用于使用AC剩余电流检测在DC电源中进行故障检测的系统和装置.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103718055 A (43)申请公布日 2014.04.09 CN 103718055 A (21)申请号 201280037689.4 (22)申请日 2012.07.20 13/193,026 2011.07.28 US G01R 31/40(2014.01) (71)申请人 伊顿公司 地址 美国俄亥俄州 (72)发明人 GW小奥顿 Y刘 D达斯 PS泰梅拉 BL康普顿 (74)专利代理机构 北京市中咨律师事务所 11247 代理人 杨晓光 于静 (54) 发明名称 用于使用 AC 剩余电流检测在 DC 电源中进行 故障检测的系统和装置 (57) 摘要 通过检。

2、测 DC 电源的剩余电流的 AC 分量中的 变化来识别 DC 电源 （例如电池串或光伏电池单体 串） 中的故障。在一些实施例中， DC 电源被耦合 到至少一条 DC 总线， 并且方法进一步包括在所述 至少一条 DC 总线上产生 AC 电压。例如， DC 电源 可以被耦合到不间断电源 （UPS） 系统的被调制的 DC 总线， 该不间断电源 （UPS） 系统包括具有耦合 到DC总线的输入的逆变器。 该逆变器可以被配置 为产生 AC 输出电压， 并且 AC 分量具有作为 AC 输 出电压的基波频率的谐波的频率， 例如 AC 输出电 压的基波频率的三次谐波。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请。

3、进入国家阶段日 2014.01.28 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/047671 2012.07.20 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/016216 EN 2013.01.31 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 14 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图14页 (10)申请公布号 CN 103718055 A CN 103718055 A 1/2 页 2 1. 一种监测 DC 电压源的方法， 该方法包括 ： 通过检测 DC 电压源的剩余电流的 AC 分量中的变化。

4、来识别 DC 电压源中的故障。 2.根据权利要求1的方法， 其中DC电压源被耦合到至少一条DC总线， 并且其中该方法 进一步包括在所述至少一条 DC 总线上产生 AC 电压。 3. 根据权利要求 1 的方法， 其中 DC 电压源被耦合到不间断电源 （UPS） 系统的 DC 总线， 该不间断电源 （UPS） 系统包括具有被耦合到 DC 总线的输入的逆变器， 并且其中该方法进一 步包括在 UPS 系统的 DC 总线上产生具有 AC 分量的电压。 4. 根据权利要求 3 的方法， 其中 UPS 系统包括第一和第二 DC 总线和中性， 并且其中在 UPS 系统的 DC 总线上产生具有 AC 分量的电压。

5、包括相对于该中性改变第一和第二 DC 总线。 5.根据权利要求3的方法， 其中逆变器被配置为产生AC输出电压， 并且其中AC分量具 有作为 AC 输出电压的基波频率的谐波的频率。 6.根据权利要求5的方法， 其中AC分量的频率是AC输出电压的基波频率的三次谐波。 7. 根据权利要求 1 的方法， 其中 DC 电压源包括串联连接的电压源构成的串。 8.根据权利要求7的方法， 其中DC电压源包括串联连接的电化学电池单体构成的串或 串联连接的光伏电池单体构成的串。 9. 根据权利要求 1 的方法， 其中通过检测 DC 电压源的剩余电流的 AC 分量中的变化来 识别 DC 电压源中的故障包括通过检测 。

6、DC 电压源的剩余电流的 AC 分量中的变化来识别 DC 电压源中的第一故障， 并且其中该方法进一步包括通过检测 DC 电压源的剩余电流的振幅 中的变化来识别 DC 电压源中的第二故障。 10. 根据权利要求 9 的方法， 其中通过检测 DC 电压源的剩余电流的振幅中的变化来识 别 DC 电压源中的第二故障包括检测剩余电流的 RMS 或峰值中的变化。 11. 一种用于监测 DC 电压源的系统， 该系统包括 ： 电流传感器， 其被配置为检测 DC 电压源的剩余电流 ； 和 故障检测电路， 其被耦合到电流传感器， 并被配置为检测DC电压源的剩余电流的AC分 量中的变化并响应于该变化识别 DC 电压。

