CN104181474A - 一种判断光伏并网逆变器故障的方法 - Google Patents

一种判断光伏并网逆变器故障的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种判断光伏并网逆变器故障的方法，其包括下述步骤：采集直流侧的电流数据；根据公式计算基于谐波的比例因子K；根据公式计算整定阈值Th；若K＜Th，则判定光伏并网逆变器未发生故障；若K＞Th，则判定光伏并网逆变器发生故障。本发明在现有逆变器保护的基础上提出了基于谐波比例因子K的自适应保护方案的判断方法，本发明的方法适应不同逆变器的故障类型的判断，并且不受外部环境变化的影响，判断准确。

Description

一种判断光伏并网逆变器故障的方法
技术领域
本发明涉及一种判断光伏并网逆变器故障的方法。
背景技术
分布式电源中，电压型逆变器是整个系统最核心、最重要的设备。由于功率开关管的脆弱性和控制的复杂性，使得逆变器成为系统中最容易发生故障的薄弱环节，其可靠性问题一直存在。现有的逆变器保护主要有：过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护等。这些保护原理较为简单，没有充分利用逆变器的故障特点。目前，对逆变器保护方面的研究还比较少。Blaabjerg F等在《Single current sensor technique in the DC link of three-phase PWM-VS inverters: a review and a novel solution》中阐述了采用在直流侧装设电流传感器，通过直流侧电流与阈值比较实现逆变器短路故障的保护，其实质就是过流保护[IEEE Transactions on Industry Applications, 1997, 33(5): 1241- 1253]。杨忠林等在《基于直流侧电流检测的逆变器开路故障诊断方法》中提出了对逆变器单管短路和断路的判断方法[中国电机工程学报, 2008, 28(27): 18- 22]，但没有在实际中得到应用。
附图1显示了光伏并网系统的组成，其主要包括光伏电源(PV)、电压型三相桥式逆变器、具有阻尼绕组的LCL型滤波器、并网控制环节和系统等部分。逆变器常见的断路故障可以分为四类：单管断路(如VT6)、一相断路(如VT5和VT6)、同一半桥两管(如VT3和VT5)和交叉两管断路(如VT3和VT6)，具体见表1。可见，逆变器的故障发生复杂，故障判断和保护较为复杂。
表1  逆变器内部断路故障分类
现有的逆变器保护按照如下方案配置：直流侧装设过流保护、过压保护、欠压保护、过热保护。过流保护直流量判据为公式（4）
   (4)
其中，K rel为可靠系数，取1.1；
I dc为直流侧电流；
I m为正常工作时直流侧的最大工作电流。但是，在某些情况下，逆变器内部发生断路故障，直流侧的直流分量小于保护整定值，式(4)所示的过流保护无法动作，造成直流侧装设的过流保护无法反映逆变器内部断路故障。据此，本发明提出新的判断光伏并网逆变器故障的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方法简便，判断可靠并可适应不同外部环境的判断光伏并网逆变器故障的方法。
本发明的技术方案如下：
本发明的方法包括下述步骤：
步骤一：采集直流侧的电流数据：用单极性霍尔电流变换器检测直流电流，通过傅里叶算法得到基波电流分量以及各高次谐波电流分量；
步骤二：根据公式（1）~（2）计算基于谐波的比例因子：
                       （1）  
I total = I 1 + I 2 + I 3 + I 4 + I 5 + I 6 （2）
其中K为比例因子；
I total为直流侧的总谐波电流有效值，单位为安培（A）；
I 1为直流侧包含的基波电流，即步骤一中计算所得的直流侧基波电流分量；
I 2~I 6为直流侧包含的二次谐波电流，即步骤一中计算所得的直流侧二~六次谐波电流分量；
I 0为正常工作时直流侧最大工作电流的直流分量，单位为安培（A） ;
步骤三：根据公式（3）计算整定阈值T h：
T h = K rel ×K 0                       （3）
其中K 0  为正常工作时的谐波比例因子 ；
K rel为可靠性系数，为 100；
T h为整定阈值；
步骤四：依据下述关系式，判断光伏并网逆变器是否发生故障：
若K＜T h，则判定光伏并网逆变器未发生故障，
若K＞T h，则判定光伏并网逆变器发生故障，
其中K为比例因子；
T h为整定阈值。
本发明的I 0通过检测得到，检测方法为，方法一：对步骤一中得到的直流侧电流通过低通滤波器，滤除基本和高次谐波，进而得到直流分量I 0；方法二：先通过低通滤波器滤除7次以上的谐波，再通过直流侧电流减去I 1-I 6次谐波的总和，进而得到直流分量。
本发明的K 0是在系统正常运行时得到的谐波比例因子基准参数。通过实验仿真得到。
本发明的有益效果在于：
本发明在现有逆变器保护的基础上提出了基于谐波比例因子K的自适应保护方案的判断方法，本发明的方法适应不同逆变器的故障类型的判断，并且不受外部环境变化的影响，判断准确。
本发明充分利用逆变器的故障特性，灵敏、快速地反映所有类型的故障，同时适应光伏电源随机性和波动性对并网逆变器保护的影响，提出在现有逆变器保护的基础上，增加基于谐波比例因子的自适应保护方案。判断方法清晰，动作可靠，无需添加新的硬件成本。
附图说明
图1为光伏电网并网系统结构图；
图2-1为实施例1直流分量I0的电流波形图；
图2-2为实施例1总谐波电流Itotal的电流图；
图2-3为实施例1谐波比例因子K的波形图；
在附图中，PV为光伏电源 、iDG为光伏电源输出电流 、ic1为直流侧的电容电流 、Cdc为直流侧电容、udc为直流侧电压、idc为直流侧电流、VT1-6为功率开关元件1-6、VD1-6为续流二极管1-6、ia-c为交流侧电流、L1、L2为交流侧LCL滤波器中的左、右电感 、Va-c为交流侧的电容电压、Ua-c为系统电压 、Cd为LCL滤波器中的电容、Rd为LCL滤波器的阻尼电阻。
具体实施方式
本发明的判断方法的原理为：在确定的光照强度和温度条件下，逆变器未发生故障时，I total 很小几乎为零，I0为非零确定值。I total和I0随光照强度和温度等工作环境的变化而变化，但其比值K很小；当逆变器内部发生断路故障时，直流侧电流谐波幅值变大，进而I total增大，直流侧直流分量I0也会变化，最终导致谐波比例因子K值发生变化。
实施例1
检测如附图1所示的光伏电网并网系统结构图，其中PV为光伏电源 、iDG为光伏电源输出电流 、ic1为直流侧的电容电流 、Cdc为直流侧电容、udc为直流侧电压、idc为直流侧电流、VT1-6为功率开关元件1-6、VD1-6为续流二极管1-6、ia-c为交流侧电流、L1、L2为交流侧LCL滤波器中的左、右电感 、Va-c为交流侧的电容电压、Ua-c为系统电压 、Cd为LCL滤波器中的电容、Rd为LCL滤波器的阻尼电阻。图中虚线所示的保护范围为本实施例检测方法所需保护的电路范围。
附图2-1、2-2和2-3显示了如附图1所示的逆变器内部0.5秒VT1断路（F1故障）和无故障（F0）情况下电流和基于谐波比例因子的自适应保护整定值。其中无故障情况下的I 0=11631.24A，I total =77.52A，T h=0.0067。
由该图可知，0.5s发生F1故障时，逆变器直流侧的直流分量为8267.14A，明显小于正常运行时直流侧的直流分量，即11631.24A，因此不满足式(4)保护判据，保护不动作；与此同时，F1故障时I’ total为12416.16A，远远大于正常情况下(F0)的I total，谐波比例因子K为1.5018，满足K>T h，保护可靠动作。
表1~3为光伏电源在不同的光照强度和温度情况下，逆变器内部发生的各种断路故障类型时，其直流侧电流的直流量、各次谐波量、总谐波量以及谐波比例因子值。由该表可知，无论光照强度和温度如何变化，逆变器正常运行时，谐波比例因子均小于阈值，保护可靠不动作；逆变器内部故障时，谐波比例因子均远远大于阈值，保护可靠动作。
表1  逆变器故障时直流侧的各次谐波电流值及谐波比例因子
表2逆变器故障时直流侧的各次谐波电流值及谐波比例因子
表3逆变器故障时直流侧的各次谐波电流值及谐波比例因子

