CN113203903B - 一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法，属于光伏逆变器的故障诊断领域。该方法包括采样光伏逆变器故障前后的电压电流信号；通过对直流电压进行阈值判断，检测直流侧发生过压故障或欠压故障；在过压故障下进行前后级瞬时功率差检测与总谐波畸变率判断，同理在欠压故障下进行前后级瞬时功率差检测和直流电流方向的判断，输出对应的故障成因结果。本方法可以准确判断光伏逆变器直流侧故障的故障类型和成因，具有实现简单、经济快捷等优点；由于不需添加外部传感器且其数据冗余量大，易于推广到实际工程中。

Description

一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法

技术领域

本发明涉及光伏逆变器的故障诊断领域，特别涉及一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法。

背景技术

随着世界经济不断发展，工业对能源的需求量不断增强，传统的化石燃料已不能满足需求。太阳能发电作为优质绿色能源之一，具有经济环保等特点。而光伏逆变器作为光伏发电系统的关键设备，在工作过程中始终承受较高的电磁应力和热应力，同时外部扰动的影响也会增加光伏逆变器故障率。在故障发生后，如果不能及时诊断出故障位置和故障原因，将导致故障持续存在进而诱发连锁效应，最终对人员健康和产品经济效益带来不良影响，因此对光伏逆变器故障检测和成因的精准定位具有重要意义。

光伏逆变器内部直流电容是前后级功率交汇的重要器件，其两端电压也是衡量系统能否正常运行的重要指标。当逆变器其他位置发生故障时，会引发连锁反应，造成直流故障。同时，因为光伏逆变器结构复杂、不同厂家产品参数不同、故障之间相互耦合等特点，造成其直流故障成因的不唯一，故障解耦难度大。

目前多数的逆变器故障诊断研究针对功率器件的故障诊断而开展，而对其他故障的研究较少。但在实际工程中，逆变器的其他故障往往发生的频率也较高且容易与其他故障伴随发生，例如直流过压/欠压故障、接地故障等，亟需突破其故障机理及故障诊断技术。

文献“三相电压型逆变器智能化故障诊断方法综述”，马铭遥，凌峰，孙雅蓉，李飞，张兴，《中国电机工程学报》，2020年第40卷第23期7683-7699页，给出了针对光伏逆变器故障检测与成因定位的详细方法，基本思路都是提取相应的故障特征识别开关管故障类型和定位故障位置。但检测范围仅限于功率器件，不适用于直流侧的故障成因定位判断。

文献“Modeling of VSC Connected to Weak Grid for Stability Analysis ofDC-Link Voltage Control”，Yunhui Huang，Student Member，IEEE，Xiaoming Yuan，Senior Member，IEEE，Jiabing Hu，Senior Member，IEEE，and Pian Zhou，StudentMember，IEEE，《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics》，2015，3(4)：1193-1204.(“1500V光伏逆变器直流电压扩展”，《IEEE电力电子新兴与精选期刊》，2015年第3卷第4期1193～1204页)详细分析光伏逆变器在直流电压控制下的建模过程，并得出结论，在弱网条件下直流电压的会影响系统的稳定性，从而造成直流侧故障。但此种直流故障现象仅为特殊工况下存在，不具有普遍性，同时本文也没有故障成因定位过程。

文献“DC-bus Voltage Range Extension in 1500V Photovoltaic Inverters”Emanuel Serban，Senior Member，IEEE，Martin Ordonez，Member，IEEE，Cosmin Pondiche，Member，IEEE，《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in PowerElectronics》，2015，3(4)，901-907(“1500V光伏逆变器直流电压扩展”，《IEEE电力电子新兴与精选期刊》，2015年第3卷第4期901～907页)介绍直流电压在各种工况下的变化情况以及光伏逆变器之间功率耦合情况。但文章只揭示了由于环境因素引起的电压变化，无任何光伏逆变器自身因素引起的故障情况说明。

