KR20120039036A - Ｄｃ 아크 장애들의 검출 및 제어를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DC 아크 장애들을 관리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이러한 방법의 적어도 일부는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 제어기에 의해 수행된다. 일 실시예들에 있어서, 방법은 전력 변환기의 신호의 시그니쳐를 분석하는 단계와, 시그니쳐의 분석에 기초하여 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

ＤＣ 아크 장애들의 검출 및 제어를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTION AND CONTROL OF DC ARC FAULTS}
본 개시물의 실시예들은 일반적으로 갱신 가능한 에너지 전력 시스템들에 관한 것이고, 보다 상세하게는 광발전(photovoltaic : PV) 시스템의 DC 회로에서 직렬 및 병렬 DC 아크 장애(arc fault)들을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
태양광 모듈들(Solar modules)은 역사적으로, 상업 전력이 이용가능하지 않은 황무지 또는 위성들 내의 원격 조정실과 같이, 대부분의 원격 응용들에서 전개되어 왔다. 높은 설치 비용으로 인해, 태양광 모듈들은, 다른 어떠한 전력 선택사항도 이용가능하지 않은 경우가 아니라면, 전력을 생성하기 위한 경제적인 선택은 아니었다. 그러나 에너지 수요의 세계적인 성장이 에너지 비용의 지속적인 증가를 야기하고 있다. 덧붙여, 이제 전기를 생성하기 위해 현재 사용되고 있는 화석 에너지 매장량들은 급속하게 고갈되고 있음이 잘 입증되었다. 종래의 상업적 전력 생성에 대한 이러한 성장하는 방해들은 태양광 모듈들을 추구해야 할 더 매력적인 선택사항으로 만들었다.
태양광 모듈들, 즉 광발전(PV) 모듈들은 수신된 태양광으로부터의 에너지를 직류 전류(DC)로 변환한다. PV 모듈들은 이들이 생성하는 전기 에너지를 저장하지 못하여, 배터리 또는 펌핑된 수력전기 저장장치와 같은 에너지 저장 시스템에 분산되거나, 부하에 의해 분산되어야 한다. 생산된 에너지를 사용하는 한 가지 선택사항은 DC 전류를 교류 전류(AC)로 변환하기 위해 반전기들을 사용하고, AC 전류를 상업 전력망(power grid)에 연결시키는 것이다. 이러한 분산된 발전(distributed generation : DG) 시스템에 의해 생산된 전력은 따라서 상업 전력 회사에 판매되거나, 로컬 부하들에 의한 로컬 전기 소비를 상쇄(offset)시키는데 사용될 수 있다.
이러한 DC-AC 전력 변환 도중에 잠재적인 안전상의 위험들을 경감시키기 위하여, PV 시스템의 DC 회로는 간혹 퓨즈들로 보호되어야 하고, 특정 시스템 설계 제약들이 뒤따라야 한다. 덧붙여, 접지 장애 검출 및 차단 회로가 간혹 요구된다. 이러한 보호 수단(measure)들은 또한 DC/DC 전력 변환기들에서 사용될 수 있다. 그러나 이러한 보호 수단들은 전력 변환(즉, DC/DC, 또는 DC/AC 전력 변환) 도중에 DC 아크 장애들의 믿을만한 검출 또는 경감을 제공하지 않는다. 이러한 아크들은 극히 위험한데, 왜냐하면 PV 모듈들이 지속적으로 광으로 조사되는 한, DC PV 시스템이 단락 회로, 또는 아킹 회로에 에너지의 제공을 지속할 것이어서, 잠재적으로 화재를 초래하기 때문이다.
그러므로, 직렬 및 병렬 DC 아크 장애들을 자동적으로 검출하고, 이들 아크들을 소멸시키기 위한 방법 및 장치에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 실시예들은 일반적으로 DC 아크 장애들을 관리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 방법의 적어도 일부는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 제어기에 의해 수행된다. 일 실시예들에 있어서, 방법은 전력 변환기의 신호의 시그니쳐(signature)를 분석하는 단계와, 시그니쳐의 분석에 기초하여 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상술한 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략히 요약된 본 발명의 보다 상세한 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 것이며, 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시된다. 그러나 첨부된 도면들은 본 발명의 전형적인 실시예들만을 도시하고, 따라서 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 하는데, 왜냐하면 본 발명이 다른 동일하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이라는 점을 주목해야 한다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라 태양 생성 DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환기의 블록도.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환 시스템에서 DC 아크 장애를 식별하고 관리하는 방법의 흐름도.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환 시스템 내의 전력 변화들에 기초하여 DC 아크 장애를 식별하기 위한 방법의 흐름도.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라 태양 생성(solar generated) DC 전력을 AC 전력으로 변환하기 위한 시스템(100)의 블록도이다. 도 1은 무수한 가능한 시스템 구성들 중 하나의 변형을 도시할 뿐이다. 본 발명은 다양한 환경들 및 시스템들에서 작용할 수 있다.
시스템(100)은, 집합적으로 전력 변환기들(102)로 언급되는 복수의 전력 변환기들(1021, 1022, ... 102n), 집합적으로 PV 모듈들(104)로 언급되는 복수의 PV 모듈들(1041, 1042, ... 104n), AC 버스(106), 및 부하 센터(108)를 포함한다. 각 전력 변환기(1021, 1022, ... 102n)의 두 개의 입력 단자들은 대응하는 PV 모듈(1041, 1042, ... 104n)의 두 개의 출력 단자들에 연결된다; 즉, 전력 변환기들(102)과 PV 모듈들(104)은 1:1 대응으로 연결된다.
