专利名称：区分电弧类型后安全切换光伏系统的方法及设备的制作方法
区分电弧类型后安全切换光伏系统的方法及设备本发明涉及一种在直流侧发生电弧时用于安全切换直流电压系统的方法，其中对产生的直流电流和形成的直流电压相对于功率管理进行调整。此处，直流电压系统具体地说被理解为意指光伏系统。对于例如高达1000伏的直流电压的直流电压而言，上述类型的直流电压系统也可称为低电压系统。此类系统是例如电池系统、带燃料电池的系统、机动车辆尤其是电动车辆或混合驱动车辆的电气系统、以及通常带有多个直流发生器的光伏系统。作为直流系统的光伏系统通常包括在所谓的串中串联的多个光伏模块(面板)。多个串也可并联，从而与多个光伏模块以及一个或多个串形成一个光伏发电机。在这种情况下，在串中的模块(面板)的数量原则上决定产生的直流电压，而并联的串的数量则决定该光伏发电机的直流电流。如果该光伏系统用来馈送从太阳能转换成公共电网的电能，通常使用逆变器以适合于该电网频率的交流频率将这些光伏模块中产生的直流电流转换成交流电流。至于离网直流电压或光伏系统，所产生的能量可以被缓冲或者可以直接用于向负载供电。连同所谓的功率管理(最大功率点跟踪器)，该逆变器或一般情况下转换器确保该负载始终以所谓的最大功率点或至少接近所谓的最大功率点工作。由该直流电压与该直流电流的乘积根据光伏系统的特征I/U曲线确定的该光伏系统的功率在空载时(Irc=O)以及短路的情况下(Ulie=O)为零，也就是说该光伏系统在这些极端的情况下不输出任何功率。在MPP处，由该太阳能电池及因此由这些光伏模块输出的功率达到最大。此最大功率点(操作点)的位置依赖于不同的因素，例如特别是太阳辐射、温度及老化现象。用于(最大)功率管理的MPPT电路将该光伏发电机的直流电流及直流电压设置为与该最大功率相对应的操作点。在此类直流系统中并因此也在光伏系统中，电弧可能在不同的位置并且以不同的功率发生，取决于系统架构并且由老化的或损坏的线路连接或电缆导致以及由损坏的模块导致。为了识别伴随着短路或电流通路中断的电弧，W095/25374公开了检测来自该电弧的电磁辐射以及为了保护系统而安全切换有短路或电流通路中断的电路段的做法。本发明基于的目的是在电弧发生的情况下指定一种特别合适的安全地切换此类直流系统特别是光伏系统的方法。其意图也是指定一种适合于实施该方法的装置。根据本发明，关于该方法的目的已通过如权利要求1所述的功能得以实现。引用权利要求1的子权利要求涉及有利的开发。在这方面，在利用传感器检测到电弧时，调节系统或负载的功率管理并在该电弧中检测功率变化。如果由该功率调整所造成的该电弧中发生功率下降，则基于该功率管理的调整方向识别串行或并行的电弧。在这种情况下，在串行电弧的情况下发起一个直流中断并且生成一个短路电流，也就是说，在并行电弧的情况下短路是故意强制的。在一个得当的细化中，该功率管理在空载方向(也就是说在增加直流电压的方向)进行了一个调整量的调整并且检测该电弧中的功率变化。如果至少作为串行电弧的电弧类型的粗略资格在充分有意义的传感器数据的基础上已经有可能，则优选这种调整方向。否贝U，如果该传感器数据将该电弧分类为具有压倒性概率的并行电弧，在短路方向上对该功率管理或该电流/电压或功率/电压操作点进行调整。如果确定了由该功率管理造成的功率下降(例如该电弧的淬火)，依赖以前的功率管理调整方向识别串行或并行电弧。否则，也就是说在该电弧中没有功率变化或存在功率增加时，该功率管理首先进行该调整量的复位并且然后在各自的相反调整方向上进行一个调整量的改变。在这种情况下，本发明基于的知识为，当该电弧的淬火也得到了所采取的保护措施的保证时直流电压或光伏系统以可靠的方式安全地切换。