专利名称：用于太阳发电的接地故障保护设备,方法和太阳发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于太阳发电的接地故障保护设备和方法，以及使用该设备和方法的太阳发电设备，更具体地说，涉及用于保护太阳发电设备免受太阳电池阵列中所发生的接地故障的接地故障保护设备和为此的方法，以及使用该设备和方法的太阳发电设备。
太阳电池阵列有多个串联/并联连接的太阳电池，并且其装设在室外，以便使各太阳电池受到太阳光线充足地照射。如果一个物体，例如不仅有金属物体而且有动物或人类错误地与太阳电池形成接触，以对地电位产生短路(接地故障)，则从安全角度考虑，就必须使结合了太阳电池阵列的太阳发电系统暂时停止其操作。这种停止大大影响了与该系统连接的负载。
图2是一个方块图，表示与工业用交流电力系统连接，并且具有控制/保护装置以作为反接地故障措施的太阳发电系统的布置。在图2中，标号21表示太阳电池阵列；标号22表示变换器；标号23表示控制/保护装置；标号24表示断路装置；以及标号25表示工业用交流电力系统。
在图2所示太阳发电系统中，由太阳电池阵列21产生的直流功率通过变换器22送到工业用交流电力系统25。具有机械触头的断路装置24置于变换器22与工业用交流电力系统25之间。在系统故障时，执行断路操作以使工业用交流电力系统25与变换器22电气断开，同时，执行所谓门塞操作以电子断开变换器22中的开关元件。控制/保护装置23检测工业用交流电力系统25和太阳电池阵列21的状态，并且引起执行断路操作和门塞操作。更具体地说，在检测到系统故障时，控制/保护装置23对变换器22发送一个门塞信号，对断路装置24发送一个操作指令信号，以使变换器22和断路装置24相应地执行门塞操作和断路操作。
系统故障例如包括工业用交流电力系统25中的异常及太阳电池阵列21的接地故障。特别是，在后种故障即接地故障中，执行下列保护操作之一。
(1)第一保护方法(瞬时停止式)响应接地故障检测，使系统瞬时停止。
(2)第二保护方法(延迟停止式)在检测到接地故障时，在预定延迟时间之后执行断路操作。延迟时间一般设定为0.5sec或更小。
然而，这些保护方法具有下列缺点。
(1)瞬时执行断路操作的第一保护方法容易因噪声而引起错误操作。为此，不能大幅度地提高接地故障检测灵敏度。如果经常发生错误操作，则断路装置24的使用寿命就随断路装置24的机械触头的开关操作计数缩短。
(2)在按预定时间延迟断路操作的第二保护方法中，当延迟时间短时，容易发生错误操作，并且如第一保护方法那样，不能提高接地故障检测灵敏度。当延迟时间设定为长时，则保护操作本身受到延迟，因此不能获得保护效果。
本发明的一个目的是提供一种接地故障保护设备，它能够以高灵敏度检测太阳电池阵列中发生的接地故障，并且防止任何错误的接地故障检测，以防止太阳发电设备不必要的停止；一种为此的方法；以及一种使用该设备和方法的太阳发电设备。
按照本发明的一个方面，提供一种用于保护太阳发电设备免受接地故障的保护设备，该保护设备包括检测装置，用于检测太阳电池阵列中的接地故障；以及保护装置，当检测装置检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号，以停止连接在太阳电池阵列与负载之间的变换器的操作，并且然后输出一个断路信号，以使变换器与负载断开。
按照本发明的另一个方面，提供一种用于保护太阳发电设备免受接地故障的保护方法，该方法包括步骤检测太阳电池阵列中的接地故障；在检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号，以停止连接在太阳电池阵列与负载之间的变换器的操作；以及在输出变换器停止信号之后，输出一个断路信号，以使变换器与负载断开。
按照本发明的又一个方面，提供一种太阳发电设备，该设备包括一个太阳电池阵列；一个变换器，以把太阳电池阵列输出的直流功率变换成交流功率；一个开关，以使变换器与负载连接/断开；检测装置，以检测太阳电池阵列中的接地故障；以及保护装置，当检测装置检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号，以停止变换器的操作，并且然后输出一个断路信号，以把开关置为断开状态。
