CN108376185B - 一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏发电系统防电弧领域，具体公开了一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台。该检测平台由仿真平台、信号转接装置、实物控制板和检测设备组成；仿真平台由包含光伏电站模型的计算机、通信线和半实物仿真器组成；光伏直流电弧模型基于Habedank电弧模型理论，进行光伏直流电弧的快速检测或防护。本发明基于高灵活性和高准确性的半实物仿真，并结合了具有高仿真精度的Habedank直流电弧模型，能够满足各种形式的电站模型，可以有效地实现基于电站实际特性对直流电弧保护设备的快速检测。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电系统防电弧领域，具体涉及一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台。
背景技术
随着国家光伏装机容量数目的快速增长和电站运行时间的增加，一些短期发现不了的问题日渐凸显，其中直流故障电弧为典型代表，主要是由于电气部件老化、动物啃咬、接插件松脱等原因引起的，本质上是一种气体放电现象，具有电流密度大、维持电压低的特点。在光伏系统中，松动的连接处、因绝缘材料失效而裸露的导体等均有可能形成放电通道，产生电弧。由于电弧温度高达几千摄氏度，短时间内产生的热量足以点燃与电弧接近的可燃物，导致光伏系统故障乃至火灾事故，造成严重财产损失。
为此国际标准规定需要进行光伏直流电弧的快速检测或防护，但现有的光伏系统直流电弧保护设备，大多针对特定串联电弧情况进行检测或保护，面对电弧发生的多种可能性，包括并联电弧和对地电弧情况，均不能达到很高的正确率，因此适用性相对狭窄。目前尚未出现能够基于电站实际特征对直流电弧保护设备进行检验的快速测试平台。
发明内容
为了防止上述现有技术中存在的缺陷给系统带来危害，本发明基于高灵活性和高准确性的半实物仿真，并结合了具有高仿真精度的Habedank直流电弧模型，提出了一种能够满足各种形式的电站模型的光伏电弧保护设备检测平台。
本发明提出的一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台，由仿真平台、信号转接装置、实物控制板和检测设备组成；所述仿真平台由包含光伏电站模型的计算机、通信线和半实物仿真器组成，所述包含光伏电站模型的计算机的数字信号端口通过通信线与所述半实物仿真器相连；所述半实物仿真器、信号转接装置、实物控制板和检测设备依次相连；所述光伏电站模型包括单组串结构、多组串并联结构和多阵列结构，由若干个光伏直流电弧模型、若干个光伏电池板组件、汇流箱、逆变器和交流电网组成，所述任意一个光伏直流电弧模型串联于任意两个光伏电池板组件或光伏电池板组件与接地部件之间的线缆上，形成串联拉弧、并联拉弧和对地拉弧三种形式；若干个光伏电池板组件依次连接池流箱、逆变器和交流电网；
所述光伏直流电弧模型包括含有电流采集端口和双端电压采集端口的信号输入端口、电压表、消除代数环的子模块、阶跃信号模块、实现电弧微分方程的子模块、受控电流源和信号输出端口，信号输入端口的输出端连接电压表，电压表连接消除代数环的子模块的输入端，消除代数环的子模块的输出端连接实现电弧微分方程的子模块的输入端，阶跃信号模块的输出端连接实现电弧微分方程的子模块的输入端，实现电弧微分方程的子模块的输出端通过受控电流源连接信号输出端口；所述光伏直流电弧模型的拓扑结构符合Habedank电弧模型公式；基于Habedank电弧模型理论，在忽略外界环境干扰和电弧阴极、阳极斑点跳动产生的波动的条件下，通过与实际测量值进行拟合得到：
式中Ploss为Mayr耗散功率；UC为Cassie恒定电弧电压，α为用于与实际测量值拟合的参数，电压u与电流i均为实验测量值；用数值逼近法，将α取不同的数值，并计算出相应的Ploss及UC进行matlab仿真，数值结果与实际情况最为接近的α值，即为该电路条件下的α值；
所述光伏电站模型输出拓扑结构中各回路的位置信息和电弧信息；所述实物控制板内包含受测光伏电弧保护设备；所述检测设备能对实物控制板输出的保护信号进行检测；