正如人们所知道的，在串行电弧的情况下，该负载或逆变器因此必须从该直流电压发生器中分离并且因此必须关闭以中断或熄灭该电弧。这是因为如果在并行电弧的情况下由于此类隔离电路该负载或逆变器从该直流发电机断开，则只有该电弧继续作为该负载，其结果是整个剩余的直流电流流过该电弧并且相应地强化了后者，而不是熄灭它。因此，该逆变器或该负载在并行电弧的情况下应在直流侧被短路。众所周知，由于现在大多数可能的电弧都可被一方面归类为串行电弧而另一方面归类为并行电弧，首先应将检测到的电弧识别为一个串行或并行的电弧，这只有使用传感器历尽极端困难才有可能否则就只有花费相当大的支出在传感器上。在此知识的基础上，本发明目前基于的考虑为，首先以简单的方式使用可以独立于电弧类型(串行或并行)的传感器检测此类系统中发生的电弧的功率行为，而然后能够通过在该功率管理中受控的干预来识别独立于该传感器的电弧类型。这是因为如果该操作点(也就是说该功率管理)向空载方向调整(失谐)并且该电弧功率因此下降，则可以可靠地推断一个串行的电弧。以类似的方式，当该功率管理或该操作点有针对性地调整，并且该电弧中存在一个由此引起的功率下降并使用传感器检测到时，可以可靠地推断一个并行的电弧。然后，对串行或并行电弧的识别形成了对例如在直流侧电流通路中的隔离开关的控制准则，或用于控制直流侧的该负载或该逆变器或转换器的短路开关进入其闭合位置。通过适当设计的逆变器或转换器，这些短路开关及隔离开关的功能也可以由相应的电子电路措施集成到该逆变器或转换器的功能。根据本发明，关于该装置的目的已通过如权利要求6所述的功能得以实现。引用权利要求6的子权利要求涉及有利的细化。在这个方面，该装置包括一个控制器，用于功率管理或用于调整或设定该系统的操作点。与该控制器连接的至少一个电弧传感器在直流侧连接到转换器的上游。根据直流系统的类型，该转换器可以是逆变器(DC/AC转换器)、DC/DC转换器、充电调节器或类似物。如果已使用传感器检测到电弧，该控制器用于调整该功率管理。在该电弧中使用该检测到的功率变化并且基于该功率管理的调整方向，该控制器将该电弧归类为串行或并行电弧。如果该电弧被归类为串行电弧，则该控制器在直流侧将该转换器隔离，并且如果该电弧被归类为并行电弧，则该控制器在直流侧将该转换器短路。为了安全地切换系统，适当地设置了串联在该转换器上游的隔离开关以及与该转换器并联的短路开关，其开关与该控制器的控制输出连接。在串行电弧的情况下，该控制器控制该隔离开关进入其打开位置，而在并行电弧的情况下，该控制器控制该短路开关进入其闭合位置。该功率管理或该操作点可以通过改变阻抗进行调整，特别是在逆变器的情况下。下面使用附图对本发明的一个示例性实施例进行更详细地说明:

图1示意性地示出了一个光伏系统，该光伏系统具有多个连接成串的光伏模块并且在直流侧具有一个传感器并且在直流侧上具有一个用于功率管理的带有控制器的逆变器，以及图2示出了用于功率管理的该控制器的I/U及P/U特性曲线，该特性曲线可在电弧特有的基础上调整。图1示意性地示出了具有多个光伏模块2的光伏系统1，这些光伏模块可以提供有旁路二极管并且相连以形成多个串sn。该串Sn连接到一个共同的逆变器3，该逆变器3将这些光伏模块2产生的直流电流转换成交流电流并将后者馈送到(公共)电网4。在直流侧，通过供电线5在这些光伏模块2与该逆变器3之间连接了一个电弧传感器7，这些光伏模块形成了该光伏发电机6并且串联或并联连接。在输出侧，该电弧传感器7通过信号线8与用于功率管理(MPPT)的控制器9相连，在该示例性实施例中该控制器9被分配给该逆变器3。在输出侧，该控制器9通过第一控制线10与串联到该供电线5的隔离开关11相连。