル）にわたってＯＮに切り換えられて、再びＣｍの両端子間の電圧が測定されてもよい。既に説明したように、地絡状態が存在するかどうかの決定は、Ｃｍの両端子間の電圧測定とＡＣ電圧モニタ１１６により線Ｌ１，Ｌ２の両端間で測定される電圧とに基づいて行われてもよい。

[0039] 他の実施形態において、地絡検出は、電力を生成するためにＡＣブリッジスイッチが駆動される間に行われる。そのような実施形態において、ＡＣブリッジスイッチング変調は、通常の電力生成中に行われる切り換えによって変えられず、また、地絡検出は、この特定のスイッチング周波数および変調に伴って動作する。スイッチング周波数、大きさ、および、変調の詳細が電力変換制御要件によって決定付けられるため、それに応じてＣｓ，Ｃｍに関する値が選択される。すなわち、地絡検出機能を電力変換設計が完成された後に設計される二次的機能として扱うことができ、また、Ｃｓ，Ｃｍに適した値を容易に決定できる。その後、既に説明したように、地絡状態が存在するかどうかを決定するために、Ｃｍの両端子間の電圧を測定することができる。地絡状態が存在すると決定される場合、コントローラ１１０は、電力生成を行えないようにするとともに、その状態を示す警報を更に発生させてもよい。

[0040] 幾つかの別の実施形態において、インバータ１０４は、二相出力、分相出力、または、三相出力などの異なるタイプのＡＣ出力を生成してもよく、それに応じて配電網１１８に結合されてもよい。そのような実施形態において、地絡検出は、前述した技術と同様の技術によって行われてもよい。

[0041] グランドに対する計算されたＰＶモジュールインピーダンスは、地絡が存在するかどうかを決定することに加えて、他の用途のために使用されてもよい。例えば、グランドに対するＰＶモジュールインピーダンスに基づいて、ＰＶモジュール１０２が（例えば、雨、露、および、同様のものに起因して）濡れているかどうかの決定がなされてもよい。ＰＶモジュール１０２がその乾燥時と比べて湿っているときには、ＰＶモジュール１０２におけるグランドに対するインピーダンスがかなり減少されるため、コントローラ１１０は、グランドに対するＰＶモジュールインピーダンスと、適切な閾値、またはＰＶモジュール１０２が湿っているかどうかを決定するために予め決定された値とを比較してもよい。そのような情報は、例えば、ＰＶモジュールが洗浄される必要があるかどうかを特定するために使用されてもよい（例えば、暴風雨の後、ＰＶモジュール１０２が十分に清浄であると見なされてもよい）。

[0042] また、グランドに対する計算されたＰＶモジュールインピーダンスは、特定のタイプの障害問題を特定するために使用されてもよい。例えば、電圧Ｖ１，Ｖ２およびＶＬ１−ＶＬ２はベクトルであるため、グランドに対する抵抗を決定できるだけでなく、グランドに対するキャパシタンス及び／又はグランドに対するインダクタンスも同様に決定することができる。そのような情報は、抵抗問題や容量問題等の間を見分けるために使用されてもよい。

[0043] 更に、グランドに対するＰＶモジュールインピーダンスを計算するために得られる電圧情報は、配電網接続のトポロジーを決定するために使用されてもよい。例えば、電圧Ｖ１，Ｖ２の比に基づいて、配電網１１８への接続が三相接続であるのか、三相接続の２つの相であるのか、グランドに対する電圧が何であるのかなどの決定を行うことができる。

[0044] 図３は、本発明の１つ以上の実施形態に係るコントローラ１１０のブロック図である。コントローラ１１０は、サポート回路３２６とメモリ３１６とに対して結合される少なくとも１つの中央処理ユニット（ＣＰＵ）３０６を備える。ＣＰＵ３０６は、本発明にしたがって様々なタスクを行うために非一時的なソフトウェア命令を実行するように構成される１つ以上のプロセッサ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、および、これらの組合せを備えてもよい。これに加えてあるいは代えて、ＣＰＵ３０６が１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含んでもよい。サポート回路３２６は、ＣＰＵ３０６の機能を促進させるために使用される良く知られた回路である。そのような回路は、キャッシュ、電源、クロック回路、バス、ネットワークカード、入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路、および、同様のものを含むが、これらに限定されない。コントローラ１１０は、特定のソフトウェアを実行するときに本発明の様々な実施形態を行うための特定用途コンピュータになる汎用コンピュータを使用して実施されてもよい。

