(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流側でアークが生じた場合に、直流電圧システム（１）を安全に遮断するための方法であって、発生した直流電流および生成された直流電圧を電力管理に基づいて調整する方法において、
センサを用いてアークを検出した場合に、前記電力管理（ＭＰＰ）を調整し、前記アークの電力変化を検出し、前記アークにおいて電力が低下した場合には、前記電力管理（ＭＰＰ）の調整方向（ΔＰUo、ΔＰIk）に基づいて、直列アークであるかまたは並列アークであるかを特定することと、
直列アークの場合には、直流電流遮断が行われ、並列アークの場合には、短絡電流が発生されることと、
を特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記電力管理（ＭＰＰ）は、或る調整量（ΔＰUo）分だけ無負荷運転方向（Ｕ0）に調整され、前記アークにおける電力変化が検出され、前記アークにおいて電力が低下した場合には直列アークが特定され、他方、前記アークにおいて電力変化が生じない場合、または前記アークにおいて電力が増加した場合には、前記電力管理（ＭＰＰ）は、前記調整量（ΔＰUo）分だけ戻されることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記アークにおいて電力変化が生じない場合、または前記アークにおいて電力が増加した場合には、前記アークは並列アークとして分類されることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、
前記電力管理（ＭＰＰ）は、調整量（ΔＰIk）分だけ短絡方向（Ｉk）に調整され、前記アークにおける電力変化が検出され、前記アークにおいて電力が低下した場合には並列アークが特定され、電力変化が生じない場合、または前記アークにおいて電力が増加した場合には、前記電力管理（ＭＰＰ）は、前記調整量（ΔＰIk）分だけ戻されることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法において、
前記アークにおいて電力変化が生じない場合、または前記アークにおいて電力が増加した場合には、前記アークは直列アークとして分類されることを特徴とする方法。
【請求項６】
コンバータ（３）と、電力管理（ＭＰＰ）用のコントローラ（ＭＰＰＴ）とを備えた直流電圧システム（１）を安全に遮断するための装置であって、
前記コントローラ（９）に接続されるアークセンサ（７）は、ＤＣ側において前記コンバータ（３）の上流に接続され、
前記電力管理（ＭＰＰ）は、センサを用いてアークが検出された場合に、前記コントローラ（９）を用いて調整され、
前記コントローラ（９）は、前記アークにおける検出された電力変化を用いて、前記電力管理（ＭＰＰ）の調整方向（ΔＰUo、ΔＰIk）に基づいて、前記アークの分類を行い、
前記コントローラ（９）は、前記アークが直列アークとして分類された場合には、前記コンバータ（３）をＤＣ側で遮断し、前記アークが並列アークとして分類された場合には、前記コンバータ（３）をＤＣ側で短絡させる、
装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、
前記コントローラ（９）は、その出力側において、前記コンバータ（３）の上流において直列接続された遮断器（１１）と、前記コンバータ（３）に並列接続された短絡スイッチ（１３）とに接続され、前記コントローラ（９）は、直列アークの場合には、前記遮断器（１１）を開位置へと制御し、並列アークの場合には、前記短絡スイッチ（１３）を閉位置へと制御することを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項６または７に記載の装置において、
前記コンバータ（３）のインピーダンスは、前記電力管理（ＭＰＰＴ）を調整するために変更されることを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の装置において、
