JP5524335B2

JP5524335B2 - Ｄｃアーク故障を検出及び制御するための方法及び装置

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Publication number: JP5524335B2
Application number: JP2012521839A
Authority: JP
Inventors: マーヴダーガッツ，; マルタンフォルナージュ，
Original assignee: エンフェイズエナジーインコーポレイテッド
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: US8179147B2; US20110019444A1; AU2010275466A1; CA2758815A1; WO2011011711A3; US20120206843A1; WO2011011711A2; KR20120039036A; JP2013500476A; EP2457313A4; AU2010275466B2; EP2741388B1; EP2741388A1; EP2457313B1; US9478967B2; EP2457313A2

Description

[0001]本開示の実施形態は、再生可能エネルギー発電システムに関し、より詳細には、光電池（ＰＶ）システムのＤＣ回路における直列及び並列のＤＣアーク故障（ａｒｃｆａｕｌｔ）を検出するための方法及び装置に関する。

[0002]商用電源が入手できない野外のリモートキャビンや衛星のような遠隔用途の多くでは、歴史的に、ソーラーモジュールが配備されている。設置コストが高いために、ソーラーモジュールは、他の電源選択肢が利用できる限り、発電をする経済的な選択肢ではなかった。しかしながら、エネルギー需要の世界的な成長が、エネルギーコストの永続的な増加を招いている。加えて、今や、発電のために現在使用されている化石エネルギー備蓄が急速に欠乏することが充分に立証されている。従来の商業的発電に対する障害がこのように増大することで、ソーラーモジュールは、追求すべきより魅力的な選択肢となっている。

[0003]ソーラーモジュール又は光電池（ＰＶ）モジュールは、受けた日光からのエネルギーを直流（ＤＣ）へ変換する。ＰＶモジュールは、それが発生する電気的エネルギーを蓄積することができず、従って、エネルギーは、バッテリ又は揚水式水力発電蓄積装置のようなエネルギー蓄積システムへ消散されるか、或いは負荷によって消散されねばならない。発生されたエネルギーを使用するための１つの選択肢は、インバータを使用して、ＤＣ電流を交流（ＡＣ）へ変換し、そのＡＣ電流を商用送電網に接続することである。このような分散型発電（ＤＧ）により発生された電力は、民間の電力会社へ販売することもできるし、又はローカル負荷によるローカル電力消費を相殺するように使用することもできる。

[0004]このようなＤＣ／ＡＣ電力変換中の潜在的な安全性の危険を軽減するため、ＰＶシステムのＤＣ回路は、しばしば、ヒューズで保護されねばならず、また、特定のシステム設計制約に従わねばならない。加えて、接地故障検出及び遮断回路がしばしば必要とされる。このような保護手段は、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータにも使用される。しかしながら、これらの保護手段は、電力変換（即ち、ＤＣ／ＤＣ又はＤＣ／ＡＣ電力変換）中に信頼性のある検出も、ＤＣアーク故障の軽減も与えない。このようなアークは、非常に危険である。というのは、ＰＶモジュールが光を照射され続ける限り、ＤＣＰＶシステムが短絡又はアーク発生回路にエネルギーを与え続けて、潜在的に火災を招くことになるからである。

[0005]それ故、直列及び並列のＤＣアーク故障を自動的に検出して、それらのアークを消すための方法及び装置が要望される。

[0006]本発明の実施形態は、一般的に、ＤＣアーク故障を管理するための方法及び装置に係る。この方法の少なくとも一部分は、少なくとも１つのプロセッサを備えたコントローラにより遂行される。１つの実施形態において、この方法は、電力コンバータの信号のシグネチャ（特性）を分析し、そのシグネチャの分析に基づいて、アーク故障が存在するかどうか決定することを含む。

[0007]本発明の前述した特徴を詳細に理解できるように、簡単に概要を上述した本発明を、幾つかが添付図面に例示された実施形態に関して、以下に詳細に説明する。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示したもので、従って、本発明の範囲は、それに限定されるものではなく、本発明は、他の等しく有効な実施形態も包含できることに注意されたい。

本発明の１つ以上の実施形態によりソーラー発電によるＤＣ電力をＡＣ電力へと変換するための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よる電力コンバータのブロック図である。本発明の１つ以上の実施形態により電力変換システムにおいてＤＣアーク故障を識別し、管理するための方法のフローチャートである。本発明の１つ以上の実施形態により電力変換システムにおいて電力の変化に基づくＤＣアーク故障を識別するための方法のフローチャートである。

[0012]図１は、本発明の１つ以上の実施形態によりソーラー発電によるＤＣ電力をＡＣ電力に変換するためのシステム１００のブロック図である。この図は、多数の考えられるシステム構成のうちの１つの変形例を示すに過ぎない。本発明は、種々の環境及びシステムにおいて機能することができる。

