多串電弧故障檢測裝置的改進的噪聲傳播抗擾性的制作方法
【專利說明】多串電弧故障檢測裝置的改進的噪聲傳播抗擾性
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本專利申請是2013年3月15日提交的、標題為“HOME RUN ARC DETECT1N ATTHE PHOTOVOLTAIC STRING LEVEL USING MULTIPLE CURRENT SENSORS” 的美國專利申請13/836,345的部分繼續(xù)申請(CIP)，該美國專利申請13/836，345是2012年11月16日提交的、標題為“SYSTEMS AND METHODS OF DISCRIMINATING DC ARCS AND LOAD SWITCHINGNOISE”的美國專利申請13/679，039的CIP0
技術領域
[0003]本申請通常涉及檢測電氣電路中的電弧，更具體地涉及改進用于具有多個光伏(PV)串的PV系統(tǒng)中的電弧故障檢測裝置中的噪聲傳播抗擾性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0004]近年來，諸如光伏(PV)系統(tǒng)的直流電力系統(tǒng)已經(jīng)逐漸地應用于范圍從為電池充電到為交流電流(AC)電網(wǎng)提供電力的家庭和工業(yè)應用中。這種PV系統(tǒng)可以包括串聯(lián)連接以形成一個或者多個PV串的多個PV模塊(例如，太陽能板)。多個PV串可以并聯(lián)連接，并且通過用于最終驅動充電器或者逆變器負載的匯線箱路由。在典型PV系統(tǒng)中，每個PV模塊可以被配置為以50Vdc生成高達大約10安培的電流輸出，并且根據(jù)PV串上連接的PV模塊數(shù)量，每個PV串可以被配置為產(chǎn)生高達大約100Vdc或者更高的電壓輸出。此外，并聯(lián)連接的PV串可以被配置為提升典型PV系統(tǒng)的總電流輸出直至大約200安培或者更大。
[0005]由于諸如上述PV系統(tǒng)的直流電力系統(tǒng)可以被配置為生成相對高的電流和電壓輸出，因此需要檢測這種電力系統(tǒng)中電弧的系統(tǒng)和方法。例如，在典型PV系統(tǒng)中，其中電流輸出和電壓輸出可以分別為200安培和100Vdc的量級，可能通過斷開PV電力電纜產(chǎn)生串聯(lián)電弧，可能由于使PV電力電纜短路而產(chǎn)生并聯(lián)電弧，并且可能由于將PV電力電纜短接至接地而產(chǎn)生接地故障電弧。然而，迄今為止，檢測電力系統(tǒng)中電弧的已知系統(tǒng)和方法通常沒有能力以高水平的可靠性將串聯(lián)電弧、并聯(lián)電弧、接地故障電弧等等與由充電器負載、逆變器負載、直流-直流負載開關、直流-交流負載開關、直流斷開開關、射頻(RF)拾波器、直流電力線路通信等等生成的噪聲區(qū)分開。
【發(fā)明內容】
[0006]根據(jù)本申請，公開了檢測直流電力系統(tǒng)中電弧的系統(tǒng)和方法，其可以提供改進的噪聲傳播抗擾性。一個用于檢測直流電力系統(tǒng)中電弧的這種系統(tǒng)包括分別操作監(jiān)控至少兩個電流輸出的至少兩個電流傳感器，該至少兩個電流輸出通過家庭運行電纜或者任何其它合適的布線運行提供。至少兩個電流傳感器具有相反的極性(例如，〃北〃和“南”極)，并且并聯(lián)、串聯(lián)或者并聯(lián)/串聯(lián)互連的任何合適組合地配置和布置以提供組合電流輸出信號。系統(tǒng)還包括整流器、濾波器、比較器、脈沖積分器和處理器。至少兩個電流傳感器分別操作監(jiān)控直流電力系統(tǒng)的至少兩個電流輸出，該直流電力系統(tǒng)可以是光伏(PV)系統(tǒng)。