Brevet FR2983968A1 — publié le 20130614

L'invention concerne un procédé de détection d'un arc électrique dans un système photovoltaïque. Elle concerne aussi un dispositif de sécurité détectant l'apparition d'arcs électriques, et un module photovoltaïque et un système photovoltaïque équipés d'un tel dispositif de sécurité détectant l'apparition d'arcs électriques. Les installations photovoltaïques fonctionnent à tension continue et courant continu importants, ce qui engendre des risques d'apparition d'arcs électriques. De tels arcs électriques peuvent survenir suite à une erreur de manipulation, par exemple si un opérateur ouvre malencontreusement un connecteur en charge, ou suite à la dégradation des connexions de l'installation. Ces arcs électriques génèrent une forte chaleur de plasma pendant une durée importante puisque sous tension continue, la valeur de la tension n'est jamais nulle au contraire d'un système alternatif, et sont de ce fait très dangereux pour les personnes et les installations. De plus, l'intégration des modules photovoltaïques dans la toiture des bâtiments risque de déclencher l'incendie des charpentes en cas d'arc électrique. Les installations photovoltaïques peuvent être reliées au réseau électrique par l'intermédiaire d'un onduleur. Dans une telle configuration, il existe des systèmes de sécurité permettant de détecter un éventuel arc électrique survenant sur la liaison électrique entre un champ de modules photovoltaïques et l'onduleur. Toutefois, ces systèmes sont insuffisants puisqu'un tel arc électrique est susceptible de se produire au niveau d'un module photovoltaïque lui-même. Il n'existe aucune solution de sécurité contre un tel risque. Le document W02010072717 de l'état de la technique propose la détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque sur la base de l'analyse d'une onde ultrasonore et la reconnaissance de la signature ultrasonore d'un arc électrique dans cette onde. Pour cela, cette solution analyse en continu les signatures ultrasonores. Il en résulte une méthode nécessitant un calcul complexe et un dispositif coûteux. Le document FR2912848 décrit une méthode simplifiée de détection d'un arc électrique à partir de la simple mesure de tension et de la détection de son augmentation rapide. Toutefois, cette méthode est insuffisante pour faire la distinction entre un arc électrique et différents événements distincts qui induisent aussi une augmentation de tension. Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque, simple, peu coûteuse et fiable, afin d'améliorer la sécurité de telles installations. A cet effet, l'invention repose sur un procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque, caractérisé en ce qu'il 20 comprend les étapes suivantes : - Mesure de valeurs de tension en au moins un endroit du circuit électrique de l'installation photovoltaïque ; - Numérisation des valeurs de tension mesurées pour former un échantillonnage de données x ; 25 - Calcul d'une valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique à partir d'un calcul statistique sur l'échantillonnage de données et de la prise en compte d'un facteur d'oubli (I) ; - Comparaison de la valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique avec une valeur seuil pour en déduire la présence ou non d'un 30 arc électrique au sein de l'installation photovoltaïque. 2 983 96 8 3 Le calcul statistique peut être basé sur la variance ou l'écart-type. Le facteur d'oubli peut être combiné avec chaque donnée 5 d'échantillonnage x pour permettre de définir un poids de plus en plus faible aux données de l'échantillonnage à chaque itération, pour prendre en compte l'historique des valeurs mesurées et prendre en compte indirectement la durée d'une éventuelle période de chaos. 10 Le facteur d'oubli peut dépendre d'une fréquence d'échantillonnage. Le facteur d'oubli peut être constant et choisi en respectant les règles définies par le tableau suivant : Fréquence d'échantillonnage Fech Facteur d'oubli (I) compris dans l'intervalle 50 - 300 kHz inclus 0.965 ; 0.975 301 - 750 kHz inclus 0.975 ; 0.985 751 KHz - 8 Mhz inclus 0.985 ; 0.995 15 Le calcul d'une valeur d'estimation de présence d'un arc électrique peut mettre en oeuvre les calculs suivants, répétés pour chaque donnée numérisée x: - d'abord, on recalcule trois variables a, b, et c de la manière suivante, à partir des valeurs précédentes de ces variables a, b et c : a 4- (I) a + x2 b 4- szt) b + x c Si l'étape de comparaison de la valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique avec une valeur seuil vérifie y > seuil, alors il peut être estimé qu'il existe un arc électrique au sein de l'installation photovoltaïque, puis le procédé peut comprendre une étape consistant à intervenir sur le circuit électrique de l'installation photovoltaïque en cas de détection d'un arc électrique, afin d'éteindre l'arc électrique. L'invention porte aussi sur un dispositif de sécurité pour une installation photovoltaïque, comprenant un ou plusieurs capteur(s) de mesure de tension, relié(s) par une liaison de communication à une unité de traitement, comprenant un convertisseur analogique numérique pour numériser les mesures reçues par le ou les capteur(s) de mesure de tension, caractérisé en ce que l'unité de traitement met en oeuvre le procédé de détection d'un arc électrique dans l'installation photovoltaïque tel que décrit précédemment.30 L'unité de traitement peut être reliée par un moyen de communication à un dispositif d'intervention dont la fonction est d'interrompre l'arc électrique, pour supprimer tout risque. L'invention porte aussi sur une installation photovoltaïque, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de sécurité tel que décrit ci-dessus. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : La figure 1 illustre schématiquement une installation photovoltaïque. La figure 2 représente un exemple d'évolution de la tension au sein d'une installation photovoltaïque en fonction du temps en présence d'un arc électrique. La figure 3 illustre schématiquement un dispositif de sécurité associé à une installation photovoltaïque selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 4 illustre quelques étapes du procédé de détection d'arc électrique au sein d'une installation photovoltaïque selon un mode d'exécution de l'invention. La figure 5 illustre plus globalement le procédé de détection d'arc électrique au sein d'une installation photovoltaïque selon un mode d'exécution de l'invention.30 L'invention repose sur la seule mesure de la tension au sein d'une installation photovoltaïque. Cette dernière, représentée schématiquement sur la figure 1, comprend plusieurs modules photovoltaïques 1 (PVi) reliés à un onduleur 2 qui convertit le courant continu produit par les modules photovoltaïques 1 en un courant alternatif, pour une liaison sur un réseau électrique 3 standard, non représenté. A partir d'une mesure de tension, l'invention cherche à déduire la présence ou non d'un arc électrique 4, qui peut se trouver au niveau d'un ou plusieurs module(s) photovoltaïque(s) 1, entre ces modules et un onduleur 2, ou à tout endroit sur le circuit électrique de l'installation photovoltaïque. Un arc électrique provoque une augmentation importante de la tension au sein de l'installation photovoltaïque, et peut prendre une forme telle qu'illustrée en figure 2 selon un exemple. L'augmentation du signal de tension peut apparaître en même temps que l'arc, et durer de quelques millisecondes à quelques heures. Plus généralement, l'amplitude du signal obtenue dépend de la position du détecteur et d'autres paramètres. Cette augmentation de la tension s'accompagne toujours d'une augmentation subite de l'énergie du signal, d'un chaos dans le signal. La figure 3 représente schématiquement un dispositif de sécurité pour une installation photovoltaïque 10 telle que décrite sur la figure 1, qui comprend deux modules photovoltaïques 1 à titre d'exemple simplifié montés sur un châssis 5, qui sont reliés au réseau électrique traditionnel 3 par l'intermédiaire d'un onduleur 2. Le dispositif de sécurité comprend un ou plusieurs capteur(s) de mesure de tension 6, positionné(s) par exemple au niveau d'un module photovoltaïque 1 et/ou à tout autre endroit du circuit électrique de l'installation photovoltaïque. Ce (ou ces) capteur de mesure de tension 6 est relié par une liaison de communication 7 à une unité de traitement 8 apte à analyser les données transmises par le(s) capteur(s) de mesure de tension 6. Cette unité de traitement 8 est elle-même reliée par un moyen de communication 9 à un dispositif d'intervention 11 dont la fonction est d'interrompre l'arc électrique sur demande de l'unité de traitement 8 en cas d'arc électrique, pour supprimer tout risque électrique et toute future détérioration. L'unité de traitement 8 comprend un convertisseur analogique numérique, pour numériser les données reçues provenant du ou des capteur(s) de mesure de tension. Elle a pour fonction d'analyser les données reçues par le(s) capteur(s) de mesure de tension 6 et met en oeuvre un procédé de détection d'arcs électriques, qui sera détaillé ci-dessous. Pour cela, elle peut comprendre une unité de calcul, comme un microcontrôleur, et des moyens de mémorisation, ou plus généralement tout composant matériel (hardware) et/ou logiciel (software). En remarque, comme les données à traiter sont numérisées, il est possible d'utiliser un ou plusieurs microcontrôleurs déjà existant(s) au sein d'une installation photovoltaïque pour mettre en oeuvre le procédé de détection d'arc électrique qui sera détaillé ci-dessous, sans ajout d'un composant additionnel. La solution est donc peu coûteuse. Enfin, le dispositif de sécurité 10 peut être soit disposé sur une des bornes à la sortie de l'installation photovoltaïque, soit se trouver sur chaque module photovoltaïque, par exemple dans sa boîte de raccordement. Toute solution intermédiaire est naturellement envisageable. Le procédé de détection d'arc électrique selon l'invention va maintenant être détaillé. Il comprend une étape d'échantillonnage de valeurs de tension. Pour cela, différentes valeurs de tension sont mesurées au cours du