电弧检测
阅读：531发布：2020-05-12
专利汇可以提供电弧检测专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且在用于检测在用于将DC输入功率转换成输出功率的转换器装置（2）的 电流 路径中的 电弧 的方法中，电弧通过下述步骤来检测：借助于电流 变压器 （11）感测电流路径中的电流（4），用模拟带通 滤波器 （14）对电流 信号 （4'）进行滤波，将模拟滤波的电流信号（4''）转换成 数字信号 （4'''），确定数字电流信号（4'''）的谐波含量（19）并且然后如果谐波含量（19）超过 阈值 则判定电弧是否存在，其中阈值在开始被确定为在电流信号的特定时间段期间的平均谐波含量的倍数。，下面是电弧检测专利的具体信息内容。
1.用于检测转换器装置的电流路径中的电弧的方法，所述转换器装置用于将DC输入功率转换成输出功率，所述方法包括下述步骤：
a）通过感测所述电流路径中的电流来产生电流信号，
b）确定所述电流信号的谐波含量，
c）在启动阶段中，当不存在电弧时，确定来自所述谐波含量的初始本底噪声以及超过本底噪声的m倍的单个谐波的初始数量，
d）在启动阶段之后，确定超过初始本底噪声的m倍的时间段的单个谐波的数量，e）确定在所述时间段内所述单个谐波的数量和单个谐波的初始数量之间的差，f）以及判定：如果所述差大于预定数字p，则确定在所述时间段中存在电弧。
2.根据权利要求1的方法，其中，确定在至少两个连续的时间段内的所述差，并且其中判定：如果所述差在两个或更多个连续时间段中大于所述预定数字p，则存在永久电弧。
3.根据权利要求1或2的方法，其中所述倍数m的范围从2到15，和/或其中单个谐波的数量p的范围从30到70。
4.根据权利要求1或2的方法，还包括如下步骤：将来自时域的电流信号变换到频域，特别是通过执行离散傅里叶变换，甚至更优选地通过执行快速傅里叶变换。
5.根据权利要求1或2的方法，还包括如下步骤：在确定电流信号的谐波含量之前，至少部分地移除不是由电弧引起的电流信号的谐波含量。
6.根据权利要求5的方法，其中低于第一频率和/或高于第二频率的电流信号的谐波含量被至少部分移除，其中第二频率高于第一频率。
7.根据权利要求1或2的方法，还包括进行自测试的步骤，其中进行自测试的步骤特别包括以下步骤：
a）生成测试信号，
b）经由低通滤波器经由电流感测设备的第三级绕组把所述测试信号馈送到电流感测设备，
c）确定所述测试信号的幅度和/或相位，
d）以及将所述测试信号的幅度和/或相位与预定义值进行比较。
8.用于检测转换器装置的电流路径中的电弧的设备，所述转换器装置用于将DC输入功率转换成输出功率，尤其用于执行根据权利要求1的方法，所述设备包括：
a）电流感测设备，被适配为通过感测电流路径中的电流来产生电流信号，以及b）处理单元，其被适配为：
a．确定所述电流信号的谐波含量，
b．在启动阶段中，确定来自所述谐波含量的初始本底噪声以及超过本底噪声的m倍的单个谐波的初始数量，
c．在启动阶段之后，确定在至少一个时间段内超过初始本底噪声的m倍的单个谐波的数量，
d．确定在所述至少一个时间段内所述单个谐波的数量和所述单个谐波的初始数量之间的差，以及
e．判定：如果所述差大于预定数字p，则在所述至少一个时间段中存在电弧。
9.根据权利要求8的设备，尤其用于执行根据权利要求1的方法，其中所述处理单元还被适配为：确定在至少两个连续的时间段内的所述差，并且其中判定：如果所述差在两个或更多个连续时间段中大于所述预定数字p，则存在永久电弧。
10.根据权利要求8或9的设备，其中所述电流感测设备包括电流传感器，具体是具有初级绕组和次级绕组的铁粉芯环形变压器，其中所述初级绕组包括一匝DC电流路径，并且其中次级绕组包括多匝。
11.根据权利要求8或9的设备，被适配为进行自测试，其中所述设备尤其：
a）包括测试信号生成器，测试信号生成器被适配为生成测试信号，
b）包括低通滤波器，低通滤波器用于对所述测试信号进行低通滤波并且经由电流感测设备的第三级绕组把它馈送到电流感测设备，
c）被适配为确定所述测试信号的幅度和/或相位以及将所述测试信号的幅度和/或相位与预定义值进行比较。
12.转换器装置，包括根据权利要求8或9所述的设备。
电弧检测
技术领域
[0002] 本发明涉及用于对将DC输入功率转换成输出功率的转换器装置的电流路径中电弧的检测的方法，该方法包括通过感测电流路径中的电流来产生电流信号的步骤。本发明进一步涉及用于对将DC输入功率转换成输出功率的装置的电流路径中电弧的检测的设备，该设备包括电流感测设备，该电流感测设备被适配为通过感测电流路径中的电流来产生电流信号。
背景技术
