CN114945832A - 探测电弧的方法和电路装置以及具有相应的电路装置的光伏（pv）逆变器 - Google Patents

探测电弧的方法和电路装置以及具有相应的电路装置的光伏（pv）逆变器 Download PDF

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Abstract

本申请描述了一种用于探测直流电路(6)中的电弧(9)的方法，该直流电路具有DC负载(3)、为DC负载(3)供电的DC源(2)以及布置在DC源(2)和DC负载(3)之间的电路装置(1)。借助于开关单元(10)，通过循环中断来抑制DC源(2)和电路装置(1)的输出端(8)之间的功率流，使得功率流在具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口(31)中被启用并且在具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口(32)中被抑制。通过在两个相继的活动时间窗口(31)中探测表征功率流P的电流I和/或表征功率流P的电压U，并将探测的活动时间窗口(31)的电流I和/或电压U的值与探测的先前的活动时间窗口(31)的相应值进行比较，如果活动时间窗口(31)的这些值与先前的活动时间窗口(31)的相应值相差大于阈值，则可以发出关于电弧(9)的信号。本申请还描述了一种用于探测电弧(9)的电路装置(1)和一种具有这种电路装置(1)的光伏(PV)逆变器(40)。

Description

探测电弧的方法和电路装置以及具有相应的电路装置的光伏 (PV)逆变器
发明的技术领域
本发明涉及用于探测电弧的方法和开关装置，以及具有这种电路装置的光伏(PV)逆变器。
现有技术
电弧可能在电气***中造成不可忽视的损坏，例如，这种损坏可能导致电气***以及包括该***的建筑物发生火灾。也可能对人身造成伤害。因此，在电气***中识别电弧是一项重要要求。当电气***具有直流(DC)电路时尤其如此，因为在DC电路中，与交流(AC)电路不同，通常不存在可以熄灭(或者至少有利于熄灭)燃烧的电弧的电压过零。
通常对两种不同类型的电弧进行区分。当存在接触故障时，会发生串联电弧，例如当电缆或插头松动但触点非常接近时，使得在触点之间的间隙中存在局部高电场强度。串联电弧的示例也是在开关过程期间在继电器的触点之间出现的开关电弧。并联电弧比较少见，并且例如当电气***的正极线和负极线彼此靠近且它们的绝缘损坏时，就会出现并联电弧。在这里，在受损导体之间也可能存在局部高场强。在串联电弧中转换的损耗功率通常明显小于在并联电弧中转换的损耗功率。因此，电源和由该电源供电的负载之间的串联电弧引起传输功率的相对较小的变化。相比之下，并联电弧会导致由电源提供并最终由负载消耗的电功率发生很大变化。
用于探测电弧的常规方法使用通常由电弧发出的噪声光谱。在此，当电气***中存在电弧时，高频干扰电压或高频干扰电流会叠加在有用电压或有用电流上。可以在同时承载有用电流或有用电压的电导体上对高频干扰电压和/或高频干扰电流进行电气过滤和探测。当超过一定的干扰电压和/或一定的干扰电流时，则发出关于电弧的信号。例如在WO2012/116 722 A1中描述了这种方法。为了提高探测的灵敏度，也可以同时探测所发射的噪声频谱内的多个不同的频率。
另一种已知的用于探测电弧的方法是使用伴随电弧形成的电压和/或电流的突然变化。在此，通常以高时间分辨率监测电流和/或电压，以识别突然变化。在该方法中，必要时也可以检查所观察到的电流和/或电压的变化与电气负载的功率消耗中的正常波动有多大程度的不同。当观察到的电流和/或电压的变化与***的正常消耗波动明显不同时，则发出关于电弧的信号。例如在文献WO 2011/017721 A1中公开了这种方法。
最后，从文献WO 2013/171329 A1已知一种用于电弧探测的方法，该方法将噪声信号的探测与电流的突然变化的探测相结合。在此，可以将所探测到的噪声信号的时间上的出现以及所探测到的电流变化的时间上的出现分别设有时间戳。通过对这两个时间戳的比较，可以确定对电弧的存在的附加可信度测试。
所有方法通常都使用相对复杂的且因此昂贵的测量***，这些测量***越可靠地识别到可能存在的电弧或者越可靠地避免电弧的错误信号以及相关的电气***停用，就越复杂。
从文献DE 102 25 259 B3已知一种电插拔连接器，其具有在拔出过程中领先(voreilen)的主触点和与其并联连接的滞后(nacheilen)的辅助触点。在拔出插拔连接器时，主触点不可避免地首先与其对接插接件分开，然后辅助触点最后才与其对接插接件分开。为了避免与拔出过程相关的电弧，与辅助触点串联连接的半导体开关在主触点和辅助触点的触点分离之间周期性地接通和断开。
发明任务
本发明的任务在于提出用于探测DC电路中的电弧，特别是串联电弧的方法，该方法能够相对低成本地执行。特别地，在此应尽可能避免复杂的探测***，而是使用相对简单且低成本地设计的测量技术。此外，本发明的任务还在于提出适于执行该方法的电路装置以及具有这种电路装置的光伏(PV)逆变器。
解决方案
根据本发明，展示开篇提及类型的用于电弧探测的方法的任务通过独立权利要求1的特征来解决。根据本发明，适于执行该方法的电路装置的任务通过独立权利要求14的特征来解决。具有这种电路装置的PV逆变器的任务通过独立权利要求17的特征来解决。方法的有利的变型方案在从属权利要求2至13中进行了描述，电路装置的有利的实施方式在从属权利要求15和16中进行了描述，以及PV逆变器的有利的实施方式在从属权利要求18和19中进行了描述。
发明描述
