CN103597363A - 检测光伏电源***中的电弧故障的方法和*** - Google Patents

检测光伏电源***中的电弧故障的方法和*** Download PDF

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S·比埃尼克
T·布鲁
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G·贝藤沃特
M·卡拉图彻维尔
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O·普赖尔
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Abstract

一种用于检测在包括光伏发电机（2）的光伏电源电路（1）中的电弧故障的方法，该方法包括下列步骤：光伏发电机（2）在第一工作点下操作。与在电源电路（1）中流过的DC电流（I）和/或存在于电源电路（1）中的DC电压（U）相关的第一信号被确定。第一信号被分析，并且确定信号是否指示在电源电路（1）中存在电弧（7，8）。如果第一信号指示在电源电路（1）中存在电弧（7，8），则光伏发电机（2）在第二工作点下操作，并且确定与在电源电路（1）中流过的DC电流（I）和/或存在于电源电路（1）中的DC电压（U）相关的第二信号。第一及第二信号然后被比较；并且如果前一步骤（f）的比较的结果指示存在电弧（7，8），则发信号通知在电源电路（1）中存在电弧故障（7，8）。本发明还涉及为执行以上所描述的所设计的电弧故障检测***（10），并且涉及包括这样的电弧故障检测***（10）的光伏电源***以及用于光伏电源***的逆变器（5）。

Description

检测光伏电源***中的电弧故障的方法和***
技术领域
本发明涉及用于检测光伏电源电路中的电弧故障的方法和***。本发明还涉及用于包括相应的检测***的光伏***的逆变器。
背景技术
光伏（PV）电源电路通常在高DC（直流）电压和高电流下工作，并且因而易于产生电弧。电弧能够例如在具有高电流负荷的电源线在维护期间被中断时或者在互连器处的接触性能降低的情况下发生。电弧故障（即，在电源电路内出现电弧）的其它可能原因是电源线的受侵蚀的焊接点或受损绝缘体。电弧故障是在光伏***中最常见的火灾原因。这同样反映于例如由在2011年实施的美国国家电气法规（NEC）690.11所规定的对光伏***的电弧故障保护的要求中。
因此，可靠的电弧故障检测方法和***是非常重要的。一方面，由于安全性原因，电弧故障的存在必须在尽可能高的可靠性下检测。另一方面，所假定的电弧故障的错误指示的可能性必须是尽可能低的，特别是如果对电弧故障的错误检测可能在没有自动重启光伏***的选项的情况下导致光伏***的关闭，如例如在前面所提及的NEC690.11法规中所规定的。
电弧通常发射出在RF（射频）频率范围内的宽带AC（交流）信号。用于电弧故障的检测***基于在电源电路中检测相应的射频信号已被充分建立，并且可从例如文献WO95/25374中获知。这样的检测***的缺点在于需要能够执行AC或RF测量的测量电子器件。
电弧的形成或出现确实还会改变电源电路的DC特性。DC测量设备通常已经存在于光伏电源电路中，例如，用于设置PV发电机的工作点。为了最小化必须给PV***增添的数量和复杂性以便实现电弧检测***，基于在电源电路内的DC测量的检测方法和***将是所希望的。但是，电弧对DC特性的影响是相对较小的，并且因此，基于在PV电源***中的电源电路内的DC测量的电弧检测尚未确定是特别可靠的。
因而所希望的是创建用于基于DC测量检测电源电路中的电弧故障的稳健且可靠的方法和***。更为希望的是描述具有相应的检测***的光伏***。
发明内容
该目标是通过根据独立权利要求的用于检测电弧故障和PV***的方法和***来解决。
根据本发明的第一方面，用于检测PV电源电路中的电弧故障的方法包括PV发电机，该方法包括下列步骤：使PV发电机在第一工作点下工作。与在电源电路中流过的DC电流和/或存在于电源电路中的DC电压相关的第一信号被确定。第一信号被分析，并且确定该信号是否指示在电源电路中存在电弧。如果第一信号指示在电源电路中存在电弧，则使光伏发电机在第二工作点下工作，并且与在电源电路中流过的DC电流和/或存在于电源电路中的DC电压相关的第二信号被确定。第一及第二信号然后被比较；并且如果前一步骤的比较的结果指示存在电弧，则发信号通知在电源电路中存在电弧故障。
