CN111313833A - 一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法 - Google Patents

一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法 Download PDF

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贾清泉
宋岳奇
贾镓铖
王宁
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02SGENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRA-RED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S50/00Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
    • H02S50/10Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy

Abstract

本发明公开了一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,属于新能源的利用和改进技术领域,包括如下步骤,采集组串输入端滤波电容支路的电流,基于样本熵和标准差建立串联电弧检测判据,得到故障测度值M,通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障;该方法对高频故障信号波形进行低采样率抽样,实现了逆变器低成本、实用化电弧检测;构建了两级保护判据及重投方案,有效地对串联电弧进行检测,避免了断路器不动作或者误判带来的不利后果,具有良好的准确性及可靠性;对光伏直流系统进行实时监控,保证电网供电可靠性,对解决光伏发电系统直流侧电弧故障、促进我国光伏发电产业发展具有重要意义。

Description

一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法
技术领域
本发明适用于新能源的利用和改进技术领域,尤其涉及一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法。
背景技术
分布式光伏电池板组件通常散布在屋顶、山野、草场等地,其直流线路分布杂乱且贴近易燃物,如果发生电弧故障很容易引起火灾。光伏系统直流故障电弧主要由焊接点脱落、连接器松动和啮齿动物叮咬等情况引起。随着光伏安装规模的扩大,由光伏系统直流故障电弧引起的火灾问题日益严重。为此,美国国家电气规范(national electrical code,NEC)规定光伏系统需安装故障电弧断路器。
目前,针对光伏系统直流电弧故障检测,国内外学者进行了初步研究。建立光伏直流电弧模型,基于多分辨率小波变换,提取时频特征并制定混合判据;利用小波包分析电弧特征并构建时频特征平面对光伏直流电弧进行检测;采用EEMD分解和模糊熵相结合的方法对电弧故障特征进行提取,最后利用FCM算法实现故障电弧检测。上述研究主要通过小波变换或经验模态分解获取光伏直流电弧特征,需要较复杂的信号处理算法和数百kHz的信号采样率,对硬件要求高,超出一般DSP的采样能力。
光伏直流系统可能发生并联电弧或串联电弧。串联电弧因与回路串联,不会产生过电流,保护断路器不易动作。串联电弧如不能及时检测和消除,其持续存在很容易引发火灾事故。因此,如何更好地检测到光伏直流系统串联电弧故障,对解决光伏发电系统直流侧电弧故障、促进我国光伏发电产业发展具有重要意义。
发明内容
根据现有技术存在的问题,本发明公开了一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,包括如下步骤:
S1:采集组串输入端滤波电容支路的电流;
S2:基于样本熵和标准差建立串联电弧检测判据,得到故障测度值M;
S3:通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障。
进一步地:所述通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障的具体过程如下:
S3-1:当故障测度值M小于第一阈值εI,则表明未发生电弧故障;当故障测度值M大于等于阈值εI,则进行步骤S2;
S3-2:当故障测度值M大于第二阈值εII,则表明电弧故障发生,逆变器退出故障组串并经通信系统发出报警,当εI≦M≦εII,则进行步骤S3;
S3-3:逆变器断开故障组串后延时固定时间,再次投入故障组串;
当检测到组串无压时,表明组串回路存在不可恢复故障,无法投入组串;
当检测到组串有压时,可投入组串控制直流电流从零缓慢增大,
当检测到故障测度值M大于第二阈值εII,则确认组串存在串联电弧故障,逆变器再次退出故障组串并经通信系统发出报警信息;
当检测到故障测度值M≦εII,则系统继续运行,返回S1。
进一步地:采用高频故障信号波形进行低采样率抽样的方法,按开关频率的整数分频来选择信号抽样频率进行电流采集。
进一步地:所述串联电弧故障测度值M采用如下公式进行:
M=SampEnx*SD (9)
其中,SampEnx为样本熵,SD为时间序列x(n)的标准差,
进一步地,所述第一阈值εI、第二阈值εII的公式分别如下:
εI=k1ε0 (11)
εII=k2ε0 (12)
式中,k1和k2为可靠系数。
由于采用了上述技术方案,本发明提供的一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,对高频故障信号波形进行低采样率抽样,实现了逆变器低成本、实用化电弧检测;构建了两级保护判据及重投方案,有效地对串联电弧进行检测,避免了断路器不动作或者误判带来的不利后果,具有良好的准确性及可靠性;对光伏直流系统进行实时监控,保证电网供电可靠性,对解决光伏发电系统直流侧电弧故障、促进我国光伏发电产业发展具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法的流程图;
图2是本发明组串式光伏系统中组串重投中电流阶梯增量示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
图1是本发明组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法的流程图;本发明公开了一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,包括以下步骤:
S1:依据电弧故障的高频特性,采集组串输入端滤波电容支路电流,以此为量测获取串联电弧故障信号;
S2:基于样本熵和标准差建立串联电弧检测判据,得到故障测度值M;
S3:通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障。
进一步地,以组串输入端滤波电容支路电流为量测获取串联电弧故障信号,具体包括:
滤波电容在正常情况下仅流过纹波电流,故障情况下则会叠加电弧高频电流,利用逆变器实时采集组串输入端滤波电容支路的电流,采用高频故障信号波形进行低采样率抽样的方法,按开关频率的整数分频来选择信号抽样频率。
进一步地,基于样本熵和标准差建立串联电弧检测算法,具体过程如下:
信息熵是表征序列不确定性的度量概念,其值正比于信号复杂程度。样本熵作为信息熵的一种,是在近似熵基础上发展的一种新算法。由N个数据组成的时间序列,其样本熵计算步骤为:
S2-1-1:按序号组成一组m维的向量序列,这些向量代表从第i点开始的m个连续x值:
Xm(i)={x(i),x(i+1),…,x(i+m-1)} (1)
1≤i≤N-m+1 (2)
S2-1-2:定义向量Xm(i)与Xm(j)之间的距离d为两者对应元素中最大差值的绝对值,即:
d[Xm(i),Xm(j)]=maxk=0,…,m-1(|x(i+k)-x(j+k)|) (3)
S2-1-3:给定阈值r,统计Xm(i)与Xm(j)之间距离小于等于r的j(1≤j≤N-m,j≠i)数目,并记作Bi,对于N-m≥1,定义
S2-1-4:定义B(m)(r)为
S2-1-5:增加维数到m+1,重复步骤1)到4)。
因而B(m)(r)是两个序列在相似容限r下匹配m个点的概率,B(m+1)(r)是两个序列匹配m+1个点的概率。当N为有限值时,计算样本熵为:
样本熵的大小与参数m、r的取值有关,这里取m=2,r=(0.1~0.25)SD,此时样本熵对序列的依赖性最好,具有合理的统计特性。其中SD为时间序列x(n)的标准差。
S2-2:故障测度值M为:
M=SampEnx*SD (9)
其中,SampEnx为样本熵,SD为时间序列x(n)的标准差。
S2-3:检测判据,构造的电弧故障检测判据为:
CR≥ε (10)
其中,ε为整定阈值。
整定阈值应躲过逆变器启动及积云天气光照度快速变化,引起组串电压变化而产生电容电流对电弧检测的影响,利用逆变器中Boost电路的电容C及组串电压的最大变化率,可求得电弧故障检测判据,其结果用ε0表示,则判据的2级整定阈值εI、εII按如下生成:
εI=k1ε0 (11)
εII=k2ε0 (12)
式中,k1和k2为可靠系数,本发明结合分析与实验数据,取k1=2.0,k2=4.0。
进一步地,通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障,具体过程包括:
S3-1:当故障测度值M小于第一阈值εI,则表明未发生电弧故障;当故障测度值M大于等于阈值εI,则进行步骤S2;
S3-2:当故障测度值M大于第二阈值εII,若表明发生电弧故障发生,逆变器退出故障组串并经通信系统发出报警,当εI≦M≦εII,则进行步骤S3;
S3-3:逆变器断开故障组串后延时固定时间,再次投入故障组串;
当检测到组串无压时,表明组串回路存在不可恢复故障,无法投入组串;
当检测到组串有压时,可投入组串,控制直流电流从零缓慢增大;
当检测到故障测度值M大于第二阈值εII,则确认组串存在串联电弧故障,逆变器再次退出故障组串并经通信系统发出报警信息;
当检测到故障测度值M≦εII,则系统继续运行,返回S1。
由于组串重投过程中电流的缓慢增大会在滤波电容上会产生一定干扰,给检测算法带来附加误差,为消除这种误差,可控制组串电流按阶梯规律递增,并截取每个阶梯平稳阶段的数据序列用于检测算法,图2是本发明组串式光伏系统中组串重投中电流阶梯增量示意图。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,其特征在于:包括如下步骤:
S1:采集组串输入端滤波电容支路的电流;
S2:基于样本熵和标准差建立串联电弧检测判据,得到故障测度值M;
S3:通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障。
2.根据权利要求1所述的一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,其特征在于:所述通过两级阈值判定串联电弧是否为可恢复故障的具体过程如下:
S3-1:当故障测度值M小于第一阈值εI,则表明未发生电弧故障;当故障测度值M大于等于阈值εI,则进行步骤S2;
S3-2:当故障测度值M大于第二阈值εII,则表明电弧故障发生,逆变器退出故障组串并经通信系统发出报警,当εI≦M≦εII,则进行步骤S3;
S3-3:逆变器断开故障组串后延时固定时间,再次投入故障组串;
当检测到组串无压时,表明组串回路存在不可恢复故障,无法投入组串;
当检测到组串有压是,可投入组串,控制直流电流从零缓慢增大,
当检测到故障测度值M大于第二阈值εII,则确认组串存在串联电弧故障,逆变器再次退出故障组串并经通信系统发出报警信息;
当检测到故障测度值M≦εII,则系统继续运行,返回S1。
3.根据权利要求1所述的一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,其特征在于:采用高频故障信号波形进行低采样率抽样的方法,按开关频率的整数分频来选择信号抽样频率进行电流采集。
4.根据权利要求1所述的一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,其特征还在于:所述串联电弧故障测度值M采用如下公式进行:
M=SampEnx*SD (9)
其中,SampEnx为样本熵,SD为时间序列x(n)的标准差。
5.根据权利要求1所述的一种组串式光伏系统直流侧串联电弧故障的检测方法,其特征还在于:所述第一阈值εI、第二阈值εII的公式分别如下:
εI=k1ε0 (11)
εII=k2ε0 (12)
式中,k1和k2为可靠系数。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112198458A (zh) * 2020-09-07 2021-01-08 华中科技大学 一种三相电压源逆变器开路故障实时检测方法和系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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