전력 변환기들(102) 각각은, PV 모듈들(104)에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력(즉, AC 전류)로 반전시키기 위하여, 도 2에 관해 아래에서 기술한 바와 같이, DC/AC 반전 모듈에 연결된 DC/DC 변환 모듈을 포함한다; 대안적으로 단일 스테이지 변환기가 DC를 직접 AC로 변환할 수 있다. 전력 변환기들(102)은 AC 버스(106)에 연결되고, AC 버스(106)는 차례로 부하 센터(108)에 연결된다. 일부 실시예들에 있어서, 부하 센터(108)는 상업적인 AC 전력망 배전 시스템("망(grid)")으로부터의 인입 전력 라인들과 AC 버스(106) 사이의 연결들을 수용한다. 부가적으로 또는 대안적으로, AC 버스(106)는 배터리에 기초한(또는 다른 에너지 저장원) 인버터 및/또는 회전 기계 발전기에 의해 조절될 수 있다. 전력 변환기들(102)은 AC 전력망 전압과 동위상인 AC 전류를 미터아웃(meter out)하고, 시스템(100)은 생성된 AC 전력을 부하 센터(108)를 통해 전력망에 연결시킨다. 부가적으로 또는 대안적으로, 생성된 AC 전력은 부하 센터(108)를 통해 상업적인 및/또는 주거 시스템들에 직접 공급되고, 및/또는 나중의 사용 (예, 배터리들, 가열된 물, 수력 펌핑, H2O-대-수소 변환, 등의 사용)을 위해 저장될 수 있다.
일부 대안적인 실시예들에 있어서, 전력 변환기(102)는 DC/DC 변환기를 포함하지 않을 수 있고(즉, 전력 변환기(102)는 단일 스테이지 DC/AC 반전기를 포함하고), 별도의 DC/DC 변환기가 각 PV 모듈(104)과 각 전력 변환기(102) 사이에 연결될 수 있다(즉, 전력 변환기/PV 모듈 쌍마다 하나의 DC/DC 변환기). 다른 대안적인 실시예들에 있어서, 전력 변환기들(102) 각각은 PV 모듈들(104)에 의해 생성된 DC 전력을 다른 전압의 DC로 변환하기 위한 DC/DC 변환기가 될 수 있다. 이러한 다른 대안적인 실시예들에 있어서, 전력 변환기들(102)로부터 변환된 DC 전력은 상업적인 및/또는 주거 DC 시스템들에 공급될 수 있고, 및/또는 생산된 에너지는 예컨대 저장 배터리들에 저장될 수 있다.
또 다른 대안적인 실시예들에 있어서, 직렬 및/또는 병렬 구성들로 연결된 다수의 PV 모듈들(104)은 단일 전력 변환기(102)에 연결될 수 있다. 예컨대 시스템(100)의 PV 모듈들(104)은, PV 모듈들(104)로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 반전시키는 단일의 집중된 전력 변환기(102)(즉, 집중된 인버터)에 연결될 수 있다. 일부 이러한 대안적인 실시예들에 있어서, DC/DC 변환기는 PV 모듈들(104)과 집중된 전력 변환기(102) 사이에 연결될 수 있고; 대안적으로 집중된 전력 변환기(102)는 PV 모듈들(104)에 의해 생성된 DC 전력을 다른 전압의 DC로 변환하는 DC/DC 변환기가 될 수 있다. DC를 AC로 변환하기 위한 상술한 구성들 중 임의의 구성은 일부 실시예들에 있어서 단일의 DC/AC 변환기(즉, 단일 스테이지의 DC/AC 변환기)로 이루어질 수 있다.
수행된 전력 변환을 제어하기 위하여, 전력 변환기들(102)은 전력 변환기들(102)에 의해 생성된 AC 전류 및 전압뿐만 아니라 PV 모듈들(104)로부터의 하나 이상의 DC 전류 및 전압을 (예컨대, μs로부터 수십 ms에 이르는 간격들로) 측정할 수 있다. 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 전력 변환기들(102)은 아래에서 추가로 기술되는 바와 같이, DC 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하고, 이러한 아크 장애를 제어하기 위하여 측정된 데이터의 적어도 일부를 사용할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 전력 변환기(102)의 하나 이상의 신호들(예, DC 전류, DC 전압, AC 전류, AC 전압, DC 전력, AC 전력, 임의의 이러한 신호들의 파생물, 임의의 이러한 신호들의 조합, 등)에 기초한 하나 이상의 시그니쳐들은 DC 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하기 위하여 분석될 수 있다. DC 아크 장애는 전력 변환기 입력 단자들 간의, 또는 전력 변환기(102)의 DC/DC 변환 모듈의 출력 단자들 간의 병렬 아크로 이루어질 수 있다. 대안적으로, DC 아크 장애는 예컨대 PV 모듈의 출력 단자들 중 하나와 연결 전력 변환 모듈의 입력 단자 사이의, 또는 전력 변환기 DC/DC 변환 모듈의 출력 단자와 연결된 DC/AC 반전 모듈 단자 사이의 직렬 아크로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환기(102)의 블록도이다. 전력 변환기(102)는 전력 변환 회로(202), 제어기(204), DC 전류 샘플러(206), DC 전압 샘플러(208), AC 전류 샘플러(210), AC 전압 샘플러(212) 및 DC 입력 단락 메커니즘(228)을 포함한다.