[0013]システム１００は、全体的に電力コンバータ１０２と称される複数の電力コンバータ１０２_１、１０２_２、・・・１０２_ｎと、全体的にＰＶモジュール１０４と称される複数のＰＶモジュール１０４_１、１０４_２、・・・１０４_ｎと、ＡＣバス１０６と、ロードセンター（ｌｏａｄｃｅｎｔｅｒ：給電所）１０８とを備えている。各電力コンバータ１０２_１、１０２_２、・・・１０２_ｎの２つの入力端子は、それに対応するＰＶモジュール１０４_１、１０４_２、・・・１０４_ｎの２つの出力端子に接続され、即ち電力コンバータ１０２及びＰＶモジュール１０４は、１対１の対応関係で接続される。

[0014]各電力コンバータ１０２は、図２を参照して以下に述べるように、ＰＶモジュール１０４により発生されたＤＣ電力をＡＣ電力（即ち、電流）へ変換するために、ＤＣ／ＡＣインバータモジュールに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを備え、或いはまた、単一段コンバータでＤＣをＡＣに直接変換してもよい。電力コンバータ１０２は、ＡＣバス１０６に接続され、このバスはロードセンター１０８に接続される。ある実施形態では、ロードセンター１０８は、商用ＡＣ送電網配電システム（送電網）からの到来電力ラインとＡＣバス１０６との間の接続部を収容する。それに加えて又はそれとは別に、ＡＣバス１０６は、バッテリベース（又は他のエネルギー蓄積源）インバータ及び／又は回転機発電機により調整されてもよい。電力コンバータ１０２は、ＡＣ送電網電圧と同相のＡＣ電流をメーターアウトし、また、システム１００は、発生されたＡＣ電力を、ロードセンター１０８を経て送電網に接続する。それに加えて又はそれとは別に、発生されたＡＣ電力は、ロードセンター１０８を経て商業用及び／又は住宅用システムに直接供給されてもよいし、及び／又は後で使用するために蓄積されてもよい（例えば、バッテリ、加熱水、ハイドロポンプ、Ｈ_２Ｏ／水素変換等を使用して）。

[0015]別の実施形態では、電力コンバータ１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含まなくてもよく（即ち、電力コンバータ１０２は、単一段のＤＣ／ＡＣインバータを含み）、各ＰＶモジュール１０４と各電力コンバータ１０２との間に個別のＤＣ／ＤＣコンバータが接続されてもよい（即ち、電力コンバータ／ＰＶモジュールの対当たり１つのＤＣ／ＤＣコンバータ）。他の実施形態では、電力コンバータ１０２の各々は、ＰＶモジュール１０４により発生されたＤＣ電力を異なる電圧のＤＣに変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータとしてもよい。このような他の実施形態では、電力コンバータ１０２からの変換されたＤＣ電力は、商業用及び／又は住宅用ＤＣシステムに供給されてもよく、及び／又は発生されたエネルギーは、例えば、蓄積バッテリに蓄積されてもよい。

[0016]更に別の実施形態では、直列及び／又は並列構成で接続された複数のＰＶモジュール１０４が単一の電力コンバータ１０２に接続されてもよい。例えば、システム１００のＰＶモジュール１０４は、このＰＶモジュール１０４からのＤＣ電力をＡＣ電力に変換する単一の集中型電力コンバータ１０２（即ち、集中型インバータ）に接続されてもよい。このような別の実施形態では、ＰＶモジュール１０４と集中型電力コンバータ１０２との間にＤＣ／ＤＣコンバータが接続されてもよく、或いはまた、集中型電力コンバータ１０２は、ＰＶモジュール１０４によって発生されたＤＣ電力を異なる電圧のＤＣへ変換するＤＣ／ＤＣコンバータでよい。ＤＣをＡＣに変換するための前記構成は、いずれも、ある実施形態では、単一のＤＣ／ＡＣコンバータ（即ち、単一段のＤＣ／ＡＣコンバータ）で構成されてもよい。

[0017]行われる電力変換を制御するために、電力コンバータ１０２は、ＰＶモジュール１０４からのＤＣ電流及び電圧、並びに電力コンバータ１０２により発生されたＡＣ電流及び電圧の１つ以上を（例えば、数マイクロ秒から数十ミリ秒の範囲の間隔で）測定する。本発明の１つ以上の実施形態によれば、電力コンバータ１０２は、以下に詳細に述べるように、測定されたデータの少なくとも一部分を使用して、ＤＣアーク故障が存在するかどうか決定し、そのようなアーク故障を制御することができる。ある実施形態では、電力コンバータ１０２の１つ以上の信号（例えば、ＤＣ電流、ＤＣ電圧、ＡＣ電流、ＡＣ電圧、ＤＣ電力、ＡＣ電力、そのようないずれかの信号の導関数、そのような信号のいずれかの組み合わせ等）に基づく１つ以上のシグネチャを分析して、ＤＣアーク故障が存在するかどうか決定することができる。ＤＣアーク故障は、電力コンバータの入力端子にわたる又は電力コンバータ１０２のＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの出力端子にわたる並列アークで構成される。或いはまた、ＤＣアーク故障は、例えば、ＰＶモジュール出力端子の１つと、接続された電力コンバータモジュール入力端子との間、或いは電力コンバータのＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの出力端子と、接続されたＤＣ／ＡＣインバータモジュールの端子との間の直列アークからなる。