[0045] メモリ３１６は、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、取り外し可能なディスクメモリ、フラッシュメモリ、および、これらのタイプのメモリの様々な組合せを備えてもよい。メモリ３１６は、時としてメインメモリと称され、部分的にはキャッシュメモリまたはバッファメモリとして使用されてもよい。メモリ３１６は、一般に、コントローラ１１０のオペレーティングシステム（ＯＳ）３１８を記憶する。オペレーティングシステム３１８は、これに限定されないがＬｉｎｕｘ、Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（ＲＴＯＳ）、および、同様のものなどの幾つかの市販のオペレーティングシステムのうちの１つであってもよい。

[0046] メモリ３１６は、ＣＰＵ３０６により実行され及び／又は使用されてもよい非一時的プロセッサ実行可能命令及び／又はデータを記憶する。これらのプロセッサ実行可能命令は、ファームウェア、ソフトウェア、および、同様のもの、あるいは、これらの何らかの組合せを備えてもよい。

[0047] メモリ３１６は、様々な形式のアプリケーションソフトウェア、例えば、ＤＣ−ＤＣ段１０６（インバータ１０４内に存在するとき）およびＤＣ−ＡＣ段１０８の動作を制御するための変換制御モジュール３１４や、配電網波形と同期する信号を生成するためのフェーズロックループ（ＰＬＬ）モジュール３１６を記憶してもよい。メモリ３１６は、本明細書中に記載されるように地絡状態が存在するかどうかを決定するための地絡検出モジュール３１８を更に備えてもよい。地絡検出モジュール３１８の機能性の１つの実施形態が図４に関連して以下で説明される。

[0048] メモリ３１６は、インバータ１０４の動作に関連付けられるデータ及び／又は本発明に関連付けられるデータ（例えば、地絡状態が存在するかどうか、あるいはＰＶモジュールが湿っているかどうかを決定する際に使用される１つ以上の閾値、配電網接続のタイプを特定する際に使用されるデータ、ＰＶモジュール地絡インピーダンスの予め計算された値、および、同様のもの）を記憶するためのデータベース３２２を更に備えてもよい。

[0049] 幾つかの実施形態において、変換制御モジュール３１４、ＰＬＬモジュール３１６、地絡検出モジュール３１８、および、データベース３２２のうちの１つ以上、または、その一部は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、または、これらの組合せで実装されてもよい。

[0050] 図４は、本発明の１つ以上の実施形態に係る、地絡状態が存在するかどうかを決定するための方法４００のブロック図である。

[0051] 以下で説明される実施形態などの幾つかの実施形態において、インバータは、ＤＣ電源と、ＡＣ配電網の第１および第２の相線とに結合される（例えば、ＰＶモジュール１０２と配電網１１８とに結合されるＤＣ−ＡＣインバータ１０４）。インバータは、単一のＤＣ電源（例えば、単一のＰＶモジュール）に結合されてもよく、あるいは代わりに、同じあるいは異なるタイプの複数のＤＣ電源に結合されてもよい（例えば、インバータがストリングインバータまたは単一集中型インバータであってもよい）。ＤＣ電源は、太陽電池（ＰＶ）モジュール、風力タービン、水力発電システム、他のタイプの再生可能エネルギー源、バッテリー、または、同様のものなどの任意の適したＤＣ源であってもよい。

[0052] インバータは、ＤＣ電源からのＤＣ電力をＡＣ電力へと変換して、ＡＣ電力をＡＣ配電網に結合する。以下に記載される実施形態において、インバータは、単相ＡＣ電力を生成して、生成された電力をＡＣ配電網の第１および第２の相線に結合する。他の実施形態において、インバータは、二相、分相、または、三相の電力などの他のタイプのＡＣ電力を生成して配電網に結合してもよく、また、それに応じて、地絡状態が存在するかどうかを決定するために方法４００が使用されてもよい。