该控制器9通过第二控制线12连接到一个短路开关13，该短路开关13连接到在直流侧与该逆变器3并联连接的该供电线5。如果该光伏系统I内发生电弧，则该传感器7检测到该电弧并且相应的传感器信号经由该传感器线8传送到该控制器9。该传感器7可以是一个用于检测特别是陡边电流变化的传感器，如从W02005/098458A1中已知。此类检测到的快速电流变化可以在该传感器7的内部或者根据DE102007013712A1中已知的方法使用该控制器9评估。为了检测电弧，还可以基于实例中一个特定的脉冲密度使用对该(模拟)传感器信号的评估，在实例中一个I位比较器由于电弧导致超过阈值，在这种情况下定义了一个特定的脉冲密度(即每单位时间内特定数目的脉冲)，从中可以假定使用信令检测到的电弧。该概念本身已是有创造性的，它涉及使(模拟)传感器信号受到对可由于电弧产生的数字脉冲的密度评估，以及使用一个I位的比较器而不是复杂的模式识别装置及多数位位运算以在计算时间及存储空间方面而言有利的方式生产这些脉冲。该控制器9将该电弧分类并且依赖该电弧类型生成一个用于隔离该供电线5的控制信号。为了达到这个目的，该控制器9通过该控制线10提供了用于打开该隔离开关11的一个相应的信号。或者，该控制器9产生一个通过该控制线12提供给该短路开关13的控制信号并且控制所述开关进入该闭合位置13。因此，该逆变器3要么通过打开该隔离开关11从该光伏发电机隔离或是通过闭合该短路开关13实现短路。安全切换的类型依赖于该电弧已被归类为串行电弧还是并行电弧。在图1中所示的用大写字母A至D指定的电弧是串行电弧，而用E及F指定的电弧是并行电弧。串行电弧发生在例如串Sn (A)内、光伏模块2 (B)中、串连接(C)处或至该逆变器3的收集线(D)上。并行电弧可能会相对于一个或多个模块2 (E)或该逆变器3(F)发生。然而，电弧(这里未示出)可进一步以相当低概率发生在两个串Sn之间。在该串Sn中或在该逆变器3的外部或内部的收集线中串联的电弧传感器一般也可以不使用复杂高频传感器来区分串行与并行电弧。即使包括高敏感低频率电流传感器，也不可能因为云层覆盖引起的源电流及源电压波动而将该电弧可靠地分类，因为来自该逆变器3以往提供的电容器的相当大的反向电流可以从电弧情况F中例如在电弧点火时观察至IJ。在电弧情况E中，在多个模块2串联的串Sn中只可以另外确定很小的电流下降。替代概念需要大量的电压传感器，更精确地说原则上是在每个模块2及该逆变器3上都需要，这些传感器必须以复杂的方式在一个中央单元中进行评估。相反，如果识别到一个串行电弧(A至D)时，通过打开该隔离开关11或可能设置的串隔离器熄灭所述电弧。相反，识别到一个并行电弧(E、F)时，在该逆变器3输入端的电弧可以借由通过闭合该短路开关13造成的受控短路熄灭。为了将使用该传感器7检测到的电弧分类，该控制器9用来有针对性地影响该逆变器3或该光伏发电机6的功率管理。在这方面，图2的(上部)I/U特性曲线I(U)中示出了该光伏发电机6的典型的电流/电压分布图。该(下部)？/^特性曲线？出)示出了该光伏发电机6的功率分布图，其根据P=IxU的关系基于产生的直流电压U而生成。可以看到，由该光伏发电机6输出的功率P分别为零(P=O )，当空载Utl时(其中该发电机的电压U是在最大值上并且该发电机的电流I等于零)以及在短路Ik的情况下(其中该发电机的电压U等于零并且该短路电流Ik流动)。该光伏发电机6输出的功率Pmax达到一个由MPP (最 大功率点)表示的特定点。用于功率管理的控制器9 (也称为最大功率点跟踪(MPPT))调整该功率管理并且从而通过适当的控制或调节尽可能精确地调整该操作点，其结果是一个连接的负载(在本情况下为该逆变器3)始终以此操作点MPP运行并从而在最大功率Pmax运行。