전력 변환 회로(202)는 DC/DC 변환 모듈(230)과 DC/AC 반전 모듈(232)을 포함한다. DC/DC 변환 모듈(230)은 두 개의 입력 단자들을 통해 PV 모듈(104)에 연결되고, 두 개의 출력 단자들을 통해 DC/AC 반전 모듈(232)의 두 개의 입력 단자들에 연결되는데, DC/AC 반전 모듈(232)은 두 개의 출력 단자들을 통해 부하 센터(108)에 추가로 연결된다. DC/DC 변환 모듈(230)과 DC/AC 반전 모듈(232)은 각각 제어기(204)에 연결된다. DC/DC 변환 모듈(230)과 DC/AC 반전 모듈(232)은 제어기(204)로부터의 제어 신호들에 기초하여, PV 모듈들(104)로부터의 DC 전력을 제 2 DC 전력으로, 그 후 AC 전력으로 각각 변환하도록 작동한다. 이와 같이, 전력 변환 회로(202)는, 동작 제어를 제공하고 전력 변환 회로(202)로 하여금 망과 동위상의 생성된 AC 출력 전류를 주입하도록 구동하는 제어기(204)와 함께, 관련 표준들에 의해 요구되는 대로, PV 모듈(104)로부터 수신된 DC 전류를 AC 전류로 변환한다.
DC 전류 샘플러(206)는 전력 변환 회로(202)의 입력 단자에 연결되고, DC 전압 샘플러(208)는 전력 변환 회로(202)의 두 개의 입력 단자들 간에 연결된다. AC 전류 샘플러(210)는 전력 변환 회로(202)의 출력 단자에 연결되고, AC 전압 샘플러(212)는 전력 변환 회로(202)의 두 개의 출력 단자들 간에 연결된다. DC 전류 샘플러(206), DC 전압 샘플러(208), AC 전류 샘플러(210) 및 AC 전압 샘플러(212)는 각각 제어기(204)에 연결된다. 부가적으로, DC 입력 단락 메커니즘(228)은 두 개의 전력 변환 회로 입력 단자들 간에 그리고 제어기(204)에 연결된다.
제어기(204)는 적어도 하나의 중앙 처리 유닛(CPU; 214)를 포함하고, CPU(214)는 지원 회로들(216)에 그리고 메모리(218)에 연결된다. CPU(214)는 하나 이상의 종래에 이용 가능한 마이크로프로세서들 또는 디지털 신호 프로세서들(DSPs)을 포함할 수 있고; 추가적으로 또는 대안적으로 CPU(214)는 하나 이상의 주문형 집적회로(ASIC)를 포함할 수 있다. 지원 회로들(216)은 CPU(214)의 기능을 증진하기 위하여 사용되는 잘 알려진 회로이다. 이러한 회로들은 캐쉬, 전력 공급장치들, 클록 회로들, 버스들, 네트워크 카드들, 입/출력(I/O) 회로들, 등을 포함하지만, 이들에 국한되는 것은 아니다. 제어기(204)는, 특별한 소프트웨어를 실행할 때 본 발명의 다양한 실시예들을 수행하기 위한 특수 목적 프로세서가 되는 범용 프로세서를 사용하여 구현될 수 있다.
메모리(218)는 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 탈착 가능한 디스크 메모리, 플래쉬 메모리 및 이들 유형들의 메모리의 다양한 조합들을 포함할 수 있다. 메모리(218)는 간혹 주 메모리로 언급되고, 부분적으로 캐쉬 메모리 또는 버퍼 메모리로서 사용될 수 있다. 메모리(218)는 일반적으로 제어기(204)의 운영체계(OS; 220)를 저장한다. OS(220)는 Linux, Real-Time Operating System(RTOS), 등과 같은 하지만 이에 국한되는 것은 아닌 다수의 상업적으로 이용가능한 운영체계들 중 하나가 될 수 있다.
메모리(218)는 전력 변환 회로(202)의 동작을 제어하기 위한 변환 제어 모듈(222)과 같은 다양한 형태들의 응용 소프트웨어를 저장할 수 있다. 변환 제어 모듈(222)은 샘플링된 DC 및 AC 전류 및 전압 값들을 수신할 수 있고, 전력 변환 회로(202)를 위한 제어 및 스위칭 신호들을 제공하기 위하여 이러한 데이터를 사용할 수 있다. 추가적으로, 메모리(218)는 아래에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스(224)와 DC 아크 장애들을 결정하고 관리하기(예, 직렬 또는 병렬의 아크 유형을 결정하는 것, 전압 및 전류 특성들을 결정하는 것, 등) 위한 파형 프로세싱 모듈(226)을 포함할 수 있다. 데이터베이스(224)는 전력 변환에 관련된 데이터 및/또는 파형 프로세싱 모듈(226)에 의해 수행된 처리에 관련된 데이터; 예컨대, 샘플링된 DC 및 AC 전압 및 전류 값들, 계산된 전류 및/또는 전압 기울기, 시간에 따른 전류 및/또는 전압 기울기에서 계산된 변화들, DC 아크 장애 이벤트를 결정하는데 사용하기 위한 하나 이상의 임계값들, DC 아크 장애 이벤트 간격들, 전압 및 전류 상관관계들, 등을 저장할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 변환 제어 모듈(222), 데이터베이스(224), 및/또는 파형 프로세싱 모듈(226) 또는 이들의 부분들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.
