直流接地檢測裝置和使用它的系統連接發電裝置的製作方法
2023-06-10 19:21:56
專利名稱：直流接地檢測裝置和使用它的系統連接發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及系統連接發電裝置，它配有直流接地檢測裝置，檢測流過發電單元產生的直流電流的直流電力線的接地，向商用電源系統回饋該發電單元產生的直流電力。
背景技術：
近年來，不僅自家使用以太陽光作為能源進行發電的電力，而且還在普及使用可將自家使用不了的剩餘電力回饋給商用電源系統的系統連接發電裝置。
在這樣的系統連接發電裝置中，將太陽電池產生的直流電力的電壓用升壓電路進行升壓，用逆變器電路控制為與商用電源系統的交流電力相同頻率的交流電力。
此外，在這樣的系統連接發電裝置中，例如，如專利文獻1所示，在連接太陽電池和系統連接發電裝置的直流電力線上設置電流傳感器，通過該電流傳感器的輸出變化來判斷直流電力線的接地(ground fault)，通過將太陽電池與系統連接發電裝置分離來提高安全性。
專利文獻1 (日本)特開2001-275259號公報但是，在現有的系統連接發電裝置中，在為了減小用於直流接地檢測的電流傳感器(變流器)的溫度偏差並提高檢測精度，在卷饒繞組的磁性體中，例如需要使用過飽和電抗器等那樣的昂貴材料，存在成本上升的問題。
為了解決該問題，即使溫度偏差比較大，但仍考慮使用價格低的電流傳感器，但為了確保檢測精度高，附加溫度校正電路，但產生必須選擇使用溫度偏差小的電流傳感器的新問題。
發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種低成本的直流接地檢測裝置、以及配有直流接地檢測裝置的系統連接發電裝置。
為了解決上述課題，本發明的直流接地檢測裝置具有貫通一對直流電力線，輸出流過所述直流電力線電流的電流差的零相變流器(ZCT)，根據所述電流差和預定的基準值來判斷所述直流電力線的接地，其特徵在於，該直流接地檢測裝置包括溫度傳感器，檢測所述零相變流器(ZCT)的溫度或該零相變流器附近的環境溫度；以及溫度校正部，根據所述溫度傳感器的檢測溫度來校正所述零相變流器(ZCT)輸出的電流差或所述基準值。
本發明的系統連接發電裝置具有升壓電路，將發電單元供給的直流電力進行升壓；逆變器電路，將所述升壓電路升壓的直流電力變換成以規定頻率控制的交流電力；以及控制裝置，可將所述交流電力回饋給商用電源系統，控制所述升壓電路和所述頻率；並具有接地檢測裝置，檢測從所述發電單元供給所述直流電力的直流電力線的接地；其特徵在於，所述直流接地檢測裝置具有貫通一對直流電力線，輸出流過所述直流電力線電流的電流差的零相變流器(ZCT)，根據所述電流差和預定的基準值來判斷所述直流電力線的接地，並且包括溫度傳感器，檢測所述零相變流器(ZCT)的溫度或該零相變流器附近的環境溫度；以及溫度校正部，根據所述溫度傳感器的檢測溫度來校正所述零相變流器(ZCT)輸出的電流差或所述基準值。
此外，發電單元是照射太陽光並產生所述直流電力的太陽電池。
根據本發明，不附加溫度校正電路，並且不選擇使用溫度偏差小的電流傳感器，可在低成本下檢測直流電流的接地並確保安全性高。
圖1是表示採用了本發明的系統連接發電裝置的實施例的系統連接發電裝置和商用電源系統的電路圖。
圖2是表示圖1的直流接地檢測裝置的方框圖。
圖3是說明直流線路的電流差和檢測磁芯的輸出電流(第1A/D埠的輸入電壓)的關係的溫度依賴性的圖。
圖4是實施例的概要處理流程圖。
具體實施例方式
下面參照圖1～圖4來說明本發明的優選實施例。
圖1是表示一實施例的系統連接發電裝置、一例發電單元的系統連接發電裝置、以及商用電源系統間的連接狀態的電路圖。作為發電單元，除了太陽電池以外，也可以使用燃料電池或公知的發電機，如果是交流發電機，則使用整流為直流後的直流電力。
如圖1所示，在系統連接發電裝置10中，作為系統連接發電裝置的太陽電池11，通過端子P、N連接。
