CN101881801A - 一种光伏逆变器漏电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于加权滑动平均预测法的光伏逆变器漏电流检测方法，将漏电流的变化程度量化为漏电流和其作用时间的积分，通过加权滑动平均预测的方法，实现对漏电流的动态保护。仿真和实验结果显示所提方法对动态漏电流变化的保护是有效的，符合安规要求，可以应用于具有时间阶梯特性的动态保护领域。

Description

一种光伏逆变器漏电流检测方法

技术领域

本发明涉及逆变器领域，尤其涉及光伏逆变器漏电流检测领域，具体地说是一种基于加权滑动平均预测算法的光伏逆变器漏电流检测方法，可用于具有阶梯时间保护特性的应用场合。

背景技术

在光伏逆变器产品中，软件保护种类繁多，从保护反应速度来看，有瞬时值保护、有稳态值保护、有均方根值保护及变化率保护等等。在VDE0126-1-1，2006-02标准中，漏电流保护需分成两种：静态保护和动态保护。由于动态保护要求对不同变化率要有不同的反应时间，但其又没有明确指出其变化率的量化指标，因而给实际操作带来很大的难度。

发明内容

本发明要解决的是现有光伏逆变器漏电流检测方法不能对漏电流的变化率和其作用时间的进行综合考虑并量化的问题，旨在提供一种基于加权滑动平均预测法的光伏逆变器漏电流检测方法，通过加权累加方法针对变化率进行监控保护的方法，可以应用于具有时间阶梯特性的动态保护领域。

解决上述问题采用的技术方案是：一种光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于包括以下步骤：

一、采用加权滑动平均预测法确定增量面积和阀值的计算方法

1)基本增量面积的确定

设定对象运动方程为y＝f(x_k)，对象时间从x_k变化到x_k+n，输出相应从y_k变化到y_k+n，将这段时间变化的程度用增量面积表示，利用冲量等效原理，增量面积ΔS用公式(1)表示为：

$\mathrm{\ΔS}={\∫}_{x_k}^{x_{k+n}}f\left(x\right)\mathrm{dx}-f\left(x_k\right)\×(x_{k+n}-x_k)---\left(1\right)$

$\≈y_k\×(x_{k+1}-x_k)+y_{k+1}\×(x_{k+2}-x_{k+1})+...+y_{k+n-1}\×(x_{k+n}-x_{k+n})-y_k\×(x_{k+n}-x_k)$

式中：x表示时间，y表示漏电流，角标k表示经过离散化处理后的结果，n表示时间窗口范围；

设采样时间为固定的T_s，那么

x_k+i＝x_k+i×T_s    (2)

式中，i表示第i个采样点；

把公式(2)代入公式(1)，得：

ΔS＝(y_k+1-y_k)×T_s+(y_k+2-y_k)×T_s+...+(y_k+n-1-y_k)×T_s    (3)

2)对增量面积加权

若y_k+i相对于y_k变化范围比较大时，我们期望表示变化程度的ΔS应相应加强，而y_k+i相对于y_k变化范围比较小时，期望表示变化程度的ΔS相应减弱；用权重系数η_i与(y_k+i-y_k)的乘积来表示变化程度是否要加强，加权后的增量面积ΔS用公式(4)表示为：

ΔS＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+n-1-y_k)×η_k+n-2]×T_s    (4)

所述的权重系数η_i采用运动方程y＝f(x_k)为阶跃曲线时的特殊情况来确定：设ΔS在x_k+m时就达到阀值ΔS_limit，其中，m表示阶跃量持续的时间长度，且m≤n，ΔS_limit表示对应于漏电流最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积，如此可得

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+m-1-y_k)×η_k+m-2]×T_s    (5)

y_k+1＝y_k+2＝...＝y_k+m-1＝y_k+m＝...＝y_k+n    (6)

η_k＝η_k+1＝...＝η_k+m-2＝η_k+m-1＝...＝η_k+n-1    (7)

把公式(6)和公式(7)代入公式(5)：

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k×(m-1)]×T_s    (8)

所以根据公式(8)可得：

${\mathrm{\η}}_k=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{limit}}}{(y_{k+1}-y_k)\×(m-1)\×T_s}---\left(9\right)$

二、实时监控漏电流

1)根据公式(8)计算出需要保护的阀值ΔS_limit；

2)根据公式(9)计算出各段漏电流程度变化及其对应时间响应的权重系数η_i，进而实时根据公式(4)计算出ΔS；

3)若ΔS≥ΔS_limit，则报故障；反之，ΔS＜ΔS_limit，则无故障，继续滑动窗口，T_s时间后，获取新的y_k+n，再重新计算新的ΔS，并与ΔS_limit比较。

本发明的光伏逆变器漏电流检测方法，将漏电流的变化程度量化为漏电流和其作用时间的积分，通过加权滑动平均预测的方法，实现对漏电流的动态保护。仿真和实验结果显示所提方法对动态漏电流变化的保护是有效的，符合安规要求。