至少兩個電流輸出可以被提供用于由相應電流傳感器通過分別與PV系統(tǒng)內的至少兩個相鄰PV串相對應的至少兩個導體監(jiān)控。如果電弧發(fā)生在與PV串中的第一個(“第一 PV串”)相對應的導體上的位置處，那么具有如同第一 PV串上的電弧的電弧電流特征的電弧(例如，串聯(lián)電弧)可以發(fā)生在與鄰近第一PV串的至少一個PV串相對應的導體上的位置處?？梢栽谂c相鄰PV串相對應的導體上發(fā)生的這種電弧在此也稱為“相鄰導體串擾”。系統(tǒng)被配置為有效地消除光伏(PV)系統(tǒng)內的這種相鄰導體串擾，從而按照PV串水平提高用于檢測電弧的電弧故障檢測裝置的性能。系統(tǒng)還可以提供這種具有對逆變器負載噪聲改進的抗擾性的電弧故障檢測裝置。
[0007]在公開的系統(tǒng)內，由相應電流傳感器提供的組合電流輸出信號可以包括表示一個或者多個重大di/dt事件的高頻交流電流信息，該高頻交流電流信息可以潛在地指示一個或者多個電弧事件。整流器2從電流傳感器2接收包括交流電流信息的組合電流輸出信號，并且向用于后續(xù)濾波的濾波器提供組合電流輸出信號的整流形式。注意，可以可選地在整流之前對包括交流電流信息的組合電流輸出信號進行濾波。比較器接收濾過的信號，并且響應于潛在電弧事件，生成一個或者多個脈沖。脈沖積分器從比較器接收脈沖，并且生成指示各個脈沖的持續(xù)時間的輸出。處理器還從比較器接收脈沖，并且在多個預定預定時間間隔內確定每個預定時間間隔的脈沖計數(shù)(PC)，該脈沖計數(shù)可以與潛在電弧事件的數(shù)量相對應。處理器還接收由脈沖積分器生成的輸出，并且在相應預定時間間隔內確定每個預定時間間隔的脈沖持續(xù)時間(ro)，該脈沖持續(xù)時間可以與各個潛在電弧事件的強度相對應。處理器接著使用一個或者多個電弧故障檢測算法處理PC和ro以更好地將直流電弧與負載開關噪聲區(qū)分開。在一個方面中，處理器在每個預定時間間隔的結尾處計算兩個變量的值，即，平均脈沖計數(shù)(APC)和平均脈沖持續(xù)時間波動(APDF)。例如，處理器可以在每個預定時間間隔結尾處通過取最近時間間隔的ro與在最近時間間隔之前的一個、兩個或者更多個時間間隔出現(xiàn)的時間間隔的ro之間差的絕對值計算脈沖持續(xù)時間波動(PDF)。處理器在每個時間間隔的結尾處還確定比率APDF/APC是否超過第一指定閾值。如果在各個時間間隔的結尾處比率APDF/APC超過第一指定閾值，那么該時間間隔被認為是可能已經(jīng)發(fā)生實際電弧事件的間隔。例如，如果在各個時間間隔期間處理器確定比率APDF/APC超過第一指定閾值，那么它可以生成“I”的輸出或者任何其它合適的輸出。否則，處理器可以生成“O”的輸出或者任何其它合適的輸出。處理器算出多個時間間隔內生成的輸出(I或者O)的平均值，并且如果相應輸出的平均值超過第二指定閾值，那么認為可能發(fā)生了實際電弧，并且處理器生成指示這種電弧的另一個輸出。以這種方法，處理器可以評估多個時間間隔內的HF，并且如果它確定多個時間間隔內的PDF很高，那么處理器可以生成指示可能發(fā)生了實際電弧的輸出。
[0008]在另一個方面中，處理器在每個預定時間間隔的結尾處計算三個變量的值，即，APC、APDF和平均脈沖持續(xù)時間調制(APDM)。例如，處理器可以在多個預定時間間隔內通過在每個預定時間間隔期間，間隔預定時間間隔的四分之一取四個ro測量值ro1、PD2, PD3,PD4以及在每個預定時間間隔結尾處計算APDM或者通過任何其它合適技術計算APDM，如下，
[0009]APDM = IAPD1+APD2 - APD3 - APD4| +1APDl - APD2 - APD3+APD4