[0004] 近年来，PV系统（还称为：PV装置或PV组件）已经进一步发展，以提高可靠性和安全性。例如，已经进行了巨大的努力以避免PV系统中的电弧。然而，在电弧发生时如何处理电弧是仍然没有得到满意解决的问题。
[0005] 当两个电极之间生成足够高的电压时，电弧可能发生。该电压可能会引起电极之间的气体（通常为空气）的离子化，使得等离子体可以逐步形成，并且电流可以在电极之间流动。这样的等离子体可能会加热升高到几千℃，从而使得代表性的明亮电弧出现。这样的温度可能引起系统损坏，并且在一些情况下甚至使系统或附近装置着火。
[0006] 在PV系统中存在两种不同类型的电弧：并行电弧和串行电弧。并行电弧在PV系统的正极和负极之间或者在电极中的一个和地之间发生。相对地，串行电弧不在两个不同的线路之间发生，而是在一个电流导通线路内发生，即在同一线路的两个部分之间发生。串行电弧通常在线路中的电流被中断时（例如通过打开接触开关或在破坏插头/电缆等的情况下）发生。
[0007] 为了减少电弧的影响，必须尽快启动切断电弧的对策。因此，电弧的存在被尽可能快和可靠地确定是非常重要的。
[0008] US 8,179,149 B2公开了一种用于管理在PV系统的DC电路中的串行和并行DC电弧故障的方法和装置。这样的PV系统包括具有并联连接的若干分支的功率级，其中每个分支包括连接到功率转换器（102）的PV模块（104）。功率级被连接到负载中心（108），该负载中心（108）连接到AC电网。
[0009] 通过分析功率转换器的电流信号的标记并且分析电压信号的标记以及基于该分析来确定电弧故障是否存在以及存在何种类型的电弧故障，来进行对电弧故障的检测。具体地，通过分析电流信号是否有极性上的改变或信号斜率上的迅速改变来确定电弧。如果可能的电弧故障被识别，则电压信号也被分析，并且然后与电流信号分析相比较。如果存在电弧故障匹配，则使用DC电流的极性来区分串行电弧还是并形电弧已经发生。基于电弧的存在和类型的确定来启动进一步措施。
[0010] 用于电弧的检测的已知方法和装置是非常复杂的。因此，花费大量的努力、不同的元件和时间来分析不同的信号，比较分析的结果，并且确定电弧的存在和类型。
发明内容
[0011] 本发明的目的在于提供一种属于最初提及的技术领域的、用于对转换器装置电流路径中的电弧检测的方法，该转换器装置用于将DC输入功率转换成输出功率，该方法允许对电弧的更简单和更快的检测。本发明的另一目的是提供一种对应的设备。
[0012] 本发明的解决方案由各实施例的特征来指定。用于检测用于将DC输入功率转换成输出功率的转换器装置的电流路径中的电弧的方法包括下述步骤：通过感测电流路径中的电流来产生电流信号。根据本发明，确定电流信号的谐波含量，并且如果谐波含量超过阈值则判定电弧存在。
[0014] 因此，为了确定电弧是否存在，必须仅分析转换器信号中的一个，即电流信号。因此，该方法更易于实现，其需要较少的元件（其例如不需要电压测量设备），并且因为其不需要对不同的信号的连续分析，所以还更快。
[0015] 结合本描述，术语转换器装置应当包括诸如电流/电压转换器以及电流/电压逆变器或其组合的每个装置，用于将DC输入功率转换成输出功率，AC或DC。
[0016] 电弧故障是否存在的判定可以基于对电流信号的单个时间段的谐波含量的确定，该单个时间段可以是一短段（毫秒的范围内）、一长段（在秒、分钟、小时或甚至天的范围内）、或者具有在两者之间某处的长度的时间段。
[0017] 在本发明的优选实施例中，针对电流信号的至少两个时间段确定电流信号的谐波含量。如果在这些时间段中的一个或多个期间的谐波含量超过阈值，则判定电弧存在。这些时间段也不必具有相同的长度。
[0018] 在本发明的另一优选实施例中，针对电流信号的多个时间段周期性地确定谐波含量，其中，每个时间段具有相同的长度。这些时间段的长度在1毫秒和1000毫秒之间，更优选地在20毫秒和200毫秒之间，并且甚至更优选地在80毫秒和120毫秒之间。尽管要周期性分析的时间段优选地重叠达其长度的一部分（例如其长度的10％和70％之间），但是这些时间段还可以被选择为使得一个时间段直接跟随另一个，或者甚至使得在两个连续的时间段之间存在未使用信号的间隙。然而，时间段的重叠通过减轻每个时间段的边缘处的“损失”来提高谐波含量确定的准确性。
[0019] 根据电流信号的谐波含量在其中超过阈值的时间段的数目，不同类型、种类或水平的电弧可以被区分。如果电流信号的谐波含量例如仅在一些时间段（诸如例如多于5或10但小于20、25或30个连续和重叠的时间段）中超过阈值，则该方法可以判定存在短电弧，其可以例如被称为“不良接触”。但是，如果电流信号的谐波含量例如在多于20、25或30个连续和重叠的时间段中超过阈值，则该方法可以判定存在长电弧。