[0053] また、インバータは、後述するように、地絡が存在するかどうかを決定するためにグランド接続をＤＣ側で必要とせず、したがって、非接地インバータである。

[0054] 方法４００は、ステップ４０２で始まり、ステップ４０４へと進む。ステップ４０４では、インバータ出力にある第１のＡＣ相線とインバータ入力側のＤＣ線との間に分圧器が結合される。分圧器は、容量分圧器、例えばコンデンサＣｓ，Ｃｍにより形成される容量分圧器であってもよく、あるいは、任意のタイプの適切に安全な定格のデバイスが分圧器で使用されてもよい（例えば、分圧器が２つの直列レジスタにより形成されてもよい）。

[0055] 方法４００はステップ４０６へ進み、このステップでは、分圧器の要素のうちの１つの両端子間で電圧が測定される。例えば、コンデンサＣｍの両端子間で電圧が測定される。既に説明したように、その後、測定電圧に基づいて第１の電圧Ｖ１が決定される。この場合、第１の電圧Ｖ１はベクトル量である。

[0056] ステップ４０８では、分圧器が、第１のＡＣ線から切断されて、インバータ出力にある第２のＡＣ相線とインバータ入力側のＤＣ線との間に結合される。

[0057] 幾つかの実施形態において、インバータは、ステップ４０４，４０８中に分圧器がＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合されるときに電力を生成していない。そのような実施形態において、分圧器は、所望のＡＣ線と分圧器との間のスイッチ、例えばスイッチＳ１またはＳ２のうちの１つを作動させることによって、または、インバータのＡＣ出力ブリッジ内の１つ以上のスイッチ（例えば、ＡＣブリッジスイッチ２５２−１／２５２−２または２５４−１／２５４−２のうちの１つ）を作動させることによって、ＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合されてもよい。そのようなスイッチの作動／非作動は、例えばインバータのフェーズロックループ（ＰＬＬ）によって配電網電圧波形と同期され、また、配電網電圧以下の周波数にあってもよい（例えば、分圧器は、幾つかの配電網サイクルにわたって第１のＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合されてもよく、その後、幾つかの配電網サイクルにわたって第２のＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合されてもよい）。あるいは、そのようなスイッチは、配電網周波数よりも高いが一般に電力を生成するための通常の変換器スイッチング周波数以下の周波数で動作されてもよい。

[0058] 他の実施形態において、インバータは、分圧器がステップ４０４，４０８中にＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合されるときに電力を生成している。そのような実施形態において、インバータのＡＣ側のＡＣブリッジスイッチ（例えば、ＡＣブリッジ２５０のスイッチ）は、既に説明したように分圧器を線の両端間に結合するために利用される。

[0059] 方法４００はステップ４１０へ進み、このステップ４１０では、ステップ４０６の場合と同様に、同じ分圧器要素の両端子間（例えば、コンデンサＣｍの両端子間）で電圧が測定される。既に説明したように、その後、測定電圧に基づいて第２の電圧Ｖ２が決定される。この場合、第２の電圧Ｖ２はベクトル量である。分圧器をＡＣ線およびＤＣ線の両端間に結合させるためにＡＣブリッジスイッチ以外のスイッチが利用される実施形態においては、電圧測定後に分圧器がＡＣ線から切断される。

[0060] ステップ４１２では、第１のＡＣ相線と第２のＡＣ相線との間の差分電圧が（例えば、ＡＣ電圧モニタ１１６によって）測定されるとともに、前述したようにベクトル量ＶＬ１−ＶＬ２が決定される。その後、方法４００はステップ４１４へと進み、このステップ４１４では、グランドに対するＤＣ側インピーダンスＺｐｖが前述したように決定される。その後、方法４００はステップ４１６へと進み、このステップ４１６では、グランドに対するインピーダンスＺｐｖの振幅及び／又は位相が閾値と比較される。