本发明的其它特点和优点将从以下连同附图所作的叙述变得显而易见，其中在其全部图中同样标号表示相同或相似部分。
图1是表示按照本发明的接地故障保护设备的布置和操作的方块图；图2是表示连接到工业用交流电力系统的太阳发电系统的布置的方块图；图3是表示由接地故障保护设备所执行的保护操作的流程图；图4是表示接地故障保护设备中接地故障检测器的布置的方块图；图5是表示一般接地故障保护设备的保护操作的流程图；以及图6是表示一般接地故障保护设备的布置和操作的方块图。
以下将参考附图详细叙述按照本发明的太阳发电系统的优选实施例。
第一实施例本发明的工业用交流电力系统连接式太阳发电系统具有如图2方块图所示布置那样相同的布置。太阳电池阵列21通过串联/并联连接多个太阳电池模件构成。太阳电池模件有一个光电转换部件，其例如由单晶硅，多晶硅，或非晶硅组成。在实施该实施例中，对太阳电池的类型和设置太阳电池的方法没有特别限制。
在该实施例中，使用具有3,360W额定功率的太阳电池阵列21。对于太阳电池阵列21，串联连接14个与屋顶部件整体形成的太阳电池模件(产品型号BS-03，可从CANON INC.买到)，以及并联连接4个模件。
变换器22具有的功能，使用基于自灭弧器件的全桥电路把太阳电池阵列21产生的直流功率变换成交流功率，并且通过断路装置24把交流功率供给工业用交流电力系统25。变换器22结合一个使用微型控制器(微型电子计算机)的控制/保护装置23。该微型控制器具有用程序实现的各种保护功能及功率变换控制功能。本发明的接地故障保护设备的功能以该控制/保护装置23中的某些保护功能来实现。
图4是表示构成控制/保护装置23的接地故障检测器的布置的方块图。参考图4，标号11至15表示电阻器；标号16表示检测器，用于检测电压差的绝对值；标号17表示比较器，以把检测器16的输出与一个门限值比较；以及标号21表示太阳电池阵列。
该接地故障检测器具有一个由电阻器11和12构成的分压器，以及一个由电阻器13和14构成的分压器，这两个分压器并联连接到太阳电池阵列21。电阻器11和12之间的中点A通过具有高电阻的电阻器15接地。中点A与中点B之间的电位差由检测器16检测。当电位差超过门限值Vref时，从比较器17输出一个表示发生接地故障的检测信号。通常，电阻R11至R14具有相同值，并且至少保持关系R11∶R12＝R13∶R14。
更具体地说，当在太阳电池阵列21中发生接地故障时，短路电流流到由太阳电池阵列21—电阻器11—电阻器15—太阳电池阵列21的回路所组成的短路，或由太阳电池阵列21—电阻器12—电阻器15—太阳电池阵列21的回路所组成的短路。电阻器11或12上的压降因短路电流而增加。另一方面，流到电阻器13和14的电流不变。因此，在中点A与B之间产生与短路电流的大小成正比的电位差。
在该实施例中，使用Vref＝10V作门限值，用来检测中点A与B之间的电位差。检测电压相应于约0.5MΩ介电电阻(短路电阻)，因此接地故障保护设备具有相当高的灵敏度。一般地，检测电压设定为50V或更大(按介质电阻则为100kΩ或更小)，即检测灵敏度设定为相对低，以防止错误操作(错误检测)。
对于检测器，可以适当地使用已知方法，并且例如可以使用太阳电池阵列21的正电极与负电极之间的电流差值。
检测信号输入控制/保护装置23。控制保护装置23通常有一个微型控制器，并且一般地，检测信号输入该微型控制器的I/O口。对微型控制器的类型没有特别限制。该实施例使用一种可从Mitsubishi Electric Corp.买到的微型控制器(产品型号M7710)。
图1是表示构成图2所示控制保护装置23的接地故障保护设备的布置和操作的方块图。参考图1，标号1表示接地故障检测部分；标号2表示第一持续时间确认部分；标号3表示门塞信号发生部分；标号4表示第二持续时间确认部分；以及标号5表示断路信号发生部分。接地故障检测部分1相应于图4所示接地故障检测器。