7、源中的故障。 12.根据权利要求11的系统， 其中DC电压源被耦合到至少一条DC总线， 并且其中该系 统进一步包括用于在所述至少一条 DC 总线上产生 AC 电压的装置。 13. 根据权利要求 12 的系统， 其中用于在所述至少一条 DC 总线上产生 AC 电压的装置 包括不间断电源 （UPS） 系统。 14. 根据权利要求 13 的系统， 其中 UPS 系统包括第一和第二 DC 总线和中性， 并且被配 置为相对于该中性改变第一和第二 DC 总线。 15.根据权利要求13的系统， 其中UPS系统包括被耦合到所述至少一条DC总线并被配 置为产生 AC 输出电压的逆变器， 并且其中 AC 分量具有。

8、作为 AC 输出电压的基波频率的谐波 的频率。 16. 根据权利要求 15 的系统， 其中 AC 分量的频率是 AC 输出电压的基波频率的三次谐 波。 17. 根据权利要求 11 的系统， 其中 DC 电压源包括串联连接的电压源构成的串。 18.根据权利要求11的系统， 其中DC电压源包括串联连接的电化学电池单体构成的串 或串联连接的光伏电池单体构成的串。 权 利 要 求 书 CN 103718055 A 2 2/2 页 3 19.根据权利要求11的系统， 其中故障检测电路被配置为通过检测DC电压源的剩余电 流的 AC 分量中的变化来识别 DC 电压源中的第一故障， 和通过检测 DC 电压源的。

9、剩余电流的 振幅中的变化来识别 DC 电压源中的第二故障。 20. 根据权利要求 19 的方法， 其中故障检测电路被配置为通过检测剩余电流的 RMS 或 峰值中的变化来识别 DC 电压源中的第二故障。 21. 一种不间断电源 （UPS） 系统， 包括 ： DC 总线 ； DC 总线调制电路， 其被配置为在 DC 总线上产生 AC 分量 ； 逆变器， 其具有被耦合到 DC 总线的输入并被配置为从该输入产生 AC 输出电压 ； DC 电压源， 其被耦合到 DC 总线 ； 电流传感器， 其被配置为检测 DC 电压源的剩余电流 ； 和 故障检测电路， 其被耦合到电流传感器， 并被配置为检测DC电压源的。

10、剩余电流的AC分 量中的变化并响应于该变化识别 DC 电压源中的故障。 22.根据权利要求21的系统， 其中DC总线包括第一和第二DC总线， 其中该系统进一步 包括中性， 并且其中 DC 总线调制电路被配置为相对于该中性改变第一和第二 DC 总线。 23. 根据权利要求 21 的系统， 其中 DC 总线调制电路包括中性耦合电路， 该中性耦合电 路被配置为将第一和第二 DC 总线选择性地耦合到中性。 24. 根据权利要求 21 的系统， 其中 AC 分量具有作为 AC 输出电压的基波频率的谐波的 频率。 25. 根据权利要求 24 的系统， 其中 AC 分量的频率是 AC 输出电压的基波频率的三。

11、次谐 波。 26. 根据权利要求 21 的系统， 其中 DC 电压源包括串联连接的电压源构成的串。 27.根据权利要求21的系统， 其中DC电压源包括串联连接的电化学电池单体构成的串 或串联连接的光伏电池单体构成的串。 28.根据权利要求21的系统， 其中故障检测电路被配置为通过检测DC电压源的剩余电 流的 AC 分量中的变化来识别 DC 电压源中的第一故障， 和通过检测 DC 电压源的剩余电流的 振幅中的变化来识别 DC 电压源中的第二故障。 29.根据权利要求8的方法， 其中故障检测电路被配置为通过检测剩余电流的RMS或峰 值中的变化来识别 DC 电压源中的第二故障。 权 利 要 求 书 。