通过在空载方向U0或在短路方向Ik调整或失谐该功率管理并且从而调整或失谐该操作点MPP或Pmax的一个特定的调整量Λ Ρ 。、Δ Plk,来将使用传感器检测到的电弧通过该控制器9归类为串行或并行电弧。此调整可以例如通过将该逆变器3的阻抗向增加或减少阻抗的方向改变的方式来实现。无论该功率管理MPP是首先在空载方向U。还是在短路方向Ik调整，这都可以根据一个串行或并行电弧(已经可以使用来自该传感器7的数据确定)的概率，以一个足够敏感的传感器系统实现。在这种情况下，对该功率管理在空载方向Utl有针对性地调整，例如在以相对高的概率预先确定为串行电弧的情况下。因此，预期该电弧中的功率会下降。如果该电弧中出现了此类功率下降，则可靠地识别出了一个串行电弧。否则，如果感应到电弧中没有功率改变或甚至存在功率增加，则该功率管理以该调整量APutl复位。该功率管理MPP然后以该调整量APlk在短路方向Ik调整。如果该电弧中然后检测到功率下降，则可靠地识别了一个并行电弧并且凭借使该短路开关13闭合的控制器9发起了对该系统I的相应的安全切换。如果相反，一个并行电弧可以相对高的概率从来自该传感器7的传感器信号分类，则该控制器首先导致该功率管理MPP以该调整量APlk在短路方向Ik调整。在这种情况下，对该功率管理在短路方向Ik有针对性地调整，例如在以相对高的概率预先确定为并行电弧的情况下。因此，预期该电弧中的功率会再次下降。如果该电弧中出现了此类功率下降，则可靠地识别出了一个并行电弧。否则，如果感应到电弧中没有功率改变或甚至存在功率增加，则该功率管理以该调整量Λ Plk复位。该功率管理MPP然后以该调整量Λ Puo在空载方向Utl调整。如果该电弧中然后检测到功率下降，则可靠地识别了一个串行电弧并且凭借使该隔离开关11打开的控制器9发起了对该系统I的相应的安全切换。
在每一种情况下从该逆变器3的当前操作点开始，该逆变器3的阻抗的相应增加或减少也类似于在空载或短路方向对该功率管理的此类调整。如果例如由于发生了燃烧时间比较短的一个电弧序列，而不是燃烧时间比较长的电弧，则功率分析或淬火检查可以扩大到该电弧序列。在这方面，进行检查以确定是否只发生了有相应的功率调整或阻抗变化的低功率电弧或是否防止重新点燃电弧。如果多个电弧传感器仅用于串Sn中或是用于串Sn以及一个比较大的系统I的收集线中，则发生的电弧也可以被可靠地分配给串Sn，识别串行电弧时也可以打开可能存在的串隔离器而不是该隔离开关11。但是，如果不能清楚地确定一个串或如果在该主线或供电线5中检测到该电弧，则执行根据本发明所述的方法，也就是说在空载方向U0和/或短路方向Ik调整该功率管理。系统I通常可以是一个具有直流发电机的用于相对高的直流电压(约1000伏)的直流电压系统，该直流发电机由例如多个单独的直流发生器组成。然后，具有阻抗调节/控制及功率管理的转换器(DC-DC转换器、AC-DC转换器、充电调节器或类似物)一般形成逆变器3。参考符号列表IDC/光伏系统2模块3逆变器/转换器4公用电网5供电线6DC/光伏发电机

7电弧传感器8信号线9控制器10控制线11隔离开关12控制线13短路开关A-D串行电弧E，F并行电弧Sn串
权利要求