前記コンバータ（３）は、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、または充電レギュレータであることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の装置を有する太陽光発電システム（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流側でアークが生じた場合に、直流電圧システムを完全に遮断するための方法であって、発電された直流電流および生成された直流電圧を電力管理に基づいて調整する方法に関する。直流電圧システムは、本明細書においては、特に、太陽光発電システムを意味する。
【背景技術】
【０００２】
上記のタイプの直流電圧システムは、例えば最大で１，０００ＶのＤＣ電圧までのＤＣ電圧用の低電圧システムと称することもできる。このようなシステムは、例えば、電池システム、燃料電池を備えたシステム、自動車、具体的には、電気自動車またはハイブリッド車の電気系統、および通常複数のＤＣ生成装置を備えた太陽光発電システムである。
【０００３】
ＤＣシステムとしての太陽光発電システムは、通常、いわゆるストリングに直列接続される複数の太陽電池モジュール（パネル）を含んでいる。複数のストリングは、並列に接続され、その結果、複数の太陽電池モジュールおよび１つまたは複数のストリングを備えた太陽電池発電装置を形成することもできる。この場合、１つのストリング内のモジュール（パネル）数は、原理上、発生するＤＣ電圧を決定し、並列に接続されたストリング数は、太陽電池発電装置の直流電流を決定する。
【０００４】
太陽光発電システムを用いて、太陽エネルギーから変換された電気エネルギーを公共の電力網に供給する場合、通常太陽電池モジュールで発電された直流電流を電力網の周波数に適応させたＡＣ周波数の交流電流へと変換するインバータを通常用いる。電力網を利用しないＤＣ電圧または太陽光発電システムの場合は、生成されたエネルギーは、中間貯蔵される、あるいは、負荷をに供給するために直接使用されることが可能である。
【０００５】
インバータまたは一般的にコンバータは、いわゆる電力管理（最大電力点追従装置）と併せて、負荷がいわゆる最大電力点で、または少なくともその付近で常に動作することを確実にする。太陽光発電システムの特性Ｉ／Ｕ曲線に従って、ＤＣ電圧と直流電流の積から決定される太陽光発電システムの電力は、無負荷運転（ＩDC＝０）中および短絡（ＵDC＝０）の場合はゼロであり、すなわち、これらの極端な例では、太陽光発電システムは、電力を全く出力しない。ＭＰＰ点において、太陽電池、ひいては太陽電池モジュールによって出力される電力は、最大値に達する。この最大電力点（動作点）の位置は、特に、太陽放射、温度、およびエイジング現象等の様々な要因に左右される。（最大）電力管理のためのＭＰＰＴ回路は、太陽電池発電装置の直流電流および直流電圧を、最大電力に相当する動作点に設定する。
【０００６】
このようなＤＣシステムにおいて、従って、太陽光発電システムにおいても、異なる箇所で、また異なる電力で、システム構成に応じて老化または損傷した配線接続またはケーブルが原因で、および損傷したモジュールが原因で、アークが生じ得る。短絡または電流路遮断を伴うアークを特定するために、国際公開第９５／２５３７４号パンフレットでは、アークがもたらす電磁放射の検出およびシステムを保護するために短絡または電流路遮断の存在する回路部分を安全に開閉することが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、アークの発生の際に、このようなＤＣシステム、特に、太陽光発電システムの遮断に特に適した方法を特定するという目的に基づいたものである。その意図は、この方法の実施に適した装置を特定することでもある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この方法に関する目的は、本発明に従い、請求項１の特徴により、達成される。請求項１を引用する従属項は、有利な展開形態に関するものである。
【０００９】