系統連接發電裝置10通過端子R、O、T連接到商用電源系統13(圖中為單相三線方式)。而且，系統連接發電裝置10將太陽光照射太陽電池11產生的直流電力變換成與商用電源系統13頻率相同的交流電力，回饋(供給)給商用電源系統13。
太陽電池11使用由多個太陽電池單元構成的陣列結構(PV陣列)。
系統連接發電裝置10主要包括升壓電路14、逆變器電路15、低通濾波器電路16、以及作為控制裝置的微型計算機17。
在微型計算機17中，連接測定向升壓電路14供給的來自太陽電池11的直流電力的電壓的發電電壓傳感器33、同樣地測定電流的發電電流檢測傳感器34、測定升壓電路14升壓後的直流電力的電壓的升壓電壓檢測傳感器18、測定系統連接發電裝置輸出的端子R、O間的交流電壓的第1系統電壓檢測傳感器19、同樣地測定端子O、T間的交流電壓的第2系統電壓檢測傳感器20、測定從逆變器電路15輸出的交流電力的電流的逆變器輸出電流檢測傳感器21、以及為測定零相變流器(ZCT)的溫度或附近的環境溫度而設置的溫度傳感器50。
升壓電路14通過噪聲濾波器35輸入由太陽電池11產生的不穩定的直流電力(因晴、陰、雨、早晨、晝、夜等環境因素，發電電力產生變動)，將其電壓升壓到大於商用電源系統13的系統電壓。升壓電路14包括平滑電容器22、扼流線圈23、開關電路24、二極體25及電容器26。
平滑電容器22使輸入到扼流線圈23和開關電路24的直流電力穩定。
開關電路24包括開關元件27和二極體28。這裡，作為開關元件27，最好是功率電晶體、功率MOSFET、或IGBT等。通過該開關元件27的導通/截止動作，使存儲在扼流線圈23中的電流與平滑電容器22的電壓一起使二極體25的陽極側成為高壓，通過二極體25電流流過電容器26，將電容器26的端子電壓提高到接近所述高電壓。二極體25防止來自電容器26的電流逆流。
通過調整使開關元件27導通工作的時間(即，導通佔空率)，升壓電路14控制電容器26兩端獲得的電壓。即，在商用電源系統13的系統電壓為交流200V時，由於其波峰值(峰值)為±280V，為了將交流電力從系統連接裝置12回饋給商用電源系統13，所以升壓電路14升壓的電壓需要在直流280V以上。實際上，考慮到逆變器電路15的開關元件29(後述)的導通電阻和電流平滑電路16的電抗器31的電阻，將升壓電路14升壓的電壓設定為比280V大20～30V的值。
逆變器電路15橋狀地連接四個(產生單相交流時為4個，產生三相交流時為6個)開關元件29，各開關元件29配有二極體30(續流二極體)。而且，逆變器電路15將升壓電路14升壓後的直流電力變換成與商用電源系統13頻率相同並且相位一致或大致一致的模擬正弦波的交流電力。
即，逆變器電路15通過使開關元件29導通/截止，對從升壓電路14輸入的直流電力進行脈寬調製(PWM)而變換為交流電力。而且，調整使開關元件29導通動作的時間(導通佔空率)，以使從該逆變器電路15輸出的交流電力(交流電流、交流電壓)的波形與商用電源系統13的系統電壓的交流電壓波形一致。由此，從逆變器電路15輸出的交流電力的相位和頻率與商用電源系統13的系統電力的相位和頻率基本一致。
如圖1所示，電流平滑電路16由電抗器31和電容器32形成，對逆變器電路15變換後的交流電力的電流進行平滑。該電流平滑電路16平滑後的交流電力經噪聲濾波器36、解列連接器37及保護繼電器38回饋給商用電源系統13。
解列連接器37受微型計算機17控制，使系統連接發電裝置10和商用電源系統13的連接/分離受到控制。即，後面將詳述，微型計算機17向解列連接器37輸出操作信號，在系統連接發電裝置10運轉結束時將系統連接發電裝置10和商用電源系統13分離，在系統連接發電裝置10運轉開始時將系統連接發電裝置10和商用電源系統13連接。
發電電壓檢測傳感器33例如包括隔離放大器，測定由太陽電池11發電並向升壓電路14輸入的直流電力的電壓，將該測定值輸出到微型計算機17。
發電電流檢測傳感器34例如包括變流器，測定由太陽電池11發電並向升壓電路14輸入的直流電力的電流，將該測定值輸出到微型計算機17。