根据本发明的方法旨在探测直流电流(DC)电路中的电弧，该DC电路具有DC负载、为DC负载供电的DC源以及布置在DC源和DC负载之间的电路装置。在此，电路装置包括：输入端，其具有用于连接DC源的两个输入端子；输出端，其具有用于连接DC负载的两个输出端子；以及布置在输入端和输出端之间的开关单元。开关单元具有至少两种操作模式，并且可以在这两种操作模式中操作。具体地，开关单元被设计成，必要时结合施加在电路装置的输出端处的输出电压Uaus，在第一操作模式BM1中启用DC源与电路装置的输出端之间的功率流P，并且在第二操作模式BM2中抑制DC源与电路装置的输出端之间的功率流。该方法包括以下方法步骤：
-借助于开关单元，循环中断DC源和电路装置的输出端之间的功率流P，使得在具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口中启用功率流P，即在那里P≠0，并且在具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口中抑制功率流P，即在那里P＝0，
-在两个相继的活动时间窗口中探测表征功率流P的电流I和/或表征功率流P的电压U，
-将探测的活动时间窗口的电流I和/或电压U的值与探测的先前的活动时间窗口的相应的值进行比较，以及
-如果活动时间窗口的电流I和/或电压U的值与先前的活动时间窗口的相应的值相差大于阈值，则发出关于电弧的信号。
特别地，待探测的电弧可以是串联电弧。电路装置可以完全或部分地是电气设备(例如能量转换单元，如逆变器)的组成部分。DC负载可以被构造成传统意义上的DC负载并且为此仅包含DC消耗器。然而，该DC负载也可以包括DC/AC转换器，该DC/AC转换器在输出侧与交流电压(AC)负载连接。AC负载可以是由交流电压供电的电气设备。然而，可替代地，AC负载也可以是供电网，DC/AC转换器将从DC功率转换的AC功率馈送到该供电网中。功率流P的循环中断是指以满足规则的方式重复中断功率流P，该中断可以周期性地进行，但不必周期性地进行。在周期性进行的中断中，第一持续时间Δt1以及第二持续时间Δt2的总和是恒定的，即Δt1+Δt2＝常数，而在非周期性进行的中断中，总和不是恒定的。如果DC负载消耗的功率波动可以被归类为小到可以忽略不计，则可以周期性地中断功率流P。如果不能假设这一点，则功率流的循环中断通常非周期性地进行。表征功率流P的待探测的电流I可以是在DC源和电路装置的输入端之间流动的电流。对此可替代地，也可以是在电路装置的输入端和开关单元之间流动的电流或者是在开关单元和电路装置的输出端之间流动的电流。所探测的电压U可以是施加在电路装置的输入端处的电压和/或施加在电路装置的输出端处的电压。在本发明的范围内，仅探测表征DC源与输出端之间的功率流P的一个电流，但可替代地也探测多个电流。对此可替代地或附加地，可以仅探测表征DC源与电路装置的输出端之间的功率流P的一个电压，但必要时也可以探测多个电压。
本发明利用如下效果：在DC电路中在DC源和DC负载之间通常连续的功率流P被开关单元转换成不连续的功率流P。这至少适用于DC电路的第一区域，该第一区域被布置在DC源和电路装置的输出端之间。在此，在DC电路的第一区域中，即在DC源与开关装置的输出端之间的整个路段上，功率流P可以(但不是绝对必要)被中断。更确切地说，功率流的循环中断仅在DC源和电路装置的输出端之间的部分路段上进行就足够了。具体地，例如，当功率流仅在DC源和输出端之间的部分路段上被中断时，在那里存在的电容的仍在衰减的充电过程可以在DC电路的第一区域的其余部分路段中进行。然而，通过抑制DC电路的第一区域的部分路段上的功率流，对此作为响应，DC电路的第一区域内的其余部分路段上的功率流至少显著减小。在布置在电路装置的输出端和DC负载之间的DC电路的第二区域中，功率流可以是不连续的或连续的。
由于在禁用的第二时间窗口中没有从DC源到电路装置的输出端的功率流，因此在DC电路中，至少在DC电路的第一区域中，并且至少在DC电路的从DC源延伸到开关装置的输出端的第一区域的部分路段上，有意地招致电流I的过零。总之，适用于DC源和电路装置的输出端之间的DC电路的整个第一区域，如果功率流P在那里没有被完全中断，那么至少也是在各处都被大大减小了。在此，同时也从DC电路的第一区域中可能存在的串联电弧抽走能量。通过抽走能量，电弧不能继续燃烧，而是(至少暂时在禁用时间窗口内)被熄灭。现在，当在禁用时间窗口之后的活动时间窗口中再次产生从DC源到电路装置的输出端的功率流P时，相对于电弧仍在燃烧的先前的活动时间窗口，该功率流P还伴随着燃烧的电弧的风险会大大降低。换句话说：如果电弧在两个活动时间窗口中的时间靠前的活动时间窗口中燃烧，则电弧很大概率不再存在于两个活动时间窗口中的时间靠后的活动时间窗口中。在此，概率随着禁用时间窗口的第二持续时间或处于两个活动时间窗口之间的禁用时间窗口的第二持续时间的增加而增加。
根据本发明，在两个时间上错开的活动时间窗口中的每一个活动时间窗口中分别探测与相应活动时间窗口中的功率流P相关联的电流I和/或电压U。因为由电弧损耗的损耗功率也与电弧相关联，所以电流I和/或电压U的电气变量根据DC电路中电弧的存在而改变。因此，可以从两个时间上错开的活动时间窗口的探测的电流I和/或电压U的值的比较中推断出，两个活动时间窗口中的一个与两个活动时间窗口中的相应另一个相比是否具有电弧。这特别适用于DC负载随时间的消耗由于其他原因是已知的情况和/或在时间上不变化，至少不显著地变化的情况。具体地，如果在时间上随后的活动时间窗口的电流I和/或电压U的值与随后的活动时间窗口的电流I和/或电压的相应值相差超过预定义的阈值，则可以发出关于电弧的信号。
在根据本发明的方法中，对用于从电流I和/或电压U中探测电气变量的测量单元没有提出特殊要求。测量单元既不必具有高精度，也不必具有高时间分辨率，即高测量频率。这是因为探测电气变量的突然变化并不重要。更确切地说，仅探测代表相应的活动时间窗口的电气变量值就足够了，例如相应的活动时间窗口的平均值。出于该原因，用于探测电气变量的测量单元可以非常低成本地构造。通常，该测量单元已经存在于DC电路中，这就是为什么在这种情况下不会产生额外成本的原因。因为根据本发明，即使在DC负载的正常操作中，在DC电路中的DC源和电路装置的输出端之间的功率流P也是不连续地出现，基本上在各个能量包(Energiepaket)中不连续地出现，所以不需要复杂的探测单元来触发连续出现的功率流的一次性中断。更确切地说，根据本发明的方法的操作就像在每个活动时间窗口中，至少在DC电路的第一区域中存在电弧，特别是串联电弧，必须在禁用时间窗口中通过借助于开关单元产生对来自DC源的功率流P的中断来熄灭该电弧。关于在先前的活动时间窗口中是否实际存在电弧的信息仅根据在时间上随后的活动时间窗口中对电流I和/或电压U的电气变量的探测以及将其与在时间上在前的活动时间窗口的电流I和/或电压U的相应探测的变量进行比较得出。