[0020] 因此，在检测到电弧时所采取的措施还可以取决于被检测的电弧的种类。如果例如检测到短电弧，则可以仅向诸如装置的操作员或PV站的监督人的负责人告知这样的短电弧或不良接触已经发生。然后，该负责人可以检查安装以识别并且消除不良接触的原因。然而，如果检测到长电弧，则可以例如立即关闭转换器，例如通过生成被发送到控制装置的对应信号，控制装置作为响应而关闭转换器。
[0021] 通过定义两个阈值，能够区分三个种类的电弧，即无电弧、短电弧和长电弧。然而，通过定义和检查三个或更多个阈值还能够区分四种或更多种类型的电弧。当然，为了判定存在电弧还是不存在电弧，也可以仅定义一个阈值。一个/多个阈值的精确值必须基于具体实现来设置。
[0022] 采用根据本发明的方法，通常能够检测串行和并行电弧。然而，在本发明的优选实施例中，优选的是检测转换器装置的DC电流路径中的串行电弧。可以用于检测串行电弧的这样的DC电流路径以任何方式存在于每个转换器装置中。所以，在这样的DC电流路径中流动的电流可以被感测和分析以用于检测串行电弧。对于检测并行电弧，通常不存在专用的电流路径用于感测要分析的电流。因此，首先必须通过另外的措施来识别用于感测电流的适当的电流路径或者甚至必须通过另外的措施来提供这样的电流路径。
[0023] 可以采用根据本发明的方法来检测不同能量转换系统中的串行电弧，该不同能量转换系统包括用于将DC输入功率转换成DC或AC输出功率的功率转换器。这样的系统不仅包括从能量分配网络或诸如电池等的能量存储设备获得其输入的装置，而且包括通过将其它类型的能量转换成电能来产生电能的系统。这样的系统例如包括水力发电和风力发电系统。
[0024] 在本发明的优选实施例中，该方法被采用在将太阳能转换成电能的系统中，即在包括产生DC功率的至少一个PV板和用于将PV板的DC功率转换成DC或AC输出功率的功率转换器的装置中。在这样的装置中，在PV板的DC电流路径中检测串行电弧。在PV系统中的应用是特别有利的，因为电弧可能发生的风险高于其它转换器装置中的风险。
[0025] 确定电流信号的谐波含量（即电流信号的整个频谱范围）在本发明的含义内。然而，为了减少确定电流信号的谐波含量的时间和努力，优选的是在确定电流信号的谐波含量之前至少部分地移除那些不是由串行电弧引起的电流信号的谐波分量。
[0026] 还可能存在不是由电弧直接引起而是仅受电弧影响的电流信号的谐波分量。这样的谐波分量在转换器的正常操作期间也存在于信号中，但是在电弧发生时受到影响（例如衰减、放大或甚至移位）。因此，在本描述的上下文内，术语“由串行电弧引起”还可以被理解为“由串行电弧引起和/或影响”。
[0027] 至少部分地移除那些不是由串行电弧引起的电流信号的谐波分量意味着至少部分地移除那些不是由串行电弧引起的电流信号的频谱范围。在该操作期间，还能够从电流信号中至少部分地移除实际上由电弧引起的电流信号的一些频谱范围。
[0028] 至少部分地移除电流信号的特定谐波分量通常通过用适当的滤波器对信号进行滤波来进行。这样的滤波器例如可以是低通滤波器。但是因为电流信号中的大部分能量存在于电流信号的DC分量和较低频谱范围中，并且因为那些由串行电弧引起的电流信号的谐波分量存在于较高频谱范围中，所以优选地至少部分地移除其频率低于特定频率（下文中表示为第一频率）的谐波分量。这样的滤波通常被称为信号的高通滤波。
[0029] 信号的一般滤波及还有随其的高通滤波可以例如用数字滤波器来进行。然而，在该情况下，例如利用模拟高通滤波器的电流信号的模拟滤波是优选的，因为数字信号处理的努力及随其的在本发明的另外步骤中使用的对应的处理单元的复杂度可以被减小。
[0030] 代替确定电流信号的整个频谱范围的谐波含量（通常是可能的），根据本发明的方法优选地进一步包括下述步骤：至少部分地移除高于第二频率的电流信号的谐波含量，其中第二频率高于上述第一频率。连同移除低于第一频率的频谱部分一起，这导致利用适当的第一频率和第二频率对电流信号的带通滤波，使得那些由电弧引起的电流信号的频谱部分仍然存在于带通滤波的电流信号中。
[0031] 对高于第二频率的信号频率的该至少部分地移除具有如下优点，电流信号被适配用于另外的处理，例如用于信号的模拟到数据转换，如果输入信号的频谱范围被限制，则其可以更准确地进行。另外，如果信号频谱被限制，则确定谐波含量的时间和努力可以被进一步减小。
[0032] 带通滤波器具有例如1 kHz和4 kHz之间的中心频率以及1 kHz和10 kHz之间的3 db带宽，更优选的是在2 kHz和3 kHz之间的中心频率（fc）以及在4 kHz和7 Khz之间的3 db带宽。