[0010]其中“APD1”是“roi”測量值的平均值，“APD2”是“PD2”測量值的平均值，“APD3”是“PD3”測量值的平均值，以及“APD4”是“PD4”測量值的平均值。處理器在每個時間間隔結尾處還確定比率APDF/APC是否超過第一指定閾值C，以及比率APDF/APDM是否超過第二指定閾值C。如果在各個時間間隔結尾處確定比率APDF/APC超過第一指定閾值，以及比率APDF/APDM超過第二指定閾值，那么該時間間隔被認為是可能已經(jīng)發(fā)生實際電弧事件的間隔。例如，如果在各個時間間隔期間處理器確定比率APDF/APC超過第一指定閾值，并且比率APDF/APDM超過第二指定閾值，那么它可以生成“I”的輸出或者任何其它合適的輸出；否貝1J，處理器2可以生成“O”的輸出或者任何其它合適的輸出。處理器算出多個時間間隔內生成的輸出(I或者O)的平均值，并且如果相應輸出的平均值超過第三指定閾值，那么認為可能發(fā)生了實際電弧，并且處理器生成指示這種電弧的另一個輸出。以這種方法，處理器可以更可靠地將實際電弧與諸如并網(wǎng)逆變器負載的非常嘈雜的負載區(qū)分開。
[0011]在另外的方面中，處理器在每個預定時間間隔的結尾處計算五個變量的值，即，APC、APDF、APDM、平均脈沖持續(xù)時間(APD)以及平均脈沖計數(shù)波動(APCF)。例如，處理器可以通過取最近時間間隔的PC與在最近時間間隔之前的一個、兩個或者更多個間隔出現(xiàn)的時間間隔的PC之間差的絕對值或者通過任何其它合適技術計算APCF。處理器在每個時間間隔結尾處還確定比率APDF/APC是否超過第一指定閾值，比率APDF/APDM是否超過第二指定閾值，比率APCF/APC是否超過第三指定閾值，比率APDF/APD是否超過第四指定閾值，APC是否超過第五指定閾值，以及APD是否超過第六指定閾值。如果在各個時間間隔結尾處確定比率APDF/APC超過第一指定閾值，比率APDF/APDM超過第二指定閾值，比率APCF/APC超過第三指定閾值，比率APDF/APD超過第四指定閾值，APC超過第五指定閾值，APD超過第六指定閾值，那么該時間間隔被認為是可能已經(jīng)發(fā)生實際電弧事件的間隔。因此，處理器可以生成“I”的輸出或者任何其它合適的輸出；否則，處理器可以生成"0〃的輸出或者任何其它合適的輸出。處理器算出多個時間間隔內生成的輸出(I或者O)的平均值，并且如果相應輸出的平均值超過第七指定閾值，那么認為可能發(fā)生了實際電弧，并且處理器生成指示這種電弧的另一個輸出。以這種方法，可以保證在直流電力系統(tǒng)中存在指示電弧對負載噪聲的某個最小水平的標準化平均波動。
[0012]通過在多個預定時間間隔內確定至少每個預定時間間隔的脈沖計數(shù)(PC)，以及每個預定時間間隔的脈沖持續(xù)時間(ro)，其中Pc和ro可以分別與直流電力系統(tǒng)中潛在電弧事件的數(shù)量和強度相對應，然后使用一個或者多個電弧故障檢測算法處理Pc和ro，所公開的檢測直流電力系統(tǒng)中電弧的系統(tǒng)和方法可以以增強的可靠性將直流電弧與負載開關噪聲區(qū)分開。
[0013]通過下述詳細描述，本發(fā)明的其它特征、功能和方面將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0014]附圖被并入并且構成本說明書的一部分，其圖示了此處描述的一個或者多個實施例并且與詳細說明一起解釋這些實施例。在附圖中:
[0015]圖1a圖示了典型光伏(PV)系統(tǒng)的框圖；
[0016]圖1b圖不了圖1a的PV系統(tǒng)，進一步地指不各種類型電弧的可能位置；
[0017]圖1c圖示了圖1a的PV系統(tǒng)，進一步地指示了用于檢測圖1b中指示的各種類型電弧的電弧故障檢測器的可能位置；
[0018]圖2圖示了根據(jù)本申請用于檢測直流電力系統(tǒng)中電弧的示例性系統(tǒng)的框圖；
[0019]圖3a圖示了使用圖2的系統(tǒng)檢測直流電力系統(tǒng)中電弧的第一示例性方法的流程圖；
[0020]圖3b圖示了使用圖2