在禁用时间窗口中，DC负载可以由本来就存在于DC负载的输入端处的能量缓存器(例如，电容)供电或由附加设置并与电路装置的输出端并联连接的电容供电。另外，禁用时间窗口的第二持续时间Δt2可以选择得非常小，使得电容仅微不足道地放电，从而可以在很大程度上避免DC负载的供电不足和DC负载的可能与之相关的故障操作。
在该方法的一种有利的实施方式中，开关单元可以响应于发出关于电弧的信号，必要时结合施加在电路装置的输出端处的输出电压Uaus，持久地中断DC源和电路装置的输出端之间的功率流P，至少在与禁用时间窗口的第二持续时间Δt2相比较长的时间段内中断DC源和电路装置的输出端之间的功率流P。例如，这种响应于发出关于电弧的信号而进行的中断可以持续几分钟或直至被手动确认为止。以这种方式，专业人员有机会识别和修复DC电路中由探测到的电弧引起的可能的损坏。
活动时间窗口和先前的活动时间窗口(其电流I和/或电压U的值彼此进行比较)不必强制地直接相继跟随。更确切地说，它们可以被多个禁用时间窗口和至少一个另外的活动时间窗口彼此分开。然而，在该方法的有利的实施方式中，活动时间窗口和先前的活动时间窗口也可以被恰好一个禁用时间窗口彼此分开。以这种方式，在比较电气变量时，DC负载的消耗在此期间发生的变化就不那么重要了。
在该方法的一种有利的实施方式中，禁用时间窗口的第二持续时间Δt2可以如此选择，使得其不仅高到足以熄灭在DC电路中可能存在的电弧，而且更确切地说是高到足以抑制先前熄灭的电弧在时间上跟随在禁用时间窗口之后的活动时间窗口中再次点燃。特别地，第二持续时间的值可以取决于与电弧相关联的热时间常数，并且在此特别地，应大于相应的热时间常数。热时间常数描述了在不再向电弧输送电能的情况下，例如因为在DC电路的第一区域中的功率流借助于开关单元被中断了，被构造成等离子体的电弧柱的电导率随时间的下降。具体地，如果在电弧熄灭之后，再次将电压U施加到电弧柱上的时间大于热时间常数，则不会发生电弧的再次点燃。此外，电流流动的最小必要中断时间的值也可以取决于在燃烧的电弧中转换的功率。因此，禁用时间窗口的第二持续时间Δt2的值也可以根据探测的紧接在前的活动时间窗口的电流I和/或电压U的值来选择。在此特别地，第二持续时间Δt2的值可以随着先前的时间窗口的探测的电流I和/或探测的电压U的值的升高而升高。在实验中表明，如果第二持续时间Δt2的值介于0.1ms和10.0ms之间，优选介于0.3ms和4.0ms之间，就足够了。
在该方法的一个变型方案中，借助于开关单元，中断电路装置的输入端和输出端之间的功率流P。电路装置可以具有与其输入端并联连接的输入电容。在此有利地，在禁用时间窗口中也可以探测在输入端处流动的输入电流Iein和/或施加在输入端子之间的输入端处的输入电压Uein。现在，禁用时间窗口的第二持续时间Δt2可以根据探测的输入电流Iein和/或探测的输入电压Uein来确定。具体地，例如通过以下方式来限定禁用时间窗口的第二持续时间Δt2：在禁用时间窗口中探测的输入电流Iein低于另一电流阈值ITH2，在该阈值以上，不再对输入电容进行明显的充电。例如，这可以在施加在输入电容处(以及因此也施加在电路装置的输入端处)的输入电压Uein的时间曲线上确定。附加地，另一电流阈值ITH2如此选择，特别地选择得如此低，使得如果串联电弧存在于DC源和电路装置的输入端之间，则该串联电弧不能继续燃烧。这例如可以根据经验测定或验证。因此，当低于另一电流阈值ITH2时，确保了在DC源和电路装置的输入端之间可能存在的串联电弧被可靠地熄灭。
当然，在电路装置的输入端上流动的输入电流Iein可以通过相应的电流传感器来探测。然而，这除了在通常本来就存在的电压传感器之外还需要附加的电流传感器。在该方法的一种实施方式中，其中电路装置具有与其输入端并联连接的输入电容，并且其中输入端和输出端之间的功率流P被中断，DC源和电路装置的输入端之间流动的电流可以至少部分地，必要时也可以大部分地或完全地由在输入端处流动的输入电流Iein形成。在此，现在在禁用时间窗口中，也可以通过施加在输入电容处的输入电压Uein的时间变化来测量在输入端处流动的输入电流Iein，特别是流入输入电容中的输入电流Iein。具体地，施加在输入电容两端(也施加在输入端子之间)的输入电压Uein的时间导数提供了在DC源与电路装置的输入端之间流动的电流的度量。以这种方式，可以仅使用一个电压传感器来确定施加在输入端子之间的输入端处的输入电压Uein以及在输入端处流动的输入电流Iein。
在该方法的另一变型方案中，电路装置的开关单元由DC/DC转换器，特别是由升压转换器形成。附加地，电路装置具有与其输出端并联连接的输出电容。在此有利地，在活动时间窗口中，在第一持续时间Δt1接近结束时可以通过开关单元放大施加在输出电容处的电压Uaus。例如，在达到或超过活动时间窗口的第一持续时间Δt1的至少50％，优选至少75％，特别优选至少90％时，可以放大施加在输出电容处的电压Uaus。在此，在活动时间窗口开始时，施加在输出电容处的电压Uaus放大了至少10％，优选至少20％。在任何情况下，在具有续流二极管的被构造成升压转换器的DC/DC转换器的情况下，施加在输出电容处的电压Uaus应至少是或超过DC源的空载电压的值。只有这样才能确保开关单元连同施加在输出侧处的电压Uaus一起来抑制电路装置的输入端和输出端之间的功率流。附加地，以这种方式可以提高缓存在输出电容中并且特别也在紧邻的禁用时间窗口中为DC负载供电的能量。可以提高紧邻的禁用时间窗口的第二持续时间Δt2的上限，并且可以避免，至少可以降低特别在禁用时间窗口期间为DC负载不正确供电的风险。另一方面，DC/DC转换器用于缓存能量发生的损耗仅发生在活动时间窗口结束时，即仅发生在第一持续时间Δt1的一小部分期间，而不是发生在整个第一时间窗口期间。附加地，提供输出电容的构件仅在第一持续时间的一小部分内加载以高电压值。