升壓電壓檢測傳感器18例如包括隔離放大器，測定由升壓電路14升壓輸出的升壓電壓，將該測定值輸出到微型計算機17。
第1系統電壓檢測傳感器19和第2系統電壓檢測傳感器20包括變壓器，測定商用電源系統13的系統電力的系統電壓，並將該測定值輸出到微型計算機17。
逆變器輸出電流檢測傳感器21例如包括變流器，測定由逆變器電路15變換的交流電流，將該測定值輸出到微型計算機17。
溫度傳感器50測定零相變流器(ZCT)41的溫度或附近的環境溫度，將該測定值輸出到微型計算機17。
圖2是直流接地檢測裝置40的概要結構方框圖。
構成直流接地檢測裝置40一部分的微型計算機17包括輸出導通/截止信號的PWM埠(PWMPulse Width Modulation)47、輸入模擬電壓的第1A/D埠48、輸入作為溫度傳感器50的測定值的模擬電壓的第2A/D埠49、輸入輸出接口部51、振蕩-分頻電路52、MPU(中央運算單元)53、ROM(只讀存儲器)54、RAM(隨機存取存儲器)55、總線(信號線)56。
輸入輸出接口部51對PWM埠47、第2A/D埠49、MPU53和振蕩-分頻電路之間的信號(數據)授受進行控制。
振蕩-分頻電路52根據水晶振子46的振動來生成基準振蕩信號(基準時鐘信號)，根據基準振蕩信號，將具有規定頻率、規定導通佔空率(例如50％)和規定電壓的脈衝信號串通過輸入輸出接口部51、PWM埠47、勵磁放大器(緩衝放大器)42輸出到零相變流器(ZCT)41，作為勵磁脈衝信號。作為勵磁脈衝信號，例如輸出以+2.5V為中心的±2.5V的脈衝波形電壓。
MPU53根據ROM54內的控制程序，進行微型計算機17的整體控制。
ROM54預先存儲包含控制程序的控制數據。
RAM55臨時存儲各種數據。
總線56將輸入輸出接口部51、MPU53、ROM54或RAM55相互連接。
下面說明微型計算機17的主要動作。
根據上述結構，微型計算機17通過輸入發電電壓檢測傳感器33的測定值和發電電流檢測傳感器34的測定值並進行運算，來判斷太陽電池11的發電電力。微型計算機17在該發電電力達到預定的固定值(根據太陽電池單元的數目或系統連接發電裝置10的固有值適當選擇設定)以上時，將解列連接器(常開接片)37進行導通動作，將接片閉合，使系統連接發電裝置10和商用電源系統13連接，開始系統連接發電裝置10的運轉。
此外，微型計算機17進行調節，以使從系統連接發電裝置10向商用電源系統13輸出的交流電力的波峰值(峰值)大於第1系統電壓檢測傳感器19測定的交流電壓的波峰值和第2系統電壓檢測傳感器20測定的交流電壓的波峰值的合計值，使升壓電壓檢測傳感器18測定的直流電壓是比上述波峰值的合計值大20～30V的電壓。該調節由微型計算機17進行開關元件27的導通/截止信號的導通佔空率的調節，以便獲得輸出到升壓電路1時的基於預定圖形的模擬正弦波。
而且，微型計算機17根據第1系統電壓檢測傳感器19和第2系統電壓檢測傳感器20檢測出的系統電壓波形(正弦波)來判斷零交叉時刻，使開關元件27的導通/截止信號與其同步，以便獲得基於上述預定圖形的模擬正弦波。
通過該微型計算機17對升壓電路14和逆變器電路15的控制，與商用電源系統13的交流電力大體一致的交流電力從系統連接發電裝置10供給到商用電源系統13。
可是，在上述系統連接發電裝置10中，存在連接太陽電池11和升壓電路14的兩條直流線路39A、39B。因而通過直流線路39A、39B，從太陽電池11向升壓電路14流入直流電流。
因此，在本實施方式中，在作為測定對象導線的兩條直流線路39A、39中，設置直流接地檢測裝置40的零相變流器(ZCT)41。
這裡，說明直流接地檢測裝置40。
如圖2所示，直流接地檢測裝置40形成具有零相變流器(ZCT)41、勵磁放大器42、倍壓整流電路43和上述微型計算機17的結構，檢測系統連接發電裝置10的太陽電池11側的直流接地。