1.一种在直流侧发生电弧时用于安全切换直流电压系统(I)特别是光伏系统的方法，其中对产生的直流电流以及形成的直流电压相对于功率管理进行调整， 其特征在于 -使用多个传感器检测出一个电弧时，对该功率管理(MPP )进行调整并且在该电弧中检测功率变化，该电弧中发生功率下降时基于该功率管理(MPP)的调整方向(ΛP 。，APlk)识别出一个串行或并行电弧，以及 -在串行电弧的情况下产生一个直流中断，并且在并行电弧的情况下产生一个短路电流。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于 对该功率管理(MPP)在空载方向(Utl)上进行一个调整量(Λ Plto)的调整并且检测该电弧中的功率变化，该电弧中发生功率下降时识别出一个串行电弧，并且在该电弧中没有功率变化或存在功率增加时对该功率管理(MPP)进行该调整量(ΛPutj)的复位。
3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于 该电弧中没有功率变化或存在功率增加时，将该电弧分类为并行电弧。
4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于 对该功率管理(MPP)在短路方向(Ik)上进行一个调整量(APlk)的调整并且检测该电弧中的功率变化，该电弧中发生功率下降时识别出一个并行电弧，并且该电弧中没有功率变化或存在功率增加时对该功率管理(MPP)进行该调整量(APlk)的复位。
5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于 该电弧中没有功率变化或存在功率增加时，将该电弧分类为串行电弧。
6.一种用于安全地切换直流电压系统(I)的装置，该装置具有一个转换器(3)并且具有一个用于功率管理(MPP)的控制器(ΜΡΡΤ)， -一个电弧传感器(7)，与在直流侧连接到该转换器(3)的上游的控制器(9)相连， -在使用多个传感器检测到发生一个电弧时使用该控制器(9)调整该功率管理(ΜΡΡ)，-该控制器(9)在该电弧中使用一个检测到的功率变化并且基于该功率管理(MPP)的调整方向(AP 。，APlk)将该电弧分类，以及 -该控制器(9)如果该电弧被分类为串行电弧则将位于直流侧的该转换器(3)隔离，并且如果该电弧被分类为并行电弧则将直流侧的该转换器(3)短路。
7.根据权利要求6所述的装置， 其特征在于 该控制器(9)在输出侧连接到在该转换器(3)的上游串联的一个隔离开关(11)，并连接到与该转换器(3)并联的一个短路开关(13)，该控制器(9)在串行电弧的情况下控制该隔离开关(11)进入其打开位置，并且在并行电弧的情况下控制该短路开关(13)进入其闭合位置。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于为了调整该功率管理(MPPT)而改变该转换器(3)的阻抗。
9.根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于该转换器(3)是逆变器、DC-DC转换器或充电调节器。
10.一种具有根据权利要求6至9之一所述的装置的光伏系统(I)。
全文摘要
本发明涉及一种在直流侧发生电弧时用于安全切换直流电压系统(1)的方法，其中对产生的直流电流和形成的直流电压相对于功率指导进行设置。传感器检测出电弧时，对该功率指导(MPP)进行调整并且检测该电弧的功率变化，其中该电弧的功率下降时，根据该功率指导(MPP)的调整方向(ΔPUo，ΔPIk)识别出串行或并行电弧。发生串行电弧时产生一个直流中断，并且发生并行电弧时产生一个短路电流。
文档编号G01R31/14GK103155325SQ201180037615
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月6日 优先权日2010年8月31日
发明者克里斯蒂安·施特勒布尔, 马库斯·米克利斯 申请人:埃伦贝格尔及珀恩斯根有限公司