在该方法的一个实施方式中，活动时间窗口中的第一持续时间Δt1的值可以这样选择，使得由在活动时间窗口中假设的电弧的功率损耗产生的电弧能量不超过预定的最大允许能量值Emax。因此，在这种情况下，在当前的活动时间窗口中，假定存在虚构的(但不一定真实存在的)电弧。然而，基于虚构的电弧在活动时间窗口中燃烧的假设，可以根据下式通过在活动时间窗口中的电流I和假设的电弧电压降ΔULB来估算当前的活动时间窗口的第一持续时间Δt1：
Figure BDA0003748518750000091
根据当前测量单元的时间分辨率，也可以使用电流I的多个探测的值。在这种情况下，在上面给出的关于电流I等式的分母中，可以使用平均电流IMittelwert。对于电弧的电压降ΔULB，存在实验测定的或基于经验的值。例如，在常见的PV***中，介于30V和40V之间的值可以用作电弧电压降的良好近似值。
在探测光伏(PV)***的DC电路中的电弧方面，如果最大可能的能量值Emax具有在相关标准中也列出的Emax＝200J的值，则是有利的。具体地，当在活动时间窗口中传输的能量不超过值200J时，对于在先前活动时间窗口中实际上探测到电弧的情况，可以以简化形式并且特别在不使用电气专业人员的情况下执行PV***的重新启动。
在该方法的一个实施例中，多个DC源可以分别通过电路装置彼此并联地与DC负载连接，以便利用它们各自的功率流P共同为DC负载供电。在此，用于探测特别是串联电弧的方法可以针对每个DC源同时执行，其中，在针对不同DC源执行该方法时，与功率流P的相应的循环中断相关联的禁用时间窗口尽可能在时间上彼此错开并且尽可能不重叠。有利地，这样进行功率流P的循环中断，使得不同DC源的禁用时间窗口之间的时间重叠至少被最小化。以这种方式，通过最小化由多个DC源的各个功率流P的总和产生的总功率流的波动，确保DC负载的稳健操作。
根据本发明的用于探测DC电路中的电弧的电路装置包括：
-具有用于连接DC源的两个输入端子的输入端和具有用于连接DC负载的两个输出端子的输出端，
-布置在输入端和输出端之间的开关单元，其中，开关单元被设计和设置成，必要时结合施加在电路装置的输出端处的输出电压Uaus，在第一操作模式BM1中启用输入端和输出端之间的功率流P，并且在第二操作模式BM2中抑制输入端和输出端之间的功率流P，
-测量单元，其用于确定施加在输入端或输出端处的电压U和/或从输入端子之一到输出端子之一的连接线路中流动的电流I，以及
-控制单元，其用于控制开关单元和必要时控制测量单元。
电路装置的特征在于，控制单元被设计和设置用于连同开关单元和测量单元一起执行根据本发明的方法。
为了使开关单元能够抑制输入端和输出端之间的功率流P，开关单元可以具有一个或更多个可控制的开关，特别是半导体开关。可替代地或附加地，用于抑制功率流P的开关单元也可以具有一个或更多个不可控制的半导体开关，例如二极管。控制单元可以被构造成单独的控制单元。但可替代地，控制单元也可以被构造成本来就存在于DC电路中的控制单元的组成部分。得到了已经结合该方法阐述的优点。
在电路装置的有利的实施方式中，开关单元可以具有半导体开关，该半导体开关被布置在从输入端子之一到输出端子之一的连接线路之一中。半导体开关可以没有与半导体开关的载流端子并联连接的固有构造或单独构造的续流二极管。但对此可替代地，半导体开关也可以具有与半导体开关的载流端子并联连接的续流二极管。在此，续流二极管可以被构造成固有的续流二极管，也可以被构造成单独构造的续流二极管。如果半导体开关具有续流二极管，则该续流二极管可以特别地这样布置，使得该续流二极管相对于DC电路的正常电流方向沿截止方向被极化。
电路装置可以具有与输出端并联连接的能量缓存器，特别是电容。利用该电容，电路装置能够在活动时间窗口中缓存DC源的有限能量，借助该有限能量在随后的禁用时间窗口中为DC负载供电。以这种方式，即使DC负载不包括缓存的可能性，也可以在禁用时间窗口期间为DC负载供电。在这种情况下，功率流P仅在DC电路的第一区域中是不连续的，而功率流P在DC电路的第二区域中是连续的。根据一种实施方式，根据本发明的电路装置或电路装置的开关单元可以设计成DC/DC转换器，特别设计为升压转换器。在此，从DC源到电路装置的输出端的功率流P可以通过以下方式中断：禁用电路装置，特别是电路装置的开关单元，以及施加在电路装置的输出端处的电压大于施加在电路装置的输入端处的电压。实验表明，在DC/DC转换器的几个(有利地，最多8个)开关周期内禁用就足够了。
根据本发明，光伏(PV)逆变器包括：至少一个输入端，输入端具有用于连接作为DC源的PV串的两个输入端子；输出端，其用于连接交流电压(AC)电网；DC/AC转换器，其用于将直流电压转换为交流电压；以及根据本发明的电路装置。在此，电路装置的输入端与PV逆变器的至少一个输入端连接，并且电路装置的输出端与DC/AC转换器的输入端连接。逆变器可以是单相构造的PV逆变器，该PV逆变器在输出侧最多具有一个相位导体端子和一个中性导体端子。可替代地，逆变器也可以是多相构造的PV逆变器，该PV逆变器具有输出侧的多个(特别是输出侧的三个)相位端子和输出侧的一个中性导体端子。电路装置的控制单元可以集成到PV逆变器的控制单元中，或者集成到包括PV逆变器的PV***的上级控制单元中。由此，得到已经结合与方法和电路装置提到的优点。