[0033] 通过利用适当的模拟电路来处理模拟电流信号，电流信号的谐波含量的确定通常也是可能的。然而，优选的是，通过数字处理电流信号来确定该电流信号的谐波含量，因为与模拟电路相比，借助于诸如数字信号处理器的数字处理单元来实现这样的方法是非常容易的。因此，优选地在确定其谐波含量之前执行对电流信号的模拟到数字转换。
[0034] 在用模拟滤波器对电流进行高通或带通滤波的情况下，在电流的滤波之后执行对电流信号的模拟到数字转换。如果数字地进行滤波，则在之前执行模拟到数字转换。
[0035] 通常，电流信号的谐波含量可以通过用模拟处理装置处理信号来确定。然而再次优选的是，通过数字地处理电流信号来确定谐波含量。因此，在本发明的优选实施例中，该方法包括将电流信号从时域变换为频域的步骤。在频域中，可以容易地确定谐波含量。
[0036] 到频域的变换例如通过执行对电流信号的离散傅里叶变换来进行。为了减少计算的努力并且使其加快，优选的是执行快速傅里叶变换。如数字信号处理器的数字处理单元可以特定地被设计为如由特定应用所要求的那样快速并且准确执行该任务。
[0037] 存在不同方法来定义用于判定电弧是否存在的阈值。例如，能够在执行根据本发明的方法之前确定阈值，使得固定值或恒定值在每次执行该方法时被用作阈值。这样的阈值可以例如通过利用不同的阈值执行多次测量来根据经验确定，并且然后选择最符合要求的值。甚至可以在考虑已知或期望的系统配置和环境的情况下理论上估计或确定这样的阈值。
[0038] 然而，在优选实施例中，根据本发明的方法包括确定阈值的步骤。
[0039] 该阈值例如可以以可变或恒定的间隔被重复确定。这将具有如下优点：阈值反映电流条件，使得阈值还可以由于改变的条件而改变，这将提高在存在电弧时检测到电弧并且在不存在电弧时不判定电弧存在的机会。然而，必须确保在阈值被确定时不存在电弧。
[0040] 代替重复地确定阈值，优选地阈值在该方法的开始，即在该方法的启动阶段期间，被确定一次。例如，每当转换器装置启动时，该方法启动。只要转换器装置在操作中，那么该方法就将使用一次确定的阈值，直到该转换器被关闭。这将减小整体的计算努力，特别是在当计算能力用于确定电弧是否存在时的转换器操作期间。然而，还可能的是，可以在之后转换器的操作期间的任何时间再次确定阈值，例如响应于特定条件手动或自动地启动。另外可能的是，阈值在组装逆变器时（例如PV系统的安装期间）仅被确定一次。而且，阈值确定可以在工厂进行，例如在工厂测试时，并且可以基于工厂测试（FAT）的结果（例如基于在FAT时的已知/测量的行为）来确定阈值。
[0042] 优选地通过确定电流信号的至少一个部分的谐波含量以及使该谐波含量乘以因数n，来确定阈值，其中n是大于2的数。已经发现，当n是2和50之间，优选地是5和20之间，更优选地是8和13之间的数时，可以实现好的检测结果。因此，电流信号的至少一个部分包括例如如前所解释的一个或多个时间段。其可以进一步被限制到指定频带。该频带优选地对应于上述带通滤波器的3dB带宽，但是也可以不同于该滤波器带宽。指定频带可以例如在带通滤波器的下截止频率处开始，并且在该滤波器的上截止频率处结束。然而，其可以在低于或高于下截止频率开始，并且还可以在低于或高于上截止频率结束。
[0043] 如果基于两个或更多个时间段来确定阈值，则谐波含量被确定为这些段中的每一个的谐波含量的平均值，并且然后使该平均谐波含量乘以因数n。
[0044] 代替通过使电流信号的至少一个部分的谐波含量乘以因数n来确定阈值，还可以通过电流信号的至少一个部分的谐波含量的任何用户定义的函数来确定阈值。例如，能够仅加上一恒定值或加上一值，并且然后使该和乘以某个因数。为了实现合理的检测结果，结果阈值应当大于电流信号的至少一个部分的谐波含量。
[0045] 为了确定适当的阈值，应确保在不存在电弧的时间段期间进行该阈值的确定。
[0046] 该方法可以应用于将DC输入功率转换成DC输出功率的转换器装置中，诸如例如PV系统中，PV系统用于将太阳能馈送到如电池等的功率存储设备中或者直接馈送到具有DC功率输入的功率消耗设备。
[0047] 然而，PV系统通常用于将功率供应到AC供电网络或者直接供应到具有AC功率输入的功率消耗设备。因此，在本发明的优选实施例中，由转换器装置将DC输入功率转换成AC输出功率。
[0048] 然后，优选地，AC输出功率被馈送到功率消耗设备或供电网络。然而，还将可能的是，把AC输出功率转换回DC，并且然后将其馈送到电池等或者馈送到DC输入功率消耗设备。
