CN108809255A - 一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法与系统，包括：在光伏电池阵列外围布置若干电磁波检测天线组，每组天线组包含四架所指方向不同的定向天线；若某区域四角的四组天线组中，内角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，大于反方向的外角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，则判定为该四组天线组所围区域内部发生了故障电弧；若某区域四角的四组天线组，都只有同方向或同一侧的天线接收到某特定频率的电磁波信号，则判定为故障电弧发生在该四组天线组所围区域之外。本发明可有效抑制电磁波背景噪声影响，并结合光伏发电系统直流侧高次谐波的选频与去噪电路尽可能准确的判断出电弧故障位置所在范围。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法与系统。
背景技术
光伏发电系统往往工作在比较恶劣的环境中，容易导致故障发生。而随着光伏产业迅速发展，光伏系统中各类故障所至安全事故的发生频次也呈明显上升趋势，其中由电弧故障引发的电气火灾在光伏发电系统的火灾事件中占有相当大的比例。
正常情况下气体的电气绝缘性能很好，若电极间气体的绝缘特性被破坏并击穿时，两电极之间产生的持续电流现象称为电弧放电现象。这是一种气体放电现象，属于自持放电。
当光伏发电系统电路中的连接点出现接触松动、线路导线断裂或导线绝缘失效，相应的导线断口将会形成一对电极，若电极两端存在一定电压则可能产生电弧。在断口产生初期，两电极间距离很小，此时即使加在两端的电压不大，电场强度也能大到足以击穿空气产生电火花。
直流电弧在电流特性上与交流电弧有很大区别，直流电弧为单极性电弧，没有过零现象，电弧燃烧具有很强的随机性，其灭弧相对困难。适用于交流电弧故障的检测技术不能直接用于直流电弧故障检测。
此外，光伏电池板也不同于普通直流电源，具有独特的伏安特性，一般的直流系统电源通常为恒压源，而在光伏电池一定条件下，其电流输出在一定范围内是恒定的，可以当做恒流源处理；而且其输出电压、电流也会因光照强度和温度等的变化而不同。因此，适用于其他条件下的直流电弧故障检测方法，并不一定能够在光伏系统中奏效。
电弧在燃烧时受电磁力以及周围气压等的作用，其形状和位置是不断变化的，因此，电弧在不同方向的电磁辐射幅值也是持续变化的。电弧作为高温等离子体，电弧燃烧过程中会向周围辐射电磁能量，事实上，电弧等离子体可以视作向四周辐射电磁波的天线，而天线是具有方向性的。
电弧通常分为两种：一种是正常运行操作产生的电弧，这种电弧一般不会造成设备损坏；另一种是故障电弧，其发生的位置不确定且可能引发火灾。电弧的检测应能有效地区分这两种情况。
目前光伏系统直流串联电弧故障检测方法大多是针对电弧电流单一信号源进行检测，若阴极材料出现较高程度的碳化，电弧电流的高频特征将变得不明显，难以准确检测到直流电弧故障；另外，现有的直流电弧故障检测装置易受光伏发电系统的直流输出特性及光伏逆变器产生的电磁干扰等因素影响而产生误动作。
考虑到光伏发电系统的直流输出特性及目前检测技术存在的不足，有必要找到一种更为有效合理的检测方法与系统，以排除外界干扰，提高检测准确率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法与系统，用于准确检测出光伏发电系统直流侧电弧故障，准确的判断出电弧故障所在位置。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法，包括以下步骤:
(1)在光伏电池阵列外围布置若干电磁波检测天线组，每组天线组包含四架所指方向不同的定向天线；
(2)若某区域四角的四组天线组中，内角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，大于反方向的外角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，则判定为该四组天线组所围区域内部发生了故障电弧；