当根据本发明的方法用于探测在PV***内的电弧(特别是串联电弧)时，其中DC源包括PV串并且DC负载包括在输出侧与交流电压(AC)电网连接的单相DC/AC转换器，有利地，循环中断功率流P使得流经DC/AC转换器的输出端的AC电流IAC(t)在禁用时间窗口的第二持续时间Δt2期间过零。也就是说，在单相DC/AC转换器中，功率从PV逆变器的缓存器(例如，DC中间电路的中间电路电容)以具有以下频率的正弦脉冲方式被提取，该频率对应于连接到PV逆变器的AC电网的频率的两倍，其中，在由DC/AC转换器产生的AC电流IAC(t)的过零附近，从缓存器提取最低功率或能量。现在，如果禁用时间窗口在时间上与AC电流IAC(t)的过零重叠，则可以最小化DC中间电路的电压纹波。
在本发明的一种实施方式中，PV逆变器可以仅具有一个输入端，作为DC源的PV串连接到该输入端上。然而，在本发明的另一实施方式中，PV逆变器也可以具有多个输入端，这些输入端被设计成分别连接作为DC源的PV串。在此，输入端可以分别经由DC/DC转换器彼此并联地与共同的DC中间电路连接。可以包括中间电路电容的DC中间电路又可以与DC/AC转换器的输入端连接。在此，根据本发明的电路装置可以与PV逆变器的每个输入端相关联，其中PV逆变器的每个输入端分别连接到与其相关联的电路装置的输入端，并且每个电路装置的输出端分别与DC/AC转换器的输入端连接。在本发明的范围内，每个电路装置至少部分地，必要时也完全地，由一个DC/DC转换器形成。
在PV逆变器的一种实施方式中，电路装置的控制单元可以包含在PV逆变器的上级控制单元中。在此，上级控制单元同时被设置用于控制PV逆变器的DC/AC转换器和DC/DC转换器，使得在PV逆变器操作期间，施加在DC中间电路上的电压保持在各个PV串的空载电压的最大值以上。
本发明的有利的设计方案在以下说明书和从属权利要求中给出，其特征可以单独地并且以彼此任意的组合来应用。
附图简述
下面借助附图对本发明进行描述，其中：
图1示出了具有DC源、DC负载和根据本发明的第一实施方式的电路装置的DC电路；
图2示出了根据本发明的第二实施方式的电路装置；
图3示出了图2的电路装置在根据本发明的方法期间的操作模式、电流和电压的时间曲线；以及
图4示出了具有根据本发明的一实施方式的PV逆变器的PV***。
附图描述
在图1中，示出了具有DC源2、DC负载3和根据本发明的电路装置1的直流(DC)电路6。DC源2可以具有内阻(在图1中未明确示出)。电路装置1具有输入端7，该输入端具有第一输入端子7.1和第二输入端子7.2，DC源2连接到这些输入端子上。电路装置1还具有输出端8，该输出端具有第一输出端子8.1和第二输出端子，该输出端与DC负载3连接。每个输入端子7.1、7.2分别经由连接线路23、24与相应的输出端子8.1、8.2连接。在输入端7和输出端8之间布置有开关单元10。开关单元10被设计成，必要时结合施加在电路装置1的输出端8处的电压Uaus，在第一操作模式BM1期间启用DC源2和输出端8之间的功率流P，并且在第二操作模式BM2期间抑制DC源2和输出端8之间的功率流P。例如，可以借助于开关单元10，在第一操作模式BM1期间启用输入端7和输出端8之间的功率流P，并且在第二操作模式BM2期间阻止输入端7和输出端8之间的功率流P。为此目的，开关单元10具有至少一个可控制的开关，必要时也可以具有多个可控制的开关。开关可以是机电开关，有利地也可以是半导体开关。此外，开关单元10也可以具有一个或更多个不可控制的半导体开关，特别是二极管。开关单元10由控制单元5控制。附加地，电路装置1包含测量单元4，该测量单元被设计成测量施加在电路装置1的输出端8处的输出电压Uaus和/或流过输出端8的输出电流Iaus。可替代地或附加地，测量单元4也可以被设计成测量施加在输入端7处的输入电压Uein和/或流过输入端7的输入电流Iein(图1未示出)。测量单元4与控制单元5连接，以用于进行通信和控制。电路装置1可以可选地包括输出电容11(在图1中以虚线表示)，该输出电容与电路装置的输出端8并联连接。可替代地或附加地，电路装置1可以包括输入电容，该输入电容与电路装置的输入端7并联连接(在图1中未示出)。
现在，在电路装置1的操作中，借助于开关单元10，并且必要时结合施加在电路装置1的输出端8处的输出电压Uaus，循环(即，以满足规则的方式并重复地)中断功率流P。因此，DC源2和输出端8之间的功率流P不连续地出现，其中如结合图3所阐述的，具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口31与具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口32交替出现。因此，在活动时间窗口31期间，在DC源2和输出端8之间出现非0的功率流P，其中在禁用时间窗口32中，功率流P取值为0。
在两个相继的活动时间窗口31期间，现在借助于测量单元4分别确定电流I和/或电压U并且将其传递给控制单元5。电流I可以是输入电流Iein或者输出电流Iaus，电压可以是输入电压Uein或者输出电压Uaus。借助于控制单元5将相继的活动时间窗口31的电流I和/或电压U的值彼此进行比较。控制单元5被设置成，如果时间上置后的活动时间窗口31的电流I和/或电压U的值与先前的活动时间窗口31的电流I和/或电压U的相应值偏差至少一个阈值，则发出关于电弧9(特别是串联电弧)的信号。
在图2中，示出了根据本发明的第二实施方式的电路装置1。电路装置1在某些部件上与图1中已经描述的第一实施方式相似，这就是为什么要参考图1的描述来参阅一致的特征。下面将主要阐述第二实施方式相对于第一实施方式的不同之处。
根据第二实施方式，电路装置1被设计成DC/DC转换器21，特别是升压转换器，并且被设置为将施加在输入端7处的输入电压Uein转换成施加在输出端8处的输出电压Uaus。为此，电路装置1的开关单元10在第一输入端子7.1和第一输出端子8.1之间的第一连接线路23内具有电感22和与其串联连接的第一半导体开关S1。第二半导体开关S2的第一端子与电感22和第一半导体开关S1的连接点25连接，并且第二半导体开关S2的第二端子与第二连接线路24连接。第一半导体开关S1以及第二半导体开关S2可以分别具有固有的或单独构造的续流二极管D1、D2(在图2中用虚线示出)。