综上所述，现有的针对光伏逆变器故障检测和成因定位的方法仍然存在如下问题：

1)大多数故障检测和成因定位方法仅针对开关管的开路故障，对于直流侧电容这种无源器件故障成因定位方法研究较少；

2)光伏逆变器结构复杂，故障之前相互耦合，造成直流故障的成因不唯一，成因定位难度大；

发明内容

本发明为解决光伏逆变器直流故障成因定位难的问题，提出了一种利用故障后的录波数据，对各种物理量进行数据处理，根据不同故障成因的机理研究，然后进行相应的阈值判断，从而实现对造成直流故障的几种主要成因进行定位。其主要故障位置分别为直流侧、逆变器内部、交流侧，具有一定的代表性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法，本故障检测与成因定位方法所涉及的电路拓扑结构包括前级光伏组件PV、直流电容C₀、三相逆变桥和LCL滤波器，其中，直流电容C₀与光伏组件PV并联，三相逆变桥的三相桥臂与直流电容C₀并联；所述LCL滤波器包括三相滤波电感L₁、三相滤波电感L₂和三相滤波电容C_f，三相滤波电感L₁的一端与三相逆变桥的输出端相连接，另一端与三相滤波电感L₂相连接，三相滤波电容C_f并联接入三相滤波电感L₁和三相滤波电感L₂之间，三相滤波电感L₂接入额定频率为50Hz的电网，将三相滤波电感L₂和电网的接点定义为并网点；

本故障检测与成因定位方法包括对光伏逆变器直流侧故障发生前后电压和电流的采样，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，参数的设定和采样

设定采样信号时间跨度T、采样间隔时间t，采样频率f＝1/t，采样次数N＝T/t，N为正整数；设定光伏逆变器直流侧电压参考值U_dcref、光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min、光伏逆变器的额定功率P₀、光伏逆变器的输出效率η；

对光伏逆变器直流侧电压、直流侧电流、并网点三相相电压、并网点三相线电流进行N次采样，得到以下数据：

N个光伏逆变器直流侧电压采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电压采样信号记为直流侧电压U_dci；N个光伏逆变器直流侧电流采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电流采样信号记为直流侧电流I_dci；N个并网点三相相电压采样信号，将第i次采样得到的并网点三相相电压采样信号记为并网点三相相电压U_ai，U_bi，U_ci；N个并网点三相线电流采样信号，将第i次采样得到的并网点三相线电流采样信号记为并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci；i＝1，2，3...N；

步骤2，前后级瞬时功率差ΔP_i计算

前后级瞬时功率差ΔP_i的计算式如下：

其中，P_PVi为光伏电池板的瞬时功率，P_PVi＝U_dciI_dci，P_ei为交流侧输出的瞬时有功功率P_ei，P_ei＝U_aiI_ai+U_biI_bi+U_ciI_ci，C为直流电容C₀的电容值；

步骤3，直流侧故障检测

将步骤1采样得到的N个直流侧电压U_dc1，U_dc2……U_dcN依次与光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min值相比较，并进行如下判断：

若出现直流侧电压U_dci大于光伏逆变器直流侧过压预警值U_max，认定光伏逆变器发生直流过压故障，并进入步骤4；

若出现直流侧电压U_dci小于光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min，认定光伏逆变器发生直流欠压故障，并进入步骤5；

步骤4，对直流过压故障进行故障成因的定位

步骤4.1，计算直流过压故障瞬时功率差阈值Min，表达式如下：

若ΔP_i＜Min，直流过压故障成因定位为采样值错误；

ΔP_i≥Min，进入步骤4.2；

步骤4.2，以0.02s为一个周期，依次对并网点A相线电流I_ai进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_a1和总有效值Q_a，再计算得到每个周期的A相总谐波畸变率THD_a；以0.02s为一个周期，依次对并网点B相线电流I_bi进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_b1和总有效值Q_b，再计算得到每个周期的B相总谐波畸变率THD_b；以0.02s为一个周期，依次对并网点C相线电流I_ci进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_c1和总有效值Q_c，再计算得到每个周期的C相总谐波畸变率THD_c；三相的总谐波畸变率的表达式分别如下：

若THD_a，THD_b，THD_c均小于并网指标5％，直流过压故障成因定位为前级组件过压；否则，直流过压故障成因定位为交流过压；

步骤5，对直流欠压故障进行故障成因的定位

计算直流欠压故障瞬时功率差阈值Max，表达式如下：

若ΔP_i＞Max，直流欠压故障成因定位为采样值错误；

若ΔP_i≤Max且I_dci＜0，直流欠压故障成因定位为直流短路；

若ΔP_i≤Max且I_dci≥0，人工定位故障成因。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、可以准确定位造成光伏逆变器直流故障的几种主要成因，具有一定代表性；