このために、センサを用いてアークが検出された場合、このシステムまたは負荷の電力管理を調整し、アークにおける電力変化を検出する。アークの電力低下が電力調整によって引き起こされた場合、電力管理の調整方向に基づいて、直列アークであるか並列アークであるかが特定される。この場合、直列アークの場合には直流電流遮断が開始され、並列アークの場合には、短絡電流が生成される、すなわち、意図的に短絡される。
【００１０】
目的に適った改良形態では、電力管理は、無負荷運転方向、すなわち、ＤＣ電圧の増加方向に、ある調整量分だけ調整され、アークの電力変化が検出される。十分に有意なセンサデータに基づいて、このアークタイプが少なくとも概ね直列アークであると既に設定可能な場合には、この調整方向が好ましい。逆に、センサデータが確かな確率で、このアークを並列アークと分類する場合には、電力管理すなわち電流・電圧動作点または電力・電圧動作点が、短絡方向に調整される。電力管理の調整の結果、電力低下、例えばアークの消弧が確認されると、それまでの電力管理の調整方向に応じて、直列アークであるか並列アークであるかが特定される。そうでなければ、すなわち、電力変化が生じない場合、またはアークの電力増加の場合には、電力管理は、最初に前記調整量分だけリセットされ、その後、その反対の調整方向へと或る調整量分だけシフトされる。
【００１１】
ここで、本発明は、上述した保護対策によってもアークの消弧が確実行われる場合には、直流電圧システムまたは太陽光発電システムが信頼性のある方法で確実に遮断されるという知識に基づいている。周知の通り、直列アークの場合には、アークの中断または消弧を行うために、負荷またはインバータは、ＤＣ電圧生成装置から分離され、遮断される必要がある。これは、並列アークの場合には、このような断路の結果として負荷またはインバータがＤＣ生成装置から切り離されると、アークのみが負荷として残り、その結果、残りの直流電流全体がアークを介して流れ、結果的に、アークを消弧させるのではなく、強めることとなる。
【００１２】
従って、並列アークの場合には、インバータまたは負荷は、ＤＣ直流側で短絡化されるべきである。周知の通り、起こり得るアークの大部分は、一方では直列アーク、他方では並列アークとして分類され得るので、検出されたアークは、まず、直列アークまたは並列アークとして特定されるべきであり、これは、センサを用いては非常に困難であるか、あるいは、センサにかなりの費用をかけて初めて可能となる。
【００１３】
以上の知識に基づいて、本発明は、このようなシステムで生じるアークの電力挙動は、アークタイプ（直列または並列）とは無関係に、まず、センサを用いて単純に検出することができ、その後、電力管理の制御された介入により、センサとは無関係にアークタイプを特定できるという考えに基づく。これは、動作点、すなわち、電力管理が無負荷運転方向に調整され（ずらされ（verstimmt））、アーク電力がその結果低下する場合には、直列アークであることを確実に推測することができるからである。同様に、電力管理または動作点が的確に調整され、それによって引き起こされる、かつセンサを用いて検出されるアークの電力低下が存在する場合には、並列アークを確実に推測することができる。
【００１４】
直列アークまたは並列アークとして特定される。次に、例えばＤＣ側の電流路における断路器の制御基準、あるいは、負荷、またはインバータまたはコンバータ用の直流側の短絡スイッチを閉位置へと制御するための制御基準が形成される。適切に設計されたインバータまたはコンバータを用いて、これらの短絡スイッチおよび断路器の機能は、対応する電子回路手段を用いて、インバータまたはコンバータ機能に統合することもできる。
【００１５】
装置に関する目的は、本発明に従い、請求項６の特徴により達成される。請求項６を引用する従属項は、有利な改良形態に関する。
【００１６】
本装置は、電力管理用、または本システムの動作点の調整または設定用のコントローラを含む。このコントローラに接続される少なくとも１つのアークセンサは、ＤＣ側でコンバータの上流に接続される。ＤＣシステムのタイプに応じて、コンバータは、インバータ（ＤＣ／ＡＣコンバータ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ、または充電レギュレータ等でもよい。