[0061] ステップ４１８では、インピーダンスが閾値を超えているかどうかの決定がなされる。インピーダンスが閾値を超えていると決定される場合、方法４００はステップ４２０へ進む。ステップ４２０では、インバータにより電力が生成される。インバータが電力を生成していないときに地絡インピーダンス検出が行われる実施形態では、インバータにおいて電力生成が始まる。インバータが電力を生成している間に地絡インピーダンス検出が行われる実施形態では、電力生成が継続する。

[0062] ステップ４１８においてインピーダンスが閾値を超えてないと決定される場合には、方法４００がステップ４２２へ進み、このステップ４２２では、インバータによる電力生成が行えないようにされる。インバータが電力を生成していないときに地絡インピーダンス検出が行われる実施形態では、インバータにおいて電力生成が始まることが防止される。インバータが電力を生成している間に地絡インピーダンス検出が行われる実施形態では、電力生成が停止される。また、地絡状態を示す警報が発せられてもよい。

[0063] 方法４００は、ステップ４２０またはステップ４２２のいずれかからステップ４２４へと進み、このステップ４２４で終了する。方法４００の幾つかの実施形態では、例えば電力生成を妨げるべきかどうかを決定する一環として、抵抗リーク（Ｚｐｖの実部）を容量リーク（Ｚｐｖの虚部）から区別するために、グランドに対するＤＣ側インピーダンスＺｐｖに関する位相情報が使用されてもよい。

[0064] 図５は、本発明の１つ以上の実施形態を備える電力変換のためのシステム５００のブロック図である。この図は、本発明を利用してもよい無数の想定し得るシステム形態およびデバイスの１つの変形を描くにすぎない。本発明は、ＤＣ側地絡検出を必要とする任意のＤＣ−ＡＣシステムまたはデバイスで利用され得る。

[0065] システム５００は、まとめてインバータ１０４と称される複数のインバータ１０４−１，１０４−２．．．．１０４−Ｎと、まとめてＰＶモジュール１０２と称される複数のＰＶモジュール１０２−１，１０２−２．．．．１０２−Ｎと、システムコントローラ５０６と、バス５０８と、負荷センター５１０と、配電網１１８とを備える。他の実施形態において、ＰＶモジュール１０２のうちの１つ以上は、ＤＣ電力を供給するための任意の他のタイプの適したＤＣ源、例えば、バッテリー、他のタイプの再生可能エネルギー源（例えば、風力タービン、水力発電システム、または、同様の再生可能エネルギー源）、または、同様のものであってもよい。

[0066] 各インバータ１０４−１，１０４−２．．．．１０４−Ｎは、単一のＰＶモジュール１０２−１，１０２−２．．．．１０２−Ｎにそれぞれ結合される。幾つかの別の実施形態では、複数のＰＶモジュール１０２が、単一のインバータ１０４、例えばストリングインバータまたは単一集中型インバータに結合されてもよい。インバータ１０２のそれぞれは地絡検出回路１１２を備える（すなわち、インバータ１０４−１，１０４−２．．．．１０４−Ｎが地絡検出回路１１２−１，１１２−２．．．１１２−Ｎをそれぞれ備える）。

[0067] インバータ１０４は、バス５０８を介してシステムコントローラ５０６に結合される。システムコントローラ５０６は、インバータ１０４の動作制御を行うために、無線通信及び／又は有線通信によってインバータ１０４と通信できる。インバータ１０４は、バス５０８を介して負荷センター５１０に更に結合される。

[0068] インバータ１０４はそれぞれ、受けたＤＣ電力をＡＣ電力へ変換することができる。その後、生成された電力は更に配電網１１８に結合される。前述したように、インバータ１０４は、単相ＡＣ電力、二相ＡＣ電力、分相ＡＣ電力、または、三相ＡＣ電力を生成してもよい。生成された電力は、バス５０８を介して負荷センター５１０に結合され、その後、配電網１１８に更に結合される。特定の実施形態において、システム５００は、直列接続マイクロインバータ（ＳＣＭＩ）であってもよく、例えばＳＣＭＩ冗長管理を伴う。