(3)若某区域四角的四组天线组，都只有同方向或同一侧的天线接收到某特定频率的电磁波信号，则判定为故障电弧发生在该四组天线组所围区域之外。
该方法还包括与光伏电池阵列连接的选频去噪电路，所述选频去噪电路，用于阻隔故障线路之外的某特定频率的谐波噪声，并放大电弧故障线路之内的该特定频率的谐波信号，以通过选频去噪电路进一步判断电弧故障发生的位置。
所述选频去噪电路判断方法为：若电磁波检测天线阵列检测到某天线组所围范围之内发生电弧，而并无选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，则判断为阴极材料出现较高程度的碳化，电弧电流的高频特征变得不明显，或者是光伏直流系统外界其他电路发生电弧；若有选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，而电磁波检测天线阵列未探测到有异常情况发生，则判断为出现串线信号故障；若选频去噪电路探测到特定频率的电路信号突然增强，且电磁波检测天线阵列检测到电磁波信号也突然增强，并持续一段时间以上或断断续续反复出现，则可判断为出现电弧故障。
一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，包括布置在光伏电池阵列外围的天线组及与光伏电池连接的选频去噪电路，所述天线组通过信号放大器与监控终端连接；所述选频去噪电路，用于阻隔故障线路之外的某特定频率谐波噪声，并放大电弧故障线路之内的该特定频率的谐波信号。
进一步的，所述选频去噪电路包括第一串联谐振电路、第二串联谐振电路及并联谐振电路，及与第一串联谐振电路连接的放大电路；
所述第一串联谐振电路，用于放大内部电路中频率为fs的谐波信号电压值；所述第二串联谐振电路，用于将外部电路频率为fs的谐波电流短路，以屏蔽外部电路的谐波电流；所述并联谐振电路，用于阻隔频率为fs的谐波，防止频率为fs的谐波从选频及去噪电路右边的外部电路传导入左边的内部电路。
进一步的，所述第一串联谐振电路包括第一电容、第一电感和第一电阻，所述第一电感的第一端通过第一电容与并联谐振电路连接，第一电感的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电容的第一端及第一电阻的第二端与光伏电池阵列连接，所述第一电感的两端与放大电路的输入端连接。
进一步的，所述第二串联谐振电路包括第三电容、第三电感和第三电阻，所述第三电感的第一端与第三电容的第二端连接，第三电感的第二端与第三电阻的第一端连接，所述第三电容的第一端及第三电阻的第二端与汇流箱母线连接。
进一步的，所述并联谐振电路包括第二电感、第二电容及第二电阻，所述第二电感的第一端与第一串联谐振电路连接，第二电感的第二端通过第二电阻与第二串联谐振电路连接，所述第二电容的第一端与第二电感的第一端连接，第二电容的第二端与第二电阻的第二端连接。
由上述技术方案可知，本发明所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法与系统，根据光伏发电系统直流侧电路高次谐波的选频与去噪技术，以及电磁波定向探测与去噪技术，将二者结合起来，有效抑制电磁波背景噪声影响，从电磁波的角度准确检测出光伏发电系统直流侧电弧故障，并结合光伏发电系统直流侧高次谐波的选频与去噪电路尽可能准确的判断出电弧故障位置所在范围。根据电感与电容的串联谐振及并联谐振，阻隔故障线路之外的某特定频率谐波噪声，并放大电弧故障线路之内的该特定频率的谐波信号，从电路的角度准确检测出光伏发电系统直流侧电弧故障。并结合光伏发电系统直流侧电弧故障电磁波检测天线阵列尽可能准确的判断出电弧故障所在位置。
附图说明
图1是本发明的系统图；
图2是本发明的选频去噪电路图；
图3是电磁波检测天线组的每组天线组中天线排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法，具体包括以下步骤：
S1：在光伏电池阵列5外围布置若干电磁波检测天线组，每组天线组包含四架所指方向不同的定向天线；
S2：若某区域四角的四组天线组中，内角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，大于反方向的外角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，即：∑M内-∑M外>0，则判定为该四组天线组所围区域内部发生了故障电弧；