在本发明中，接地故障检测器，即接地故障检测部分1输出的检测信号的持续时间由第一和第二持续时间确认部分2和4检查，由此执行保护操作。保护操作本身则用结合在控制/保护装置23中的微型控制器的程序来执行。图3是保护操作程序的流程图。
在本发明中，当在太阳电池阵列21中发生接地故障时，检查接地故障检测器输出的检测信号的持续时间，以确定随后操作并执行保护。
第一持续时间确认部分2根据检测部分1输出的检测信号，确定是否检测到接地故障(步骤S1)。如果步骤S1为YES，处理等待预定时间T1(步骤S2)，然后，确定检测信号是否继续输出(步骤S3)。当在T1之后检测信号被禁止时，流程返回到步骤S1。如果检测信号继续输出，则使门塞信号发生部分3输出门塞信号(步骤S4)。
当流程进到步骤S4时，在经过比第一时间T1长的第二时间T2之后(步骤S5)，第二持续时间确认部分4确定是否继续输出检测信号(步骤S6)。如果在步骤S6为YES，则使断路信号发生部分5输出断路指令信号(步骤S8)，并且流程进到故障处理。如果在步骤S6为NO，则使门塞信号发生部分3取消门塞信号(步骤S7)，并且流程返回到步骤S1。
作为本发明的保护方法的特点，保护操作按两步执行，即接地故障保护暂定地和完全地执行，如图3所示。
在该实施例中，T1设定为约0.2sec，T2设定为约5sec。本发明人发现，应用这样时间设定，保护操作以足够实际的可靠性可靠地执行。除时间T2必须比时间T1长之外，没有任何特别限制。然而，实际中，T1优选地设定在0.01sec到0.5sec范围内，T2优选地为几秒。
在该实施例中，当接地故障(更具体地说，接地故障检测信号)持续0.2sec或更长时，执行变换器22的门塞操作以停止变换器22的功率变换操作。之后，当接地故障(更具体地说，接地故障检测信号)持续5sec或更长时，第一次执行断路操作。如果检测信号的持续时间没有达到5sec，则取消门塞操作，并且太阳发电系统返回到正常操作状态。
由于变换器22的操作在较早定时停止，所以无安全问题提出。此外，由于到断路操作的时间限值可以设定为足够长，所以即使当提高接地故障检测灵敏度时，也能防止断路装置24的错误操作，并且断路装置24的触头的使用寿命不会受到不利地影响。
为了进一步阐明该实施例的特点，将根据图5和图6叙述一般接地故障保护设备的操作。图5是表示一般接地故障保护设备的操作的流程图。图6是表示一般接地故障保护设备的布置和操作的方块图。在图6中，标号11表示检测接地故障的检测部分；标号16表示产生断路指令信号和门塞信号的产生部分；以及标号26表示一般控制/保护装置。
如图5所示，在一般接地故障保护设备中，当在步骤S11检测到接地故障时，产生一个断路指令信号以操作断路装置24(步骤S12)。这个断路操作是在检测到接地故障之后经过预定时间(0.5sec或更短)时执行。然而，从安全角度考虑，是不允许在检测到接故障几秒之后执行断路操作的。这是因为变换器22在几秒内继续其操作。此外，当检测部分11的检测灵敏度设定为高时，容易发生因噪声引起的错误操作。断路操作经常执行，并且使断路装置24中的触头的使用寿命缩短。
第二实施例在该实施例中，用荧光灯(100W，直管)作为负载以代替工业用交流电力系统25。
在不与工业用交流电力系统25连接的独立太阳发电系统中，通常可以省略对与工业用系统连接的变换器来说是必需的许多保护功能。在该实施例中，通过修改按照第一实施例的控制/保护装置23的程序，允许使用独立的太阳发电系统。检测接地故障的检测器及保护方法与第一实施例相同。对于太阳电池阵列21，使用由14个串联连接的多晶硅模件(可从KYOCERA Corp.，LA361K54买到)构成的太阳电池阵列。
当使得形成太阳电池阵列21的太阳电池模件的电极与地接触，以有意地在太阳电池阵列21中产生接地故障时，证实了执行与第一实施例相同的保护操作。
如上所述，即使对独立(非连接式)的太阳发电系统来说，本发明也能充分实现其目的。
(1)按照上述实施例的太阳发电系统，减少了接地故障保护设备的错误操作，并且能提供在长期操作期间具有高可靠性的太阳发电系统。更具体地说，能获得下列效果。在保持高接地故障检测灵敏度的同时，能防止太阳发电系统不必要的停止。由于所产生的功率不因不必要的停止而浪费，所以能改善太阳发电系统的发电效率。
