用于检测DC电路中的电弧的方法与装置 |
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| 申请号 | CN201280049922.0 | 申请日 | 2012-10-12 | 公开(公告)号 | CN103875144B | 公开(公告)日 | 2016-04-13 |
| 申请人 | SMA太阳能技术股份公司; | 发明人 | J·郎; T·维格内尔; M·卡拉图彻维尔; H·贝伦茨; M·维托; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于检测DC 电路 中的 电弧 的方法。该方法包括以下步骤。测量并分析在电路中流动的 电流 （I）的AC成分（IAC），并且确定该AC成分（IAC）的至少一个参数。改变电流（I）的DC成分（IDC）的电平，并且确定在DC电路中流动的电流（I）的DC成分（IDC）的电平与AC成分（IAC）的所述至少一个参数之间的相关程度。依赖于所确定的相关程度，检测并用 信号 通知电弧。本发明还涉及用于执行该方法的装置并且涉及包括这种装置的逆变器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于检测DC电路中的电弧的方法，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于检测DC电路中的电弧的方法与装置[0002] 背景技术：在高电压连同高电流一起发生的电路中，尤其是在DC（直流）电路中，存在形成电弧的危险。例如，电弧会在维护工作（断开电流流经的线路）期间、在螺丝连接器或插入式连接器的触点劣化的情况下、在差的焊点或紧固不足的螺丝连接或者在受损的线路绝缘的情况下发生。已经产生的电弧通常只能通过大幅减小流经该电弧的电流来熄灭。 [0003] 在光伏安装（在下文中简称为PV安装）中，由于高DC电压和占优势的高直流电流，因此电弧是一个不能被低估的问题，而且是PV安装中火灾的主要造成原因之一。 [0004] 因此，用于检测已经发生的电弧的可靠方法是非常受关注的。为了安全，在这种情况下已经发生的电弧应当被可靠地检测。另一方面，被断定的电弧的不正确检测的可能性应当保持尽可能低，尤其是如果自动切断系统与电弧的检测相关联的话，在这种系统中，PV安装的自动重启被阻止，如在有些国家所要求的。 [0005] 电弧通常发射延伸到高频范围内的宽带AC（交流）信号。用于基于电路中这种AC信号的检测来检测电弧的方法与装置是很普遍的并且例如在文档WO95/25374A中描述。 [0006] 关于这种方法的一个问题是高频干扰信号会不正确地被认为是电弧引起的，从而导致用于检测电弧的装置的不正确触发。干扰信号的可能来源是，例如，高频无线电发送器、在十分靠近被监测系统经过的电气列车或电车的集电器中短暂出现的电弧，或者具有不足电磁屏 蔽或干扰信号抑制的电气或电子设备。相邻电路中的电弧也可以耦合到所考虑的系统中并且可以不正确地触发用于监测电弧的装置。在PV安装中常常提供多个并联的DC电路、一PV部分发电机以及布置在每个DC电路中的逆变器。电路中不是源自在这个电路中发生的电弧的所有高频信号或信号成分在下文中都概要地称为“干扰信号”并且其来源被称为“干扰源”或者“干扰者”。 [0007] 为了提高检测电弧的可靠性，文档US7,633,727B2公开了一种电弧检测系统，该系统具有两个在不同频率操作的窄带带通滤波器。只有在具有处于由带通滤波器确定的这两个不同频率范围内的信号成分的高频信号被观察到时，电弧才被确定为发生。但是，如果干扰信号具有与电弧的典型频率频谱相似宽度的频率频谱，则这种干扰信号不能与源自电弧的高频信号区分。 [0008] 文档EP1772936A2公开了用于检测AC电路中的电弧的装置与方法，其中，除高频信号成分之外，电路中电流的变化率也被检测。如果这个变化率指示电路中从根本上讲可以作为电弧触发器的过程，例如突然的电流上升或下降，并且同时观察到指示电弧的高频信号，则假设电弧实际存在。但是，尤其是在其中发生非常高整体电流的电路中，例如在PV安装的DC电路中，触发电弧的过程不一定能利用整体电流的变化率很明确地检测到。 [0009] 发明内容：因此，本发明的一个目标是提供用于检测电弧的方法，该方法允许可靠地区分干扰信号和那些基于在电路中实际发生的电弧的高频信号。另一个目标是提供对干扰信号相对不灵敏的、用于检测电路中的电弧的装置。 [0011] 根据本发明用于检测DC电路中的电弧的方法包括以下步骤：测量并分析在DC电路中流动的电流的AC成分，并且确定该AC成分的至少一个参数，并且改变在DC电路中流动的电流的DC成分的电 平。此外，确定在DC电路中流动的电流的电平与电流的AC成分的所述至少一个参数之间的相关程度。依赖于所确定的相关程度，检测并用信号通知电弧。 [0012] 在电弧中，在由电路中的电弧发射的较高频AC信号的属性与流经该电弧的电流的电平之间存在一个关系。根据本发明，这个关系用于确定测得的包含较高频信号的AC成分是否真正源自在电路中发生的电弧。为此，在电路中流动的直流电流的电平改变，并且确定测得的较高频信号的参数与在电路中流动的直流电流的电平的相关程度。基于以这种方式确定的相关程度，认为已检测到电弧并且用信号通知电弧。由于干扰信号（并且尤其是从外部注入电路的干扰信号）的属性通常不受在所考虑的电路中流动的直流电流的电平的影响，因此该方法使得能够可靠地区分电弧信号和干扰信号。在本申请的范围内，频率在大约10kHz（千赫兹）至大约1MHz（兆赫兹）范围内的信号可以被认为是相对较高频率的AC信号。 [0013] 在该方法的一种优选改进中，测得的AC成分的信号强度被认为是所述参数。如果信号强度随着增加的电流电平而下降，则所确定的相关程度特别优选地增加。以这种方式确定的相关程度特别好地反映了电弧的发生。 [0014] 在该方法的另一种优选改进中，电流的电平通过周期性的调制而改变。相关性可以通过调制过程中经过若干次的电流变化可靠地检测。如果逆变器布置在所考虑的电路中，则在这种情况下电流的变化或调制优选地是由逆变器造成的。变化或调制特别优选地是通过电压转换过程中逆变器的半导体电力开关的开关操作或者通过逆变器执行MPP跟踪方法造成的。以这种方式，在逆变器的操作过程中执行的电流变化在执行根据本发明的方法时总是可以使用。 [0015] 在该方法的另一种优选改进中，调制依赖于执行该方法的装置的标识参数。如果多个相邻的电路在一较大的系统中存在，则发生在第一电路中的电弧会导致第二电路中的串扰，其结果是AC信号也在第二电路中存在。在某些情形下，存在当AC信号在两个电路中同时被 检测到时各自电流被同步调制的问题，这将导致在两个电路中都识别出假想的电弧。在所提到的改进中，装置在各自的电路中执行调制过程，该过程依赖于装置的标识参数，并且因而对于两个装置是不同的并且例如就调制频率和/或调制顺序而言是不同的。由于不同的调制过程，因此相关性只发生在电弧真正在其中点燃的电路中。 [0016] 在该方法的另一种优选改进中，如果AC成分的参数超过阈值，则电流的电平变化。以这种方式，电流的AC成分首先被监测，以便确定电路中是否存在电弧的指示。只有在存在的情况下才执行进一步的方法步骤。在这种情况下，阈值优选地是借助于从AC成分的参数低通滤波而确定的。电弧通常是突然而不是缓慢形成的。阈值通过低通滤波适应性地确定。一方面，其可以追随缓慢变化的干扰信号，结果是后者不被不正确地检测到，但是，另一方面，其被突然发生的电弧超过。 [0017] 在该方法的另一种优选改进中，在已检测到电弧之后还包括以下进一步的步骤：电流的DC成分的电平降至零或者几乎为零，并且执行对电流的AC成分的进一步测量。然后确定AC信号是否在该进一步的测量中仍然存在。如果是，则用信号通知并联电弧的存在。如果AC信号不再存在或者降至非常低的水平，则用信号通知发生了串联电弧。以这种方式，该方法还可以用于区分两种可能的电弧类型，一方面是与PV发电机电串联发生的串联电弧，以及与PV发电机并联或PV发电机的一部分并联发生的并联电弧。 [0018] 根据本发明用于检测DC电路中的电弧的装置包括用于改变电路中流动的电流的DC成分电平的器件，以及用于分析测得的电流的AC成分并用于确定该AC成分的至少一个参数的评估单元。还提供用于确定电路中流动的电流成分的电平与AC成分的所述至少一个参数之间的相关程度的相关性单元以及信号输出端，基于所确定的相关程度，在该输出端用信号通知电弧的存在。与该装置关联的优点对应于方法的那些优点。 [0020] 图1示出了具有用于检测电弧的装置的PV安装的示意性说明， [0021] 图2示出了包含处于不同电流流的电弧的信号频谱的图， [0022] 图3示出了基于时间在电路中测得的信号的示意图，及 [0023] 图4示出了用于检测电路中的电弧的方法的示例性实施例的流程图。 [0024] 具体实施方式：图1示意性地示出了具有用于检测电弧的装置10的PV安装1的基本结构。 [0026] 作为例子，PV发电机2在图1中通过用于个体光伏电池的电路符号来用符号表示。在所说明的PV安装的一种实现中，PV发电机2可以是个体光伏（PV）模块，该模块又包含多个光伏电池。PV发电机2同样可以是包括多个PV模块的串联电路，即所谓的串。包括PV模块的并联电路或混合的串联和并联电路也是可能的。 [0027] 能量供应电网6可以是公共供电系统或者私有系统（隔离的或者孤岛操作）。例如，逆变器5设计成具有三个AC输出，用于三相馈送到能量供应电网6中。不用说，与所说明的三相设计不同的逆变器5和/或能量供应电网6的设计也是可能的，例如单相设计。此外，只有本申请范围内必需的PV安装1的那些部分在图1中进行了说明。布置在逆变器5的DC或AC侧的更多元件，例如断开或开关元件、滤波器、监测设备或变压器，为了清晰而没有说明。 [0028] 作为例子，在图1中说明在PV安装中可能在由PV发电机2、直流线路3、4及逆变器5的DC输入级构成的电路中发生的两种可能的电弧。第一种电弧是串联电弧7，它在直流线路3、4之一（在这里例如是直流线路3）内部的中断处与PV发电机2电串联地发生。第二种电弧是并联电弧8，它与PV发电机2并联地发生。在原理上，并联电弧可以发生在电路中不同电位占优势的两个点之间。因 而，并联电弧也可以与PV发电机2的一部分（即，例如与个体PV模块）并联地发生。 [0029] 用于检测电弧的装置10包括用于确定在电路中流动的电流I并且尤其是用于确定在电路中流动的电流的高频成分的电流传感器11。在下文中，电流I的DC成分表示为IDC，而高频AC成分表示为IAC。在当前情况下，电流传感器11是以耦合线圈（拾取线圈）的形式，它与直流线路3、4之一（在这里例如是直流线路4）相互作用。在电流传感器11的一种实现中，有可能使用，例如Rogowski线圈或DC隔离变压器，其线圈循环到电路当中。同样有可能在直流线路3、4之一当中使用Hall传感器或低阻抗分路器。被电流传感器11分接的信号被提供给可以包括信号放大和信号滤波元件的评估单元12。在其输出，评估单元12提供代表AC成分IAC的属性（参数）的信号。这种属性可以是，例如，优选地在其中电弧特征性地具有频谱能量的高频信号的一个或多个预定义频率范围内，尤其是在以上提到过的大约10kHz至大约1MHz范围内，检测到的信号强度。 [0030] 装置10还包括经电流预设线路14连接到逆变器5的调制发生器13。