[0069] 地絡検出回路１１２は、ＤＣ側地絡状態が存在するかどうかを決定するために前述したように動作する。地絡状態が検出される場合には、対応するインバータ１０４における電力生成が行えないようにされる。

[0070] 本発明の実施形態の前述の説明は、記載された様々な機能を果たす多くの要素、デバイス、回路、及び／又は、アセンブリを備える。これらの要素、デバイス、回路、及び／又は、アセンブリは、それらのそれぞれに記載される機能を果たすための手段の典型的な実施である。

[0071] 以上は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明の他の更なる実施形態が考え出されてもよく、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲により決定される。

Claims (15)

1. 地絡インピーダンスを決定するための方法であって、
   インバータのＡＣ側の第１のＡＣ線と前記インバータのＤＣ側のＤＣ線との間に分圧器を結合させるステップと、
   前記分圧器が前記第１のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に結合される間に、前記分圧器の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて第１の電圧を決定するステップと、
   前記インバータのＡＣ側の第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に前記分圧器を結合させるステップと、
   前記分圧器が前記第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に結合される間に、前記分圧器の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて第２の電圧を決定するステップと、
   前記第１のＡＣ線と前記第２のＡＣ線との間の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて差分電圧を決定するステップと、
   前記第１の電圧、前記第２の電圧、および、前記差分電圧に基づいて地絡インピーダンスを計算するステップと、
   を備える方法。
2. 前記第１の電圧、前記第２の電圧、および、前記差分電圧が全てベクトル量である、請求項１に記載の方法。
3. 前記分圧器が容量分圧器である、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に前記分圧器を結合するために第１のスイッチを作動させるステップと、
   前記第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に前記分圧器を結合するために第２のスイッチを作動させるステップと、
   を更に備える請求項３に記載の方法。
5. 前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチが、ＡＣ電力を生成するＡＣブリッジの一部である、請求項４に記載の方法。
6. 前記インバータが、前記分圧器が前記第１のＡＣ線と前記ＤＣ線との間または前記第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間のいずれかに結合されるときに電力を生成している、請求項５に記載の方法。
7. 地絡状態が存在するかどうかを決定するために前記地絡インピーダンスと閾値とを比較するステップを更に備える、請求項１に記載の方法。
8. 地絡インピーダンスを決定するための装置であって、
   分圧器と、
   （i）前記分圧器が第１のＡＣ線とＤＣ線との間に結合される間に、前記分圧器の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて第１の電圧を決定する、（ii）前記分圧器が第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に結合される間に、前記分圧器の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて第２の電圧を決定する、（iii）前記第１のＡＣ線と前記第２のＡＣ線との間の少なくとも１つの電圧測定値に基づいて差分電圧を決定する、および、（iv）前記第１の電圧、前記第２の電圧、および、前記差分電圧に基づいて地絡インピーダンスを計算するための地絡検出モジュールと、
   を備える装置。
9. 前記第１の電圧、前記第２の電圧、および、前記差分電圧が全てベクトル量である、請求項８に記載の装置。
10. 前記分圧器が容量分圧器である、請求項８に記載の装置。
11. インバータのＡＣ側の前記第１のＡＣ線と前記インバータのＤＣ側の前記ＤＣ線との間に前記分圧器を結合するための第１のスイッチと、
    前記インバータのＡＣ側の前記第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間に前記分圧器を結合するための第２のスイッチと、
    を更に備える請求項１０に記載の装置。
12. 前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチが、ＡＣ電力を生成するＡＣブリッジの一部である、請求項１１に記載の装置。
13. 前記インバータが、前記分圧器が前記第１のＡＣ線と前記ＤＣ線との間または前記第２のＡＣ線と前記ＤＣ線との間のいずれかに結合されるときに電力を生成している、請求項１２に記載の装置。
14. 前記地絡検出モジュールが、地絡状態が存在するかどうかを決定するために前記地絡インピーダンスと閾値とを更に比較する、請求項８に記載の装置。
15. ＤＣ電力を前記ＤＣ線に結合するためのＤＣ電源を更に備える、請求項８〜１４の何れか１項に記載の装置。

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