temps, lors d'une étape de mesure E6, et numérisées, lors d'une étape de numérisation E8, par le convertisseur numérique de l'unité de traitement, selon une fréquence d'échantillonnage Fech choisie. Ensuite, ces valeurs sont traitées pour en déduire une détection d'apparition ou non d'un arc électrique. Selon ce mode de réalisation, ce traitement exploite la constatation que la quantité de chaos présente dans le signal augmente significativement pendant l'apparition d'un arc électrique. Ainsi, le principe retenu consiste à définir une valeur d'estimation de présence d'un arc électrique liée à la variance des valeurs obtenues lors de l'échantillonnage. Ensuite, selon ce mode de réalisation, un paramètre, appelé « facteur d'oubli », qui dépend de la fréquence d'échantillonnage Fedi, est utilisé pour prendre en compte l'historique, proche dans le temps, des valeurs de tension mesurées, et tenir compte ainsi indirectement de la durée d'une éventuelle période de chaos. Ce facteur d'oubli permet ainsi par exemple de s'affranchir d'un filtre numérique passe-bande, qui est toujours utilisé dans l'état de la technique pour éliminer certains bruits qui ne sont pas liés à un arc électrique, notamment ceux créés par les signaux de communication qui transitent de l'installation vers l'unité de traitement, et qui présentent notamment la particularité d'être de plus courte durée. D'autre part, le facteur d'oubli, notamment par sa dépendance de la fréquence d'échantillonnage, permet d'optimiser le lien entre la fréquence d'échantillonnage et le traitement effectué, en évitant les adaptations complexes obligatoires entre les filtres passe-bande et la fréquence d'échantillonnage des solutions de l'état de la technique. 2 983 96 8 9 Selon le mode de réalisation choisi, pour chaque échantillon de valeurs de tension mesurées et converties par le convertisseur numérique pour fournir des données x, les calculs suivants sont mis en oeuvre : 5 d'abord, on définit les trois variables a, b, et c de la manière suivante : a seuil, alors le procédé considère qu'il y a présence d'un arc électrique et induit la mise 5 en sécurité de l'installation photovoltaïque, par l'intermédiaire du dispositif d'intervention 11. Pour cela, un ordre d'interruption du fonctionnement du système photovoltaïque peut permettre de stopper l'arc électrique, en supprimant ainsi le risque que représenterait l'entretien de l'arc électrique, notamment le risque d'incendie. 10 L'itération précédente, schématiquement représentée par la figure 4, permet donc d'ajouter un poids inférieur à une donnée plus ancienne qu'une autre, pour tenir compte de l'historique des données obtenues et de leur répartition dans le temps. Tout autre calcul permettant de fixer un 15 poids de plus en plus faible pour chaque donnée obtenue à chaque itération peut permettre d'atteindre en variante un résultat exploitable pour former des variantes de réalisation. Le procédé de détection d'arc électrique comprend une étape préliminaire 20 d'initialisation, qui fixe la valeur de seuil en prenant en compte les premières valeurs de tension mesurées à l'allumage EO du dispositif de sécurité. A l'instant initial, les variables a, b, c sont initialisées à 0, dans une étape 25 d'initialisation E2, puis calculées selon les formules explicitées ci-dessus. Le facteur d'oubli est de même initialisé en fonction des règles prédéfinies, telles qu'explicitées ci-dessus à titre d'exemple. Ensuite, les calculs tels que présentés à l'étape E10 sont répétés selon un nombre d'itérations prédéfini, par exemple 100 itérations pour prendre en compte 100 30 échantillons de mesures de tension. Pour cela, le procédé comprend une étape de test E5 de l'atteinte de ce nombre prédéfini d'échantillons d'allumage, pour savoir si le procédé se trouve dans une phase d'initialisation ou dans une phase de fonctionnement normal, mettant en oeuvre les étapes E10, E12 explicitées précédemment. Dans le cadre d'une phase d'initialisation, le procédé met en oeuvre une étape de test de fin d'allumage E3. Lorsque cette fin d'allumage est atteinte, c'est à dire que le nombre prédéfini d'itérations d'allumage est atteint, les variables a, b, c résultantes sont utilisées pour définir une valeur seuil de la manière suivante, à l'étape d'initialisation de la valeur seuil E4 : seuil= k . a- b2/c c-5 où k est un paramètre, choisi entre 5 et 200, selon un compromis choisi entre deux extrêmes : si k est au plus bas, tous les arcs électriques sont détectés, mais il existe un risque de fausse alerte. Si k est plus haut, le risque de fausse détection est réduit mais on augmente le risque de ne pas détecter un arc électrique. Le traitement mis en oeuvre repose sur une estimation d'apparition d'arc électrique à partir de la variance d'un échantillonnage de mesures de tension numérisées et modifiées pour incorporer un facteur d'oubli. La variance représente une bonne méthode statistique pour évaluer le chaos de l'échantillonnage : naturellement, tout autre calcul différent de ceux présentés ci-dessus à titre d'exemple peut être mis en oeuvre, comme tout