[0018]図２は、本発明の１つ以上の実施形態による電力コンバータ１０２のブロック図である。電力コンバータ１０２は、電力コンバータ回路２０２、コントローラ２０４、ＤＣ電流サンプラー２０６、ＤＣ電圧サンプラー２０８、ＡＣ電流サンプラー２１０、ＡＣ電圧サンプラー２１２、及びＤＣ入力短絡メカニズム２２８を備えている。

[0019]電力コンバータ回路２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０及びＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０は、２つの入力端子を経てＰＶモジュール１０４に接続されると共に、２つの出力端子を経てＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２の２つの入力端子に接続され、このＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２は、更に、２つの出力端子を経てロードセンター１０８に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０及びＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２は、各々、コントローラ２０４に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０及びＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２は、コントローラ２０４からの制御信号に各々基づいて、ＰＶモジュール１０４からのＤＣ電力を第２のＤＣ電力へ変換し、次いで、ＡＣ電力へ変換するように機能する。従って、電力コンバータ回路２０２は、ＰＶモジュール１０４から受け取ったＤＣ電流をＡＣ電流へ変換し、コントローラ２０４は、当該規格で要求されるように、発生されたＡＣ出力電流を送電網と同相で注入するように、電力コンバータ回路２０２の動作を制御し駆動する。

[0020]ＤＣ電流サンプラー２０６は、電力コンバータ回路２０２の入力端子に接続され、ＤＣ電圧サンプラー２０８は、電力コンバータ回路２０２の２つの入力端子にまたがって接続される。ＡＣ電流サンプラー２１０は、電力コンバータ回路２０２の出力端子に接続され、ＡＣ電圧サンプラー２１２は、電力コンバータ回路２０２の２つの出力端子にまたがって接続される。ＤＣ電流サンプラー２０６、ＤＣ電圧サンプラー２０８、ＡＣ電流サンプラー２１０、及びＡＣ電圧サンプラー２１２は、各々、コントローラ２０４に接続される。更に、ＤＣ入力短絡メカニズム２２８は、電力コンバータ回路の２つの入力端子にまたがって接続されると共に、コントローラ２０４に接続される。

[0021]コントローラ２０４は、少なくとも１つの中央処理ユニット（ＣＰＵ）２１４を備え、これは、サポート回路２１６及びメモリ２１８に接続される。ＣＰＵ２１４は、従来一般に入手できる１つ以上のマイクロプロセッサ又はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）で構成され、それに加えて又はそれとは別に、ＣＰＵ２１４は、１つ以上の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含んでもよい。サポートカイロ２１６は、ＣＰＵ２１４の機能を促進するのに使用される良く知られた回路である。このような回路は、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）回路等を含むが、これに限定されない。コントローラ２０４は、特定のソフトウェアを実行するときに、本発明の種々の実施形態を遂行するための特殊目的プロセッサとなる汎用プロセッサを使用して具現化されてもよい。

[0022]メモリ２１８は、ランダムアクセスメモリ、リードオンリメモリ、取り外し可能なディスクメモリ、フラッシュメモリ、及びこれらの形式のメモリの種々の組み合わせを含む。メモリ２１８はメインメモリとも称され、キャッシュメモリ又はバッファメモリとして一部分使用されてもよい。メモリ２１８は、一般的に、コントローラ２０４のオペレーティングシステム（ＯＳ）２２０を記憶する。このＯＳ２２０は、これに限定されないが、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）、リアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）等の多数の商業的に入手できるオペレーティングシステムの１つでよい。

[0023]メモリ２１８は、電力コンバータ回路２０２の動作を制御するためのコンバータ制御モジュール２２２のような種々の形態のアプリケーションソフトウェアを記憶することができる。コンバータ制御モジュール２２２は、サンプリングされたＤＣ及びＡＣの電流及び電圧値を受け取り、そのようなデータを使用して、電力コンバータ回路２０２のための制御及びスイッチング信号を与えることができる。更に、メモリ２１８は、以下に詳細に述べるように、データを記憶するためのデータベース２２４と、ＤＣアーク故障を決定し管理する（例えば、直列又は並列のアーク形式を決定し、電圧及び電流特性等を決定する）ための波形処理モジュール２２６も備えている。データベース２２４は、電力変換に関連したデータ、及び／又は波形処理モジュール２２６によって遂行される処理に関連したデータ、例えば、サンプリングされたＤＣ及びＡＣ電圧及び電流値、計算された電流及び／又は電圧勾配、時間に伴う電流及び／又は電圧勾配の計算された変化、ＤＣアーク故障事象の決定に使用する１つ以上のスレッシュホールド、ＤＣアーク故障事象のインターバル、電圧及び電流の相関等を記憶することができる。ある実施形態では、コンバータ制御モジュール２２２、データベース２２４、及び／又は波形処理モジュール２２６、又はその一部分は、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はその組み合わせで具現化されてもよい。