전력 변환 회로(202)에 의한 전력 생산 제어의 일부로서, DC 전류 샘플러(206)와 DC 전압 샘플러(208)는 PV 모듈(104)에 의해 생성된 DC 전류 및 전압을 각각 샘플링하고, 이와 같이 샘플링된 DC 전류 및 전압 값들을 제어기(204)에 제공한다. 추가적으로, AC 전류 샘플러(210)와 AC 전압 샘플러(212)는 전력 변환 회로(202)의 출력에서 AC 전류 및 전압을 각각 샘플링하고, 이와 같이 샘플링된 AC 전류 및 전압 값들을 제어기(204)에 제공한다. 샘플러들 각각의 입력 신호들은 예컨대 전통적인 아날로그 필터 기술들, 디지털 신호 처리, 또는 유사한 기술들을 통해 필터링되고, 아날로그-디지털(A/D) 변환은 표준 A/D 기술을 사용하여 수행된다. DC 전류, DC 전압, AC 전류 및 AC 전압의 결과적인 순간 값들 또는 샘플들은, 아래에서 기술되는 바와 같이, DC 아크 장애들이 존재하는지 여부를 결정할 때 파형 프로세싱 모듈(226)에 의한 사용을 위해, 데이터베이스(224)에 디지털 방식으로 저장될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따라, 파형 프로세싱 모듈(226)은 샘플링된 DC 전류 및 전압 값들을 사용하는데, 상기 값들은 DC 아크 장애의 발생을 결정하기 위하여, 시간에 따른 DC 회로 전류 및 전압을 특징짓는 DC 전류 및 전압 시그니쳐들을 각각 한정한다. 아크 장애의 특징들은 샘플링된 데이터로부터 원하지 않는 아티팩트(artifact)들을 필터링하고, 전압 및 전류 값들의 동적인 가동(behavior)과 서로에 대한 이들의 관계를 양자화함으로써, 샘플링된 전류 및 전압 값들로부터 추출될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 파형 프로세싱 모듈(226)은, 아크 장애를 식별하기 위하여 예컨대 일반적으로는 매 ms 이지만, 매 μs만큼 자주, DC 전류 및 전압 샘플들의 적어도 일부에 의해 한정된 DC 전류 및 전압 시그니쳐들을 분석한다; 이러한 분석을 위하여, 샘플링된 전류 및/또는 전압 값들은 분석을 위한 예컨대 대략 1ms의 기간에 걸쳐 평균될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 시그니쳐들은 대체로 자주 분석되고 갱신될 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 파형 프로세싱 모듈(226)은 DC 아크 장애를 나타내는 특징들(즉, 직렬 아크 또는 병렬 아크)을 식별하기 위하여, 데이터의 적어도 수십 μs에서 수 ms까지를 분석할 수 있다.
하나 이상의 대안적인 실시예들에 있어서, 샘플링된 DC 전압 및 샘플링된 AC 전류에 의해 한정된 DC 전압 및 AC 전류 시그니쳐들은 각각 DC 아크 장애의 존재를 결정하기 위하여 사용될 수 있다(전류 및 전압 시그니쳐들 모두 아크 장애의 존재를 결정하기 위하여 사용된다).
DC 아크 장애를 식별하기 위하여, 파형 프로세싱 모듈(226)은 잠재적인 DC 아크 장애를 나타내는 (예, 일부 실시예들에 있어서 0.1 A/μs 정도의) 극성에서의 변화 또는 기울기에서의 급속한 변화에 대해 DC 전류 시그니쳐를 분석한다. 정상 동작 조건들(즉, 아크 장애들이 없는) 도중에, DC 전류 극성은 항상 양이어야 하고, DC 전류의 기울기에서의 변화는 정상적으로 전력 변환기(102)의 명령된 출력 전류에서의 변화들에 기인한다; 전류 극성에서 임의의 빠른 변화 또는 명령된 출력 전류에서의 변화에 기인하지 않는 기울기에서의 변화는 아크 장애에 기인한 것으로 의심된다. 더 느린 변화들은 조사(irradiance)의 변화들에 기인할 수 있고, 아크 장애로서 검출되지 않을 것이다. 만약 잠재적인 DC 아크 장애가 식별되면, 파형 프로세싱 모듈(226)은 DC 전류 시그니쳐를 DC 전압 시그니쳐와 비교하는데, 예컨대 DC 전류 및 전압들은, 전력 변환기(102)의 명령된 출력 전류에서 변화들의 결과가 아닌 동시 발생 및 극성에 대해 분석된다. 만약, 이러한 비교에 기초하여, DC 아크 장애 시그니쳐 매치가 존재한다고 (즉, DC 전류 및/또는 DC 전압 시그니쳐의 하나 이상의 특징들이 DC 아크 장애를 나타낸다고) 결정되면, DC 전류 극성은 DC 회로가 직렬 또는 병렬 아크 이벤트를 겪는지를 구분하기 위하여 사용된다. 일부 실시예들에 있어서, DC 아크 장애 시그니쳐 매치는, 시간에 따른 전류 및/또는 전압에서 최대 변화와 같은 전류 및/또는 전압 변화들에 기초하여 결정될 수 있다.