换言之，在第一操作模式BM1期间，在图3中示出的具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口31中，电路装置1作为升压转换器操作，并且借助于第一半导体开关S1和必要时的第二半导体开关S2的适当时钟，将输入电压Uein转换为比输入电压Uein更大的输出电压Uaus。在此，有利地，输出电压Uaus被选择成使得其大于连接到输入端7的DC源2的空载电压U0(在图2中未示出)。与输出电压Uaus相关联的能量被暂存在与输出端8并联布置的输出电容11中。在第二操作模式BM2中，即在图3中示出的具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口32中，半导体开关S1、S2的时钟被控制单元5中断。在第二操作模式BM2期间，半导体开关S1、S2被持续断开。第二持续时间Δt2可以持续DC/DC转换器21的几个时钟周期。现在，由于施加在输出端8处的电压Uaus被选择成使得该电压Uaus大于连接在输入端处的DC源2的空载电压U0，因此与第一半导体开关S1相关联的续流二极管D1(如果存在的话)会阻止从第一输入端子7.1到第一输出端子8.1的电流流动，并从而会阻止从DC源2到电路装置1的输出端8的功率流P。
借助于控制单元5，以交替的方式在第一持续时间Δt1期间将电路装置1设置为第一操作模式BM1，并且在第二持续时间Δt2期间设置为第二操作模式BM1，由此产生从DC源2到电路装置1的输出端8的不连续的功率流P。如已经结合图1所描述的，借助于控制单元5探测和评估在两个时间上相继的活动时间窗口31中的电流I和/或电压U的值，并基于比较发出关于电弧的信号。
在图3中，示出了在根据本发明的方法期间图2的电路装置1的开关单元10的操作模式BM1、BM2的时间曲线(上图)、以及图2的电路装置1的电流I(t)(中图)和电压U(t)(下图)的时间曲线。示例性地，电流和电压的时间曲线分别是借助于测量单元4在电路装置1的输入端7处探测到的变量Iein(t)、Uein(t)。在此，时间曲线反映了在时间上接近于在时间t0点燃串联电弧9时电路装置1的行为。
如图所示，电路装置1处于第一操作模式BM1的持续时间Δt1的活动时间窗口31与电路装置处于第二操作模式BM2的持续时间Δt2的禁用时间窗口32交替。在第一活动时间窗口31中，电流Iein(t)取值为I1以及电压Uein(t)取值为U1。电流I1和电压U1的值由连接到电路装置1的输出端8上的DC负载3的功率消耗得出。在紧邻的禁用时间窗口32中，DC源2和电路装置1的输出端8之间的功率流P被中断了第二持续时间Δt2。流经输入端7的电流Iein(t)取值为0A，而施加在输入端7处的电压Uein(t)对应于DC源2的空载电压U0。由于实际的DC源2(例如，PV发电机)始终有内阻，该空载电压U0通常高于加载的DC源2的电压U1。在下一个(这里是第二)活动时间窗口31中，电流Iein(t)首先对应于前一个活动时间窗口31的值，直到时间点t0，在该时间点t0，DC电路6中，特别是DC源2和电路装置1的输入端之间，电弧9点燃。从时间点t0开始，电流值，可能还有电压值，从原始值I1、U1突然轻微下降到值I2、U2。电流的突然下降是基于从t0开始的串联电弧9的功率损耗和相关电压降。例如，串联电弧9跨断裂导体中的微间隙燃烧。在相邻的禁用时间窗口32中，通过再次中断DC源2和电路装置1的输出端8之间的功率流P来熄灭串联电弧9。流经输入端7的电流Iein(t)再次取值为0A。施加在输入端7处的电压Uein(t)在第二禁用时间窗口32中，由于位于输入端之前的微间隙，现在不再通过DC源2限定，而是通过施加在输出端8处的电压Uaus(t)和断开的半导体开关S1、S2的阻抗比来限定。这是因为它们充当输出端8的电压Uaus(t)的分压器。对于电压Uein(t)的曲线还要考虑到，施加在输出端8处的电压Uaus(t)可以取决于可能流过DC负载3的电流或多或少地放电。在每种情况下，施加在输入端处的电压Uein(t)与DC源2的空载电压U0明显不同。在图3中，示例性地示出了在第二禁用时间窗口32中，电压Uein(t)的值几乎为0V。在随后的第三活动时间窗口31中，通过开关单元10启用功率流P原则上是可能的，但现在它被微间隙阻止，这就是为什么图3示出了电压Uein(t)和电流Iein(t)的可忽略不计的小值。
现在，控制单元5将由测量单元4探测的活动时间窗口31的电流Iein(t)和/或电压Uein(t)的值与相应的先前的活动时间窗口31的值进行比较。当比较图3中的第二活动时间窗口31和第三活动时间窗口31之间的值时，控制单元5确定这些值的差超过阈值，并且作为响应发出关于电弧9的信号。响应于发出关于电弧9的信号，开关单元10保持在第二操作模式BM2中，直到专业人员手动确认为止，其中DC源2与输出端8之间的功率流P被抑制。
在图4中，示出了光伏(PV)***47，其具有根据本发明的一实施方式的PV逆变器40。在此，PV逆变器40被构造成所谓的多串逆变器，该多串逆变器具有多个(在此示例性为两个)DC侧的输入端43，该输入端具有用于分别连接作为DC源2的PV串45的输入端子43.1和43.2。每个输入端43分别经由DC/DC转换器21(在这里经由升压转换器)与共同的DC中间电路42的中间电路电容彼此并联连接。中间电路电容与DC/AC转换器41的输入端连接。DC/AC转换器41的输出端经由相应的AC分离元件(在图4中未示出)通过PV逆变器40的输出端44与交流电压(AC)电网46连接。