[0024]電力コンバータ回路２０２による電力発生の制御の一部分として、ＤＣ電流サンプラー２０６及びＤＣ電圧サンプラー２０８は、ＰＶモジュール１０４により発生されたＤＣ電流及び電圧を各々サンプリングし、そしてそのようにサンプリングされたＤＣ電流及び電圧値をコントローラ２０４に与える。加えて、ＡＣ電流サンプラー２１０及びＡＣ電圧サンプラー２１２は、電力コンバータ回路２０２の出力においてＡＣ電流及び電圧を各々サンプリングし、そしてそのようにサンプリングされたＡＣ電流及び電圧値をコントローラ２０４に与える。各サンプラーへの入力信号は、例えば、慣習的なアナログフィルタ技術、デジタル信号処理、又は同様の技術を経てフィルタリングされると共に、標準的なＡ／Ｄ技術を使用してアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換が行われる。それにより得られるＤＣ電流、ＤＣ電圧、ＡＣ電流及びＡＣ電圧の瞬時値又はサンプルは、以下に述べるように、ＤＣアーク故障が存在するかどうか決定する際に波形処理モジュール２２６により使用するためにデータベース２２４にデジタルで記憶される。

[0025]本発明の１つ以上の実施形態によれば、波形処理モジュール２２６は、時間に伴うＤＣ回路電流及び電圧を特徴付けるＤＣ電流及び電圧シグネチャを各々定義するサンプリングされたＤＣ電流及び電圧値を使用して、ＤＣアーク故障の発生を決定する。サンプリングされたデータから望ましからぬアーチファクトをフィルタリングして、電圧及び電流値の動的な振舞い並びにそれらの互いの関係を量子化することにより、サンプリングされた電流及び電圧値からアーク故障の特性を抽出することができる。ある実施形態では、波形処理モジュール２２６は、例えば、一般的にはミリ秒（ｍｓｅｃ）ごとであるが、マイクロ秒（μｓｅｃ）ごとの頻度で、ＤＣ電圧及び電圧サンプルの少なくとも一部分により定義されたＤＣ電流及び電圧シグネチャを分析して、アーク故障を識別する。このような分析のために、サンプリングされた電流及び／又は電圧値は、例えば、約１ｍｓｅｃの期間にわたって平均化することができる。他の実施形態では、シグネチャは、より高い又はより低い頻度で更新分析されてもよい。ある実施形態では、波形処理モジュール２２６は、少なくとも数十マイクロ秒ないし数ミリ秒のデータを分析して、ＤＣアーク故障（即ち、直列アーク又は並列アーク）を指示する特性を識別することができる。

[0026]１つ以上の別の実施形態では、サンプリングされたＤＣ電圧及びサンプリングされたＡＣ電流により各々定義されたＤＣ電圧及びＡＣ電流シグネチャを使用して、ＤＣアーク故障の存在を決定する（電流及び電圧の両シグネチャを使用してアーク故障の存在を決定する）ことができる。

[0027]ＤＣアーク故障を識別するために、波形処理モジュール２２６は、潜在的なＤＣアーク故障を指示する極性変化又は急速な勾配変化（例えば、ある実施形態では、０．１アンペア／マイクロ秒程度）についてＤＣ電流シグネチャを分析する。通常の動作状態（即ち、アーク故障なし）中には、ＤＣ電流極性が常に正でなければならず、且つＤＣ電流の勾配の変化は、通常、電力コンバータ１０２の指令された出力電流の変化によるものであり、電流極性の速い変化、又は指令された出力電流の変化によるものでない勾配の変化は、アーク故障によるものである疑いがある。ゆっくりした変化は、光照度の変化によるものであり、アーク故障として検出されない。潜在的なＤＣアーク故障が識別された場合には、波形処理モジュール２２６がＤＣ電流シグネチャをＤＣ電圧シグネチャと比較し、例えば、ＤＣ電流及び電圧が、電力コンバータ１０２の指令された出力電流の変化の結果ではない一致及び極性について分析される。このような比較に基づき、ＤＣアーク故障シグネチャの一致が存在する（即ち、ＤＣ電流及び／又はＤＣ電圧シグネチャの１つ以上の特性がＤＣアーク故障を表している）と決定された場合には、ＤＣ電流極性を使用して、ＤＣ回路が直列のアーク事象に遭遇したか並列のアーク事象に遭遇したか区別する。ある実施形態では、時間に伴う電流及び／又は電圧の最大変化のような電流及び／又は電圧の変化に基づいてＤＣアーク故障シグネチャの一致を決定することができる。

