用於太陽發電的接地故障保護設備,方法和太陽發電設備的製作方法
2023-06-29 16:00:26 2
專利名稱：用於太陽發電的接地故障保護設備,方法和太陽發電設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於太陽發電的接地故障保護設備和方法，以及使用該設備和方法的太陽發電設備，更具體地說，涉及用於保護太陽發電設備免受太陽電池陣列中所發生的接地故障的接地故障保護設備和為此的方法，以及使用該設備和方法的太陽發電設備。
太陽電池陣列有多個串聯/並聯連接的太陽電池，並且其裝設在室外，以便使各太陽電池受到太陽光線充足地照射。如果一個物體，例如不僅有金屬物體而且有動物或人類錯誤地與太陽電池形成接觸，以對地電位產生短路(接地故障)，則從安全角度考慮，就必須使結合了太陽電池陣列的太陽發電系統暫時停止其操作。這種停止大大影響了與該系統連接的負載。
圖2是一個方塊圖，表示與工業用交流電力系統連接，並且具有控制/保護裝置以作為反接地故障措施的太陽發電系統的布置。在圖2中，標號21表示太陽電池陣列；標號22表示變換器；標號23表示控制/保護裝置；標號24表示斷路裝置；以及標號25表示工業用交流電力系統。
在圖2所示太陽發電系統中，由太陽電池陣列21產生的直流功率通過變換器22送到工業用交流電力系統25。具有機械觸頭的斷路裝置24置於變換器22與工業用交流電力系統25之間。在系統故障時，執行斷路操作以使工業用交流電力系統25與變換器22電氣斷開，同時，執行所謂門塞操作以電子斷開變換器22中的開關元件。控制/保護裝置23檢測工業用交流電力系統25和太陽電池陣列21的狀態，並且引起執行斷路操作和門塞操作。更具體地說，在檢測到系統故障時，控制/保護裝置23對變換器22發送一個門塞信號，對斷路裝置24發送一個操作指令信號，以使變換器22和斷路裝置24相應地執行門塞操作和斷路操作。
系統故障例如包括工業用交流電力系統25中的異常及太陽電池陣列21的接地故障。特別是，在後種故障即接地故障中，執行下列保護操作之一。
(1)第一保護方法(瞬時停止式)響應接地故障檢測，使系統瞬時停止。
(2)第二保護方法(延遲停止式)在檢測到接地故障時，在預定延遲時間之後執行斷路操作。延遲時間一般設定為0.5sec或更小。
然而，這些保護方法具有下列缺點。
(1)瞬時執行斷路操作的第一保護方法容易因噪聲而引起錯誤操作。為此，不能大幅度地提高接地故障檢測靈敏度。如果經常發生錯誤操作，則斷路裝置24的使用壽命就隨斷路裝置24的機械觸頭的開關操作計數縮短。
(2)在按預定時間延遲斷路操作的第二保護方法中，當延遲時間短時，容易發生錯誤操作，並且如第一保護方法那樣，不能提高接地故障檢測靈敏度。當延遲時間設定為長時，則保護操作本身受到延遲，因此不能獲得保護效果。
本發明的一個目的是提供一種接地故障保護設備，它能夠以高靈敏度檢測太陽電池陣列中發生的接地故障，並且防止任何錯誤的接地故障檢測，以防止太陽發電設備不必要的停止；一種為此的方法；以及一種使用該設備和方法的太陽發電設備。
按照本發明的一個方面，提供一種用於保護太陽發電設備免受接地故障的保護設備，該保護設備包括檢測裝置，用於檢測太陽電池陣列中的接地故障；以及保護裝置，當檢測裝置檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號，以停止連接在太陽電池陣列與負載之間的變換器的操作，並且然後輸出一個斷路信號，以使變換器與負載斷開。
按照本發明的另一個方面，提供一種用於保護太陽發電設備免受接地故障的保護方法，該方法包括步驟檢測太陽電池陣列中的接地故障；在檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號，以停止連接在太陽電池陣列與負載之間的變換器的操作；以及在輸出變換器停止信號之後，輸出一個斷路信號，以使變換器與負載斷開。
按照本發明的又一個方面，提供一種太陽發電設備，該設備包括一個太陽電池陣列；一個變換器，以把太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；一個開關，以使變換器與負載連接/斷開；檢測裝置，以檢測太陽電池陣列中的接地故障；以及保護裝置，當檢測裝置檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號，以停止變換器的操作，並且然後輸出一個斷路信號，以把開關置為斷開狀態。