calcul lié à la variance ou toute autre dimension statistique équivalente, comme l'écart type par exemple, et plus généralement tout calcul statistique basé sur toute formule statistique, utilisant uniquement les valeurs de l'échantillonnage ou leur carré. De plus, le concept de l'invention ne se limite pas aux dispositifs photovoltaïques décrits ci-dessus mais peut être mis en oeuvre dans toute sorte d'installation photovoltaïque, avec de nombreux modules photovoltaïques. La solution retenue permet donc bien de répondre aux objets recherchés et présente les avantages suivants : - comme le traitement repose sur la seule mesure de la tension, le procédé est simple ; - ensuite, comme le procédé met en oeuvre une numérisation pour procéder à un seul calcul statistique, il est très simple et ne nécessite pas une puissance de calcul importante ; - enfin, le dispositif est simplifié au maximum et donc peu coûteux, puisqu'il ne nécessite pas de filtre, du fait du calcul qui prend en compte un facteur d'oubli. En variante, il reste compatible avec l'utilisation additionnelle et optionnelle d'un filtre ; - cette solution est bien sûr compatible et complémentaire avec d'autres solutions de détection d'arc électrique, et peut donc être combinée avec ces autres solutions.20 REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - Mesure (E6) de valeurs de tension en au moins un endroit du circuit électrique de l'installation photovoltaïque ; - Numérisation (E8) des valeurs de tension mesurées pour former un échantillonnage de données x ; - Calcul (E10) d'une valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique à partir d'un calcul statistique sur l'échantillonnage de données et de la prise en compte d'un facteur d'oubli 0 ; - Comparaison (E12) de la valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique avec une valeur seuil pour en déduire la présence ou non d'un arc électrique au sein de l'installation photovoltaïque. 2. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le calcul statistique est basé sur la variance ou l'écart-type. 3. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le facteur d'oubli est combiné avec chaque donnée d'échantillonnage x pour permettre de définir un poids de plus en plus faible aux données de l'échantillonnage à chaque itération, pour prendre en compte l'historique des valeurs mesurées et prendre en compte indirectement la durée d'une éventuelle période de chaos. 4. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le facteur d'oubli dépend d'une fréquence d'échantillonnage. 5. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le facteur d'oubli est constant et choisi en respectant les règles définies par le tableau suivant : Fréquence d'échantillonnage Fech Facteur d'oubli (I) compris dans l'intervalle 50 - 300 kHz inclus 0.965 ; 0.975 301 - 750 kHz inclus 0.975 ; 0.985 751 KHz - 8 Mhz inclus 0.985 ; 0.995 6. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calcul d'une valeur d'estimation de présence d'un arc électrique met en oeuvre les calculs suivants, répétés pour chaque donnée numérisée x: - d'abord, on recalcule trois variables a, b, et c de la manière suivante, à partir des valeurs précédentes de ces variables a, b et c : a 7. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend une phase d'initialisation du traitement lors de l'allumage (E0) du dispositif de sécurité, qui comprend les étapes suivantes : - initialisation (E2) des variables a, b, c à zéro et du facteur d'oubli ;- itération des calculs suivants sur un nombre prédéfini de données x: a 4- (1) a + X2 b 8. Procédé de détection d'un arc électrique dans une installation photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que si l'étape de comparaison (E12) de la valeur d'estimation y de présence d'un arc électrique avec une valeur seuil vérifie y > seuil, alors il est estimé qu'il existe un arc électrique au sein de l'installation photovoltaïque, puis en ce qu'il comprend une étape consistant à intervenir sur le circuit électrique de l'installation photovoltaïque en cas de détection d'un arc électrique, afin d'éteindre l'arc électrique. 9. Dispositif de sécurité pour une installation photovoltaïque, comprenant un ou plusieurs capteur(s) de mesure de tension (6), relié(s) par une liaison de communication (7) à une unité de traitement (8), comprenant un convertisseur analogique numérique pour numériser les mesures reçues par le ou les capteur(s) de mesure de tension, caractérisé en ce que l'unité de traitement (8) met en oeuvre le procédé de détection d'un arc électrique dans l'installation photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes. 10. Dispositif de sécurité pour une installation photovoltaïque selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de traitement (8) est reliée par un moyen de communication (9) à un dispositif d'intervention(11) dont la fonction est d'interrompre l'arc électrique, pour supprimer tout risque. 11. Installation photovoltaïque, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un dispositif de sécurité selon la revendication 9 ou 10.10