零相變流器(ZCT)41形成將兩條直流線路39貫通檢測磁芯44的結構。該ZCT形成卷繞了繞組的磁性體由高導磁鐵鎳合金等那樣的低價材料構成的結構。將該ZCT構成的檢測磁芯(檢測磁性體)44容納於機盒45內。
勵磁放大器42將從微型計算機17的PWM埠47輸出的勵磁脈衝信號輸出到零相變流器(ZCT)41的繞組上，使檢測磁芯44成為勵磁狀態。
由此，在檢測磁芯44保持勵磁狀態下，測定流過兩條直流線路39A、39B的電流之差(差分)，將對應於該電流差的輸出電流(交流)輸出到倍壓整流電路43。
即，在直流線路39A或直流線路39B中沒有產生接地時，流過兩條直流線路39A、39B的電流相同，來自檢測磁芯44的輸出電流正負對稱並抵消為零。
相反，在直流線路39中產生接地時，在流過直流線路39A的電流和流過直流線路39B的電流之間產生對應於接地程度的差(電流差ΔI)。
倍壓整流電路43將從零相變流器(ZCT)41的檢測磁芯44輸出的輸出電流(交流)整流為直流，同時變換成兩倍以上的電壓，並輸出到微型計算機17的第1A/D埠48(A/DAnalogue to Digital)。
微型計算機17根據輸入到第1A/D埠48的電壓值的大小，檢測在直流線路39A、39B上是否發生了直流接地。
這裡，說明直流接地的檢測。
圖3是說明流過直流線路39A的電流和流過直流電路39B的電流的電流差與檢測磁芯44的輸出電流(∝第1A/D埠48的輸入電壓)的關係的圖。
例如，如圖3所示，進行設定，以在檢測磁芯44附近的環境溫度為基準溫度Tref時，在流過直流線路39A的電流和流過直流電路39B的電流的電流差ΔI為I0(例如100mA)以上時，即，在來自檢測磁芯44的輸出電流I＝Iref時，判定為在直流線路39A、39B中發生了直流接地。
這種情況下，在對應於電流差ΔI＝I0的電壓Vref以上的電壓輸入到第1A/D埠48時，微型計算機17的MPU53判斷為在直流線路39A、39B上發生了接地，並檢測直流接地。
但是，實際上，流過直流線路39A的電流和流過直流電路39B的電流的電流差ΔI、即檢測磁芯44的輸出電流I具有溫度依賴性。
例如，在溫度T1時，電流差ΔI＝I0時的檢測磁芯44的輸出電流I1為I1＜Iref即V1＜Vref，儘管發生了直流接地，微型計算機17的MPU53也不能檢測出直流接地。
相反，在溫度T2時，電流差ΔI＝I0時的檢測磁芯44的輸出電流I1為I1＞Iref即
V1＞Vref，微型計算機17的MPU53可以檢測出直流接地，但電流差ΔI在I02～I0的範圍，檢測磁芯44的輸出電流I1仍在Iref以上，在該電流差ΔI的範圍中，儘管沒有發生直流接地，但微型計算機17的MPU53還是檢測出直流接地。
因此，在本實施例中，MPU53根據溫度傳感器50測定的檢測磁芯44附近的溫度，校正輸入到第1A/D埠48的電壓，無論實際的溫度如何，都進行將輸入到第1A/D埠48的電壓變換成基準溫度Tref時的電壓的溫度校正運算。
這裡，說明通常工作時的直流接地檢測裝置40的工作。
圖4是直流接地檢測裝置40的概要處理流程圖。
MPU53通過輸入輸出接口部51接受由檢測磁芯44和倍壓整流電路43輸入到第1A/D埠48的電壓，進行電流差測定(步驟S1)。
接著，MPU53通過輸入輸出接口部51接受由溫度傳感器50輸入到第2A/D埠49的電壓，進行檢測磁芯44附近的實際溫度Tm的測定(步驟S2)。
接著，MPU53參照ROM54，根據步驟S2中測定的溫度Tm，將輸入到第1A/D埠48的電壓值Vm校正到基準溫度Tref時的電壓值，進行求出校正電壓值Vmc的溫度校正運算(步驟S3)。
接著，MPU53判別校正電壓值Vmc是否在基準電壓Vref以上，判別是否可檢測出直流接地(步驟S4)。
在步驟S4的判別中，在校正電壓值Vmc低於基準電壓Vref時(步驟S4中為「否」)，MPU53沒有檢測出直流接地，結束該定時中的直流接地檢測處理。
在步驟S4的判別中，在校正電壓值Vmc在基準電壓Vref以上時(步驟S4中為「是」)，MPU53檢測出直流接地，進行電流電路的斷路、通知用戶(警報輸出、警報燈閃亮等)等接地檢測時處理(步驟S5)，結束直流接地檢測處理。