2、这种故障成因定位方法无需增加内部传感器，易于软件实现，对于工程应用具有很好的指导意义；

3、采样数据冗余量大，对于补充故障诊断技术完整性有一定借鉴作用。

附图说明

图1为本发明实施例中所涉及的光伏逆变器拓扑图。

图2为本发明实施例中在直流过压故障情况下，组件过压、采样值错误和交流过压这三种故障成因的前后级瞬时功率差ΔP_i与过压故障瞬时功率差阈值Min判断波形图。

图3为本发明实施例中在直流过压故障情况下，前级组件过压这种故障成因的并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci与总谐波畸变率THD_a，THD_b，THD_c检测波形图。

图4为本发明实施例中在直流过压故障情况下，交流过压这种故障成因的并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci与总谐波畸变率THD_a，THD_b，THD_c检测波形图。

图5为本发明实施例中在直流欠压故障情况下，采样值错误和直流短路这两种故障成因的前后级瞬时功率差ΔP_i与欠压故障瞬时功率差阈值Max判断波形图。

图6为本发明实施例中在直流欠压故障情况下，采样值错误和直流短路这两种故障成因的直流电流I_dci波形图。

图7为本发明故障检测与成因定位方法的示意图。

图8为本本发明故障检测与成因定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例中所涉及的光伏逆变器拓扑图。由图1可见，本故障检测与成因定位方法所涉及的电路拓扑结构包括前级光伏组件PV、直流电容C₀、三相逆变桥和LCL滤波器，其中，直流电容C₀与光伏组件PV并联，三相逆变桥的三相桥臂与直流电容C₀并联；所述LCL滤波器包括三相滤波电感L₁、三相滤波电感L₂和三相滤波电容C_f，三相滤波电感L₁的一端与三相逆变桥的输出端相连接，另一端与三相滤波电感L₂相连接，三相滤波电容C_f并联接入三相滤波电感L₁和三相滤波电感L₂之间，三相滤波电感L₂接入额定频率为50Hz的电网，将三相滤波电感L₂和电网的接点定义为并网点。

根据本发明提出的方法搭建了光伏逆变器MATLAB/Simulink仿真模型，仿真采用单位因数并网运行。电路参数如下：光伏逆变器额定功率P₀＝20KW，光伏逆变器直流侧电压参考值U_dcref＝800V，光伏逆变器直流侧过压预警值U_max＝900V，光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min＝200V，直流电容值C＝5×10^-3F，光伏逆变器的输出效率η＝99.5％，直流过压故障瞬时功率差阈值Min＝-800，直流欠压故障瞬时功率差阈值Max＝1475，三相滤波电感L₁＝3.2×10^-3H，三相滤波电感L₂＝0.5×10^-3H，滤波电容C_f＝5.2×10^-6F。

由图7、图8可见，本故障检测与成因定位方法包括对光伏逆变器直流侧故障发生前后电压和电流的采样，包括以下步骤：

步骤1，参数的设定和采样

设定采样信号时间跨度T、采样间隔时间t，采样频率f＝1/t，采样次数N＝T/t，N为正整数；设定光伏逆变器直流侧电压参考值U_dcref、光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min、光伏逆变器的额定功率P₀、光伏逆变器的输出效率η。

对光伏逆变器直流侧电压、直流侧电流、并网点三相相电压、并网点三相线电流进行N次采样，得到以下数据：

N个光伏逆变器直流侧电压采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电压采样信号记为直流侧电压U_dci；N个光伏逆变器直流侧电流采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电流采样信号记为直流侧电流I_dci；N个并网点三相相电压采样信号，将第i次采样得到的并网点三相相电压采样信号记为并网点三相相电压U_ai，U_bi，U_ci；N个并网点三相线电流采样信号，将第i次采样得到的并网点三相线电流采样信号记为并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci；i＝1，2，3...N。

在本实施例中，设定t＝0.0001s，f＝1/t＝10000Hz，采样方式为等间隔采样，采样总时间跨度为0.3s，采样点个数N＝0.3/0.0001＝3000。

在MATLAB/Simulink中，在2s时刻改变相关条件，分别模拟前级组件过压、采样错误、交流过压导致的直流过压故障，以及采样错误和直流短路导致的直流欠压故障，获取故障前后数据，通过系统.mat文件保存数据，包括直流侧电压U_dci、直流侧电流I_dci、并网点三相相电压U_ai，U_bi，U_ci，并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci，每个参数采样3000个数据，即每种故障成因都录得相同数据大小，总共5组8×3000个采样数据。