【００１７】
センサを用いてアークが検出されると、コントローラを用いて電力管理を調整する。コントローラは、検出されたアークの電力変化を用いて、電力管理の調整方向に基づいて、アークを直列または並列アークとして分類する。アークが直列アークとして分類されると、コントローラは、コンバータを直流側で遮断し、アークが並列アークとして分類されると、コントローラは、コンバータを直流側で短絡させる。
【００１８】
このシステムを安全に遮断するためには、コンバータの上流に直列に接続された１つの断路器と、コンバータと並列に接続された１つの短絡スイッチを適切に設け、これらのスイッチは、コントローラの制御出力に接続される。直列アークの場合には、コントローラは、遮断スイッチを開位置に制御し、並列アークの場合には、コントローラは断路器を閉位置へと制御する。電力管理または動作点は、特にインバータの場合には、インピーダンスを変化させることによって調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
図面を用いて、本発明の実施形態例を以下により詳細に説明する。
【００２０】
【図１】ストリングに接続された複数の太陽電池モジュールを有し、直流側にセンサを有し、電力管理用のコントローラをＤＣ側に備えたインバータを有する太陽光発電システムを概略的に示す。
【図２】電力管理用のコントローラのＩ／ＵおよびＰ／Ｕ特性曲線を示し、この特性曲線は、アーク固有の基準で調整することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、複数の太陽電池モジュール２を有する太陽光発電システム１を概略的に示す。これらの太陽電池モジュール２は複数のバイパスダイオードを備えることが可能で、接続されて複数のストリングＳnを形成する。複数のストリングＳnは、１つの共通インバータ３に接続され、このインバータは太陽電池モジュール２によって発電された直流電流を交流に変換し、交流電流を（公共の）送電力網４に供給する。ＤＣ側では、太陽電池発電装置６を形成し、かつ直列または並列に接続される複数の太陽電池モジュール２とインバータ３との間に、供給線５を介して、１つのアークセンサ７が接続されている。アークセンサ７は、出力側において、信号線８を介して、本実施形態例ではインバータ３に付設されている電力管理用コントローラ９（ＭＰＰＴ）に接続されている。コントローラ９は、出力側において、第１の制御線１０を介して、供給線５に直列接続されている断路器１１に接続されている。コントローラ９は、第２の制御線１２を介して、ＤＣ側においてインバータ３と並列に供給線５に接続されている短絡スイッチ１３に接続されている。
【００２２】
太陽光発電システム１内でアークが生じると、センサ７によってアークが検出され、対応するセンサ信号がセンサ線８を介してコントローラ９に伝送される。センサ７は、国際公開第２００５／０９８４５８Ａ１号パンフレットより公知の、特に急勾配の電流変化を検出するセンサであってもよい。このような検出された高速の電流変化は、センサ７内で、あるいは、独国特許出願公開第１０２００７０１３７１２Ａ１号明細書より公知の方法に従って、コントローラ９を用いて評価することができる。
【００２３】
アークを検出するために、アークの結果として１ビット比較器が或る閾値を超える例場合の特定のパルス密度に基づいて、（アナログ）センサ信号の評価を用いることも可能であり、この場合、特定のパルス密度、すなわち単位時間当たりの特定のパルス数が定義され、これより、信号技術を用いて検出されたアークの推測が可能である。それ自体が既に発明的であるこの概念は、（アナログ）センサ信号が、アークの結果として発生し得るデジタルパルス密度の評価を受けることと、複雑なパターン認識手段およびマルチディジットビットの計算の代わりに１ビット比較器を用いた、計算時間およびメモリ領域の観点から好ましい方法でこれらを生成することとを含んでいる。
【００２４】