만약 DC 전류 극성이 양으로 유지되면, 직렬 아크가 발생한 것이고, 파형 프로세싱 모듈(226)은 전압 변환기(102)가 전력 생산을 중단하게 한다. 만약 DC 전류 극성이 음의 발생을 겪는다면, 병렬 아크가 잠재적으로 발생한 것이다. 정상 동작 도중, 즉 어떠한 아크 장애도 존재하지 않을 때, DC 전류 극성은 항상 양이어야 한다. 그러나 병렬 아크가 발생할 때, 많은 양의 음의 전류가 ms 정도의 시간 동안 발생한다(예, 전력 변환기의 DC 입력 가로질러 위치한 하나 이상의 커패시터들의 격렬한 방전에 기인하여; 이러한 방전은 직렬 아크의 이벤트 시에는 발생하지 않는다). DC 전류 극성이 음이라고 결정한 결과로서, 파형 프로세싱 모듈(226)은 제어기(204)를 구동시켜, 전력 변환기(102)에 의한 전력 생산을 금지시키고, DC 입력 단락 메커니즘(228)을 잠그는데(lock), DC 입력 단락 메커니즘(228)은 전력 변환 회로(202)의 입력 간에 단락 회로를 제공한다. 병렬 아크가 실제 발생하였음을 확인하기 위하여, 파형 프로세싱 모듈(226)은, 예컨대 임계값과의 비교(예, 정상 동작 조건들 하에서 보다 훨씬 더 급속한 전류에서의 변화)에 의해 결정된 DC 전류 파동들에 대한 DC 전류 시그니쳐를 분석한다. 특정 di/dt는 DC 배선의 진행 길이, 정상 DC 전압, 및 DC 소스의 전력 등급에 의존할 것인데, 왜냐하면 di/dt가 전력 변환기(102)의 입력 특성들과 상호작용하기 때문이다; 정상 제어 메커니즘을 초과하는 (예, 임계값과 비교하여) di/dt는 아크 장애를 나타낼 수 있다. 만약 DC 전류가 변동하지 않는다면, 병렬 아크가 확인되고, DC 입력 단락 메커니즘(228)은 잠겨진 채 유지된다. 만약 DC 전류가 변동한다면, 아크는 직렬 아크이고, 파형 프로세싱 모듈(226)은 제어기(204)를 구동시켜, 전력 생산의 폐쇄를 지속하면서, DC 입력 단락 메커니즘(228)의 잠금을 해제시킨다(즉, DC 단자들을 개방시킨다).
일부 실시예들에 있어서, 전력 변환기(102)는, 아크 검출 및 전력 생산의 중단 후의 예컨대 수 분 정도의 일부 시간 기간 이후에, 전력 변환기(102)를 재시작하고 전력 생산을 재개하는 것을 시도하기 위한 자동-재시작 기술을 사용할 수 있다. 전력 변환기(102)는 아크 장애가 유지되거나 재발할 경우 전력 생산의 중단을 지속하기 이전에 이러한 재시작을 한 번 이상 시도할 수 있다.
하나 이상의 대안적인 실시예들에 있어서, DC 아크 장애의 발생은 샘플링된 DC 전류 및 전압 데이터로부터, 또는 샘플링된 AC 전류 및 DC 전압 데이터로부터 생성된 전력 시그니쳐에 기초하여 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환 시스템에서 DC 아크 장애를 식별하고 관리하는 방법(300)의 흐름도이다. 아래에서 기술되는 실시예와 같은 일부 실시예들에 있어서, 전력 변환 시스템은 하나 이상의 PV 모듈들에 연결된 DC/AC 반전기들과 같은 하나 이상의 전력 변환기들을 포함한다. 이러한 실시예들에 있어서, DC/AC 반전기들은 각각, PV 모듈들에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 반전시키기 위한 DC/AC 반전 모듈을 수반하는 DC/DC 변환 모듈을 포함할 수 있다(예컨대, 전력 변환기(102)는 DC/DC 변환 모듈(230)과 DC/AC 반전 모듈(232)을 포함한다); 대안적으로 DC/AC 반전기들은 단일 DC/AC 변환 스테이지를 사용할 수 있다. 생성된 AC 전력은 그후 AC 전력 망에 연결, 상업적인 및/또는 주거 AC 전력의 디바이스들에 직접 제공, 및/또는 이후의 사용을 위해 저장(예, 배터리들, 가열된 물, 수력 펌핑, H2O-수소 변환, 등을 사용하여)될 수 있다. 하나 이상의 대안적인 실시예들에 있어서, 전력 변환기들은 PV 모듈들에 의해 생성된 DC 전력을 다른 전압의 DC로 변환하기 위한 DC/DC 변환기들이 될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 전력 변환기의 하나 이상의 신호들(예, DC 전류, DC 전압, AC 전류, AC 전압, DC 전력, AC 전력, 임의의 이러한 신호들의 파생물, 임의의 이러한 신호들의 조합, 등)에 기초한 시그니쳐는 DC 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하기 위하여 분석될 수 있다.
방법(300)은 단계(302)에서 시작하여, 전력 변환 시스템 내의 전력 변환기에 연결된 PV 모듈(들)로부터의 DC 전류 및 DC 전압이 샘플링되는 단계(304)로 진행한다. 측정된 DC 전류와 DC 전압은 예컨대 종래의 아날로그 필터 기술들, 디지털 신호 처리, 또는 유사한 기술들에 의해 필터링될 수 있고, A/D 변환은 표준 A/D 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 결과적인 순간 DC 전류 값과 순간적인 DC 전압 값(즉, DC 전류 및 전압 샘플들)은, 예컨대 메모리(218)와 같은 전력 변환기의 메모리 내에 저장될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 있어서, 전력 변환기에 의해 생성된 AC 전류 및/또는 AC 전압은 유사하게 샘플링되어, 전력 변환기의 DC/DC 변환 모듈의 입력 또는 출력에서의 DC 아크 장애와 같은, DC 아크 장애들을 식별하고 관리하는데 사용하기 위하여 저장될 수 있다.