[0049] 在模拟电路失效的情况下，模拟电路的输出处的电流信号的频谱可能与实际情况完全不同。电流感测设备的输出处的电压信号可能例如由于在初级电路处的短（在时间上）但是高（在幅度上）的电流改变而变高。这些电流的改变可以例如是电容器的涌入电流。PV源通常将限制这样的电流，但是在某些条件下，诸如例如实验室条件或在FAT时，可能从DC或这样的高电压可能发生的其它高电容性源供应PV逆变器。这些高电压可能会损坏模拟电路的一些元件，并且导致不可靠的电流测量，这意味着电弧可能不被可靠地检测到。
[0050] 因此，在本发明的另一优选实施例中，该方法还包括进行自测试的步骤。这样的自测试具体地用于防止电弧检测的故障或错误触发。自测试可以在装置的操作期间或操作的暂停期间的任何时间被执行。但是，优选地，在转换器或PV系统的启动期间或之前进行这样的自测试。
[0051] 自测试优选地包括下述步骤：首先测试信号被生成，并且经由低通滤波器被馈送到电流感测设备。这例如通过将测试信号馈送到电流感测设备的第三级绕组来进行。测试信号被耦合到电流感测设备的次级绕组，并且然后由电弧检测设备来感测以确定其幅度和/或相位。然后，将该测试信号的幅度和/或相位与针对在电弧检测设备的操作状态中的测试信号幅度和/或相位的预定义值作比较。如果模拟电路被损坏或者电弧检测设备由于其它原因而没有正确地操作，则测试信号的幅度和/或相位将与在其操作状态中的测试信号幅度和相位不同。以该方式，能够测试模拟电路，从而增加电弧检测设备的可靠性。
[0052] 关于该设备的本发明的解决方案由权利要求14的特征来指定。用于对转换器装置的电流路径中的电弧的检测的设备包括电流感测设备，该电流感测设备被适配为通过感测电流路径中的电流来产生电流信号，该转换器装置用于将DC输入功率转换成输出功率。根据本发明，该设备进一步包括适配为确定电流信号的谐波含量的处理单元以及适配为如果谐波含量超过阈值则判定电弧存在的处理单元。
[0053] 通过使用专用和特别设计的硬件来实现用于执行对电流信号的谐波含量的确定和用于判定电弧是否存在的处理单元，该方法可以以所需要的准确度和速度来执行。此外，用于实现电弧检测设备的元件的数目可以相对小。
[0054] 在本发明的优选实施例中，该设备包括控制单元，该控制单元包括用于确定电流信号的谐波含量的处理单元以及用于判定电弧是否存在的处理单元。
[0055] 如之前所解释的，硬件的所有或部分元件可以例如由模拟装置来实现，模拟装置诸如模拟滤波器、乘法器、放大器、比较器等。但是设备的元件中的一些或（几乎）全部还可以由数字装置来实现。控制单元优选地由数字装置来实现。更精确地，控制器包括用于执行需要的操作的一个或多个数字信号处理器（DSP），例如用于确定电流信号的谐波含量的第一DSP以及用于判定谐波含量是否超过阈值的第二DSP。但是，该控制器优选地包括用于确定电流信号的谐波含量并且用于判定谐波含量是否超过阈值的单个DSP。以该方式，该设备可以以小的空间和能量消耗来实现。
[0056] 在本发明的优选实施例中，该设备被适配用于检测转换器装置的DC电流路径中的串行电弧。
[0058] 电流传感器可以是任何适当的类型，例如直接测量型，其中电阻被插入到电流路径中并且测量横跨电阻的电压。然而，这将需要到系统中的介入，因为附加元件（电阻）必须被插入到电流路径中，并且由此将改变整个系统及其行为。
[0059] 在电流传感器的另一和优选类型中，电流例如借助于电流变压器被间接测量。要测量的电流路径通过这样的电流变压器的芯来馈送，并且因此形成电流变压器的初级绕组。次级绕组由感测线圈形成。
[0060] 结合本文中所描述的本发明使用的电流变压器优选地包括由铁粉制成的环形芯，并且其中，初级绕组由PV板的DC电流路径形成，并且优选地包括1匝，但是也可以包括两匝或甚至更多匝。次级绕组由感测线圈形成，并且优选地包括多匝。
[0061] 在本发明的另一优选实施例中，电弧检测设备包括用于对电流信号进行带通滤波的带通滤波器。该带通滤波器具体地是模拟带通滤波器。但是通常，数字带通滤波器也将适用。
[0062] 在另一优选实施例中，电弧检测设备被适配为进行自测试。具体地，该设备：-包括测试信号生成器，被适配为生成测试信号，
-包括低通滤波器，用于对测试信号进行低通滤波，并且例如经由电流感测设备的第三级绕组来将其馈送到电流感测设备，并且
-被适配为确定测试信号的幅度和/或相位，并且将测试信号的幅度和/或相位与预定义的值作比较。
-包括低通滤波器，用于对测试信号进行低通滤波，并且例如经由电流感测设备的第三级绕组来将其馈送到电流感测设备，并且
-被适配为确定测试信号的幅度和/或相位，并且将测试信号的幅度和/或相位与预定义的值作比较。