12、CN 103718055 A 3 1/6 页 4 用于使用 AC 剩余电流检测在 DC 电源中进行故障检测的系 统和装置 技术领域 0001 本发明的主题涉及电力系统和方法， 更具体地， 涉及在使用 DC 电源的电力系统中 的故障检测。 背景技术 0002 用于服务 AC 负载的电力转换系统通常包括从由电源所提供的 DC 电压产生 AC 输 出的逆变器。例如， 用于在关键应用中提供不间断电力的不间断电源 （UPS） 系统， 在主电源 （例如 AC 市电电源） 发生故障的情况下， 通常使用电池或其它的 DC 电源来给逆变器提供备 用电力。用于将光伏面板连接到 AC 配电系统的转换器通常也包括操作。

13、于由光伏面板所提 供的 DC 电力的逆变器。一些 UPS 系统也可以被设计成从光伏面板向 AC 负载提供电力， 例 如， 正如在 2010 年 5 月 13 日提交的序列号为 12/779,522 的美国专利申请所述。 0003 在许多这样的应用中， DC 电源也可以其相对于系统接地 “浮动” 的方式操作。然 而， 由于环境污染、 电解质泄漏、 冲击损害和 / 或其它的事件， 造成在这样的系统中也许会 发生接地故障。这样的接地故障可能会造成操作和安全问题。用于检测和处理电池和光伏 系统中的接地故障的技术例如被描述在编号 6,593,520 的美国专利、 编号 6,320,769 的美 国专利、。

14、 编号 7,079,406 的美国专利、 编号 6,856,497 的美国专利、 编号 7,005,883 的美国 专利和编号 6,930,868 的美国专利之中。 发明内容 0004 本发明的主题的一些实施例提供了一种监测 DC 电源 （例如电化学或光伏电池单 体构成的串） 的方法。DC 电源中的故障通过检测 DC 电源的剩余电流 （residual current） 的 AC 分量中的变化来识别。在一些实施例中， DC 电源被耦合到至少一条 DC 总线， 并且该 方法进一步包括在所述至少一条 DC 总线上产生 AC 电压。例如， DC 电源可以被耦合到不间 断电源 （UPS） 系统的 DC。

15、 总线， 该不间断电源 （UPS） 系统包括具有被耦合到 DC 总线的输入 的逆变器， 并且该方法可以包括在 UPS 系统的 DC 总线上产生具有 AC 分量的电压。在一些 实施例中， UPS 系统包括第一和第二 DC 总线和中性 （neutral） ， 并且在 UPS 系统的 DC 总线 上产生具有 AC 分量的电压包括相对于该中性改变第一和第二 DC 总线。该逆变器可以被配 置成产生 AC 输出电压， 并且 AC 分量具有作为 AC 输出电压的基波频率的谐波 （例如， 三次谐 波） 的频率。 0005 在进一步的实施例中， 通过检测 DC 电源的剩余电流的 AC 分量中的变化来识别 DC 。

16、电源中的故障可以包括通过检测 DC 电源的剩余电流的 AC 分量中的变化来识别 DC 电源中 的第一故障。该方法可以进一步包括通过检测 DC 电源的剩余电流的振幅中的变化来识别 DC电源中的第二故障。 通过检测DC电源的剩余电流的振幅中的变化来识别DC电源中的第 二故障可以包括检测剩余电流的 RMS 或峰值中的变化。 0006 本发明的主题的进一步的实施例提供一种用于监测 DC 电源的系统。该系统包括 说 明 书 CN 103718055 A 4 2/6 页 5 电流传感器和故障检测电路， 该电流传感器被配置为检测 DC 电源的剩余电流， 该故障检测 电路耦合到该电流传感器并被配置为检测DC电。