[0028]ＤＣ電流の極性が正のままである場合は、直列アークが発生しており、波形処理モジュール２２６は、電力コンバータ１０２が電力の発生を中止するようにさせる。ＤＣ電流の極性が負になった場合には、潜在的に並列アークが発生している。通常の動作中、即ちアーク故障が存在しないときには、ＤＣ電流の極性が常に正でなければならない。しかしながら、並列アークが発生するときには、１ミリ秒程度の時間中に多量の負の電流が発生する（例えば、電力コンバータのＤＣ入力にまたがって配置された１つ以上のキャパシタの激しい放電のために、このような放電は、直列アークの場合には生じない）。ＤＣ電流の極性が負であるという決定の結果として、波形処理モジュール２２６は、コントローラ２０４を駆動して、電力コンバータ１０２による電力の発生を禁止すると共に、電力コンバータ回路２０２に対する入力にまたがって短絡回路を与えるＤＣ入力短絡メカニズム２２８をロックする。実際上、並列アークが生じたことを検証するために、波形処理モジュール２２６は、ＤＣ電流シグネチャを、例えば、スレッシュホールドとの比較により決定されるＤＣ電流変動（例えば、通常の動作状態の場合より著しく急速な電流の変化）について分析する。特定のｄｉ／ｄｔは、電力コンバータ１０２の入力特性と相互作用するＤＣ電源のＤＣワイヤ延長長さ、通常のＤＣ電圧、及び電力定格に依存し、即ち（例えば、スレッシュホールドに比して）通常の制御メカニズムを越えるｄｉ／ｄｔは、アーク故障を表し得る。ＤＣ電流が変動しない場合には、並列アークが確認され、ＤＣ入力短絡メカニズム２２８は、ロックされたままとなる。ＤＣ電流が変動する場合には、アークが直列アークであり、波形処理モジュール２２６は、コントローラ２０４を駆動して、ＤＣ入力短絡メカニズム２２８をアンロックする（即ち、ＤＣ端子をオープンする）が、電力の発生はそのまま停止し続ける。

[0029]ある実施形態では、電力コンバータ１０２は、アークの検出及び電力発生の終了に続いて、例えば、数分程度の時間の後に、電力コンバータ１０２を再スタートして電力発生を再開するよう試みるための自動再スタート技術を使用することができる。電力コンバータ１０２は、アーク故障が存続するか又は繰り返される場合に電力発生の終了状態を持続する前にこのような再スタートを１回以上試みることができる。

[0030]１つ以上の別の実施形態では、ＤＣアーク故障の発生は、サンプリングされたＤＣ電流及び電圧データから又はサンプリングされたＡＣ電流及びＤＣ電圧データから発生される電力シグネチャに基づいて決定することができる。

[0031]図３は、本発明の１つ以上の実施形態による電力コンバータシステムにおいてＤＣアーク故障を識別し管理するための方法３００のフローチャートである。以下に述べる実施形態のような幾つかの実施形態では、電力コンバータシステムは、１つ以上のＰＶモジュールに接続されたＤＣ／ＡＣインバータのような１つ以上の電力コンバータを備えている。このような実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータは、各々、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール及びそれに続くＤＣ／ＡＣインバータモジュールを備えていて、ＰＶモジュールにより発生されたＤＣ電力をＡＣ電力へ変換し（例えば、電力コンバータ１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０及びＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２を備え）、或いはまた、ＤＣ／ＡＣインバータは、単一のＤＣ／ＡＣコンバータ段を使用してもよい。発生されたＡＣ電力は、次いで、ＡＣ送電網に接続されてもよいし、商業用及び／又は住宅用のＡＣ付勢装置に直接供給されてもよいし、及び／又は後で使用するために蓄電されてもよい（例えば、バッテリ、加熱水、ハイドロポンプ、Ｈ_２Ｏ／水素変換等を使用して）。１つ以上の別の実施形態において、電力コンバータは、ＰＶモジュールにより発生されたＤＣ電力を異なる電圧のＤＣに変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータでもよい。

[0032]ある実施形態では、電力コンバータの１つ以上の信号（例えば、ＤＣ電流、ＤＣ電圧、ＡＣ電流、ＡＣ電圧、ＤＣ電力、ＡＣ電力、そのようないずれかの信号の導関数、そのような信号のいずれかの組み合わせ等）に基づくシグネチャを分析して、ＤＣアーク故障が存在するかどうか決定することができる。