此外，在系統連接發電裝置10運轉停止時，來自太陽電池11的電流不流過直流線路39A、39B，所以來自電流傳感器41的檢測磁芯44的輸出電流也為零。微型計算機17的MPU53在系統連接發電裝置10運轉停止時，檢測磁芯44的輸出電流不為零，因而在電壓輸入到A/D埠48的情況下，判斷為在電流傳感器41上產生不良情況，並輸出例如警報等。
如以上說明的那樣，根據本發明，由具備普通交流漏電斷路器的低價ZCT(零相變流器)構成對流過連接到太陽電池11的直流線路39A、39B的電流之差進行測定的零相變流器(ZCT)41的檢測磁芯44，所以可以用低成本構成零相變流器(ZCT)41，同時通過使用該零相變流器(ZCT)41進行的直流接地的檢測，從而可在系統連接發電裝置10中確保安全性高。
這種情況下，測定檢測磁芯44附近的溫度，為了降低電流傳感器41的溫度依賴性的影響，進行溫度校正運算，所以不附加溫度校正電路，並且不選擇使用溫度偏差小的零相變流器(ZCT)，可高精度進行接地檢測。
以上，根據上述實施例說明了本發明，但本發明不限於此，在微型計算機17的內部，根據溫度傳感器50的測定值來校正零相變流器(ZCT)41的測定值，也可以根據溫度傳感器50的測定值來校正基準電壓Vref。
在上述實施例中，論述了發電單元是太陽電池11，系統連接發電裝置進行太陽光發電的情況，但也可以採用使用風力發電裝置等其他發電單元，將發電電力回饋給商用電源系統的結構。
在上述實施例中，論述了將直流接地檢測裝置40應用於太陽光發電的情況，但也可以應用於產生高電壓的燃料電池等中。
權利要求
1.一種直流接地檢測裝置，具有貫通一對直流電力線，輸出流過所述直流電力線的電流的電流差的零相變流器(ZCT)，根據所述電流差和預定的基準值來判斷所述直流電力線的接地，其特徵在於，該直流接地檢測裝置包括溫度傳感器，檢測所述零相變流器(ZCT)的溫度或該零相變流器附近的環境溫度；以及溫度校正部，根據所述溫度傳感器的檢測溫度來校正所述零相變流器(ZCT)輸出的電流差或所述基準值。
2.一種系統連接發電裝置，具有升壓電路，將發電單元供給的直流電力進行升壓；逆變器電路，將所述升壓電路升壓的直流電力變換成以規定頻率控制的交流電力；以及控制裝置，可將所述交流電力回饋給商用電源系統，控制所述升壓電路和所述頻率；並具有接地檢測裝置，檢測從所述發電單元供給所述直流電力的直流電力線的接地；其特徵在於，所述直流接地檢測裝置具有貫通一對直流電力線，輸出流過所述直流電力線電流的電流差的零相變流器(ZCT)，根據所述電流差和預定的基準值來判斷所述直流電力線的接地，並且包括溫度傳感器，檢測所述零相變流器(ZCT)的溫度或該零相變流器附近的環境溫度；以及溫度校正部，根據所述溫度傳感器的檢測溫度來校正所述零相變流器(ZCT)輸出的電流差或所述基準值。
3.如權利要求2所述的系統連接發電裝置，其特徵在於，所述發電單元是照射太陽光並產生所述直流電力的太陽電池。
全文摘要
提供一種直流接地檢測裝置，低成本並且高精度地檢測直流電流的接地，同時確保安全性高。該直流接地檢測裝置包括零相變流器(ZCT)(41)，通過檢測磁芯(44)測定流過多個直流線路(39A、39B)的直流電流的電流量之差，並輸出電流測定信號；溫度傳感器(50)，測定零相變流器(ZCT)(41)附近的溫度，輸出溫度測定信號；以及MPU(53)，將對應於測定信號的電流量之差以溫度測定信號所對應的溫度進行溫度校正，根據溫度校正後的電流量之差，檢測測定對象導線上產生的直流接地。
文檔編號H02H7/122GK1497259SQ0312488
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月29日 優先權日2002年10月10日
發明者萬裡小路正樹, 鬼塚圭吾, 牧野康弘, 吾, 弘 申請人:三洋電機株式會社, 三洋電機空調株式會社