17、源的剩余电流的AC分量中的变化并响应于 该变化识别 DC 电源中的故障。该 DC 电源可以被耦合到至少一条 DC 总线， 并且该系统可以 进一步包括用于在所述至少一条 DC 总线上产生 AC 电压的装置。 0007 进一步的实施例提供一种 UPS 系统， 该 UPS 系统包括 DC 总线， 被配置为在 DC 总线 上产生 AC 分量的 DC 总线调制电路、 和具有被耦合到 DC 总线的输入并被配置为从该输入产 生 AC 输出电压的逆变器。该系统进一步包括被耦合到 DC 总线的 DC 电源、 被配置为检测 DC 电源的剩余电流的电流传感器、 和被耦合到电流传感器并被配置为检测 DC 电源的剩余电。

18、 流的 AC 分量中的变化并响应于该变化识别 DC 电源中的故障的故障检测电路。该 DC 总线 可以包括第一和第二 DC 总线， 并且该 DC 总线调制电路可以被配置为相对于中性改变第一 和第二 DC 总线。该 DC 总线调制电路可以包括被配置为将第一和第二 DC 总线选择性地耦 合到中性的中性耦合电路。 附图说明 0008 图 1 和 2 是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于在包括 DC 电源的电力装 置中进行故障识别的装置和方法的示意图。 0009 图 3 是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于在与逆变器连接的 DC 电源中 进行故障识别的装置和方法的示意图。 0010 图 4 是示。

19、出根据本发明的主题的一些实施例的用于在与具有 DC 总线调制的 UPS 连接的 DC 电源中进行故障识别的装置和方法的示意图。 0011 图 5 是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于在与具有 DC 总线调制的 UPS 模块连接的 DC 电源中进行故障识别的装置和方法的示意图。 0012 图6是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于在与多模块UPS连接的电池和 光伏电源中进行故障识别的装置和方法的示意图。 0013 图 7 是示出在图 6 的装置中所使用的 UPS 模块的示意图。 0014 图 8 是示出光伏阵列模型的示意图。 0015 图 9-15 是示出在各种故障条件下在光伏阵列中模拟的。

20、剩余电流特性的图。 0016 图 16 是示出根据本发明的主题的一些实施例的故障识别操作的流程图。 0017 图 17 和 18 是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于 DC 电源的 AC 激励的各 种技术的示意图。 0018 图 19 和 20 是示出根据本发明的主题的一些实施例的用于 DC 电源的剩余电流的 检测和分析的各种技术的示意图。 具体实施方式 0019 本发明的主题的具体的实施例现在将参考附图来描述。 本发明的主题虽然可以许 多不同的形式来体现， 但是不应被解释为限于本文所阐述的实施例 ； 更确切地说， 这些实施 例被提供， 以便本公开将是彻底的和完整的， 并向本领域的技术人员。

21、充分地传达本发明的 主题的范围。在图中， 相同的数字指示相同的元件。将会被理解的是， 当一元件被提及为 “连接” 或 “耦合” 到另一元件时， 它可以是直接连接或耦合到其它的元件， 或者也许存在中 说 明 书 CN 103718055 A 5 3/6 页 6 间元件。本文所使用的术语 “和 / 或” 包括一个或多个相关联的列出项的任意和全部组合。 0020 本文所使用的术语仅出于描述具体的实施例的目的， 而不旨在对本发明的主题进 行限制。正如本文所使用的， 单数形式 “一” 、“一个” 和 “该” 也旨在包括复数形式， 除非另 有明确说明。将会被进一步理解的是， 术语 “包括” 、“包含” 、。

22、“包括” 和 / 或 “包含” ， 在本说 明书中使用时， 指定所述的特征、 整体、 步骤、 操作、 元件， 和 / 或部件的存在， 但是不排除一 个或多个其它的特征、 整体、 步骤、 操作、 元件、 部件和 / 或它们的群组的存在或添加。 0021 除非另有定义， 本文所使用的所有术语 （包括技术和科学术语） 具有与本发明的主 题所属领域的普通技术人员的一般理解相同的含义。将会被进一步理解的是， 例如那些在 常用字典中所定义的术语应该被解释为具有这样的含义 ： 即， 该含义与它们在本说明书的 上下文和相关领域中的含义相一致， 并且不会在理想化或过于正式的意义上被解释， 除非 在本文中明确地这。