(2)由于能减少错误的接地故障检测，所以能降低断路装置开关操作的次数，并且能防止断路装置中触头的使用寿命缩短。
(3)由于能保持高接地故障检测灵敏度，所以亦能检测小电流(高接地故障电阻)的接地故障。因此，能大大增加太阳发电系统的安全性。
由于在不违反其精神和范围下可以实现本发明的许多明显大不相同的实施例，所以不用说，除附加权利所限定之外，本发明不限于其特定实施例。
权利要求
1.一种用于保护太阳发电设备免受接地故障的保护设备，所述保护设备包括检测装置，用于检测太阳电池阵列中的接地故障；以及保护装置，当所述检测装置检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号，以停止连接在所述太阳电池阵列与一个负载之间的变换器的操作，并且然后输出一个断路信号，以使所述变换器与所述负载断开。
2.按照权利要求1的保护设备，其中当所述检测装置在比第一预定时间T1长的时期内检测到接地故障时，输出变换器停止信号，并且当在比第二预定时间T2(＞T1)长的时期内检测到接地故障时，输出断路信号。
3.按照权利要求2的保护设备，其中当在比第二预定时间T2长的时期内未检测到接地故障时，由所述保护装置禁止变换器停止信号。
4.一种用于保护太阳发电设备免受接地故障的保护方法，该方法包括步骤检测太阳电池阵列中的接地故障；在检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号，以停止连接在所述太阳电池阵列与一个负载之间的变换器的操作；以及在输出变换器停止信号之后，输出一个断路信号，以使所述变换器与负载断开。
5.按照权利要求4的方法，其中当在比第一预定时间T1长的时期内检测到接地故障时，输出变换器停止信号，并且当在比第二预定时间T2(＞T1)长的时期内检测到接地故障时，输出断路信号。
6.按照权利要求5的方法，其中当在比第二预定时间T2长的时期内未检测到接地故障时，禁止变换器停止信号。
7.一种太阳发电设备，该设备包括一个太阳电池阵列；一个变换器，以把所述太阳电池阵列输出的直流功率变换成交流功率；一个开关，以使所述变换器与负载连接/断开；检测装置，以检测所述太阳电池阵列中的接地故障；以及保护装置，当所述检测装置检测到接地故障时，输出一个变换器停止信号以停止所述变换器的操作，并且然后输出一个断路信号以把所述开关置为断开状态。
8.按照权利要求7的设备，其中当所述检测装置在比第一预定时间T1长的时期内检测到接地故障时，输出变换器停止信号，并且当在比第二预定时间T2(＞T1)长的时期内检测到接地故障时，输出断路信号。
9.按照权利权利要求8的设备，其中当在比第二预定时间T2长的时期内未检测到接地故障时，由所述保护装置禁止变换器停止信号。
10.一种把太阳电池阵列提供的直流功率变换成交流功率的变换器设备，该设备包括检测装置，用于检测所述太阳电池阵列中的接地故障；以及保护装置，当所述检测装置检测到接地故障时，输出一个停止信号，以停止所述变换器设备的功率变换操作，并且然后输出一个断路信号，以使所述变换器设备与负载断开。
11.按照权利要求10的设备，其中当所述检测装置在比第一预定时间T1长的时期内检测到接地故障时，输出停止信号，并且当在比第二预定时间T2(＞T1)长的时期内检测到接地故障时，输出断路信号。
12.按照权利要求11的设备，其中当在比第二预定时间T2长的时期内未检测到接地故障时，由所述保护装置禁止停止信号。
全文摘要
一种保护太阳发电设备免受接地故障的接地故障保护设备,当在比时间T1长的时期内连续地检测到太阳电池阵列中发生的接地故障时,首先输出门塞信号,以停止连接在太阳电池阵列与负载之间的变换器的操作。当在比时间T2长的时期内连续地检测到接地故障时,对断路装置输出断路指令信号,以使变换器与负载断开。按照本发明的接地故障保护设备,能设定高接地故障检测灵敏度并能防止太阳发电设备因错误的接地故障检测而引起不必要的停止。
文档编号H02H7/122GK1202752SQ9811475
公开日1998年12月23日 申请日期1998年6月12日 优先权日1997年6月13日
发明者竹原信善 申请人:佳能株式会社