PV逆变器40包括分别用于每个DC侧的输入端43的电路装置1。在此，电路装置1，特别是其开关单元10，分别被构造成DC/DC转换器，并且至少部分地由PV逆变器40的本就存在的DC/DC转换器21形成。在此，电路装置1的输入端7对应于PV逆变器40的输入端43。在此，电路装置1的输出端8分别对应于DC/DC转换器21的输出端。电路装置1具有共同的控制单元5，该控制单元是PV逆变器40的中央控制单元的组成部分，并且设计和设置用于控制DC/DC转换器21和DC/AC转换器41。电路装置的测量单元4同样是DC/DC转换器21的组成部分，并且在图4中未明确示出。
根据本发明的方法通过控制单元5同时针对每个被构造成PV串45的DC源2来执行。因此，在PV逆变器40的正常操作中，每个PV串45在其PV模块和PV逆变器40的相应的DC侧的输入端43之间的相应的DC线路内具有不连续的功率流P。在此，具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口31与具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口32交替。有利地，在此可以实现两个PV串45内的非连续功率流P，使得一个PV串45的禁用时间窗口32与另一个PV串45的禁用时间窗口尽可能少地重叠，即禁用时间窗口尽可能彼此错开。如果现在借助于控制单元5在一个PV串45内确定了电弧9(特别是串联电弧)，则只有与在其中探测到串联电弧的PV串相关联的那个开关单元10，即与在其中探测到串联电弧的PV串相关联的那个DC/DC转换器21，在较长的时间段内被置于第二操作模式BM2并且必要时直到通过专家人员手动确认为止。相反，相应的另一个PV串45可以在其相关联的DC侧的输入端43的方向上继续以非连续的功率流P操作。
参考标记列表
1 电路装置
2 DC源
3 DC负载
4 测量单元
5 控制单元
6 直流(DC)电路
7 输入端
7.1，7.2 输入端子
8 输出端
8.1，8.2 输出端子
9 电弧(串联)
10 开关单元
11 输出电容
21 DC/DC转换器
22 电感
23，24 连接线路
25 连接点
31，32 时间窗口
40 光伏(PV)逆变器
41 DC/AC转换器
42 DC中间电路
43 输入端
43.1，43.2 输入端子
44 输出端
45 PV串
46 交流电压(AC)电网
47 光伏(PV)***
Δt1，Δt2 时间窗口
S1，S2 半导体开关
BM1，BM2 操作模式
D1，D2 二极管
P 功率流
Uein 输入电压
Uaus 输出电压
Iein 输入电流
Iaus 输出电流。

Claims (19)

1.一种用于探测直流电流(DC)电路(6)中的电弧(9)的方法，所述直流电流(DC)电路具有DC负载(3)、为所述DC负载(3)供电的DC源(2)以及布置在所述DC源(2)和所述DC负载(3)之间的电路装置(1)，
-其中，所述电路装置(1)包括：输入端(7)，其具有用于连接所述DC源(2)的两个输入端子(7.1，7.2)；输出端(8)，其具有用于连接所述DC负载(3)的两个输出端子(8.1，8.2)；以及布置在所述输入端(7)和所述输出端(8)之间的开关单元(10)，
-其中，所述开关单元(10)被设计成，必要时结合施加在所述电路装置(1)的输出端处的输出电压Uaus，在第一操作模式BM1中启用所述DC源(2)和所述输出端(8)之间的功率流P，并且在第二操作模式BM2中抑制所述DC源(2)和所述输出端(8)之间的功率流，
所述方法具有以下方法步骤：
-借助于所述开关单元(10)，循环中断所述DC源(2)和所述输出端(8)之间的功率流P，特别是所述输入端(7)和所述输出端(8)之间的功率流P，使得在具有第一持续时间Δt1的活动时间窗口(31)中启用所述功率流P，并且在具有第二持续时间Δt2的禁用时间窗口(32)中抑制所述功率流P，
-在两个相继的活动时间窗口(31)中探测表征所述功率流P的电流I和/或表征所述功率流P的电压U，
-将探测的所述活动时间窗口(31)的电流I和/或电压U的值与探测的先前的活动间窗口(31)的相应的值进行比较，并且
-如果所述活动时间窗口(31)的电流I和/或电压U的值与所述先前的活动时间窗口(31)的相应的值相差大于阈值，则发出关于电弧(9)的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，响应于发出关于电弧(9)的信号，借助于所述开关单元(10)，持久地且至少在几分钟的时间段内，中断在所述DC源(2)和所述输出端(8)之间的所述功率流P，可选地直到手动确认为止。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述活动时间窗口(31)和所述先前的活动时间窗口(31)被恰好一个禁用时间窗口(32)彼此分开。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述禁用时间窗口(32)的第二持续时间Δt2的值足以熄灭在所述DC电路(6)中可能存在的电弧(9)，并且足以抑制在所述禁用时间窗口(32)中熄灭的电弧(9)在时间上紧跟在所述禁用时间窗口(32)之后的活动时间窗口(31)中再次点燃。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二持续时间Δt2的值介于0.1ms和10.0ms之间，优选地介于0.3ms和4.0ms之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，根据探测的紧接在前的活动时间窗口(31)的电流I和/或电压U的值，选择所述第二持续时间Δt2的值，并且其中，特别地所述第二持续时间Δt2随着电流I和/或电压U的值的增加而增加。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述电路装置(1)具有与其输入端(7)并联连接的输入电容，其中附加地，在所述禁用时间窗口(32)中，探测在所述输入端(7)上流动的输入电流Iein和/或施加在所述输入端子(7.1，7.2)之间的输入端(7)处的输入电压Uein，并且其中，根据探测的输入电流Iein和/或探测的输入电压Uein来确定所述禁用时间窗口(32)的第二持续时间Δt2。