步骤2，前后级瞬时功率差ΔP_i计算。

前后级瞬时功率差ΔP_i的计算式如下：

其中，P_PVi为光伏电池板的瞬时功率，P_PVi＝U_dciI_dci，P_ei为交流侧输出的瞬时有功功率P_ei，P_ei＝U_aiI_ai+U_biI_bi+U_ciI_ci，C为直流电容C₀的电容值。

步骤3，直流侧故障检测

将步骤1采样得到的N个直流侧电压U_dc1，U_dc2……U_dcN依次与光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min值相比较，并进行如下判断：

若出现直流侧电压U_dci大于光伏逆变器直流侧过压预警值U_max，认定光伏逆变器发生直流过压故障，并进入步骤4。

若出现直流侧电压U_dci小于光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min，认定光伏逆变器发生直流欠压故障，并进入步骤5。

步骤4，对直流过压故障进行故障成因的定位。

步骤4.1，计算直流过压故障瞬时功率差阈值Min，表达式如下：

若ΔP_i＜Min，直流过压故障成因定位为采样值错误；

ΔP_i≥Min，进入步骤4.2。

在本实施例中，根据步骤3，得到如图2所示的直流过压故障下的三种故障成因前后级瞬时功率差ΔP_i波形图。从图2中可以看出，采样值错误这种故障成因在工况改变时刻产生很大的跃变，而前级组件过压和交流过压两种故障成因下前后级瞬时功率差ΔP_i基本无变化。对上述三种故障成因进行直流过压故障瞬时功率差阈值Min判断，仅仅只有采样值错误这种故障成因的前后级瞬时功率差ΔP_i小于直流过压故障瞬时功率差阈值Min，由此可以在直流过压故障下定位故障成因为采样值错误。

步骤4.2，以0.02s为一个周期，依次对并网点A相线电流I_ai进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_a1和总有效值Q_a，再计算得到每个周期的A相总谐波畸变率THD_a；以0.02s为一个周期，依次对并网点B相线电流I_bi进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_b1和总有效值Q_b，再计算得到每个周期的B相总谐波畸变率THD_b；以0.02s为一个周期，依次对并网点C相线电流I_ci进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_c1和总有效值Q_c，再计算得到每个周期的C相总谐波畸变率THD_c；三个总谐波畸变率的表达式分别如下：

若THD_a，THD_b，THD_c均小于并网指标5％，直流过压故障成因定位为前级组件过压；否则，直流过压故障成因定位为交流过压。

图3为前级组件过压导致的直流过压故障的三相电流波形图，图4为交流过压导致的直流过压故障的三相电流波形图。在工况改变前后，随机选取两个周期，分别计算三相电流的总谐波畸变率THD_a，THD_b，THD_c，从图中可见，前级组件过压的三相电流总谐波畸变率THD_a，THD_b，THD_c在工况改变前后都小于并网指标5％，而交流过压的三相电流总谐波畸变率THD_a，THD_b，THD_c在工况改变前小于并网指标5％，工况改变后大于并网指标5％。利用这个特点，即可区别这两种故障成因。

步骤5，对直流欠压故障进行故障成因的定位

计算直流欠压故障瞬时功率差阈值Max，表达式如下：

若ΔP_i＞Max，直流欠压故障成因定位为采样值错误；

若ΔP_i≤Max且I_dci＜0，直流欠压故障成因定位为直流短路；

若ΔP_i≤且I_dci≥0，人工定位故障成因。

在本实施例中，根据步骤3，得到如图5所示的直流欠压故障下采样值错误和直流短路这两种故障成因前后级瞬时功率差ΔP_i波形图。从图中可以看出，虽然直流短路的前后级瞬时功率差ΔP_i也会变化，但是不满足大于步骤5.1中所规定的欠压故障瞬时功率差阈值Max，而采样值错误这种故障成因在工况改变时刻产生很大的跃变，且大于欠压故障瞬时功率差阈值Max，由此可以在直流欠压故障下定位故障成因为采样值错误。

图6为流欠压故障下采样值错误和直流短路这两种故障的直流电流I_dci波形图，从图中可见，直流短路情况下，直流电流I_dci会产生一个很大的反向电流，即直流电流I_dci值出现小于0的情况，而采样值错误的直流电流I_dci方向不会发生变化。利用这个特点，即可定位直流短路这种故障成因。