本發明的其它特點和優點將從以下連同附圖所作的敘述變得顯而易見，其中在其全部圖中同樣標號表示相同或相似部分。
圖1是表示按照本發明的接地故障保護設備的布置和操作的方塊圖；圖2是表示連接到工業用交流電力系統的太陽發電系統的布置的方塊圖；圖3是表示由接地故障保護設備所執行的保護操作的流程圖；圖4是表示接地故障保護設備中接地故障檢測器的布置的方塊圖；圖5是表示一般接地故障保護設備的保護操作的流程圖；以及圖6是表示一般接地故障保護設備的布置和操作的方塊圖。
以下將參考附圖詳細敘述按照本發明的太陽發電系統的優選實施例。
第一實施例本發明的工業用交流電力系統連接式太陽發電系統具有如圖2方塊圖所示布置那樣相同的布置。太陽電池陣列21通過串聯/並聯連接多個太陽電池模件構成。太陽電池模件有一個光電轉換部件，其例如由單晶矽，多晶矽，或非晶矽組成。在實施該實施例中，對太陽電池的類型和設置太陽電池的方法沒有特別限制。
在該實施例中，使用具有3,360W額定功率的太陽電池陣列21。對於太陽電池陣列21，串聯連接14個與屋頂部件整體形成的太陽電池模件(產品型號BS-03，可從CANON INC.買到)，以及並聯連接4個模件。
變換器22具有的功能，使用基於自滅弧器件的全橋電路把太陽電池陣列21產生的直流功率變換成交流功率，並且通過斷路裝置24把交流功率供給工業用交流電力系統25。變換器22結合一個使用微型控制器(微型電子計算機)的控制/保護裝置23。該微型控制器具有用程序實現的各種保護功能及功率變換控制功能。本發明的接地故障保護設備的功能以該控制/保護裝置23中的某些保護功能來實現。
圖4是表示構成控制/保護裝置23的接地故障檢測器的布置的方塊圖。參考圖4，標號11至15表示電阻器；標號16表示檢測器，用於檢測電壓差的絕對值；標號17表示比較器，以把檢測器16的輸出與一個門限值比較；以及標號21表示太陽電池陣列。
該接地故障檢測器具有一個由電阻器11和12構成的分壓器，以及一個由電阻器13和14構成的分壓器，這兩個分壓器並聯連接到太陽電池陣列21。電阻器11和12之間的中點A通過具有高電阻的電阻器15接地。中點A與中點B之間的電位差由檢測器16檢測。當電位差超過門限值Vref時，從比較器17輸出一個表示發生接地故障的檢測信號。通常，電阻R11至R14具有相同值，並且至少保持關係R11∶R12＝R13∶R14。
更具體地說，當在太陽電池陣列21中發生接地故障時，短路電流流到由太陽電池陣列21—電阻器11—電阻器15—太陽電池陣列21的迴路所組成的短路，或由太陽電池陣列21—電阻器12—電阻器15—太陽電池陣列21的迴路所組成的短路。電阻器11或12上的壓降因短路電流而增加。另一方面，流到電阻器13和14的電流不變。因此，在中點A與B之間產生與短路電流的大小成正比的電位差。
在該實施例中，使用Vref＝10V作門限值，用來檢測中點A與B之間的電位差。檢測電壓相應於約0.5MΩ介電電阻(短路電阻)，因此接地故障保護設備具有相當高的靈敏度。一般地，檢測電壓設定為50V或更大(按介質電阻則為100kΩ或更小)，即檢測靈敏度設定為相對低，以防止錯誤操作(錯誤檢測)。
對於檢測器，可以適當地使用已知方法，並且例如可以使用太陽電池陣列21的正電極與負電極之間的電流差值。
檢測信號輸入控制/保護裝置23。控制保護裝置23通常有一個微型控制器，並且一般地，檢測信號輸入該微型控制器的I/O口。對微型控制器的類型沒有特別限制。該實施例使用一種可從Mitsubishi Electric Corp.買到的微型控制器(產品型號M7710)。
圖1是表示構成圖2所示控制保護裝置23的接地故障保護設備的布置和操作的方塊圖。參考圖1，標號1表示接地故障檢測部分；標號2表示第一持續時間確認部分；標號3表示門塞信號發生部分；標號4表示第二持續時間確認部分；以及標號5表示斷路信號發生部分。接地故障檢測部分1相應於圖4所示接地故障檢測器。