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过以下方式来限定所述禁用时间窗口(32)的第二持续时间Δt2：所探测的输入电流Iein低于另一电流阈值ITH2。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述电路装置(1)具有与其输入端(7)并联连接的输入电容，并且其中，在所述禁用时间窗口(32)中，通过施加在所述输入电容处的输入电压Uein随时间的变化来测量在所述输入端处流动的输入电流Iein。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述开关单元(10)由DC/DC转换器形成，特别是由升压转换器形成，并且所述电路装置(1)具有与所述输出端(7)并联连接的输出电容(11)，并且其中，在所述活动时间窗口(31)中，在所述第一持续时间Δt1接近结束时通过所述开关单元(10)放大施加在所述输出电容(11)处的电压Uaus。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，选择所述活动时间窗口(31)的第一持续时间Δt1的值，使得由在所述活动时间窗口(31)中假设的电弧的功率损耗产生的电弧能量不超过预定的最大允许能量值Emax，特别是不超过Emax＝200J的值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述DC源(2)具有PV串(43)，并且所述DC负载(3)具有在输出侧与交流电压(AC)电网(45)连接的单相DC/AC转换器(41)，并且其中，循环中断所述功率流P使得流经所述DC/AC转换器(41)的输出端的AC电流IAC(t)在所述禁用时间窗口(32)的第二持续时间Δt2期间过零。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，多个DC源(2)分别通过开关单元(10)彼此并联地与所述DC负载(3)连接，以便利用其各自的功率流P共同为所述DC负载(3)供电，其中，同时针对每个DC源(2)执行所述方法，使得所述多个DC源(2)的禁用时间窗口(32)的时间重叠最小化。
14.一种用于探测DC电路(6)中的电弧(9)的电路装置(1)，具有：
-具有用于连接DC源(2)的两个输入端子(7.1，7.2)的输入端(7)和具有用于连接DC负载(3)的两个输出端子(8.1，8.2)的输出端(8)，
-布置在所述输入端(7)和所述输出端(8)之间的开关单元(10)，其中，所述开关单元(10)被设计成，必要时结合施加在所述电路装置(1)的输出端处的输出电压Uaus，在第一操作模式(BM1)中释放所述输入端(7)和所述输出端(8)之间的功率流P，并且在第二操作模式(BM2)中抑制所述输入端(7)和所述输出端(8)之间的功率流P，
-测量单元(4)，其用于确定施加在所述输入端(7)或所述输出端(8)处的电压U和/或在从所述输入端子(7.1，7.2)之一到所述输出端子(8.1，8.2)之一的连接线路(23，24)中流动的电流I，以及
-控制单元(5)，其用于控制所述开关单元(10)和必要时控制所述测量单元(4)，
其特征在于，
所述控制单元(5)被设计和设置用于连同所述开关单元(10)和所述测量单元(4)一起执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
15.根据权利要求14所述的电路装置(1)，其特征在于，所述开关单元(10)具有布置在所述连接线路(23，24)之一中的半导体开关，其中所述半导体开关没有续流二极管，或者其中所述半导体开关具有固有的续流二极管，所述固有的续流二极管相对于所述DC电路(6)的正常电流方向沿截止方向被极化。
16.根据权利要求14或15所述的电路装置(1)，其特征在于，所述电路装置(1)或所述电路装置(1)的开关单元(10)被设计成DC/DC转换器(21)，特别是升压转换器。
17.一种光伏(PV)逆变器(40)，包括：
-至少一个输入端(43)，所述输入端(43)具有用于连接作为DC源(2)的PV串(45)两个输入端子(43.1，43.2)；和输出端(44)，其用于连接到交流电压(AC)电网(46)，
-DC/AC转换器(41)，其用于将直流电压转换为交流电压，以及
-根据权利要求14至16中任一项所述的电路装置(1)，所述电路装置的输入端(7)与所述PV逆变器(40)的所述至少一个输入端(43)连接，并且所述电路装置的输出端(8)与所述DC/AC转换器(41)的输入端连接。
18.根据权利要求17所述的PV逆变器(40)，所述PV逆变器具有：用于分别连接作为DC源(2)的PV串(45)的多个输入端(43)，其中，所述输入端(43)分别经由DC/DC转换器(21)彼此并联地与共同的DC中间电路(42)连接，并且其中，所述DC中间电路(42)与所述DC/AC转换器(41)的输入端连接；以及多个根据权利要求14至16中任一项所述的电路装置(1)，其中，所述PV逆变器(40)的每个输入端(43)分别连接到与其相关联的电路装置(1)的输入端(7)，并且其中，每个电路装置(1)的输出端(8)分别与所述DC/AC转换器(42)的输入端连接。
19.根据权利要求18所述的PV逆变器(40)，其中，所述控制单元(5)同时被设置成控制所述PV逆变器(40)的DC/AC转换器(41)和DC/DC转换器(21)，使得在所述PV逆变器(40)的操作中，施加在所述DC中间电路(42)处的电压保持在各个PV串(45)的空载电压的最大值以上。
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