在第二工作点下的工作给出搜集在PV电源电路的工作条件下的附加信息的可能性。附加信息提高了电弧检测的可靠性，并且允许验证仅基于在第一工作点下工作期间所获得的有限信息的电弧的第一指示。该方法能够通过分析在工作期间以任何方式测量的值（电流、电压）来执行。不需要另外的专用设备，例如，不必执行RF测量。
在该方法的一种优选实施例中，第二工作点明显不同于第一工作点。这样，附加信息的获得是特别大的。
在该方法的一种优选实施例中，第二工作点对应于使PV发电机在其开环电压下工作。更优选的，如果确定为第二信号的电压低于开环电压，则发信号通知存在电弧故障。这样，电弧的特性和不可避免的电压降被用于其检测。
根据本发明的第二方面，电弧故障检测***被设计用于执行以上所述的方法。根据更多的方面，PV电源***以及用于PV电源***的逆变器包括根据第二方面的电弧故障检测***。第二及更多方面的优点对应于第一方面的优点。
更多的开发和优选的实施例是从属权利要求的主题。
附图说明
本发明现在将更详细地描述并且参照下面结合附图进行的详细描述将会得到更全面的理解。附图示出：
图1是光伏***的示意性布线图；
图2用于具有电弧检测***的光伏***的逆变器的示意性框图；
图3是用于检测电弧在光伏电源电路中的存在性的方法的实施例的流程图；
图4是光伏发电机的P/V曲线图；
图5是光伏发电机的另一个P/V曲线图；以及
图6是光伏发电机的I/V曲线图。
具体实施方式
图1示出了在示意性布线图中的光伏***（在下文中缩写为PV***）。PV***包括具有经由DC电源线3、4与逆变器5（例如，DC/AC（直流/交流）转换器）连接的光伏发电机2（PV发电机2）的DC电源电路1。逆变器5与在其AC侧的电网6连接。
电网6能够是私人或公共电网。举例来说，电网6是单相***。但是，本发明能够以在任意数目的相位（例如，两相或三相）下工作的电网和/或逆变器来实现。
此外，举例来说，PV发电机2由单个光伏电池的电路符号表示。在所示的PV***1的实现中，PV发电机2能够是例如自身包括多个光伏电池的单个光伏模块（PV模块）。在另一种实施例中，PV发电机2可以包括例如串行连接的且形成所谓的串的多个PV模块。而且，PV模块的并行连接或者组合的串行/并行连接是可能的。
如果PV发电机2是PV模块，则逆变器5能够被集成到PV模块内，例如，在位于模块后侧的连接盒内。集成于模块内的逆变器有时也称为“模块逆变器”。
图1示出了能够在电源电路1内发生的两类不同的电弧故障，该电源电路1由PV发电机2、电源线3，4以及逆变器5的输入状态形成。第一类是与作为电源电路的电源的PV发电机2并行地燃烧的并行电弧7。第二类是与PV发电机2电串行的且位于电源线3、4之一内的中断处的串行电弧8。这两类不同的电弧7、8均在图1中以符号表示。举例来说，串行电弧8位于电源线3内。同样地，举例来说，并行电弧7位于与PV发电机2并行处。一般地，并行电弧能够产生于具有不同电位的两个点之间。并行电弧因而同样能够产生于与PV发电机2的一部分并行之处，例如，位于与单个PV模块并行处。
而且，作为并行电弧的一种特殊情况，电弧同样能够相对地电位而产生，例如，在电源线3、4被安装于接地金属管内的情况下。对地电位的电弧在下文中称为接地电弧。例如，如果电源线3、4之一被有意地或无意地接地，则接地电弧能够产生于另一个电源线4、3与地电位之间。
图2以示意性框图示出了图1的逆变器5的实例。相同的参考数字在本申请的所有附图中指示相同的元素或者具有相同功能的元素。如同下文将更详细地解释的，图2所示的逆变器5具有例如带变压器的单级拓扑结构。应当注意，其它已知的拓扑结构，特别是多级拓扑结构同样能够使用。逆变器也能够被设计为无变压器的。
图2所示的逆变器5包括由逆变器5的DC输入馈入的逆变桥，所述逆变器5的DC输入由电源线3、4经由分流器51来供应。电容器52与逆变桥并行连接。电容器52使在DC电源电路内的因逆变桥的脉冲电流负载所致的电压纹波变小。举例来说，逆变桥是具有布置于两个支路内的四个开关元件53-56的全桥或H桥。开关元件被示为机械开关。在逆变器5的实现中，开关通常是可控半导体开关，例如，双极晶体管、MOSFET（金属-氧化物-半导体晶体管）或IGBT（绝缘栅双极晶体管）。逆变桥的支路的中心接头通向变压器57，其输出则与电网6连接。另外，还能够给出包括例如一个或多个电容器的正弦波滤波器。正弦波滤波器形成尽可能接近正弦波的输出电流。