Claims (1)

1.一种判断光伏并网逆变器故障的方法，其特征在于其包括下述步骤：
步骤一：采集直流侧的电流数据：用单极性霍尔电流变换器检测直流电流，通过傅里叶算法得到基波电流分量以及各高次谐波电流分量；
步骤二：根据公式（1）~（2）计算基于谐波的比例因子：
       （1）    
I total = I 1 + I 2 + I 3 + I 4 + I 5 + I 6 （2）
其中K为比例因子，
I total为直流侧的总谐波电流有效值，单位为安培（A）；
I 1为直流侧包含的基波电流，即步骤一中计算所得的直流侧基波电流分量；
I 2~I 6为直流侧包含的二次谐波电流，即步骤一中计算所得的直流侧二~六次谐波电流分量；
I 0为正常工作时直流侧最大工作电流的直流分量，单位为安培（A）;
步骤三：根据公式（3）计算整定阈值T h：
T h = K rel ×K 0                       （3）
其中K 0  为正常工作时的谐波比例因子；
K rel为可靠性系数，为 100；
 T h为整定阈值；
步骤四：依据下述关系式，判断光伏并网逆变器是否发生故障：
若K＜T h，则判定光伏并网逆变器未发生故障，
若K＞T h，则判定光伏并网逆变器发生故障，
其中K为比例因子；
T h为整定阈值。
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