23、样定义。 0022 正如被本领域的技术人员所理解的那样， 本发明的主题可以被体现为系统和方 法。本发明的主题的一些实施例可以包括硬件和 / 或硬件和软件的组合。本发明的主题的 一些实施例包括被配置为提供本文所描述的功能的电路。将被理解的是， 这样的电路可以 包括模拟电路、 数字电路、 及模拟和数字电路的组合。 0023 本发明的主题的实施例参照根据本发明的主题的各种实施例的系统和方法的示 图被描述如下。将会被理解的是， 示图的每个块和示图中的块的组合， 可以通过模拟和 / 或 数字硬件， 和 / 或计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、 专用计算机、 ASIC、 和 。

24、/ 或其它的可编程数据处理装置的处理器， 使得通过计算机和 / 或其 它的可编程数据处理装置的处理器进行执行的指令， 创建用于实现在示图中指定的功能 / 行为的单元。 0024 图 1 示出了根据本发明的主题的一些实施例的装置和方法。第一和第二 DC 总线 10a、 10b 分别在相对于中性节点 N 的第一和第二电压 VDC+和 VDC-上， 在所说明的实施例中， 中性节点 N 被接地。总线电压 VDC+和 VDC-中的每一个都包括相对于中性节点 N 的 AC 分量。 该 AC 分量可以多种不同的方式来产生， 下面会做更详细的解释。接口电路 20 将 DC 电源 30 连接到 DC 总线 10。

25、a、 10b。DC 电源 30 例如可以包括一串或多串串联连接的电化学电池单体 （cell） 或一串或多串串联连接的光伏电池单体 （例如， 太阳能电池板） 。接口电路 20 例如可 以包括在 DC 电源 30 与 DC 总线 10a、 10b 之间的中间转换电路 （例如， DC/DC 转换器） 或直接 连接。 0025 作为进一步的说明， AC 故障识别电路 100 被配置为感测 DC 电源 30 的剩余 （即， 净 （net） ） 电流 iR， 并响应于检测到的剩余电流 iR的 AC 分量检测 DC 电源 30 的故障。例如， 在 以下被描述的实施例中， AC 故障检测电路 30 可以被配置。

26、为检测 AC 电流分量， 该 AC 电流分 量具有与由耦合到 DC 总线 10a、 10b 的逆变器所产生的 AC 电压的谐波相关联的频率。这样 的检测信息例如可以被用于区别低阻抗故障和高阻抗故障， 并基于检测到的故障的性质采 取相应的行动。 0026 图 2 示出了本发明的主题的示例应用。以电化学电池单体或光伏电池单体串 30 的形式的 DC 电源， 使用半桥转换电路 20 而被连接到 DC 总线 10a、 10b。转换电路 20 包 括第一和第二开关 S1、 S2（例如， 晶体管） ， 该第一和第二开关 S1、 S2 通过电感器 L 将串 30 选择性地耦合到 DC 总线 10a、 10b。

27、。AC 故障检测电路 200 被配置为感测电池单体串 30 的 说 明 书 CN 103718055 A 6 4/6 页 7 剩余电流 iR， 并响应于感测到的剩余电流 iR的 AC 分量检测在串 30 中的故障。 0027 图 3 示出了在电力转换系统中这样的布置的实施， 该电力转换系统包括逆变器 50， 该逆变器 50 被配置为从 DC 总线 10a、 10b 输送的电力产生 AC 输出。图 3 中的系统包括 半桥转换电路 20 ， 该半桥转换电路 20 包括被配置为将电池或光伏电池单体串 30 沿着上 述的线路连接到 DC 总线 10a、 10b 的开关 S1、 S2 和电感器 L1。该。