[0033]方法３００は、ステップ３０２において開始されて、ステップ３０４へ進み、そこで、電力コンバータシステムの電力コンバータに接続されるＰＶモジュール（１つ又は複数）からのＤＣ電流及びＤＣ電圧がサンプリングされる。測定されたＤＣ電流及びＤＣ電圧は、例えば、慣習的なアナログフィルタ技術、デジタル信号処理、又は同様の技術によりフィルタリングされると共に、標準的なＡ／Ｄ技術を使用してＡ／Ｄ変換が行われる。それにより得られる瞬時ＤＣ電流値及び瞬時ＤＣ電圧値（即ち、ＤＣ電流及び電圧のサンプル）は、例えば、メモリ２１８のような電力コンバータのメモリ内に記憶される。１つ以上の実施形態において、電力コンバータのＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの入力又は出力におけるＤＣアーク故障のようなＤＣアーク故障を識別及び管理するのに使用するために、電力コンバータにより発生されたＡＣ電流及び／又はＡＣ電圧が同様にサンプリングされて記憶される。

[0034]ステップ３０８において、ＤＣ電流シグネチャを分析して、潜在的アークが発生したかどうか決定する。ＤＣ電流シグネチャは、サンプリングされたＤＣ電流により定義され、時間に伴うＤＣ電流を特徴付ける。ある実施形態では、ＤＣ電流シグネチャは、上述したように、潜在的アークを指示するために、急速な勾配変化（例えば、ある実施形態では、０．１アンペア／マイクロ秒程度）又は極性の変化について分析される。

[0035]方法３００は、ステップ３１０へ進み、潜在的アークがステップ３０８の分析に基づいて識別されたかどうかの決定がなされる。このような決定の結果がノーである場合には、方法３００は、ステップ３３４へ進む。ステップ３３４において、動作を続けるかどうかの決定がなされる。ステップ３３４において、その決定の結果がイエスの場合に、方法３００は、ステップ３０４へ戻るが、その決定の結果がノーの場合には、方法３００は、ステップ３３６へ進み、そこで、終了となる。ステップ３３４の決定は、間欠的故障を指示するか又は測定及び制御システムにおける故障を指示するアーク故障の指示の繰り返しの発生に基づく。

[0036]ステップ３１０において、その決定の結果がイエスである（即ち、潜在的アークが識別された）場合には、方法３００は、ステップ３１２へ進む。ステップ３１２において、ＤＣ電流シグネチャがＤＣ電圧シグネチャと比較される。ＤＣ電圧シグネチャは、サンプリングされたＤＣ電圧により定義され、時間に伴うＤＣ電圧を特徴付ける。ＤＣ電流及び電圧シグネチャを比較して、ＤＣアーク故障シグネチャと一貫する特性を識別する（即ち、ＤＣアーク故障シグネチャの一致が存在するかどうか決定する）ある実施形態では、ＤＣ電流及び電圧シグネチャを、電力コンバータの指令された出力電流の変化の結果ではない一致及び極性について分析する。ステップ３１４において、ステップ３１２の比較に基づき、ＤＣアーク故障シグネチャの一致が存在するかどうかの決定がなされる。このような決定の結果がノーである場合には、方法３００は、ステップ３３４へ進むが、このような決定の結果がイエスである場合には、方法３００は、ステップ３１６へ進む。

[0037]ステップ３１６において、ＤＣ電流極性を使用して、ＤＣ回路が直列のアーク事象に遭遇したか並列のアーク事象に遭遇したか区別する。ＤＣ電流極性が正のままである場合には、直列アークが発生したと決定され、ＤＣ電流極性が負になった場合には、潜在的に並列アークが生じたと決定される。ステップ３１８において、ステップ３１６の分析に基づいて直列アークが識別されたか並列アークが識別されたかの決定がなされる。このような決定の結果が、直列アークが発生したとのことである場合に、方法３００は、ステップ３３０へ進む。ステップ３３０において、電力コンバータによる電力の発生が禁止され、方法３００は、次いで、ステップ３３６へ進み、そこで、終了となる。

[0038]ステップ３１８において、決定の結果が、並列アークが潜在的に発生したとのことである場合に、方法３００は、ステップ３２０へ進む。ステップ３２０において、電力コンバータによる電力の発生が禁止される。ステップ３２２において、例えば、ＤＣ入力短絡メカニズム（例えば、ＤＣ入力短絡メカニズム２２８）をロックすることにより電力コンバータの入力のＤＣ端子が短絡される。ステップ３２４において、例えば、スレッシュホールドとの比較により決定されるＤＣ電流変動（例えば、通常の動作状態の場合より著しく急速な電流の変化）についてＤＣ電流シグネチャが分析され、ＤＣ電流に変動がない場合には、並列アークが確認される。ステップ３２６において、ステップ３２４の分析に基づき並列アークが確認されるかどうかの決定がなされる。このような決定の結果がノーの場合には、アークが直列アークであると決定され、方法３００は、ステップ３２８へ進み、そこで、例えば、ＤＣ入力短絡メカニズムをロック解除することにより、短絡されたＤＣ端子がオープンにされる。方法３００は、次いで、ステップ３３０へ進み、電力コンバータによる電力の発生が閉鎖されたままとなる。ステップ３２６において、そのような決定の結果がイエスである（即ち、並列アークが確認される）場合には、方法３００は、ステップ３３２へ進み、そこで、ＤＣ入力端子が短絡状態のままとされる。方法３００は、次いで、ステップ３３６へ進み、終了となる。