[0063] 然后，如上所述的，自测试通过下述来执行：利用优选地是电弧检测设备的一部分的测试信号生成器来生成测试信号，利用低通滤波器对测试信号进行滤波，经由第三级绕组来将其馈送到电流感测设备，并且确定测试信号的幅度和/或相位以便将其与预定义的值作比较，该预定义的值表示在电弧检测设备的工作条件中的测试信号的幅度和/或相位。然而，另一DSP、另一处理单元或任何其它适当的装置可以用于生成测试信号，并且确定其幅度和/或相位。以该方式，针对测试信号的幅度和/或相位的值被确定，并且可以与如在后面的级处确定的测试信号的幅度和/或相位作比较。在这些后面确定的值和初始确定的值中的一个或两个中的差可以是模拟电路的失效的符号。
[0064] 根据本发明的电弧检测器设备优选地被实现为转换器装置的一部分。然而，其还可以被实现为PV装置本身的一部分，或者甚至可以被实现为单独的设备，使得现有的PV装置可以容易地被改装为具有这样的电弧检测设备。
[0066] 用于解释实施例的附图示出：图1是在用于转换PV系统的输出以将其馈送到供电网络的转换器中嵌入的本发明的示意图；
图2是根据本发明的电弧检测器；
图3是如在图2中所示的电弧检测器中使用的模拟带通滤波器；
图4是图3中所示的滤波器的滤波器响应；以及
图5是针对在用于确定PV电流信号的谐波含量的DSP中所实现的对复数量值的计算的单位量值向量的估计曲线，。
图2是根据本发明的电弧检测器；
图3是如在图2中所示的电弧检测器中使用的模拟带通滤波器；
图4是图3中所示的滤波器的滤波器响应；以及
图5是针对在用于确定PV电流信号的谐波含量的DSP中所实现的对复数量值的计算的单位量值向量的估计曲线，。
[0067] 在附图中，相同的参考符号给予相同的部件。
具体实施方式
[0068] 图1示出了转换器装置2所遵循的PV系统1的示意图，该转换器装置2用于转换PV系统1的输出，以将其功率馈送到供电网络3，诸如建筑物的内部供电网络或公共供电网，其中转换器装置2包括根据本发明的电弧检测设备ADD 5。
[0069] PV系统1的DC输出电流4被馈送到转换器装置2，其中ADD 5测量电流4，确定电流4的谐波含量，并且判定电弧是否存在于系统中。在图2中更详细地示出了ADD 5。如果ADD 5判定存在接触不良，则其产生“不良接触”信号6，该信号6被传送到用于判断永久电弧是否存在的逻辑单元7。逻辑单元7的输出是“长电弧存在”信号8，该信号8被传输到转换器装置2的控制单元9。然后，控制单元9启动用于尽可快结束电弧的所需对策。
[0070] 图2更详细地示出了ADD 5。ADD 5包括电流传感器10、模拟带通滤波器14和DSP 15。
[0071] 电流传感器10在该示例中被实现为电流变压器11。电流变压器11包括由铁粉制成的环形芯，并且具有约95 nH/N（2 其中N是芯上的匝数）的电感系数A1和约75的参考导磁率。
[0072] 电流变压器11的初级绕组P由承载DC输出电流4的PV系统1的DC输出电流路径形成。PV系统1的DC输出电流路径仅通过变压器芯来被馈送，使得初级绕组P仅包括1匝。次级绕组S包括130匝的0.5mm的线圈线。因此，模拟次级电流信号4'在次级绕组S中流动，其被馈送到带通滤波器14。在图3中更详细地示出了带通滤波器14。带通滤波器14的输出是滤波的电流信号4''，其仍然是用作DSP 15的输入的模拟信号。DSP 15包括用于将模拟滤波的电流信号4''转换成数字电流信号4'''的A/D转换器16、用于确定数字电流信号4'''的谐波含量19的FFT单元17、用于判定是否存在不良接触并且（如果存在）产生“不良接触”信号6的检测单元18、以及最后用于判定永久电弧是否存在并且（如果存在）产生“长电弧存在”信号8的逻辑单元7。
[0073] 为执行自测试，ADD 5还包括被实现为电流变压器11的第三级绕组的测试绕组T。测试信号30被DSP 15生成，通过低通滤波器31被馈送到电流传感器10并且被耦合到次级绕组S。同时，测试信号通过模拟带通滤波器14被传输到DSP 15并且由DSP 15来感测。如果感测的测试信号30处于关于幅度和/或相位的预定义范围中，则模拟电路被认为处于功能状态中。测试信号30的幅度和/或相位的初始值可以例如在转换器装置的制造期间或在PV系统的安装期间被确定并且被存储在转换器装置内。当在后面的级处执行自测试时，测试信号30的幅度和/或相位的值被再次确定，并且与所存储的初始值作比较。如果这些值中的一个或二者是不同的，则判定ADD 5可以是有缺陷的，例如，模拟电路没有正确操作并且可以启动对应的对策。