电弧发生时，位于计算机内的光伏电站模型产生与电弧发生回路的位置信息和电弧信息对应的数字信号，数字信号通过信号输出端口输出；所述半实物仿真器将接收到的数字信号转换为模拟量信号输出，通过信号转接装置传递给实物控制板；所述实物控制板按照受测光伏电弧保护设备要求的连接方式获取模拟量信号，当实物控制板检测到模拟量信号中包含的电弧特征信号时，实物控制板输出警报信号，或进行相应的保护动作；所述检测设备与实物控制板保持实时通信，捕获相应的警报信号。
本发明中，所述单组串结构和多组串并联结构均包括单相组串式逆变器组成的电站拓扑和三相多路MPPT组串式逆变器组成的电站拓扑，所述多阵列结构包括100kW以上的集中式逆变器组成的电站拓扑。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)仿真精度高：相比于Mayr和Cassie电弧模型，Habedank电弧模型结合了二者的优势，电弧的电压和电流仿真数值与实际电弧数据更接近。
2)诊断速度快：相对于数字全仿真，半实物仿真基于电路板，更接近于真实情况，通过检测设备，如示波器，能够准确检测从发生电弧到报警的时间，系统而快速的诊断保护功能。
3)检测功能全：电站模型可形成各种分布式和集中式电站，同时通过配置电弧模型的位置，并与实际电站拉弧实验数据拟合，形成基于电站特征的模型及该模型下多个潜在电弧位置保护的检测分析。
附图说明
图1是基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台的示意图。
图2是Habedank电弧模型数学公式在Matlab/Simulink软件中的拓扑结构。
图3是不同电极间距下光伏直流电弧模型输出的电弧电阻随时间变化波形。
其中，1为仿真平台，2为信号转接装置，3为实物控制板，4为检测设备，5为计算机，6为通信线，7为半实物仿真器，8为光伏电站模型，9为光伏直流电弧模型，10为光伏电池板组件，11为汇流箱，12为逆变器，13为交流电网，14为信号输入端口，15为电压表，16为消除代数环的子模块，17为阶跃信号，18为实现电弧微分方程的子模块，19为受控电流源，20为信号输出端口。
具体实施方式
下面以实施例结合附图对基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台进行详细说明。
实施例1：
采用如图1所示的基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台进行电弧检测和防护包括以下具体步骤：
步骤一：如图1所示，根据电站实际拉弧实验，配置光伏直流电弧模型9在光伏电站模型8中的位置，可实现串联、并联和接地三种直流电弧，并且光伏直流电弧模型9可以依据需要开启或关闭。光伏电站模型8在计算机5中实现，光伏电站模型8中的信号通过在光伏直流电弧模型9中的信号连接模块采集，通过计算机5与半实物仿真器7的联合工作，在特定时段由半实物仿真器7输出包含电弧特征的模拟信号。
步骤二：基于一维电弧模型，根据光伏直流电弧的特性，选用Habedank电弧模型对电弧进行描述，并推导出所选用模型的参数求取公式。
其中，推导模型的参数求取公式的过程具体为：
1)电弧的Mayr模型为：
式中，g为电弧电导，τM为Mayr电弧模型的时间常数；Ploss为Mayr电弧模型的耗散功率。u是电弧电压，i是电弧电流。
电弧的Cassie模型为：
式中，τC为Cassie电弧模型的时间常数；UC为Cassie电弧模型的恒定电弧电压。
将电弧电导g视为由Cassie模型的电导gC和Mayr模型的电导gM组成，则电弧动态特性可由Habedank电弧模型作如下描述：
式中gM为Mayr模型的电导，gC为Cassie模型的电导，其中τM、τC为经验数值。
2)忽略外界环境干扰和电弧阴极、阳极斑点跳动产生的波动，直流电弧稳态时的电阻可以视为恒定值，可得：
联立公式(1)与(2)可以进一步推导出：
3)将gM、gC两电导用关系式gC＝αgM描述，并将两电导的关系式带入公式(1)中得到：
进一步地，将公式(4)带入公式(3)中，可以得到：