对于起点y_k的取值方法也是可以多样性的，可取x_j(x_k前的时刻)到x_k时刻的滑动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值等，具体采用何种方法计算出的y_k根据实际系统要求而定。

另外，n值大小即时间窗口范围的截取原则需根据保护最长时间要求、软件计算和存储量来综合考虑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是运动方程y＝f(x)曲线示意图。

图2是运动方程y＝f(x)为阶跃曲线时示意图。

图3是漏电流变化30mA时，微处理器响应波形图。

图4是漏电流变化60mA时，微处理器响应波形图。

图5是漏电流变化150mA时，微处理器响应波形图。

具体实施方式

本发明的光伏逆变器漏电流检测方法，包括以下步骤：

一，加权滑动平均预测算法

设定对象运动方程为y＝f(x)，对象时间从x_k变化到x_k+n，运动状态相应从y_k变化到y_k+n，那么这段时间变化的程度可以用增量面积表示(下图1中阴影区域)。利用冲量等效原理，定义增量面积ΔS可用公式(1)表示为：

$\mathrm{\ΔS}={\∫}_{x_k}^{x_{k+n}}f\left(x\right)\mathrm{dx}-f\left(x_k\right)\×(x_{k+n}-x_k)---\left(1\right)$

$\≈y_k\×(x_{k+1}-x_k)+y_{k+1}\×(x_{k+2}-x_{k+1})+...+y_{k+n-1}\×(x_{k+n}-x_{k+n})-y_k\×(x_{k+n}-x_k)$

若采样时间为固定的T_s，那么

x_k+i＝x_k+i×T_s    (2)

把公式(2)代入公式(1)，可得：

ΔS＝(y_k+1-y_k)×T_s+(y_k+2-y_k)×T_s+...+(y_k+n-1-y_k)×T_s    (3)

若y_k+i相对于y_k变化范围比较大时，我们期望表示变化强度的增量面积ΔS应相应加强，而y_k+i相对于y_k变化范围比较小时，期望表示变化程度的ΔS相应减弱。在这里，我们可以引入权重系数η_i，让η_i与(y_k+i-y_k)的乘积来表示变化强度是否要加强，即得到加权滑动平均算法

ΔS＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+n-1-y_k)×η_k+n-2]×T_s    (4)

y_k+i可以通过采样得到，权重系数η_i的确定原理：对于运动方程y＝f(x)为阶跃曲线(如图2所示)时，我们期望ΔS在x_k+m(m≤n)时就达到保护阀值ΔS_limit(ΔS_limit对应于最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积)，如此，可得ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+m-1-y_k)×η_k+m-2]×T_s    (5)由图2可知：

y_k+1＝y_k+2＝...＝y_k+m-1＝y_k+m＝...＝y_k+n           (6)

η_k＝η_k+1＝...＝η_k+m-2＝η_k+m-1＝...＝η_k+n-1    (7)

把公式(6)和公式(7)代入公式(5)：

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k×(m-1)]×T_s              (8)

所以根据公式(8)可得：

${\mathrm{\η}}_k=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{limit}}}{(y_{k+1}-y_k)\×(m-1)\×T_s}---\left(9\right)$

对于起点y_k的取值方法也是可以多样性的，可取x_j(x_k前的时刻)到x_k时刻的滑动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值等，具体采用何种方法计算出的y_k根据实际系统要求而定。

另外，n值大小即时间窗口范围的截取原则需根据保护最长时间要求、软件计算和存储量来综合考虑。

二算法应用及设计

例如，在光伏并网逆变器系统中，VDE标准对漏电流动态不同程度变化时，逆变器动作时间有不同要求，具体见表1：

Table 1-Maximum break times

r.m.s.value of residualcurrent/(mA)	Break time/(s)
		30	0.3
60	0.15
		150	0.04

因为漏电流基频为50HZ(电网频率)，所以软件设计有效值采样间隔时间T_s为20ms。最强的要求是当漏电流变化150mA时，需要在40ms内执行保护动作，让150mA对应的权重系数η_k(150mA)等于单位1，根据式(8)可得到保护阈值

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k×(m-1)]×T_s＝150mA×1×(2-1)×20ms＝0.003A*s。

对于变化30mA漏电流，逆变器需要在0.3s前动作，在这里，设定软件中实际动作时间为0.24s，则m＝0.24s/20ms＝12，再根据公式(9)就可计算出对应的30mA漏电流变化时权重系数

${\mathrm{\η}}_{k\left(30\mathrm{mA}\right)}=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{limit}}}{(y_{k+1}-y_k)\×(m-1)\×T_s}=\frac{0.003A*s}{30\mathrm{mA}\×(12-1)\×20\mathrm{ms}}\≈0.45$