逆变器5还包括具有集成的电弧检测***的控制单元10。控制单元10具有与逆变器5的DC电源输入和分流器51连接的输入线11。经由输入线11，控制单元10能够确定逆变器5的输入电压U以及在电源电路中流过的输入电流I。而且，控制单元10还经由另外的输入线12与逆变器5的AC输出连接。另外，控制单元10经由控制线13与开关53-56连接，以便控制开关53-56的开关状态。
开关53-56按照例如用于将由PV发电机提供的DC电流转换成要馈入电网6的AC电流的PWM（脉宽调制）方法来控制。另外的输入线12被用来将逆变器5的输出电压UAC和/或电流IAC的大小和/或相位与电网6同步。举例来说，AC电流IAC是在图2所示的实施例中经由分流器58所得的测量值。用于测量电流的其它技术（例如，经由霍尔传感器）同样能够使用。
通过控制开关53-56，使控制单元10能够设定PV电源发电机2的工作点。工作点（有时也称为操作点）通过给以下三种电学度量中的任一种指定规定值来设定：PV发电机2的所提供的电压、流过的电流或者所输送的功率，其中功率由电压和电流的乘积给出。通常，控制单元10包括用于自动确定指定值及设定工作点的装置，使得PV发电机输送最大的功率，称为MPP（最大功率点）***。
在图2所示的实施例中，开关53-56的开关状态另外还能够直接地或者经由设定工作点而通过集成的电弧检测***来控制。
图3示出了用于检测光伏电源电路中的电弧的方法的流程图。该方法能够在例如图1所示的光伏***中进行以及由集成于图2所示的逆变器5的控制单元10内的电弧检测***执行。不作任何限制，该方法因此将以举例的方式参照图1和2来描述。
在第一步骤S301中，电源电路（例如，图1所示的光伏***1）在第一工作点处于正常工作条件下操作，该第一工作点优选地由MPP***来确定。
在第二步骤S302中，测量在电源电路中流过的DC电流I以及由PV发电机2提供的DC电压U。所测得的值称为第一信号。应当注意，由于DC电压、DC电流及DC功率的值与AC电压、AC电流及AC功率的值之间（即，在逆变器的DC侧与AC侧之间）的关系，第一信号还能够根据AC值的测量来确定。
在下一步骤S303中，第一信号被分析，并且确定第一信号是否指示在电源电路中可能存在电弧。在下一步骤S304中，如果分析的结果没有指示存在电弧，则方法分支回到步骤S302以重复步骤S302至S304。相反地，如果分析的结果确实指示存在电弧，则方法继续进行步骤S305。
在步骤S303中，关于电弧的一个或多个不同的指示能够被检查。指示的全都是所测得的第一信号相对于通常的和期望的值的偏离。下面给出实例。而且，在步骤S302和S303的数次重复中测得的第一信号的变化同样能够用于分析异常行为。除了别的以外，指示能够为下列情形之一：
第一指示由在步骤S302中测得的电压U的意外值给出。图4以曲线图示出了PV发电机（例如，图1的PV发电机2）的P/V（功率-电压）特性曲线。PV发电机的工作电压U在曲线图的x轴上记录；由PV发电机输送的功率P在曲线图的y轴上记录。
P/V曲线101示出了PV发电机在其正常操作期间的特性。所输送的功率P随电压U增大而单调上升，直到达到最大功率。随着电压U进一步增大，功率P在开环电压U0下降低至0。曲线的最大值称为MPP（最大功率点）。在所示的情形中，曲线只展示出一个最大值，则该最大值称为全局MPP。应当注意，在某些工作条件下，例如，如果PV发电机的一部分被遮蔽（shadow），则会观察到两个或更多的局部MPP。在那种情况下，在所输送的功率中最高的MPP被指示为全局MPP。
在根据P/V曲线101的PV发电机的正常操作期间，MPP***将确定MPP并且设置PV发电机使其在电压值U111和功率值P111处的工作点111下工作。由于工作点111由MPP***来确定，因而在下文中它称为跟踪的工作点111。通常，与MPP相连的电压位于相对窄的范围内，例如，大约为PV发电机的开环电压的75%-85%。因此，可预料电压U111具有U0的大约75%-85%的高度。
沿着燃烧电弧的电压降近似达到数十伏，其中电压降的高度与电弧的参数相关，例如，电弧所跨越的距离。在图4中，另外的P/V曲线102-105示出了在具有不同参数的串行电弧在燃烧时的PV发电机的特性。应当注意，另外的P/V曲线102-105来源于电弧的仿真，而非来源于测量。由于该原因，曲线向下进行到零功率，即，进入其中真实电弧由于流过的低电流而将被熄灭的区域内。另外的P/V曲线102-105同样每个都只展示出一个MPP，该MPP位于比电压U111低的电压处以及于比功率值P111低的功率处。假定MPP***已经能够跟随由箭头指示的在电弧产生时的特性变化，则所跟踪的工作点112-115被设定。如果PV发电机在所跟踪的工作点112-115之一下工作，并且因此在步骤S302中测得的电压U低于预期值，则指示存在电弧。特别是对于用作PV发电机的单个模块，沿着串行电弧的电压降能够高达开环电压的30%，这导致明显超出预期范围的测量电压U。