调制发生器13可以利用电流预设线路14经逆变器5影响在DC电路中流动的电流I。以PV发电机2操作在具有最大功率的操作点这样一种方式，这个电流通常在所谓的MPP（最大功率点）跟踪方法（也称为MPP跟踪）当中被逆变器5改变。以与从根本上设置的电流流不同的方式，调制发生器13可以在最优操作点经电流预设线路14改变电流I。在这种情况下，电流的减小和/或增加可以被想作是变化。调制发生器13可以按任何期望的模式生成周期性或非周期性的电流变化，例如正弦或方波变化、根据脉冲或二进制代码方法的变化或者小波形式的其它变化。 [0031] 评估单元12和调制发生器13连接到相关性单元15。评估单元12把所考虑的电流I的AC成分IAC的参数（例如电路中测得的高频信号的信号强度）传递到相关性单元15，并且调制发生器13传递代表电流I的DC成分IDC的电流变化的信号。相关性单元15确定所提 供的这两个信号之间的相关程度。该相关程度反映信号中的变化彼此在时间上相关的程度。例如，使用傅立叶变换（在一种实现中尤其是快速傅立叶变换（FET））之间的联系（link）的数学相关性函数对于确定相关程度是合适的。特别地，如果电流I以小波的形式变化，则相关程度可以替代地通过交叉相关从参数的电流变化和时间曲线来确定。 [0032] 代表相关程度的一种可能途径是把相关性映射到从-1到+1的值范围，+1值代表最大正相关，-1值代表最大负相关，并且0值代表无相关。其中一个信号的增加与另一个信号的增加相关联的相关性可以理解为正相关。负相关是其中一个信号的增加联系到另一个信号的减小。在以这种方式定义的相关程度有大绝对值的情况下，存在高相关程度。 [0033] 依赖于相关程度，相关性单元15在信号输出端16输出指示电弧的信号。在图1中所说明的示例性实施例中，所述信号被提供给发信号设备20，其可以用于，例如，启动PV系统的手动切断，以便熄灭电弧。作为替代，可以规定在信号输出端16的信号输出被提供给逆变器5或者提供给电路中布置的断开元件，以便为了熄灭电弧而自动中断电流。 [0034] 如所说明的，装置10可以是独立单元的形式。但是，优选地还有可能在逆变器5中集成装置10。 [0035] 例如，如可以由图1中所示的PV安装所执行的用于检测电路中的电弧的方法可以在下面利用图2至4来说明。例如，以下所使用的附图标记涉及图1中所说明的示例性实施例。 [0036] 图2在图中示出了不同电流强度的直流电流流经的电弧的测得信号频谱。以任意单位（a.u.）的、电路中AC电流IAC的信号强度|IAC|在图的Y轴上说明，而频率在图的X轴上绘出。两个轴都具有对数标度。 [0037] 在图中表示了测得电流信号的三个信号频谱30、31、32（频率频谱）。信号频谱31代表在小直流电流流经电弧的情况下电弧的频 谱，而信号频谱32是大大约5倍的电流流经的电弧的频谱。为了比较，信号频谱30用于代表无点燃的电弧的同一电路的频谱。可以看到，具有较小电流流的电弧的信号频谱31在所说明的整个频率范围上几乎都具有比具有较大电流流的电弧的信号频谱32更大的信号强度。但是，在两个信号频谱31、32中，信号强度在所说明的整个频率范围上都高于参考信号频谱30的强度，不计基于简单的干扰或者构成逆变器中的开关过程的谐波的信号频谱30-32中的各个峰值。 [0038] 测得的结果清楚地显示信号强度和流经电弧的电流彼此具有负相关。 [0039] 图3说明了利用图2证明的负相关如何用于检测电弧。图3在上部示出了电路中（例如，图1的PV安装的DC电路中）测得的电流I的时间依赖性。所测得的电流I的AC成分IAC在该图下部中以相同的标度表示。 [0040] 无显著AC成分的量I0的恒定直流电流I首先在时刻t [0041] 在低频调制的过程中，测得的电流的DC成分IDC在时刻t1和t2以及时刻t3和t4之间减小，并且在t2和t3之间的中间时段再次达到I0的初始值。