在本發明中，接地故障檢測器，即接地故障檢測部分1輸出的檢測信號的持續時間由第一和第二持續時間確認部分2和4檢查，由此執行保護操作。保護操作本身則用結合在控制/保護裝置23中的微型控制器的程序來執行。圖3是保護操作程序的流程圖。
在本發明中，當在太陽電池陣列21中發生接地故障時，檢查接地故障檢測器輸出的檢測信號的持續時間，以確定隨後操作並執行保護。
第一持續時間確認部分2根據檢測部分1輸出的檢測信號，確定是否檢測到接地故障(步驟S1)。如果步驟S1為YES，處理等待預定時間T1(步驟S2)，然後，確定檢測信號是否繼續輸出(步驟S3)。當在T1之後檢測信號被禁止時，流程返回到步驟S1。如果檢測信號繼續輸出，則使門塞信號發生部分3輸出門塞信號(步驟S4)。
當流程進到步驟S4時，在經過比第一時間T1長的第二時間T2之後(步驟S5)，第二持續時間確認部分4確定是否繼續輸出檢測信號(步驟S6)。如果在步驟S6為YES，則使斷路信號發生部分5輸出斷路指令信號(步驟S8)，並且流程進到故障處理。如果在步驟S6為NO，則使門塞信號發生部分3取消門塞信號(步驟S7)，並且流程返回到步驟S1。
作為本發明的保護方法的特點，保護操作按兩步執行，即接地故障保護暫定地和完全地執行，如圖3所示。
在該實施例中，T1設定為約0.2sec，T2設定為約5sec。本發明人發現，應用這樣時間設定，保護操作以足夠實際的可靠性可靠地執行。除時間T2必須比時間T1長之外，沒有任何特別限制。然而，實際中，T1優選地設定在0.01sec到0.5sec範圍內，T2優選地為幾秒。
在該實施例中，當接地故障(更具體地說，接地故障檢測信號)持續0.2sec或更長時，執行變換器22的門塞操作以停止變換器22的功率變換操作。之後，當接地故障(更具體地說，接地故障檢測信號)持續5sec或更長時，第一次執行斷路操作。如果檢測信號的持續時間沒有達到5sec，則取消門塞操作，並且太陽發電系統返回到正常操作狀態。
由於變換器22的操作在較早定時停止，所以無安全問題提出。此外，由於到斷路操作的時間限值可以設定為足夠長，所以即使當提高接地故障檢測靈敏度時，也能防止斷路裝置24的錯誤操作，並且斷路裝置24的觸頭的使用壽命不會受到不利地影響。
為了進一步闡明該實施例的特點，將根據圖5和圖6敘述一般接地故障保護設備的操作。圖5是表示一般接地故障保護設備的操作的流程圖。圖6是表示一般接地故障保護設備的布置和操作的方塊圖。在圖6中，標號11表示檢測接地故障的檢測部分；標號16表示產生斷路指令信號和門塞信號的產生部分；以及標號26表示一般控制/保護裝置。
如圖5所示，在一般接地故障保護設備中，當在步驟S11檢測到接地故障時，產生一個斷路指令信號以操作斷路裝置24(步驟S12)。這個斷路操作是在檢測到接地故障之後經過預定時間(0.5sec或更短)時執行。然而，從安全角度考慮，是不允許在檢測到接故障幾秒之後執行斷路操作的。這是因為變換器22在幾秒內繼續其操作。此外，當檢測部分11的檢測靈敏度設定為高時，容易發生因噪聲引起的錯誤操作。斷路操作經常執行，並且使斷路裝置24中的觸頭的使用壽命縮短。
第二實施例在該實施例中，用螢光燈(100W，直管)作為負載以代替工業用交流電力系統25。
在不與工業用交流電力系統25連接的獨立太陽發電系統中，通常可以省略對與工業用系統連接的變換器來說是必需的許多保護功能。在該實施例中，通過修改按照第一實施例的控制/保護裝置23的程序，允許使用獨立的太陽發電系統。檢測接地故障的檢測器及保護方法與第一實施例相同。對於太陽電池陣列21，使用由14個串聯連接的多晶矽模件(可從KYOCERA Corp.，LA361K54買到)構成的太陽電池陣列。
當使得形成太陽電池陣列21的太陽電池模件的電極與地接觸，以有意地在太陽電池陣列21中產生接地故障時，證實了執行與第一實施例相同的保護操作。
如上所述，即使對獨立(非連接式)的太陽發電系統來說，本發明也能充分實現其目的。
(1)按照上述實施例的太陽發電系統，減少了接地故障保護設備的錯誤操作，並且能提供在長期操作期間具有高可靠性的太陽發電系統。更具體地說，能獲得下列效果。在保持高接地故障檢測靈敏度的同時，能防止太陽發電系統不必要的停止。由於所產生的功率不因不必要的停止而浪費，所以能改善太陽發電系統的發電效率。