コントローラ９は、アークを分類し、そのアークタイプに応じて、供給線５を遮断する制御信号を生成する。このために、コントローラ９は、制御線１０を介して、遮断器１１を開くための対応信号を提供する。あるいは、コントローラ９は、制御線１２を介して短絡スイッチ１３に供給される制御信号を生成し、前記スイッチを閉位置１３へと制御する。その結果、インバータ３は、遮断器１１を開くことによって太陽電池発電装置から遮断されるか、あるいは、短絡スイッチ１３を閉じることによって短絡させられる。安全な遮断の仕方は、アークが直列アークまたは並列アークのいずれとして分類されたかによって決まる。
【００２５】
図１に示され、大文字Ａ〜Ｄで表したアークは、直列アークであり、ＥおよびＦで表したアークは、並列アークである。直列アークは、例えば、ストリングＳn（Ａ）内で、太陽電池モジュール２（Ｂ）において、ストリング接続部（Ｃ）において、あるいは、インバータ３への母線（Ｄ）上で生じる。並列アークは、１つまたは複数のモジュール２（Ｅ）またはインバータ３（Ｆ）に対して生じ得る。しかしながら、アーク（ここでは図示せず）はさらに、かなり低度の確率で、２つのストリングＳn間で生じ得る。
【００２６】
複数のストリングＳnにおいて、あるいは、インバータ３の外部または内部の母線において直列接続された複数のアークセンサは、複雑な高周波センサを用いても、一般的には、直列アークと並列アークとを区別することができない。非常に高感度の低周波電流センサを備えていたとしても、通常インバータ３に設けられるコンデンサからの多量の逆電流がアーク点弧時に、例えばアークケースＦにおいて観測され得るので、曇りに起因するソース電流およびソース電圧の変動が原因で、アークの分類を確実に行うことができない。アークケースＥの場合、多数のモジュール２が直列接続されたストリングＳnにおいて、ほんの少量の電流低下が追加的に確認できる。代替概念は、多数の電圧センサを、正確には原則として、各モジュール２およびインバータ３に必要とし、これらのセンサは、中央装置において複雑に評価される必要がある。
【００２７】
対照的に、直列アーク（Ａ〜Ｄ）であると特定される場合には、このアークは、断路器１１または場合により設けられるストリング断路器を開くことによって消弧する。逆に、並列アーク（Ｅ、Ｆ）が特定されると、インバータ３の入力部におけるアークは、短絡スイッチ１３を閉じることによって生じる制御短絡を用いて消失させることができる。
【００２８】
センサ７を用いて検出されたアークを分類するためには、コントローラ９を用いて、インバータ３または太陽電池発電装置６の電力管理に的確に影響を与える。これに関して、図２は、（上側の）Ｉ／Ｕ特性曲線Ｉ（Ｕ）において、太陽電池発電装置６の典型的な電流／電圧プロファイルを示す。（下側の）Ｐ／Ｕ特性曲線Ｐ（Ｕ）は、生成されたＤＣ電圧Ｕに基づいて関係Ｐ＝Ｉ×Ｕに従って生じる太陽電池発電装置６の電力プロファイルを示す。
【００２９】
太陽電池発電装置６によって出力された電力Ｐは、発電装置電圧Ｕが最大値であり、かつ発電装置電流Ｉがゼロに等しい無負荷運転Ｕ0中と、発電装置電圧Ｕがゼロに等しく、短絡電流Ｉkが流れる短絡ケースＩkとの両方において、それぞれゼロ（Ｐ＝０）であることが分かる。太陽電池発電装置６によって出力された電力Ｐmaxは、ＭＰＰ（最大電力点）として示される特定の点において最大値に達する。最大電力点追従（ＭＰＰＴ）と称される電力管理用のコントローラ９は、適切な制御または調節を用いて、電力管理、ひいては動作点を可能な限り正確に調整し、その結果、接続負荷（この場合インバータ３）が常に、この動作点ＭＰＰにおいて、つまり、最大電力Ｐmaxで動作する。
【００３０】
センサを用いて検出されたアークは、コントローラ９を用いて、電力管理、ひいては動作点ＭＰＰまたはＰmaxを、特定の調整量ΔＰUo、ΔＰIk分だけ無負荷運転方向Ｕ0または短絡方向Ｉkに調整またはずらすことによって、直列アークまたは並列アークとして分類される。この調整は、例えば、インバータ３のインピーダンスを、増加または減少する方向に変化させることによって達成することができる。