在尤其是在该图下部提取出的较高频AC成分IAC的情况下，可以看到，该AC成分在其中电流的DC成分减小的t1和t2以及t3和t4之间的时间段中显著增加，而对于t2和t3之间的时间段并且对于时间t>t4再次减小到在时刻t0存在的原始信号强度值。因而，电路中流动的DC成分IDC与要在电路中观察到的较高频AC成分IAC之间的高负相关程度得以证明。因而，非常有可能的是所观察到的较高频AC信号基于在这个电路中已发生的电弧。 [0042] 图4说明了用于检测电路中的电弧的方法的示例性实施例的流程 图。 [0043] 在第一步S1，电路以这种一种方式操作，使得电路中的DC成分IDC不被调制。这可以例如通过停用图1中的示例性实施例中的调制发生器13来实现。 [0044] 在第二步S2，通过例如在预定义的频带内确定其信号强度|IAC|作为AC成分IAC的属性，测量并分析在电路中流动的电流I的AC成分IAC。 [0045] 在第三步S3，所确定的信号强度与预定义的阈值|I*|进行比较，I*是对应于信号强度的阈值的电流阈值。在这种情况下，阈值|I*|可以永久性地预定义或者在适应性方法中可以适应电路中目前所存在的状况。适应性方法的一个例子在以下更详细地解释。如果信号强度在预定义的阈值之下，则该方法分支返回步骤S2。但是，如果在步骤S3观察到其信号强度高于阈值|I*|的信号，则这被认为是电弧发生的指示并且方法分支到步骤S4。在图3的例子中，这在时刻t=t*给出。 [0046] 在步骤S4，开始对电路中电流I的电平进行调制，如可以在例如图3中的时刻t0看到的。在图1的示例性实施例中，对应的、近似正弦的调制可以由调制发生器13生成并且可以经电流预设线路14和逆变器5在电路中实现。 [0047] 在接下来的步骤S5，电路中电流流的AC成分IAC再次被测量并分析。在这种情况下，作为优选地在多个调制周期的时间段上延伸的测得值的测量序列，执行测量。 [0048] 在后续的步骤S6，确定IAC信号的信号强度是否与电流的DC成分IDC的调制相关。如果情况是这样，则在步骤S7中用信号通知电弧，例如通过在图1的信号输出端16输出对应的信号。 [0049] 在备选的改进中，可以规定在步骤S7中电弧不仅被用信号通知而且还通过短暂或永久性地降低电路中的电流流或者通过甚至完全中断电流（把电流降至零）而被熄灭。如果检测到的电弧是串联电弧，如例如图1中所示的串联电弧，则电弧可以由此被熄灭。在进一步的 改进中，在电路中的DC电流已经降至零或者几乎为零之后，电流的AC成分被再次测量。然后，根据进一步的测量确定AC信号是否仍然存在。如果是，则电弧还没有被熄灭并且观察到的信号可以分配给并联电弧。因而，用信号通知并联电弧的存在。 [0050] 相反，如果AC信号不再存在或者减小至非常低的水平，这有可能是由干扰者造成的或者有可能是噪声信号，则用信号通知已在第一位置确定的电弧是串联电弧。 [0051] 如果在步骤S6中确定IAC信号的信号强度和电流的调制之间没有相关性，则这可以被认为是指示在步骤S2和S3中观察到的信号不是源自在电路中发生的电弧，而是由外部或内部干扰源造成的干扰信号。在这种情况下，该方法分支回步骤S1，其中在电路中设置恒定的DC成分IDC，例如，通过停用图1中的调制发生器13。 [0052] 在那种情况下观察到的信号归因于干扰源的信息还可以用于使方法以自适应的方式适应这种情况。为此，步骤S3中的决策所基于的阈值|I*|可以例如以这样一种方式改变，使得测得的信号不被认为是电弧存在的指示。还可以想到让在步骤S2中执行的信号分析来适应，例如通过选择其中所观察到的信号具有尽可能小的频谱成分的频率范围。 [0053] 在那种情况下观察到的信号归因于干扰源的信息还可以用于经信号输出端16通知其它设备干扰信号的存在。