[0074] 图3更详细地示出了模拟带通滤波器14。在带通滤波器14的输入IN的正分支处，经由电阻器R1将模拟次级电流信号4'馈送到运算放大器OP的反相输入，并且输入IN的负分支被馈送到运算放大器OP的非反相输入。输入IN的负分支进一步连接到外部DC偏移电压，外部DC偏移电压还可以被称为参考电压Vref。通过对地20和电源电压21的连接来向运算放大器OP供应能量。运算放大器OP的输出OUT形成模拟滤波的电流信号4''。输出OUT的第二电极是由地20形成。
[0075] 横跨运算放大器OP的输入连接电容器C1。第一势垒二极管D1从地20到运算放大器OP的反相输入按导通方向被连接，并且第二势垒二极管D2从运算放大器OP的反相输入到电源电压21按导通方向被连接。表示为1.5伏特的参考电压Vref的DC偏移被连接到运算放大器OP的非反相输入。电容器C2被连接在地20和运算放大器OP的非反相输入之间。
[0076] 此外，第三电阻器R3和第三电容器C3的并联连接被连接在运算放大器OP的输出OUT及其反相输入之间。而且，具有相反的导通方向的保护二极管D3和D4横跨输入IN被连接。
[0077] 例如，部件的类型和值被选择如下：电源电压：3.3伏特
运算放大器：OPA376
D1、D2：1PS76SB21肖特基二极管
D3、D4：BAS316
外部DC偏移：1.5伏特DC
C1：1纳法
C2：10微法
C3：22纳法
R1：33欧姆 R3：4.7千欧姆。
运算放大器：OPA376
D1、D2：1PS76SB21肖特基二极管
D3、D4：BAS316
外部DC偏移：1.5伏特DC
C1：1纳法
C2：10微法
C3：22纳法
R1：33欧姆 R3：4.7千欧姆。
[0078] 图4示出了带通滤波器14的滤波器响应25。在图4中所示的图中，x轴表示以Hz为单位的频率，并且y轴表示以伏特为单位的输出电压量值。输入电流是来自电流变压器11的可变频率次级电流信号4'，并且在幅度上是恒定的（约1.5mA，p-p）。
[0079] 带通滤波器14被实现为低Q带通滤波器。带通滤波器14具有约2.3kHz的中心频率以及1.8kHz的3dB带宽。
[0080] 带通滤波器14消除由于其它原因而存在的次级电流信号4'中的谐波分量，即其不是由PV系统中的现有DC电弧所引起的。此外，滤波器14调整次级电流信号4'，使得DSP 15的A/D转换器16可以被最优地使用。
[0081] 然后，由FFT单元17处理A/D转换器16的输出，数字电流信号4''，以便于确定数字电流信号4'''的谐波含量19。
[0082] 实现的FFT算法是1024点分裂基FFT，并且针对定点数表示而被修改。10kHz的采样频率导致约0.1秒的窗口长度。为了减少由在每个时间段的开始和结束处的不连续产生的频谱泄漏，可以对采样应用适当的窗口函数（例如，汉明（Hamming）、汉恩（Hann）、布莱克曼（Blackman）或巴特尔（Bartlet）函数）。在本发明的优选实施例中，应用汉明窗口函数。数字电流信号4'''的频谱监视是连续的，并且时间段的窗口被选择为重叠50％。
[0083] 在FFT的所需的蝶形计算期间，如果进行了较大数目的采样，则溢出可能发生。为了防止这样的溢出，执行除以2。然而，如果在蝶形计算期间在每一级之后执行除以2，则信噪比可能每级增加半个比特，即总共0.5 * log2（N）个比特（N =级数）。这意味着，小输入信号可能比除法噪音小。为了避免在蝶形计算期间的溢出并且具有可接受的信噪比，溢出的动态预测被实现。因此，不在每一级之后而仅在需要时执行除以2。以这个方式，舍入误差可以被最小化，并且可以实现更好的精确度。
[0085] 用于确定这样的向量V的平方根的已知技术是所谓的αMax+βMin算法，该算法是用于确定向量的绝对值的线性近似方法。该算法首先需要确定向量V的实部或虚部中的哪一个具有较大的绝对值。然后，I或Q中的较大绝对值被表示为Max，而另一个被表示为Min，那么向量V的绝对值可以被近似确定为其中，必须确定α和β的适当值。单位量值向量的理想估计曲线将具有值1。已经测试了α和β的若干值。下表示出了与针对从0度到90度的角度范围的值为1的理想估计曲线相比所涉及的一些α和β的测试值和误差。
最大误差 平均误差
11.8% 8.6%
-11.6% -0.64%
6.8% 3.97%
3.4% 1.21%
因此，上表的最后一行中所示的组合已经被实现，并且在图5中示出了针对单位量值向量的结果估计曲线26。
最大误差 平均误差
11.8% 8.6%
-11.6% -0.64%
6.8% 3.97%
3.4% 1.21%
因此，上表的最后一行中所示的组合已经被实现，并且在图5中示出了针对单位量值向量的结果估计曲线26。