步骤三：根据Habedank电弧模型公式，在Matlab/Simulink软件中建立光伏直流电弧的拓扑仿真模型，如图2所示。其中，端口14为模型信号输入端口，端口20为模型信号输出端口，模型两端电压信号由电压表15采集，子模块16的作用是消除代数环，阶跃信号17可控制电弧发生时间，电弧微分方程组由子模块18实现，受控电流源19作用是使子模块18输出的信号与后级电路的输入信号匹配。以某一电路条件下的一组实际数据为参照，根据步骤一中所推导的公式(5)，并利用数值逼近法求出公式(5)中的α值，此α值即为该电路条件下的gM、gC关系值。
步骤四：将电路某一回路中测量到的电路电流、电压值，及该电路对应的α值带入公式(5)中，即可求出电弧模型中的Ploss、UC两参数值，并将求取的参数值带入电弧模型中，输出如图3所示的电弧仿真模型的仿真结果。
步骤五：电弧保护设备的实物控制板3经信号转接装置2与半实物仿真器7相接。实物控制板3根据模拟信号进行检测，当检测到电弧特征时，报警或保护信号被检验平台的检测设备4捕获，完成功能测试。
Claims (2)
1.一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台，其特征在于，所述检测平台由仿真平台、信号转接装置、实物控制板和检测设备组成；所述仿真平台由包含光伏电站模型的计算机、通信线和半实物仿真器组成，所述包含光伏电站模型的计算机的数字信号端口通过通信线与所述半实物仿真器相连；所述半实物仿真器、信号转接装置、实物控制板和检测设备依次相连；所述光伏电站模型包括单组串结构、多组串并联结构和多阵列结构，由若干个光伏直流电弧模型、若干个光伏电池板组件、汇流箱、逆变器和交流电网组成，所述光伏直流电弧模型串联于任意两个光伏电池板组件或光伏电池板组件与接地部件之间的线缆上，形成串联拉弧、并联拉弧和对地拉弧三种形式；若干个光伏电池板组件依次连接池流箱、逆变器和交流电网；
所述光伏直流电弧模型包括含有电流采集端口和双端电压采集端口的信号输入端口、电压表、消除代数环的子模块、阶跃信号模块、实现电弧微分方程的子模块、受控电流源和信号输出端口，信号输入端口的输出端连接电压表，电压表连接消除代数环的子模块的输入端，消除代数环的子模块的输出端连接实现电弧微分方程的子模块的输入端，阶跃信号模块的输出端连接实现电弧微分方程的子模块的输入端，实现电弧微分方程的子模块的输出端通过受控电流源连接信号输出端口；所述光伏直流电弧模型的拓扑结构符合Habedank电弧模型公式；基于Habedank电弧模型理论，在忽略外界环境干扰和电弧阴极、阳极斑点跳动产生的波动的条件下，通过与实际测量值进行拟合得到：
式中Ploss为Mayr耗散功率；UC为Cassie恒定电弧电压，α为用于与实际测量值拟合的参数，电压u与电流i均为实验测量值；用数值逼近法，将α取不同的数值，并计算出相应的Ploss及UC进行matlab仿真，数值结果与实际情况最为接近的α值，即为该电路条件下的α值；
所述光伏电站模型输出拓扑结构中各回路的位置信息和电弧信息；所述实物控制板内包含受测光伏电弧保护设备；所述检测设备能对实物控制板输出的保护信号进行检测；
电弧发生时，位于计算机内的光伏电站模型产生与电弧发生回路的位置信息和电弧信息对应的数字信号，数字信号通过信号输出端口输出；所述半实物仿真器将接收到的数字信号转换为模拟量信号输出，通过信号转接装置传递给实物控制板；所述实物控制板按照受测光伏电弧保护设备要求的连接方式获取模拟量信号，当实物控制板检测到模拟量信号中包含的电弧特征信号时，实物控制板输出警报信号，或进行相应的保护动作；所述检测设备与实物控制板保持实时通信，捕获相应的警报信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于半实物仿真的光伏电弧保护设备检测平台，其特征在于，所述单组串结构和多组串并联结构均包括单相组串式逆变器组成的电站拓扑和三相多路MPPT组串式逆变器组成的电站拓扑，所述多阵列结构包括100kW以上的集中式逆变器组成的电站拓扑。
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