28、系统进一步包括中性耦合 电路40， 该中性耦合电路40包括被配置为通过电感器L2将DC总线10a、 10b选择性地耦合 到中性节点 N 的开关 S3、 S4。中性耦合电路 40 可以被用于在 DC 总线电压 VDC+和 VDC-中产 生 AC 分量。 0028 正如所解释的那样， 例如， 在 Tracy 等的编号 7,088,601 的美国专利中，（将 其全文通过引用的方式并入于此） ， 这样的中性耦合电路可以被用于相对于中性 N 调制 （modulate） 或改变 （shift） DC 总线 10a、 10b， 以在 DC 总线电压 VDC+和 VDC-中创建 AC 电压 分量。在三相 UP。

29、S 应用中， 该 AC 分量可以具有一频率， 该频率是由 UPS 的逆变器所产生的 AC 输出的基波频率 （例如， 60Hz） 的三次谐波。将会被理解的是， 这种技术代表了出于故障 检测目的的在剩余电流 iR中产生 AC 分量的一种方式， 但是其它的技术可以被使用在本发 明的主题的范围内。 0029 图 4 示出了根据进一步实施例的 UPS 系统 400。该 UPS 系统 400 包括整流器电路 60， 该整流器电路 60 被配置为耦合到 AC 源 70（例如， 三相 AC 市电电源） ， 并在第一和第二 DC 总线 10a、 10b 上产生第一和第二 DC 电压 VDC+和 VDC-。该系统。

30、 400 也包括中性耦合电路 40， 该中性耦合电路 40 被配置为相对于中性 N 调制 DC 总线电压 VDC+和 VDC-， 该中性 N 被示 为接地。该系统 400 进一步包括被耦合到 DC 总线 10a、 10b 并被配置为产生 AC 输出的输出 逆变器 50、 和将 DC 电源 （例如， 电池或光伏电池单体串 30 ） 连接到 DC 总线 10a、 10b 的转换 电路 20 。AC 故障检测电路 200 被配置为例如使用上述技术， 响应于电池或光伏电池单体 串的剩余电流的 AC 分量检测电池或光伏电池单体串 30 中的故障。将被理解的是， AC 故障 检测电路 200 可以是独立装。

31、置 （或装置的组合） ， 或者可以与电池或光伏电池单体串 30 合 并或与 UPS 系统 400 合并。 0030 一些UPS系统采用使用UPS模块的可扩展的模块化架构， 这些UPS模块沿着图4中 的系统 400 的线路提供功能， 并被并联耦合以向负载提供电力。图 5 示出了这样的 UPS 模 块 500 的示例， 包括整流器电路 510、 逆变器电路 520 和中性耦合电路 540。DC/DC 转换电路 530 被用于将电池或光伏电池单体串 30 连接到模块 500。可以沿着上述线路通过 AC 故障 检测电路 200 来检测电池或光伏电池单体串 30 中的故障。将被理解的是， 该 AC 故障。

32、检测 电路 200 可以是独立装置 （或装置的组合） ， 或者可以与电池或光伏电池单体串 30 合并或 与 UPS 模块 500 合并。 0031 图 6 示出了用于被配置为接入电池和光伏电源这两者的模块化 UPS 系统 600 的故 障检测方案的示例。 第一和第二UPS模块620a、 620b被并行耦合到负载80。 UPS模块620a、 620b中的每一个包括被耦合到DC总线625的转换电路622、 624、 626。 在第一模块620a中， 第一转换电路 622 被配置作为整流器来操作， 其被耦合到 AC 电源 70。第二转换电路 624 被 配置为提供中性耦合和逆变器操作。 第三转换电路。

33、626被配置作为将电池串630连接到DC 总线 625 的 DC/DC 转换器。 0032 在第二模块 620b 中， 第一转换电路 622 是不工作的 （inactive） ， 而第二转换器 说 明 书 CN 103718055 A 7 5/6 页 8 624提供逆变器和中性耦合功能， 并且第三转换电路626充当用于光伏串640的DC/DC转换 器接口。为电池串 630 和光伏串 640 分别提供故障 AC 故障检测电路 600a、 600b。将被理 解的是， AC 故障检测电路 600a、 600b 可以沿着上述线路操作， 并且 AC 故障检测电路 600a、 600b 可以是独立装置， 。