S3：若某区域四角的四组天线组，都只有同方向或同一侧的天线接收到某特定频率的电磁波信号，则判定为故障电弧发生在该四组天线组所围区域之外。
S4：设置选频去噪电路，该选频去噪电路与光伏电池阵列5连接，用于阻隔故障线路之外的谐波噪声，并放大电弧故障线路之内的特定频率的谐波信号，以通过选频去噪电路进一步判断电弧故障发生的位置。
以下举例说明，如图1所示，故障电弧的电磁波检测天线阵列。在光伏电池板阵列外围安装有故障电弧的电磁波检测天线阵列，包含类似如#P11、#P12、#P13、#P21、#P22、#P23等天线组，若光伏电池阵列5场地较大，可在光伏电池阵列5内部空地上均匀布置若干天线组。每一个天线组各自包含4架所指方向不同的定向天线A、B、C、D，定向天线A、B、C、D均通过信号放大器6连接到监控室，如图3所示。
以图2所示电磁波检测天线阵列示意图为例，若：
若：(MP11-D+MP12-C+MP21-B+MP22-A)>(MP11-A+MP12-B+MP21-C+MP22-D)则可判定#P11、#P12、#P21、#P22这4组天线组所围区域内部的光伏电池板发生了故障电弧。
若：(MP12-C+MP13-C+MP22-A+MP23-A)>(MP12-B+MP13-B+MP22-D+MP23-D)则可判定故障电弧发生在#P12、#P13、#P22、#P232这4组天线组所围区域的正西方向。
若：(MP11-B+MP12-A+MP21-B+MP22-A)>(MP11-C+MP12-D+MP21-C+MP22-D)则可判定故障电弧发生在#P11、#P12、#P21、#P22这4组天线组所围区域的正北方向，而若正北方向无光伏系统直流回路，则可判定电弧发生在光伏电场范围之外，属于噪声电磁波。
每4组天线组(分置于所围区域的四角)构成一个天线簇，把所有天线簇所获信息组合起来，即可判断某特定频率的电磁波源是否在光伏电场范围之内，且处于哪个天线簇所围的范围之内。电弧可视为电磁波发射天线，由于电弧在正常情况下为自由燃烧，不像冷等离子体天线一样会受管壁的限制，因此电弧天线的辐射方向并非轴对称。难以利用天线检测电磁辐射信号的幅值进行精确定位，只能利用天线簇确定故障电弧位置的大概范围。
若电磁波检测天线阵列检测到某天线组所围范围之内发生电弧，而并无选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，则判断为阴极材料出现较高程度的碳化，电弧电流的高频特征变得不明显，或者是外界其他电路发生电弧；若有选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，而电磁波检测天线阵列未探测到有异常情况发生，则判断为出现串线信号故障；若选频去噪电路探测到特定频率的电路信号突然增强，且电磁波检测天线阵列检测到电磁波信号也突然增强，并持续一段时间以上或断断续续反复出现，则可判断为出现电弧故障。
本实施例的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，包括布置在光伏电池阵列5外围的天线组及与光伏电池连接的选频去噪电路9，天线组通过信号放大器与监控终端连接；选频去噪电路9，用于阻隔故障线路之外的某特定频率谐波噪声，并放大电弧故障线路之内的该特定频率的谐波信号。
如图2、3所示，选频去噪电路9包括第一串联谐振电路、第二串联谐振电路及并联谐振电路，以及与第一串联谐振电路连接的放大电路；
第一串联谐振电路，用于放大内部电路中频率为fs的谐波信号电压值；第二串联谐振电路，用于将外部电路频率为fs的谐波电流短路，以屏蔽外部电路的谐波电流；并联谐振电路，用于阻隔频率为fs的谐波，防止频率为fs的谐波从选频及去噪电路右边的外部电路传导入左边的内部电路。
本实施例的，第一串联谐振电路包括第一电容C1、第一电感L1和第一电阻R1，第二串联谐振电路包括第三电容C3、第三电感L3和第三电阻R3，并联谐振电路包括第二电感L2、第二电容C2及第二电阻R2；