단계(308)에서, DC 전류 시그니쳐는 잠재적인 아크가 발생하였는지 여부를 결정하기 위하여 분석된다. DC 전류 시그니쳐는 샘플링된 DC 전류에 의해 한정되고, 시간에 따라 DC 전류를 특징짓는다. 일부 실시예들에 있어서, DC 전류 시그니쳐는 이전에 기술한 바와 같이 잠재적인 아크를 나타내기 위하여 기울기에서의 급속한 변화(예, 일부 실시예들에 있어서 0.1 A/μs 정도의) 또는 극성 변화에 대해 분석된다.
방법(300)은, 단계(308)의 분석에 기초하여 잠재적인 아크가 식별되었는지에 대한 결정이 이루어지는 단계(310)로 진행한다. 만약 이러한 결정의 결과가 부정이라면, 방법(300)은 단계(334)로 진행한다. 단계(334)에서, 동작을 지속하는지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 단계(334)에서 결정 결과가 긍정이라면, 방법(300)은 단계(304)로 되돌아간다; 만약 결정의 결과가 부정이라면, 방법(300)은 단계(336)로 진행하고, 이 단계에서 방법은 종료한다. 단계(334)에서의 결정은 아크 장애 표시의 반복적인 발생에 기초할 수 있고, 이러한 반복적인 발생은 간헐적인 장애를 나타낼 수 있거나, 또는 측정 또는 제어 시스템에서의 장애를 나타낼 수 있다.
만약 단계(310)에서 결정 결과가 긍정이면(즉, 잠재적인 아크가 식별되었다면), 방법(300)은 단계(312)로 진행한다. 단계(312)에서 DC 전류 시그니쳐는 DC 전압 시그니쳐와 비교된다. DC 전압 시그니쳐는 샘플링된 DC 전압에 의해 한정되고, 시간에 따른 DC 전압을 특징짓는다. DC 전류 및 전압 시그니쳐들은 DC 아크 장애 시그니쳐와 일치하는 특징들을 식별하기 위하여(즉, DC 아크 장애 시그니쳐 매치가 존재하는지 여부를 결정하기 위하여) 비교된다. 일부 실시예들에 있어서, DC 전류 및 전압 시그니쳐들은 전력 변환기의 명령된 출력 전류에서의 변화들의 결과가 아닌 동시 발생 및 극성을 위해 분석된다. 단계(314)에서, 단계(312)의 비교에 기초하여 DC 아크 장애 시그니쳐 매치가 존재하는 지에 대한 결정이 이루어진다. 이러한 결정의 결과가 부정이라면, 방법(300)은 단계(334)로 진행한다; 만약 이러한 결정의 결과가 긍정이라면, 방법(300)은 단계(316)로 진행한다.
단계(316)에서, DC 전류 극성은 DC 회로가 직렬 또는 병렬 아크 이벤트를 겪는 지를 구분하기 위하여 사용된다. 만약 DC 전류 극성이 양으로 남아 있다면, 직렬 아크가 발생했다고 결정된다; 만약 DC 전류 극성이 음의 발생을 겪는다면, 병렬 아크가 잠재적으로 발생했다고 결정된다. 단계(318)에서, 단계(316)의 분석에 기초하여 직렬 또는 병렬 아크가 식별되었는 지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 이러한 결정의 결과가 직렬 아크가 발생한 것이라면, 방법(300)은 단계(330)로 진행한다. 단계(330)에서 전력 변환기에 의한 전력 생산은 금지된다; 그 후 방법은 단계(336)로 진행하고 이 단계에서 방법은 종료된다.
만약 단계(318)에서, 결정 결과가 병렬 아크가 잠재적으로 발생한 것이라면, 방법(300)은 단계(320)로 진행한다. 단계(320)에서 전력 변환기에 의한 전력 생산은 금지된다. 단계(322)에서 전력 변환기의 입력에서의 DC 단자들은, 예컨대 DC 입력 단락 메커니즘(예, DC 입력 단락 메커니즘(228))을 잠금으로써, 단락된다. 단계(324)에서, DC 전류 시그니쳐는 예컨대, 임계값에 대한 비교에 의해 결정된 DC 전류 파동들(예, 정상 동작 조건들 하에서보다 훨씬 더 급속한 전류 변화)에 대해 분석된다; 만약 DC 전류가 변동하지 않으면, 병렬 아크가 확인된다. 단계(326)에서, 병렬 아크가 단계(324)의 분석에 기초하여 확인되었는지에 대한 결정이 이루어진다. 이러한 결정의 결과가 부정이라면, 아크는 직렬 아크인 것으로 결정되고, 방법(300)은 단계(328)로 진행하며, 이 단계에서 단락된 DC 단자들은 예컨대 DC 입력 단락 메커니즘을 잠금을 해제함으로써 개방된다. 그 후, 방법(300)은 단계(330)로 진행하고, 전력 변환기에 의한 전력 생산은 잠겨진 채 유지된다. 만약 단계(326)에서 이러한 결정 결과가 긍정이라면(즉, 병렬 아크가 확인되면), 방법(300)은 단계(332)로 진행하고, 이 단계에서 DC 입력 단자들은 단락된 채 유지된다. 그 후, 방법(300)은 단계(336)로 진행하고, 이 단계에서 방법은 종료된다.