34、或者可以相互和 / 或与 UPS 模块 620a、 620b 合并。 0033 图 7 示出了在 Eaton9395UPS 中被使用的 UPS 模块 700 的示例， 其可以被使用在沿 着图 6 所示的线路的配置中。该模块 700 包括被配置为通过相应的接触器 K1、 K3、 K2 分别 耦合到 AC 源、 AC 负载和 DC 源的转换电路 622 、 624 和 626 。转换电路 622 、 624 、 626 通过 DC 总线 625a、 625b 和中性总线 N 互连。正如所说明的那样， 例如可以被用于连接电池 或光伏电池单体串的转换电路 626 ， 包括被设计为滤除由转换器 622 。

35、、 624 、 626 所产生 的高频噪声的共模滤波器电路628。 因为共模滤波器628被设计为过滤高频噪声， 因此它不 会妨碍在本文所述的 AC 故障检测技术中所使用的低频 AC 谐波电流的检测。 0034 执行仿真用于评估根据本发明的主题的一些实施例的故障检测技术的潜在性能。 该仿真使用了如图 8 所示的光伏阵列的模型， 图 8 示出了并联耦合到正和负 DC 总线的光 伏电池单体 M#1-#n 的多个串 #1-#k。接地故障被模拟为在光伏阵列中的各个点上的电阻 RFAULT的连接。光伏面板的 “正常” 漏电被模拟为通过电阻器和电容器 RP、 CP 与地的连接。 该仿真假设该光伏阵列被连接到。

36、 DC 总线， 该 DC 总线被调制在基本 AC 输出频率的三次谐波 （180Hz） 上， 如上述 UPS 示例中所述的那样。 0035 图 9 示出了当不存在接地故障时光伏阵列的仿真剩余电流。图 10 示出了在一条 DC 总线附近的一个串中的仿真低阻抗故障。可以看出， 剩余电流显著地增加。剩余电流的 频谱被示出在图 11 中， 其示出 DC 分量占主导。这些仿真暗示这样的低阻抗故障可以通过 监测光伏阵列的剩余电流的振幅 （例如， RMS（均方根） 值或峰值） 来检测。 0036 图12和13分别说明了在光伏串的末端附近的位置上或在光伏串的中部附近的位 置上， 对于相对较高阻抗故障的仿真剩余电。

37、流。 对于串的末端附近的故障 （图12） ， 剩余电流 中的变化可从剩余电流的 RMS 或峰值中检测到， 这暗示这样的技术在检测这样的故障中是 有效的。然而， 对于串的中部附近的故障 （图 13） ， 剩余电流的 RMS 和峰值没有显著的变化， 这暗示仅仅基于剩余电流的 RMS 或峰值来检测这样的故障也许是困难的。 0037 然而， 图14和15， 分别示出了对于图12和13的故障情况的剩余电流的频谱内容， 指示显著的180Hz AC分量存在于两种故障情况中的剩余电流中 （图14的纵坐标中的 “0” 频 率参考对应于 180Hz） 。这暗示剩余电流中的 AC 分量的监测可以被用于区分这样的故障。

38、。 0038 这可以允许更复杂的系统监测和控制。例如， 如图 16 所示， 被连接到 DC 源 （例如 电池或光伏电池单体串） 的电力系统 （例如 UPS 系统） ， 可以监测剩余电流 （块 1610） 。如果 剩余电流的 RMS 或峰值超过指示相对较低阻抗故障的第一阀值， 该系统可以使断路器跳闸 或采取其它的立即行动来保护设备和/或人员 （块1620） 。 如果RMS或峰值电流不在阀值以 上， 该系统可以进一步确定 AC 分量 （例如， 沿着上述线路的第三谐波 180Hz 分量） 是否大于 指示相对较高阻抗故障的第二阀值。在对检测到这样的故障的响应中， 该系统可以采取不 那么突然的， 但仍然。