就此而言，其它设备是例如相邻的逆变器或用于把信号转发到安装监测器件或转发到安装运营商的通信设备。 [0054] 另一种适应性方法使用电弧通常不缓慢进展而是突然发生的事实。在这种方法中，根据在步骤S2中重复执行的信号强度|IAC|的测量值的滑动平均持续地确定阈值|I*|。测得的信号强度的低通滤波等效于形成滑动平均。例如，阈值|I*|可以设置为滑动平均值的倍数，例如，三倍。所得的电弧与信号强度|IAC|的突然上升关联，于是该信号强度至少暂时显著地超过滑动平均值并且高于阈值|I*|。在这种情况下，滑动平均值是利用大到足以不追随信号强度|IAC|的突然上升并 且小到足以使阈值适应信号强度的缓慢变化的时间常量形成的，其中，由于变化的环境条件，信号强度的变化例如基于电路中阻抗的变化。 [0055] 在该方法的一种备选改进中，可以规定电流I的DC成分永久性地被调制。在这种情况下，如上所述，这种调制可以具体地例如借助于调制发生器13来应用。但是，还有可能诉诸周期性的电流变化作为调制，这在电路中是固有地存在的。这种合适的再现的电流变化的起因可以取决于，例如，逆变器5的AC桥或DC-DC转换器的电力半导体开关的开关循环。在这种情况下，为了把直流电流转换成交流电流，开关循环是基于在DC-DC转换器或逆变器5内部执行的调制方法。在这个过程中使用的调制方法的例子是正弦-三角（sine-delta）调制方法或者空间矢量调制方法。在这个意义上，与能量供应电网6中占优势的系统频率相关的周期性电流变化也可以被认为是调制。与其中电弧通常发射其特征性高频信号的频率范围相比，所提到的导致电流变化的过程在低频频率范围内发生。 [0056] 如果多个DC电路每个都分配给PV系统内部不同的逆变器，则所提到的方法还可以按特别有利的方式使用。但是，在某些情形下，存在相邻逆变器在分配给它们的DC电路中同时开始各自的电流调制并且随后在检测到较高频信号之后同步执行所述调制的问题，这可能导致假想的电弧在两个电路中都被识别出来。为了避免这个问题，可以规定单独地为每个DC电路配置时间调制曲线。这可以通过例如装置10之间或者与上级控制单元（例如安装监测器件）的通信来实现，在这个过程中，起始时间或者调制频率或顺序由上级控制单元单独地同意或预定义。还可以想到使用电路中所使用的装置10或逆变器5的唯一标识参数，例如序列号，来生成各个调制模式。 [0057] 在上述示例性实施例中，相关程度在每种情况下都是通过比较较高频信号的电平和电路中流动的直流电流的电平确定的。 [0058] 作为替代或者附加地，特定频谱范围内观察到的功率或者特定频谱范围内观察到的最大值或者具有与信号的信号频谱中的共振相似的 结构的半值宽度也可以用作电流的AC电压成分的被考虑属性或参数，并且因此可以用作确定相关性的基础。除此之外，这些参数中每一个都可以被认为是绝对项或者可以涉及电路中的另外的参数，例如测得的电流的电平或者电路所发送的功率的量值。 [0059] 附图标记列表 [0060] 1 PV安装 [0061] 2 PV发电机 [0062] 3、4 直流线路（DC线路） [0063] 5 逆变器 [0064] 6 能量供应电网 [0065] 7 （串联）电弧 [0066] 8 （并联）电弧 [0067] 10 用于检测电弧的装置 [0068] 11 电流传感器 [0069] 12 评估单元 [0070] 13 调制发生器 [0071] 14 电流预设线路 [0072] 15 相关性单元 [0073] 16 信号输出端 [0074] 20 发信号设备 [0075] 30 （参考）信号频谱 [0076] 31、32 当电弧存在时的信号频谱 |
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