하나 이상의 대안적인 실시예들에 있어서, 방법(300)은 추가적으로 또는 대안적으로 DC 아크 장애의 발생을 결정하고 관리하기 위하여 샘플링된 AC 전류 데이터 및/또는 샘플링된 AC 전압 데이터를 사용한다. 일부 실시예들에 있어서, 방법(300)은 아크 검출 및 전력 생산의 중단에 후속하여 예컨대 수 분 정도의 일부 시간 기간 이후에, 전력 변환기를 재시작하고 전력 생산을 재개하는 것을 시도하기 위한 자동-재시작 기술을 위한 단계들을 포함할 수 있다. 이러한 재시작은 아크 장애가 유지되거나 재발하는 경우 전력 생산의 중단을 지속하기 이전에 한 번 이상 시도될 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 따른 전력 변환 시스템 내의 전력 변화들에 기초하여 잠재적인 DC 아크 장애를 식별하기 위한 방법의 흐름도이다. 아래에서 기술된 실시예와 같은 일부 실시예들에 있어서, 전력 변환 시스템은 하나 이상의 PV 모듈들에 연결된 DC/AC 반전기들과 같은 하나 이상의 전력 변환기들을 포함한다. 이러한 실시예들에 있어서, DC/AC 반전기들은 각각 PV 모듈들에 의해 생성된 DC 전력을 AC 전력으로 반전시키기 위한 DC/AC 반전 모듈을 수반하는 DC/DC 변환 모듈을 포함할 수 있다(예컨대, 전력 변환기(102)는 DC/DC 변환 모듈들(230)과 DC/AC 반전 모듈들(232)을 포함한다). 생성된 AC 전력은 그 후 AC 전력 망에 연결, 상업적인 및/또는 주거 AC 전력의 디바이스들에 직접 제공, 및/또는 이 후의 사용을 위해 저장(예, 배터리들, 가열된 물, 수력 펌핑, H2O-수소 변환, 등을 사용하여)될 수 있다. 하나 이상의 대안적인 실시예들에 있어서, 전력 변환기들은 PV 모듈들에 의해 생성된 DC 전력을 다른 전압의 DC로 변환하기 위한 DC/DC 변환기들이 될 수 있다.
방법(400)은 단계(402)에서 시작하여, 전력 변환 시스템 내의 전력 변환기에 연결된 PV 모듈(들)로부터의 DC 전류 및 DC 전압이 샘플링되는 단계(404)로 진행한다. 측정된 DC 전류와 DC 전압은 예컨대 종래의 아날로그 필터 기술들, 디지털 신호 처리, 또는 유사한 기술들에 의해 필터링될 수 있고, A/D 변환은 표준 A/D 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 단계(406)에서, 결과적인 순간 DC 전류 및 전압 값들은 순간적인 DC 전력을 계산하기 위하여 사용된다. 순간 DC 전류 및 전압 값들 뿐만 아니라, 순간적인 DC 전력 값은 메모리(218)와 같은 전력 변환기의 메모리 내에 저장될 수 있다. 하나 이상의 실시예들에 있어서, 전력 변환기로부터의 AC 전류 및 AC 전압은, 전력 변환기의 DC/DC 변환 모듈의 입력 또는 출력에서의 DC 아크 장애와 같은, DC 아크 장애들을 식별하기 위한 AC 전력 측정치들을 얻기 위하여, 유사하게 샘플링되어 사용된다.
단계(410)에서, DC 전력 시그니쳐는 잠재적인 아크가 발생하였는지 여부를 결정하기 위하여 분석된다. DC 전력 시그니쳐는 순간적인 DC 전력 값들에 의해 한정되고, 시간에 따라 DC 전력을 특징짓는다. 일부 실시예들에 있어서, 예컨대 임계값에 대한 비교에 의해 결정된 (예컨대 전력 변환기의 전력 제어 시스템으로부터의 현재의 명령에서의 변화와 일치하지 않는 정격 전력의 수 % 이상의, 예컨대 전력에서 1μs의 변화) DC 전력 시그니쳐에서 급속한 전력 감소는 잠재적인 아크를 나타내고; 추가적으로 또는 대안적으로, 잠재적인 아크가 발생했는지 여부를 결정하기 위하여 전력 변화(dp/dt)가 평가될 수 있다.
방법(400)은, 단계(410)의 분석에 기초하여 잠재적인 DC 아크 장애가 식별되었는지에 대한 결정이 이루어지는 단계(412)로 진행한다. 만약 이러한 결정의 결과가 부정이라면(즉, 어떠한 잠재적인 DC 아크 장애도 발생하지 않았다면), 방법(400)은 단계(414)로 진행하고, 이 단계(414)에서, 동작을 지속할지에 대한 결정이 이루어진다. 만약 단계(414)에서의 이러한 결정의 결과가 긍정이라면(즉, 동작을 지속한다면), 방법(400)은 단계(404)로 되돌아간다. 만약 이러한 결정의 결과가 부정이라면, 방법(400)은 단계(416)로 진행하고, 이 단계에서 방법은 종료한다.
만약 단계(412)에서 결정 결과가 긍정이면(즉, 잠재적인 DC 아크 장애가 발생되었다면), 방법(400)은 방법(300)의 단계(312)로 진행한다.
상술한 내용은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 및 추가의 실시예들이 본 발명의 기본 범주를 벗어나지 않고도 고안될 수 있고, 본 발명의 범주는 첨부되는 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (22)

  1. 아크 장애(arc fault)들을 관리하기 위한 방법으로서,
    상기 방법의 적어도 일부는 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 제어기에 의해 수행되며, 상기 방법은,
    전력 변환기의 신호의 시그니쳐(signature)를 분석하는 단계; 및
    상기 시그니쳐의 분석에 기초하여 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 시그니쳐를 분석하는 단계는,
    잠재적인 아크 장애를 식별하기 위하여 상기 시그니쳐를 분석하는 단계 ? 상기 시그니쳐는 상기 전력 변환기의 전류에 기초함 ? ; 및
    상기 잠재적인 아크 장애를 식별할 때, 상기 아크 장애를 식별하는 아크 장애 시그니쳐 매치(match)를 결정하기 위하여 상기 시그니쳐와 제 2 시그니쳐를 비교하는 단계 ? 상기 제2 시그니쳐는 상기 전력 변환기의 전압에 기초함 ?