[0086] DSP 15包括检测单元18，该检测单元18用于判定是否存在不良接触和（如果存在）产生“不良接触”信号6。最后，DSP 15包括逻辑单元7，该逻辑单元7用于判定永久电弧是否存在和（如果存在）产生“长电弧存在”信号8。
[0087] 为了确定电弧是否存在，必须确定阈值。然而，在确定阈值之前，该算法应该达到其稳定状态。在开始，所有缓冲器初始被设置为零。因此，在前20帧期间（每个都具有数字电流信号4'''的1024个采样，并且每个都在滤波的电流信号的对应时间段期间进行），不执行计算。该时间是初始化内部缓冲器并且达到稳定状态所需要的。
[0088] 在该初始化阶段之后，该算法使其本身采用到由转换器装置所产生的环境，其通常是噪声环境。该本底噪声检测递送针对电流信号的谐波含量的参考值，该参考值可以与在后面的时间点处的谐波含量作比较。本底噪声作为在大致对应于带通滤波器14的3dB带宽的范围中或者对应于滤波器14的带宽的一些部分的范围中的谐波分量的平均幅度被计算。用于本底噪声计算的频谱范围取决于具体情况，即取决于所使用的转换器装置和PV系统。其可以例如取决于该系统的逆变器、电缆、PV电池和/或拓扑，并且还可以取决于其它因素。在一些情况下，转换器装置可以以使得频谱的特定部分具有显著大于频谱的其余部分的幅度（例如，频谱可能被逆变器操作污染）的方式来产生谐波分量。那些具有显著更大的幅度的频谱部分被检测并且从本底噪声计算中排除。例如，如果所观察到的光谱是从1 kHz到5 kHz，并且如果转换器装置生成在从1 kHz到2 kHz并且从4 kHz至5 kHz的频率范围中的显著谐波分量，则在仅考虑从2 kHz至4 kHz的频率范围的情况下执行本底噪声计算。然后供后面比较的阈值被确定为例如本底噪声的倍数。
[0089] 在该示例中，通过加总在数字电流信号4'''的10个连续数据帧上的从2 kHz至4kHz的频率范围中的谐波幅度来确定阈值，其中这些数据帧重叠达50％。该加总的值是在该10个数据帧期间的平均谐波含量的10倍，并且因此直接被用作供后面比较的阈值。因此，极其重要的是，为了确定谐波的“无电弧”水平（该初始测试可以例如在FAT（工厂测试）期间执行），在该10个连续数据帧期间不存在电弧或不良接触。
[0090] 然而，如果一个（或多个）专用谐波分量具有显著大于频谱中的谐波分量的其余部分的幅度，则这个（这些）谐波分量很可能不是由电弧引起的，而是由某个其它因素引起的，诸如由转换器装置的不稳定调整循环引起。当确定电流信号的谐波含量时，不应当考虑这样的单个谐波分量。因此，用于监视电流信号频谱并且识别这样的单个谐波的功能被实现。
[0091] 该功能首先在计算阈值的相同频谱部分上计算平均幅度。然后，获得的平均值被用作针对单个谐波检测的本底噪声。如果单个谐波的幅度比该平均值的m倍大，则该谐波被认为是单个谐波。因数m例如被选择为10，但是也可能是不同的，通常在2至15的范围内。
[0092] 以该方式，单个谐波的初始数目在该开始的“无电弧”时段期间被确定和存储。然后，单个谐波的数目在不良接触和电弧检测期间被确定，并且与该初始值作比较。
[0093] 在初始化和阈值确定之后，不良接触和电弧检测开始。为了确定该数字电流信号4'''的谐波含量19，在每个数据帧上加总所选择的谐波的幅度。并且此外，针对每个数据帧确定具有比初始确定的均值的m倍大的幅度的单个谐波的数目。然后，将获得的谐波含量19（即所选择的谐波的幅度的和）与预先确定的阈值作比较，并且将单个谐波的数目与单个谐波的初始数目作比较。如果谐波含量19变得大于阈值和/或单个谐波的数目和单个谐波的初始数目之间的差大于p，则检测单元18判定在对应于实际数据帧的时间段中存在不良接触，并且产生“不良接触”信号6。数目p例如被设置在30和70之间，例如被设置为50，但是还可以被选择为更高或更低。然后，将信号6传输到逻辑单元7，该逻辑单元7确定电弧条件是否是永久的，并且当电弧是永久的时产生“长电弧存在”信号8。在对应于r个连续帧的时间段期间，如果在q个或更多个帧中检测到临时电弧条件，则检测到永久电弧条件。数目q在r个帧的每个时间段的结束被重置为零。数目q例如被设置在5到20之间，例如被设置为10，但是还可以被选择为更高或更低。数目r例如被设置为30，但是还可以被选择为更高或更低。
[0094] 总之，要注意，本发明实现了在用于将DC输入功率转换为输出功率的转换器装置中对串行电弧的非常快和可靠的检测。所描述的FFT算法可以用如DSP等的标准部件来实现，并且允许非常快和准确的计算。利用1024-FFT，10kHz的采样频率和例如30个中的10个重叠帧用于阈值比较，检测电弧花费约0.5至约1.5秒。
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