[0039]１つ以上の別の実施形態において、方法３００は、それに加えて又はそれとは別に、サンプリングされたＡＣ電流データ及び／又はサンプリングされたＡＣ電圧データを使用して、ＤＣアーク故障の発生を決定し管理する。ある実施形態では、方法３００は、アークの検出及び電力発生の終了に続いて、例えば、数分程度の時間の後に、電力コンバータ１０２を再スタートして電力発生を再開するよう試みるための自動再スタート技術に対するステップを含むことができる。アーク故障が存続するか又は再発する場合に電力発生の終了状態を持続する前にこのような再スタートを１回以上試みることができる。

[0040]図４は、本発明の１つ以上の実施形態により電力変換システムにおいて電力変化に基づく潜在的なＤＣアーク故障を識別するための方法４００のフローチャートである。以下に述べる実施形態のようなある実施形態では、電力コンバータシステムは、１つ以上のＰＶモジュールに接続されたＤＣ／ＡＣインバータのような１つ以上の電力コンバータを備えている。このような実施形態では、ＤＣ／ＡＣインバータは、各々、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール及びそれに続くＤＣ／ＡＣインバータモジュールを備えていて、ＰＶモジュールにより発生されたＤＣ電力をＡＣ電力へ変換する（例えば、電力コンバータ１０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール２３０及びＤＣ／ＡＣインバータモジュール２３２を備えている）。発生されたＡＣ電力は、次いで、ＡＣ送電網に接続されてもよいし、商業用及び／又は住宅用のＡＣ付勢装置に直接供給されてもよいし、及び／又は後で使用するために蓄電されてもよい（例えば、バッテリ、加熱水、ハイドロポンプ、Ｈ_２Ｏ／水素変換、等を使用して）。１つ以上の別の実施形態において、電力コンバータは、ＰＶモジュールにより発生されたＤＣ電力を異なる電圧のＤＣに変換するためのＤＣ／ＤＣコンバータでもよい。

[0041]方法４００は、ステップ４０２において開始されて、ステップ４０４へ進み、そこで、電力コンバータシステムの電力コンバータに接続されたＰＶモジュール（１つ又は複数）からのＤＣ電流及びＤＣ電圧がサンプリングされる。測定されたＤＣ電流及びＤＣ電圧は、例えば、慣習的なアナログフィルタ技術、デジタル信号処理、又は同様の技術によりフィルタリングされると共に、標準的なＡ／Ｄ技術を使用してＡ／Ｄ変換が行われる。ステップ４０６において、それにより得られる瞬時ＤＣ電流及び電圧値は、瞬時ＤＣ電力を計算するのに使用される。瞬時ＤＣ電力値、並びに瞬時ＤＣ電流及び電圧値は、例えば、メモリ２１８のような電力コンバータのメモリ内に記憶される。１つ以上の別の実施形態では、電力コンバータのＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの入力又は出力におけるＤＣアーク故障のようなＤＣアーク故障を識別するＡＣ電力測定値を得るために、電力コンバータからのＡＣ電流及びＡＣ電圧が同様にサンプリングされて使用される。

[0042]ステップ４１０において、ＤＣ電力シグネチャを分析して、潜在的アークが発生したかどうか決定する。ＤＣ電力シグネチャは、瞬時ＤＣ電力値により定義され、時間に伴うＤＣ電力を特徴付ける。ある実施形態では、例えば、スレッシュホールドとの比較によって決定されるＤＣ電力シグネチャの急速な電力低下（例えば、電力コンバータの電力制御システムからの電流コマンドの変化と一致しない定格電力の数パーセントより大きなマイクロ秒の電力変化）は、潜在的なアークを指示し、それに加えて又はそれとは別に、潜在的なアークが発生したかどうか決定するために電力変化ｄｐ／ｄｔを評価することもできる。

[0043]方法４００は、ステップ４１２へ進み、そこで、ステップ４１０の分析に基づき潜在的なＤＣアーク故障が識別されたかどうかの決定がなされる。そのような決定の結果がノーである（即ち、潜在的なＤＣアーク故障がない）場合には、方法４００は、ステップ４１４へ進み、動作を続けるべきかどうかの決定がなされる。ステップ４１４におけるそのような決定の結果がイエスである（即ち、動作を続ける）場合には、方法４００は、ステップ４０４へ戻る。そのような決定の結果がノーの場合には、方法４００は、ステップ４１６へ進み、終了となる。