    를 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 장애가 존재한다고 결정할 때, 상기 전력 변환기에 의한 전력 생산을 금지하는 단계를 더 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전력 변환기의 DC 전류의 극성을 결정하는 단계; 및
    상기 극성에 기초하여 직렬 아크 및 병렬 아크를 구별하는 단계
    를 더 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 병렬 아크를 식별할 때, 상기 전력 변환기의 DC 입력 단자들 간에 단락 회로를 적용하는 단계를 더 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    전류 파동(current fluctuation)들에 대해 상기 시그니쳐를 분석하는 단계를 더 포함하고, 비-파동 전류는 상기 병렬 아크를 확인하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    파동 전류를 결정할 때, 상기 단락 회로를 제거하는 단계를 더 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 직렬 아크는 상기 극성이 양일 때 식별되고, 상기 병렬 아크는 상기 극성이 음일 때 식별되는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 시그니쳐는 상기 전력 변환기의 DC 전류에 기초한 DC 전류 시그니쳐이고, 상기 제 2 시그니쳐는 상기 전력 변환기의 DC 전압에 기초한 DC 전압 시그니쳐인, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하는 단계는, 상기 시그니쳐 내의 조사-생성(irradiance-generated) 변화들과 상기 시그니쳐 내의 아크-생성(arc-generated) 변화들을 구별하는 단계를 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 방법.
  11. 아크 장애들을 관리하기 위한 장치로서,
    전력 변환 회로에 연결되고, 상기 전력 변환 회로의 신호의 시그니쳐를 분석하고, 상기 시그니쳐의 분석에 기초하여 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하도록 구성된, 파형 프로세싱 모듈
    을 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 시그니쳐를 분석하는 것은, (i) 잠재적인 아크 장애를 식별하기 위하여 상기 시그니쳐를 분석하는 것 ? 상기 시그니쳐는 상기 전력 변환 회로의 전류에 기초함 ? ; 및 (ii) 상기 잠재적인 아크 장애를 식별할 때, 상기 아크 장애를 식별하는 아크 장애 시그니쳐 매치를 결정하기 위하여 상기 시그니쳐와 제 2 시그니쳐를 비교하는 것 ? 상기 제2 시그니쳐는 상기 전력 변환기 회로의 전압에 기초함 ? 을 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 파형 프로세싱 모듈은, 상기 아크 장애가 존재한다고 결정할 때 상기 전력 변환 회로에 의한 전력 생산을 금지하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 파형 프로세싱 모듈은 추가로, (iv) 상기 전력 변환 회로의 DC 전류의 극성을 결정하며; 그리고 (v) 상기 극성에 기초하여 직렬 아크 및 병렬 아크를 구별하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 병렬 아크가 식별될 때, 상기 전력 변환 회로의 DC 입력 단자들 간에 단락 회로를 적용하기 위한 단락 메커니즘을 더 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 파형 프로세싱 모듈은 추가로 전류 파동들에 대해 상기 시그니쳐를 분석하고, 비-파동 전류는 상기 병렬 아크를 확인하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 단락 회로는 파동 전류를 결정할 때 제거되는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 직렬 아크는 상기 극성이 양일 때 식별되고, 상기 병렬 아크는 상기 극성이 음일 때 식별되는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 시그니쳐는 상기 전력 변환 회로의 DC 전류에 기초한 DC 전류 시그니쳐이고, 상기 제 2 시그니쳐는 상기 전력 변환 회로의 DC 전압에 기초한 DC 전압 시그니쳐인, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  20. 제 11항에 있어서,
    상기 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하는 것은, 상기 시그니쳐 내의 조사-생성 변화들과 상기 시그니쳐 내의 아크-생성 변화들을 구별하는 것을 포함하는, 아크 장애들을 관리하기 위한 장치.
  21. 아크 장애들을 관리하기 위한 시스템으로서,
    광발전(PV) 모듈;
    상기 PV 모듈에 연결된 전력 변환기
    를 포함하고, 상기 전력 변환기는 전력 변환 회로에 연결되는 파형 프로세싱 모듈을 포함하며, 상기 파형 프로세싱 모듈은 상기 전력 변환기의 신호의 시그니쳐를 분석하고, 상기 시그니쳐의 분석에 기초하여 아크 장애가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 것인, 아크 장애를 관리하기 위한 시스템.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 시그니쳐를 분석하는 것은, (i) 잠재적인 아크 장애를 식별하기 위하여 상기 시그니쳐를 분석하는 것 ? 상기 시그니쳐는 상기 전력 변환 회로의 전류에 기초함 ? ; 및 (ii) 상기 잠재적인 아크 장애를 식별할 때, 상기 아크 장애를 식별하는 아크 장애 시그니쳐 매치를 결정하기 위하여 상기 시그니쳐와 제 2 시그니쳐를 비교하는 것 ? 상기 제2 시그니쳐는 상기 전력 변환 회로의 전압에 기초함 ? 을 포함하는, 아크 장애를 관리하기 위한 시스템.
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