(2)由於能減少錯誤的接地故障檢測，所以能降低斷路裝置開關操作的次數，並且能防止斷路裝置中觸頭的使用壽命縮短。
(3)由於能保持高接地故障檢測靈敏度，所以亦能檢測小電流(高接地故障電阻)的接地故障。因此，能大大增加太陽發電系統的安全性。
由於在不違反其精神和範圍下可以實現本發明的許多明顯大不相同的實施例，所以不用說，除附加權利所限定之外，本發明不限於其特定實施例。
權利要求
1.一種用於保護太陽發電設備免受接地故障的保護設備，所述保護設備包括檢測裝置，用於檢測太陽電池陣列中的接地故障；以及保護裝置，當所述檢測裝置檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號，以停止連接在所述太陽電池陣列與一個負載之間的變換器的操作，並且然後輸出一個斷路信號，以使所述變換器與所述負載斷開。
2.按照權利要求1的保護設備，其中當所述檢測裝置在比第一預定時間T1長的時期內檢測到接地故障時，輸出變換器停止信號，並且當在比第二預定時間T2(＞T1)長的時期內檢測到接地故障時，輸出斷路信號。
3.按照權利要求2的保護設備，其中當在比第二預定時間T2長的時期內未檢測到接地故障時，由所述保護裝置禁止變換器停止信號。
4.一種用於保護太陽發電設備免受接地故障的保護方法，該方法包括步驟檢測太陽電池陣列中的接地故障；在檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號，以停止連接在所述太陽電池陣列與一個負載之間的變換器的操作；以及在輸出變換器停止信號之後，輸出一個斷路信號，以使所述變換器與負載斷開。
5.按照權利要求4的方法，其中當在比第一預定時間T1長的時期內檢測到接地故障時，輸出變換器停止信號，並且當在比第二預定時間T2(＞T1)長的時期內檢測到接地故障時，輸出斷路信號。
6.按照權利要求5的方法，其中當在比第二預定時間T2長的時期內未檢測到接地故障時，禁止變換器停止信號。
7.一種太陽發電設備，該設備包括一個太陽電池陣列；一個變換器，以把所述太陽電池陣列輸出的直流功率變換成交流功率；一個開關，以使所述變換器與負載連接/斷開；檢測裝置，以檢測所述太陽電池陣列中的接地故障；以及保護裝置，當所述檢測裝置檢測到接地故障時，輸出一個變換器停止信號以停止所述變換器的操作，並且然後輸出一個斷路信號以把所述開關置為斷開狀態。
8.按照權利要求7的設備，其中當所述檢測裝置在比第一預定時間T1長的時期內檢測到接地故障時，輸出變換器停止信號，並且當在比第二預定時間T2(＞T1)長的時期內檢測到接地故障時，輸出斷路信號。
9.按照權利權利要求8的設備，其中當在比第二預定時間T2長的時期內未檢測到接地故障時，由所述保護裝置禁止變換器停止信號。
10.一種把太陽電池陣列提供的直流功率變換成交流功率的變換器設備，該設備包括檢測裝置，用於檢測所述太陽電池陣列中的接地故障；以及保護裝置，當所述檢測裝置檢測到接地故障時，輸出一個停止信號，以停止所述變換器設備的功率變換操作，並且然後輸出一個斷路信號，以使所述變換器設備與負載斷開。
11.按照權利要求10的設備，其中當所述檢測裝置在比第一預定時間T1長的時期內檢測到接地故障時，輸出停止信號，並且當在比第二預定時間T2(＞T1)長的時期內檢測到接地故障時，輸出斷路信號。
12.按照權利要求11的設備，其中當在比第二預定時間T2長的時期內未檢測到接地故障時，由所述保護裝置禁止停止信號。
全文摘要
一種保護太陽發電設備免受接地故障的接地故障保護設備,當在比時間T1長的時期內連續地檢測到太陽電池陣列中發生的接地故障時,首先輸出門塞信號,以停止連接在太陽電池陣列與負載之間的變換器的操作。當在比時間T2長的時期內連續地檢測到接地故障時,對斷路裝置輸出斷路指令信號,以使變換器與負載斷開。按照本發明的接地故障保護設備,能設定高接地故障檢測靈敏度並能防止太陽發電設備因錯誤的接地故障檢測而引起不必要的停止。
文檔編號H02H7/122GK1202752SQ9811475
公開日1998年12月23日 申請日期1998年6月12日 優先權日1997年6月13日
發明者竹原信善 申請人:佳能株式會社