[0044]ステップ４１２において、その決定の結果がイエス（即ち、潜在的なＤＣアーク故障）の場合には、方法４００は、方法３００のステップ３１２へ進む。

[0045]以上、本発明の実施形態を説明したが、その基本的な範囲から逸脱せずに本発明の他の及び更に別の実施形態を案出することもでき、従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって決定されるものとする。

１００・・・システム、１０２・・・電力コンバータ、１０４・・・ＰＶモジュール、１０６・・・ＡＣバス、１０８・・・ロードセンター、２０２・・・電力コンバータ回路、２０４・・・コントローラ、２０６・・・ＤＣ電流サンプラー、２０８・・・ＤＣ電圧サンプラー、２１０・・・ＡＣ電流サンプラー、２１２・・・ＡＣ電圧サンプラー、２１４・・・ＣＰＵ、２１６・・・サポート回路、２１８・・・メモリ、２２０・・・オペレーティングシステム、２２２・・・コンバータ制御モジュール、２２４・・・データベース、２２６・・・波形処理モジュール、２２８・・・ＤＣ入力短絡メカニズム、２３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール、２３２・・・ＤＣ／ＡＣインバータモジュール

Claims

アーク故障を管理する方法であって、当該方法の少なくとも一部分が、少なくとも１つのプロセッサを含むコントローラによって遂行される、方法において、
電力コンバータの信号のシグネチャを分析するステップと、
前記シグネチャの分析に基づいて、アーク故障が存在するかどうか決定するステップと、
を備え、
シグネチャを分析する前記ステップは、
前記電力コンバータの電流に基づくシグネチャを分析して、潜在的なアーク故障を識別すること、及び
潜在的なアーク故障を識別する際に、前記シグネチャを、前記電力コンバータの電圧に基づく別のシグネチャと比較して、アーク故障を識別するアーク故障シグネチャの一致を決定すること、
を含む、方法。
前記電力コンバータのＤＣ電流の極性を決定するステップと、
前記極性に基づいて直列アークと並列アークとを区別するステップと、
を更に備える、請求項１に記載の方法。
並列アークを識別した際に前記電力コンバータのＤＣ入力端子間に短絡を与えるステップと、
前記シグネチャを電流変動について分析するステップであり、非変動電流が並列アークを確認するものである、ステップと、
変動電流であると決定した際に前記短絡を解除するステップと
を更に備える、請求項２に記載の方法。
前記極性が正であるときに直列アークが識別され、前記極性が負であるときに並列アークが識別される、請求項２に記載の方法。
前記シグネチャは、前記電力コンバータのＤＣ電流に基づくＤＣ電流シグネチャであり、前記別のシグネチャは、前記電力コンバータのＤＣ電圧に基づくＤＣ電圧シグネチャである、請求項１に記載の方法。
アーク故障が存在するかどうか決定する前記ステップは、光照射で生じるシグネチャの変化と、アークで生じるシグネチャの変化とを区別することを含む、請求項１に記載の方法。
電力コンバータ回路に接続され、電力コンバータ回路の信号のシグネチャを分析し、このシグネチャの分析に基づき、アーク故障が存在するかどうか決定するように構成された手段を備え、
前記シグネチャの分析は、（ｉ）前記電力コンバータ回路の電流に基づくシグネチャを分析して、潜在的なアーク故障を識別すること、及び（ii）潜在的なアーク故障を識別する際に、前記シグネチャを、前記電力コンバータ回路の電圧に基づく別のシグネチャと比較して、アーク故障を識別するアーク故障シグネチャの一致を決定することを含む、アーク故障を管理する装置。
シグネチャを分析する前記手段は、更に、（iv）前記電力コンバータ回路のＤＣ電流の極性を決定し、（ｖ）その極性に基づいて直列アークと並列アークとを区別する、請求項７に記載の装置。
並列アークを識別した際に前記電力コンバータ回路のＤＣ入力端子間に短絡を与える手段を更に備え、
シグネチャを分析する前記手段が、更に、前記シグネチャを電流変動について分析し、非変動電流が並列アークを確認するものであり、
変動電流であると決定した際に前記短絡を解除する、請求項８に記載の装置。
前記極性が正であるときに直列アークが識別され、前記極性が負であるときに並列アークが識別される、請求項８に記載の装置。
前記シグネチャは、前記電力コンバータ回路のＤＣ電流に基づくＤＣ電流シグネチャであり、前記別のシグネチャは、前記電力コンバータ回路のＤＣ電圧に基づくＤＣ電圧シグネチャである、請求項７に記載の装置。
アーク故障が存在するかどうかの前記決定は、光照射で生じるシグネチャの変化と、アークで生じるシグネチャの変化とを区別することを含む、請求項７に記載の装置。
電力コンバータに接続された光電池モジュールを更に備え、
前記電力コンバータが、シグネチャを分析する前記手段を備える、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の装置。