在与PV发电机并行地燃烧的并行电弧7的情形中，所测得的电压U等于所提到的沿着燃烧电弧的电压降的高度，该高度同样明显地超出了预期的范围。
应当注意，与燃烧电弧不同的情况同样能够导致超出预期范围的测量电压。例如，如果入射阳光的强度低，则MPP***能够将工作点设定于在正常操作期间所预期的电压范围之外。但是，这样的情况或工作条件通常能够被识别。低强度的入射阳光能够例如通过低的光伏电流I来识别。
第二指示由P/V特性曲线的斜率变化给出。图5示出了用于解释该指示的与图4相同的P/V曲线101-105。MPP***在正常操作期间连续地确定P/V曲线（例如，P/V曲线101）的斜率，以便能够通过工作电压的稳定的来回变化跟随其最大值。在所示的实例中，假定PV发电机已经首先在所跟踪的工作点111下沿着P/V曲线101而操作（正常操作）。P/V曲线101在工作点111具有斜率121。进一步假定随后产生了串行电弧，导致由箭头指示的根据另外的P/V曲线102的特性变化。在MPP***能够“跟随”P/V曲线102到其最大值之前，工作点仍然位于与工作点111关联的电压值U111处。所产生的中间工作点被指示为未跟踪的工作点111'。在该未跟踪的工作点111'处，P/V曲线102具有显著不同于斜率121的斜率122。因此，由MPP***执行的P/V特性曲线在实际工作点处的斜率的测量示出了斜率从（已跟踪的）斜率121的值到（未跟踪的）斜率122的突然变化。斜率的快速变化因而能够被看作是电弧产生的指示。
第三指示由电流I的意外跃变给出。由于以上所述的沿着串行电弧的电压降，新的最佳工作点位于较低的电压处。现在参照图6，该图6以曲线图示出了PV发电机（例如，图1的PV发电机2）的I/V（电流-电压）特性曲线。PV发电机的工作电压U记录于曲线图的x轴上；从PV发电机流出的电流I记录于曲线图的y轴上。
I/V曲线201示出了PV发电机在其正常操作期间的特性，而另外的I/V曲线202-205示出了在具有不同参数的串行电弧正在燃烧时的PV发电机的特性。假定PV发电机首先在工作点211于正常的工作条件下工作。当电弧开始燃烧时，MPP***首先仍然保持由箭头指示的前一工作点的电压（类似于以上结合第二指示所描述的情形），该电压现在与在工作点212-215之一处的较低电流相关。因而，开始燃烧的串行电弧导致所测得电流I的突然下降。只有在那时，MPP***朝着更低的工作电压漂移并且最终锁定于新的MPP。电流I的值然后恢复为前值。类似地，所输送的功率P的快速变化能够被认为是存在电弧的指示。
第四指示由颤动的电压U或电流I给出。沿着电弧的电压降是随时间变化的。因此，所测得的电压U和所测得的电流I随时间变化。
如果已经检测到存在电弧的指示，则方法继续进行步骤S305。至此，仅电弧的指示被观察到。须要记住的是，其它操作条件（例如，对PV发电机的遮蔽）同样与P/V或I/V特性曲线的变化有联系。这样的变化能够被误解释为存在电弧的指示。步骤S305和随后的步骤现在用来验证电弧是否实际存在。为了该目的，PV发电机2在步骤S305中在第二工作点于显著不同的工作条件下操作。
在该方法的一种实施例中，在步骤S305中假定的第二工作点对应于通过例如打开逆变器5的逆变桥的所有开关53-56而将电流I设定为0。
在随后的步骤S306中，再次测量在电源电路中流过的DC电流I以及由PV发电机提供的DC电压U。所测得的值称为第二信号。
在随后的步骤S307中，比较第一及第二信号。如果之前还没有存在电弧，电容器将被充电高达开环电压。因此，电压U将上升，并且充电电流将被观察到。即使存在遮蔽，电压也会上升达开环电压U0。如果之前已经存在串行电弧8，则将有电流流过，只要电容器将吸收电荷。但是，由于沿着电弧的电压降，电容器的电压将不会超过与U0减去电压降相应的值。然后，最迟，将不再有电流流过，并且电弧将被熄灭。如果之前已经存在并行电弧7，则它将不会或者只在很小的程度上受到设定新的工作点的影响，并且因此没有能够观察到在第一及第二信号之间的显著变化。应当注意，小的变化能够由于由电弧载送的不同电流而发生。