39、有价值的行动， 例如记录该故障以对它进行识别， 用于防止将来更具破 坏性故障的未来维护行为 （块1630） 。 阀值例如可以基于DC源的阻抗测量， 并且可以被适应 性地修改。 将被进一步理解的是， 可以使用这种分量分析进一步区分故障， 以便例如故障的 位置可以被估计。 说 明 书 CN 103718055 A 8 6/6 页 9 0039 将被理解的是， 以上参考图 1-6 所述的 AC 故障检测电路可以沿着参考图 16 所述 的线路执行操作。 例如， 该故障检测电路可以包括数字或模拟电路， 该数字或模拟电路被配 置为将剩余电流信号分解为频率分量并针对指示故障的各种人为设定分析这些分量。 该电。

40、 路也可以被配置为执行与故障检测相关的附加功能， 例如数据记录， 报警的产生， 保护部件 （例如， 电路断路器） 的激活等。 0040 尽管以上描述了在 UPS 系统中使用中性耦合功能来提供用于故障检测目的的 AC 激励， 但是将被理解的是， 其它的技术可以被用于提供类似的激励。例如， 图 17 示出了对图 1的结构的修改 （相同的附图标记指示相同的部件） ， 其中DC电源30通过共模感应组件1710 被连接到DC总线10a、 10b。 该共模感应组件1710包括辅助绕组， 该辅助绕组被耦合到提供 DC 电源 30 的总线的 AC 激励的 AC 电压产生器电路 1720。图 18 示出了对图 。

41、1 的结构的另 一种修改， 其中 DC 电源 30 通过共模感应组件 1810 被连接到 DC 总线 10a、 10b， 并且通过电 容性耦合到 DC 电源 30 的 AC 电压产生器电路 1820 来提供 AC 激励。 0041 也将被理解的是， 根据本发明的主题的实施例， 许多技术中的任何一种都可以被 用于检测剩余电流的分量。 例如， 使用数字技术可以将剩余电流测量结果分解成频率分量。 图 19 示出了一示例， 其中剩余电流传感器 1910（例如， 电流变换器， 霍尔效应传感器等） 被 用于感测 DC 电源的导体 90 中的剩余电流。模拟到数字的转换器 （ADC） 1920 将电流感测信 。

42、号转换为被提供给处理器 1930（例如， 微处理器或微控制器） 的数字采样。处理器 1930 可 以被编程以实现频谱分析仪 1932， 该频谱分析仪 1932 确定感测到的剩余电流的频率分量， 并且例如分析这些分量以检测如上所述的接地故障情况。处理器 1930 也可以被编程以执 行其它的功能， 例如向 UPS 中的监督控制器或其它系统控制部件传送有关检测到的故障的 信息。 0042 将被理解的是， 故障检测可以使用执行类似功能的模拟电路。例如， 如图 20 所示， 剩余电流传感器 2010 可以被耦合至调谐电路 2020 和检测器电路 2030（例如， 比较器电路 或类似的电路） ， 该调谐电。

43、路 2020 被配置为接收感测到的剩余电流的特定频率分量 （例如， AC 电力频率谐波分量） ， 该检测器电路 2030 被配置为将接收到的分量的幅度或其它测量结 果与特定阀值进行比较， 以检测故障情况。 0043 在附图和说明书中， 本发明的主题的示例性的实施例已经被公开。尽管采用了特 定的术语， 但是它们仅在一般化的和描述性的意义上被使用， 而不是出于限制的目的， 本发 明的主题的范围由所附权利要求来限定。 说 明 书 CN 103718055 A 9 1/14 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 10 2/14 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 。

44、103718055 A 11 3/14 页 12 图 3 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 12 4/14 页 13 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 13 5/14 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 14 6/14 页 15 图 7 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 15 7/14 页 16 图 8 图 9 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 16 8/14 页 17 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 17 9/14 页 18 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 18 10/14 页 19 图 14 图 15 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 19 11/14 页 20 图 16 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 20 12/14 页 21 图 17 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 21 13/14 页 22 图 18 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 22 14/14 页 23 图 19 图 20 说 明 书 附 图 CN 103718055 A 23 。