同理，对于变化60mA漏电流，逆变器需要在0.15s前动作。在这里，设定软件中实际动作时间为0.12s，则

而ΔS_limit为0.003A*s，根据公式(9)算出对应变化60mA的η_k(60mA)＝0.5。

类似地，当漏电流在60mA～150mA之间时，为了确定加权系数，可利用线性插值法或其它插值算法，计算出保护响应时间，进而可计算出加权系数。如此，在实际系统中，实时按公式(4)计算瞬时ΔS，然后与ΔS_limit(等于0.003As)比较。若ΔS＞ΔS_limit，则报故障；反之，ΔS＜ΔS_limit，则无故障，继续滑动窗口，T_s时间后，获取新的y_k+n，再重新计算新的ΔS，并与ΔS_limit比较。利用此保护策略，就可用软件实现漏电流动态变化保护。

三算法验证

根据上面设计思想和原理，编写了光伏逆变器漏电流保护代码。利用信号发生器产生交流信号，该信号模拟为漏电流信号(图3、4、5中CH1信号)。当微处理认为需要漏电流保护动作时，微处理器的IO口(图3、4、5中CH2信号)输出高电平信号，否则输出低电平。

1)漏电流有效值从0mA→30mA时，微处理器的动作响应时间约为220ms，微处理器响应波形图参见图3；

2)漏电流有效值从0mA→60mA时，微处理器的动作响应时间约为120ms，微处理器响应波形图参见图4；

3)漏电流有效值从0mA→150mA时，微处理器的动作响应时间约为40ms，微处理器响应波形图参见图5。

从测试效果分析，漏电流保护正确，符合VDE0126-1-1标准要求。另外，在实际调试中，由于采样误差和有效值计算滞后因素影响，需要对权重系数η_k进行微调，这样才有比较好的动态响应效果。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于包括以下步骤：

一、采用加权滑动平均预测法确定增量面积和阀值的计算方法

1)基本增量面积的确定

设定对象运动方程为y＝f(x_k)，对象时间从x_k变化到x_k+n，输出相应从y_k变化到y_k+n，将这段时间变化的程度用增量面积表示，利用冲量等效原理，增量面积ΔS用公式(1)表示为：

$\mathrm{\ΔS}={\∫}_{x_k}^{x_{k+n}}f\left(x\right)\mathrm{dx}-f\left(x_k\right)\×(x_{k+n}-x_k)---\left(1\right)$

$\≈y_k\×(x_{k+1}-x_k)+y_{k+1}\×(x_{k+2}-x_{k+1})+...+y_{k+n-1}\×(x_{k+n}-x_{k+n})-y_k\×(x_{k+n}-x_k)$

式中：x表示时间，y表示漏电流，k表示经过离散化处理后的结果，n表示时间窗口范围；

设采样时间为固定的T_s，那么

x_k+i＝x_k+i×T_s    (2)

式中：i表示第i个采样点；

把公式(2)代入公式(1)，得：

ΔS＝(y_k+1-y_k)×T_s+(y_k+2-y_k)×T_s+...+(y_k+n-1-y_k)×T_s    (3)

2)对增量面积加权

若y_k+i相对于y_k变化范围比较大时，我们期望表示变化程度的ΔS应相应加强，而y_k+i相对于y_k变化范围比较小时，期望表示变化程度的ΔS相应减弱；用权重系数η_i与(y_k+i-y_k)的乘积来表示变化程度是否要加强，加权后的增量面积ΔS用公式(4)表示为：

ΔS＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+n-1-y_k)×η_k+n-2]×T_s    (4)

所述的权重系数η_i采用运动方程y＝f(x)为阶跃曲线时的特殊情况来确定：

设ΔS在x_k+m时就达到阀值ΔS_limit，其中，m表示阶跃量持续的时间长度，且m≤n，ΔS_limit表示对应于漏电流最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积，如此可得

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k+(y_k+2-y_k)×η_k+1+...+(y_k+m-1-y_k)×η_k+m-2]×Ts    (5)

y_k+1＝y_k+2＝...＝y_k+m-1＝y_k+m＝...＝y_k+n                                   (6)

η_k＝η_k+1＝...＝η_k+m-2＝η_k+m-1＝...＝η_k+n-1                            (7)

把公式(6)和公式(7)代入公式(5)：

ΔS_limit＝[(y_k+1-y_k)×η_k×(m-1)]×Ts                                      (8)

所以根据公式(8)可得：

${\mathrm{\η}}_k=\frac{\mathrm{\Δ}{S}_{\mathrm{limit}}}{(y_{k+1}-y_k)\×(m-1)\×\mathrm{Ts}}---\left(9\right)$

二、实时监控漏电流

1)根据公式(8)计算出需要保护的阀值ΔS_limit；

2)根据公式(9)计算出各段漏电流程度变化及其对应时间响应的权重系数η_i，进而实时根据公式(4)计算出ΔS；

3)若ΔS≥ΔS_limit，则报故障；反之，ΔS＜ΔS_limit，则无故障，继续滑动窗口，T_s时间后，获取新的y_k+n，再重新计算新的ΔS，并与ΔS_limit比较。

2.如权利要求1所述的光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于起点时刻漏电流y_k的取值方法是取x_j到x_k时刻的滑动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值中的任何一种方法，其中x_j是x_k之前的时刻。

3.如权利要求1或2所述的光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于时间窗口范围n值的截取原则根据保护最长时间要求、软件计算和存储量来综合考虑。

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