能够在步骤S306之前已经存在的三种不同情景（无电弧、串行电弧、并行电弧）从而导致所测得的电压和/或电流的三种不同反应，这反映于第二信号与第一信号的比较中。
在下一步骤S308中，分析比较的结果，并且根据该结果，在步骤S309中指示电弧存在或者方法分支回到步骤S301，其中假定为正常操作。能够假定正常操作处于前面的第一工作点下。作为选择，能够执行用于查找全局MPP的搜索方法，以便找出新的第一工作点。合适的搜索方法是本技术领域所已知的，并且因此在此将不再详细地描述。
在该方法的另一种实施例中，在步骤S305中假定的第二工作点对应于将电压和/或电流显著降低到例如第一工作点的电压或电流的一半或三分之一。这同样导致所测得的电压和/或电流的不同反应，并且特别地导致与电弧存在相关的不同的动态行为。
作为选择或除此以外，在电弧已经被指示之后关于电弧是否实际存在的验证同样能够通过将所测得的特性曲线（例如，P/V或I/V曲线）与预料的特性曲线进行比较来执行。预料的特性曲线能够是例如在已知的操作条件（正常、部分遮蔽等）下已记录的或者所仿真的或所计算出的之前测得的曲线。
最后要注意，前面的描述和附图是示例性的，而不是限制性的，并且本发明并不限制于所公开的实施例。所公开的实施例的其它变化能够由本领域技术人员根据附图、本公开内容和所附的权利要求书来理解和实现。
参考符号列表
1      光伏电路（PV电路）
2      光伏发电机（PV发电机）
3，4   DC电源线
5      逆变器
6      电网
7      并行电弧
8      串行电弧
10     控制单元
11     信号线
12     另外的信号线
13     控制线
51     分流器（DC）
52     电容器
53-56  开关
57     变压器
58     分流器（AC）
101-105P/V曲线
111-115在P/V曲线上的工作点
121    斜率
201-205I/V曲线
211-215在I/V曲线上的工作点
U      电压
U0     开环电压
U111   在工作点111处的电压
U211   在工作点211处的电压
I      电流
P      功率
P111   在工作点111处的功率
S      步骤

Claims (9)

1.一种用于检测光伏电源电路（1）中的电弧故障的方法，所述光伏电源电路包括光伏发电机（2），所述方法包括以下步骤：
a.使所述光伏发电机（2）工作在第一工作点；
b.确定与在所述电源电路（1）中流过的DC电流（I）和/或存在于所述电源电路（1）中的DC电压（U）相关的第一信号；
c.分析所述第一信号并确定所述第一信号是否指示在所述电源电路（1）中存在电弧（7，8）；
d.如果所述第一信号指示在所述电源电路（1）中存在电弧（7，8），则使所述光伏发电机（2）工作在第二工作点；
e.确定与在所述电源电路（1）中流过的所述DC电流（I）和/或存在于所述电源电路（1）中的所述DC电压（U）相关的第二信号；
f.将所述第一信号与所述第二信号进行比较；以及
g.如果前面步骤（f）的所述比较的结果指示存在电弧（7，8），则发信号通知在所述电源电路（1）中存在电弧故障（7，8）。
2.根据权利要求1所述的方法，其中分析所述第一信号的步骤包括：确定所述第一信号是否示出了所述电压（U）和/或所述电流（I）的意外值和/或所述电压（U）和/或所述电流（I）的关于时间的导数的意外值，并且其中观察到这样的预期值被认为是存在电弧（7，8）的指示。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第二工作点明显不同于所述第一工作点。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二工作点对应于使所述光伏发电机（2）在其开环电压（U0）下工作。
5.根据权利要求4所述的方法，其中如果被确定为所述第二信号的所述电压（U）低于所述开环电压（U0），则发信号通知存在电弧故障（7，8）。
6.一种电弧故障检测***，被设计为执行前述权利要求中的任一项所述的方法。
7.一种光伏电源***，包括根据权利要求6所述的电弧故障检测***（10）。
8.一种用于光伏电源***的逆变器（5），所述逆变器包括控制单元（11），所述控制单元具有集成的根据权利要求6所述的电弧故障检测***。
9.根据权利要求8所述的逆变器（5），被集成到光伏模块中。
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