Claims (1)

1.一种光伏逆变器直流侧故障检测与成因定位方法，本故障检测与成因定位方法所涉及的电路拓扑结构包括前级光伏组件PV、直流电容C₀、三相逆变桥和LCL滤波器，其中，直流电容C₀与光伏组件PV并联，三相逆变桥的三相桥臂与直流电容C₀并联；所述LCL滤波器包括三相滤波电感L₁、三相滤波电感L₂和三相滤波电容C_f，三相滤波电感L₁的一端与三相逆变桥的输出端相连接，另一端与三相滤波电感L₂相连接，三相滤波电容C_f并联接入三相滤波电感L₁和三相滤波电感L₂之间，三相滤波电感L₂接入额定频率为50Hz的电网，将三相滤波电感L₂和电网的接点定义为并网点；

本故障检测与成因定位方法包括对光伏逆变器直流侧故障发生前后电压和电流的采样，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，参数的设定和采样

设定采样信号时间跨度T、采样间隔时间t，采样频率f＝1/t，采样次数N＝T/t，N为正整数；设定光伏逆变器直流侧电压参考值U_dcref、光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min、光伏逆变器的额定功率P₀、光伏逆变器的输出效率η；

对光伏逆变器直流侧电压、直流侧电流、并网点三相相电压、并网点三相线电流进行N次采样，得到以下数据：

N个光伏逆变器直流侧电压采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电压采样信号记为直流侧电压U_dci；N个光伏逆变器直流侧电流采样信号，将第i次采样得到的光伏逆变器直流侧电流采样信号记为直流侧电流I_dci；N个并网点三相相电压采样信号，将第i次采样得到的并网点三相相电压采样信号记为并网点三相相电压U_ai，U_bi，U_ci；N个并网点三相线电流采样信号，将第i次采样得到的并网点三相线电流采样信号记为并网点三相线电流I_ai，I_bi，I_ci；i＝1，2，3...N；

步骤2，前后级瞬时功率差ΔP_i计算

前后级瞬时功率差ΔP_i的计算式如下：

其中，P_PVi为光伏电池板的瞬时功率，P_PVi＝U_dciI_dci，P_ei为交流侧输出的瞬时有功功率P_ei，P_ei＝U_aiI_ai+U_biI_bi+U_ciI_ci，C为直流电容C₀的电容值；

步骤3，直流侧故障检测

将步骤1采样得到的N个直流侧电压U_dc1，U_dc2……U_dcN依次与光伏逆变器直流侧过压预警值U_max、光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min值相比较，并进行如下判断：

若出现直流侧电压U_dci大于光伏逆变器直流侧过压预警值U_max，认定光伏逆变器发生直流过压故障，并进入步骤4；

若出现直流侧电压U_dci小于光伏逆变器直流侧欠压预警值U_min，认定光伏逆变器发生直流欠压故障，并进入步骤5；

步骤4，对直流过压故障进行故障成因的定位

步骤4.1，计算直流过压故障瞬时功率差阈值Min，表达式如下：

若ΔP_i＜Min，直流过压故障成因定位为采样值错误；

ΔP_i≥Min，进入步骤4.2；

步骤4.2，以0.02s为一个周期，依次对并网点A相线电流I_ai进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_a1和总有效值Q_a，再计算得到每个周期的A相总谐波畸变率THD_a；以0.02s为一个周期，依次对并网点B相线电流I_bi进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_b1和总有效值Q_b，再计算得到每个周期的B相总谐波畸变率THD_b；以0.02s为一个周期，依次对并网点C相线电流I_ci进行快速傅里叶变换，得到每个周期的基波有效值Q_c1和总有效值Q_c，再计算得到每个周期的C相总谐波畸变率THD_c；三相的总谐波畸变率的表达式分别如下：

若THD_a，THD_b，THD_c均小于并网指标5％，直流过压故障成因定位为前级组件过压；否则，直流过压故障成因定位为交流过压；

步骤5，对直流欠压故障进行故障成因的定位

计算直流欠压故障瞬时功率差阈值Max，表达式如下：

若ΔP_i＞Max，直流欠压故障成因定位为采样值错误；

若ΔP_i≤Max且I_dci＜0，直流欠压故障成因定位为直流短路；

若ΔP_i≤Max且I_dci≥0，人工定位故障成因。

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