第一电感L1的第一端通过第一电容C1与并联谐振电路连接，第一电感L1的第二端与第一电阻R1的第一端连接，第一电容C1的第一端及第一电阻R1的第二端与光伏电池阵列5连接，第一电感L1的两端与放大电路的输入端连接。第二电感L2的第一端与第一电容C1的第一端连接，第二电感L2的第二端通过第二电阻R2与第三电容C3的第一端连接，第二电容C2的第一端与第二电感L2的第一端连接，第二电容C2的第二端与第二电阻R2的第二端及第三电容C3的第一端连接；第三电感L3的第一端与第三电容C3的第二端连接，第三电感L3的第二端与第三电阻R3的第一端连接，第三电容C3的第一端及第三电阻R3的第二端与汇流箱母线连接。
对于电容C、电感L及电阻R的串联回路，针对某特定频率fs，当时，该串联支路将发生串联谐振。若调整图2所示电路中的电感L1、L3及电容C1、C3，使则L1、C1、R1所在支路及L3、C3、R3所在支路都将发生针对频率fs的串联谐振。而若L3、C3、R3所在支路针对频率fs发生串联谐振，则可将右侧外部电路频率为fs的谐波电流短路，从而对外部电路频率为fs的谐波电流起到屏蔽作用。而对于L1、C1、R1所在支路发生串联谐振，则L1上的电压将会是内部电路中频率为fs的谐波源电压的(2πfsL1)/R1倍，从而起到放大频率为fs的谐波信号电压值的作用。
另外，对于电容C、电感L及电阻R的并联回路，针对某特定频率fp，当时，该并联支路将发生并联谐振。若调整图2所示电路中的电感L2及电容C2，使得时，则L2、C2、R2所在支路将针对某特定频率fp发生并联谐振，使得该L2、C2、R2所在支路对频率为fp的谐波电流的阻抗非常大，从而起到阻隔频率为fp的谐波的作用，即防止频率为fp的谐波从选频及去噪电路右边的外部电路传导入左边的内部电路。
若令fx＝fp＝fs，则图2所示的选频及去噪电路可以起到两个作用：(1)防止频率为fx的谐波从选频及去噪电路右边的外部电路传导入左边的内部电路；(2)对频率为fx的谐波信号的电压值进行放大。
从而，图2所示的选频及去噪电路可以从电路的角度准确检测出光伏发电系统直流侧电弧故障具体所在的支路。
若电磁波检测天线阵列检测到某天线簇所围范围之内发生电弧，而并无选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，则可能是阴极材料出现较高程度的碳化，电弧电流的高频特征变得不明显，或者是外界其他电路发生电弧，需进一步确认，但至少不会探测不到相关故障信号；若有选频及去噪电路探测到有支路发生电弧故障，而电磁波检测天线阵列未探测到有异常情况发生，则可能是有串线信号；因此将电磁波检测天线阵列与选频及去噪电路结合起来，可以降低外界干扰或其他不利因素的影响，提高电弧故障探测的准确率。由电磁波检测天线阵列及选频及去噪电路可获取相关信号，再通过信号放大器处理后(因为不涉及本技术方案改进，所以信号放大器在本技术方案中不做详述)，将所得放大信号经数据接口输入监控室内的计算机，以判断是否存在故障电弧，并结合这两部分信号数据判断故障电弧大概所在位置，最终输出相关结果。
本发明的电磁波检测天线阵列可以确定发生故障电弧的大概位置范围，光伏系统直流侧选频去噪电路可以确定发生故障电弧的所在电路支路，将二者相结合，可以探测到故障电弧的发生及其大概位置，并将故障电弧所在位置精确到电弧故障所在直流回路的具体某一段。
考虑到电弧故障检测频率范围采用单一频率成分并不可靠，因此选频去噪电路9的频段与电磁波检测天线阵列的频段选取为不一样。光伏并网串式逆变器在正常工作时，通常会产生类似于电弧故障的高频噪声信号，大多数逆变器、充电控制器和DC/DC变换器的开关噪声在10kHz～50kHz，并含有高次谐波。直流电弧高频分量多集中于40kHz到100kHz频率段，当频率达到100k Hz以上的时候，电弧电流或电压的幅值会小到有可能被噪声淹没，因此选频去噪电路9的频段下限取为60kHz，上限取为100k Hz。
在一定条件下，串联直流电弧故障电磁辐射具有一个特征频率范围(39-40MHz)，该特征频率受气压、电极移动速度、电极直径和形状的影响不大。因此电磁波检测天线阵列的频段下限取为39MHz，上限取为40MHz。
若选频去噪电路探测到特定频率的电路信号突然增强，且电磁波检测天线阵列检测到电磁波信号突然增强，并持续一段时间以上或断断续续反复出现，则可判断为出现电弧故障。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法，其特征在于：包括以下步骤:
（1）在光伏电池阵列外围布置若干电磁波检测天线组，每组天线组包含四架所指方向不同的定向天线；
（2）若某区域四角的四组天线组中，内角四架天线所接收到的某特定频率电磁波幅值之和，大于反方向的外角四架天线所接收到的该特定频率电磁波幅值之和，则判定为该四组天线组所围区域内部发生了故障电弧；
（3）若某区域四角的四组天线组，都只有同方向或同一侧的天线接收到某特定频率的电磁波信号，则判定为故障电弧发生在该四组天线组所围区域之外。
2.根据权利要求1所述的光伏发电系统直流侧电弧故障检测方法，其特征在于：还包括与光伏电池阵列连接的选频去噪电路，所述选频去噪电路，用于阻隔该选频去噪电路所在直流线路之外的某特定频率的谐波噪声，并放大该选频去噪电路所在的直流线路之内的由电弧故障所产生的该特定频率的谐波信号，以通过选频去噪电路进一步判断电弧故障发生的位置。
3.根据权利要求2所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测方法，其特征在于：所述选频去噪电路判断方法为：
若电磁波检测天线阵列检测到某天线组所围范围之内发生电弧，而并无选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，则判断为阴极材料出现较高程度的碳化，电弧电流的高频特征变得不明显，或者是光伏系统之外其他电路发生电弧；若有选频去噪电路探测到有支路发生电弧故障，而电磁波检测天线阵列未探测到有异常情况发生，则判断为出现串线信号故障；若选频去噪电路探测到特定频率的电路信号突然增强，且电磁波检测天线阵列检测到电磁波信号也突然增强，并持续一段时间以上或断断续续反复出现，则可判断为出现电弧故障。
4.一种光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，其特征在于：包括布置在光伏电池阵列外围的天线组及与各光伏电池所在线路连接的选频去噪电路，所述天线组通过信号放大器与监控终端连接；所述选频去噪电路，用于阻隔故障线路之外的某特定频率的谐波噪声，并放大该选频去噪电路所在的直流线路之内的由电弧故障所产生的该特定频率的谐波信号。
5.根据权利要求4所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，其特征在于：所述选频去噪电路包括放大电路及与放大电路连接的第一串联谐振电路、第二串联谐振电路及并联谐振电路；
所述第一串联谐振电路，用于放大内部电路中频率为fs的谐波信号电压值；所述第二串联谐振电路，用于将外部电路频率为fs的谐波电流短路，以屏蔽外部电路的谐波电流；所述并联谐振电路，用于阻隔频率为fs的谐波，防止频率为fs的谐波从选频及去噪电路右边的外部电路传导入左边的内部电路。
6.根据权利要求4所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，其特征在于：所述第一串联谐振电路包括第一电容、第一电感和第一电阻，所述第一电感的第一端通过第一电容与并联谐振电路连接，第一电感的第二端与第一电阻的第一端连接，所述第一电容的第一端及第一电阻的第二端与光伏电池阵列连接，所述第一电感的两端与放大电路的输入端连接。
7.根据权利要求4所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，其特征在于：所述第二串联谐振电路包括第三电容、第三电感和第三电阻，所述第三电感的第一端与第三电容的第二端连接，第三电感的第二端与第三电阻的第一端连接，所述第三电容的第一端及第三电阻的第二端与汇流箱母线连接。
8.根据权利要求4所述的光伏发电系统直流侧电弧故障综合检测系统，其特征在于：所述并联谐振电路包括第二电感、第二电容及第二电阻，所述第二电感的第一端与第一串联谐振电路连接，第二电感的第二端通过第二电阻与第二串联谐振电路连接，所述第二电容的第一端与第二电感的第一端连接，第二电容的第二端与第二电阻的第二端连接。
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