【００３１】
電力管理ＭＰＰが最初に無負荷運転方向Ｕ0あるいは短絡方向Ｉkのどちらに調整されるかにかかわらず、十分に高感度のセンサシステムの場合には、センサ７からのデータを用いて、既に直列アークか並列アークかが確率的に推定できる。この場合、電力管理は、例えば比較的高い確率で直列アークと予測されたの場合には、的を絞って無負荷運転方向Ｕ0に調整される。その結果、アークにおける電力低下が予期される。アークにおいてこのような電力低下が生じると、直列アークが確実に特定される。逆に、電力変化が検出されない、あるいはアークにおいて電力増加が検出される場合には、電力管理は、この調整量ΔＰU0分だけ元に戻される。次に、電力管理ＭＰＰは、短絡方向Ｉkに調整量ΔＰIk分だけ調整される。その後、アークにおいて電力低下が検出されると、並列アークが確実に特定され、それに対応したシステム１の安全な遮断が、コントローラ９によって開始される、スイッチ１３が閉じられる。
【００３２】
逆に、センサ７のセンサ信号から、比較的高い確率で並列アークであると分類可能である場合には、コントローラは、最初に、電力管理ＭＰＰを短絡方向Ｉkに調整量ΔＰIk分だけ調整させる。この場合、電力管理は、例えば比較的高い確率で並列アークと予測された場合には、的を絞って短絡方向Ｉkに調整される。その結果、ここではアークにおける電力低下が予期される。アークにおいてこのような電力低下が生じると、並列アークが確実に特定される。逆に、電力変化が検出されない、あるいはアークにおいて電力増加が検出される場合には、電力管理は、この調整量ΔＰIk分だけ元に戻される。次に、電力管理ＭＰＰは、無負荷運転方向Ｕ0に調整量ΔＰU0分だけ調整される。その後、アークにおいて電力低下が検出されると、直列アークが確実に特定され、それに対応するシステム１の安全な遮断が、コントローラ９によって開始され、遮断器１１が開かれる。
【００３３】
各ケースにおいて、インバータ３の現在の動作点から始まるインバータ３のインピーダンスの無負荷運転または短絡方向へのこのような電力管理の調整に類似して、これに対応する増加または減少が行われる。
【００３４】
比較的長期間継続するアークの代わりに、例えば振動により、比較的短期間燃焼する一連のアークが生じる場合、電力解析または消弧チェックを一連のアークにまで広げることができる。このために、電力調整またはインピーダンス変化に伴うか、低電力アークのみが生じたのか、あるいはアークの再点弧が防止されたのか、がチェックされる。
【００３５】
比較的大きなシステム１において、複数のアークセンサがストリングＳn内にのみ、またはストリングＳnと母線にも設置されており、且つ、発生するアークを確実に１つのストリングＳnに特定することができる場合には、直列アークであると判定された場合には、ストリング遮断器１１の代わりに、場合により設置されているストリング断路器を開くこともできる。しかしながら、明白にストリングを決定することができない場合、またはアークが主線または供給線５で検出される場合には、本発明による方法を実行する。すなわち、電力管理の調整をアイドリング方向Ｕ0および／または短絡方向Ｉkに行う。
【００３６】
システム１は、一般的に、例えば複数の個別のＤＣ生成装置から成る比較的高いＤＣ電圧（約１，０００Ｖ）のＤＣ発電装置を有するＤＣ電圧システムでもよい。インバータ３は、インピーダンス調整・制御及び電力管理が行われるインバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＡＣ−ＤＣコンバータ、または充電レギュレータ等）で構成される。
【符号の説明】
【００３７】
１  ＤＣ／太陽光発電システム
２  モジュール
３  インバータ／コンバータ
４  公共電力網
５  供給線
６  ＤＣ／太陽電池発電装置
７  アークセンサ
８  信号線
９  コントローラ
１０  制御線
１１  遮断器
１２  制御線
１３  短絡スイッチ
Ａ〜Ｄ  直列アーク
Ｅ、Ｆ  並列アーク
Ｓn  ストリング
【図１】
0005530566.tif 000002
【図２】
0005530566.tif 000003