CN113328702A - 一种pv接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站 - Google Patents

一种pv接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种PV接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站，该PV接地故障检测方法中，在组串式逆变器的直流母线的负极对地电压发生变化时，控制对应的主电路工作于高压模式；然后逐一控制对应主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断直流母线的负极对地电压是否恢复正常；对于直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障；进而实现对于接地故障组串的快速定位，减少运维人员的检修时间；并且，执行该PV接地故障检测方法时，无需该组串式逆变器停机，进而能够降低发电量的损失。

Description

一种PV接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种PV接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站。
背景技术
目前的组串式逆变器大多采用两级式结构，第一级为升压电路，第二级为逆变电路。其中，升压电路大多采用对称三电平BOOST、悬浮电容BOOST和两电平BOOST拓扑。由于对称三电平BOOST拓扑的控制简单且其开关管承受的应力较小，广泛应用于组串式逆变器中。
实际应用中，因光伏电站建设施工或者周围环境的影响，有可能会发生PV侧与地短接的情况。如果不能及时对故障组串进行排查检修，当同一逆变器其他组串再次发生PV接地故障时，逆变器会因为直流母线过压而导致失效。针对该问题，目前还没有行之有效的方法能够精准定位逆变器的故障组串、减少运维人员的检修时间，以避免更严重的故障发生。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种PV接地故障检测方法、组串式逆变器及光伏电站，能够精准定位故障组串，减少运维人员的检修时间。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种PV接地故障检测方法，应用于组串式逆变器的控制器，所述组串式逆变器的主电路包括逆变电路和输出端并联至直流母线的至少两路BOOST电路；所述PV接地故障检测方法包括：
在所述直流母线的负极对地电压发生变化时，控制对应所述主电路工作于高压模式；
逐一控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常；
对于所述直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障。
可选的，控制对应所述主电路工作于高压模式，包括：
控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常断。
可选的，判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常，包括：
判断所述直流母线的负极对地电压是否为半母线电压；
若所述直流母线的负极对地电压为半母线电压，则判定所述直流母线的负极对地电压恢复正常。
可选的，在对于所述直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障之后，还包括：
生成并输出报警信号，以实现对于发生PV对地故障的BOOST电路的信息上报。
可选的，逐一控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常之后，还包括：
对于所述直流母线的负极对地电压未恢复正常所对应的BOOST电路，判定其未发生PV对地故障。
可选的，在光伏电站同一子阵中包括多个所述组串式逆变器时，所述PV接地故障检测方法，在至少一个所述直流母线的负极对地电压发生变化时，还包括先执行的以下步骤：
控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态，并同时记录对应所述直流母线的负极对地电压；
判断对应所述直流母线的负极对地电压的变化是否大于预设值；
若所述直流母线的负极对地电压的变化大于所述预设值，则判定对应所述主电路发生PV对地故障，并执行所述控制对应所述主电路工作于高压模式的步骤。
可选的，控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态，包括：
控制对应所述主电路中全部BOOST电路分别工作于直通模式和升压模式。
可选的，控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态之前，还包括：
改变对应所述主电路的输出功率，以改变所述主电路中各路BOOST电路的PV电压，使所述主电路中各路BOOST电路能够实现所述直通模式和所述升压模式的切换。
可选的，在判断对应所述直流母线的负极对地电压的变化是否大于预设值之后，还包括：
若所述直流母线的负极对地电压的变化小于等于所述预设值，则判定对应所述主电路未发生PV对地故障，并控制其恢复正常工作。
本发明第二方面提供了一种组串式逆变器，包括：主电路、检测模块和控制器；其中：
所述主电路包括：逆变电路，和，至少两路BOOST电路；
各路BOOST电路的输出端通过直流母线并联至所述逆变电路的直流侧；
所述检测模块用于检测所述直流母线的负极对地电压；
所述控制器用于执行如上述第一方面任一段落所述的PV接地故障检测方法。
可选的，所述BOOST电路为对称三电平BOOST电路。
本发明第三方面提供了一种光伏电站，其特征在于，包括多个子阵；各个所述子阵中分别包括多个如上述第二方面任一段落所述的组串式逆变器；
同一所述子阵中，各所述组串式逆变器的输出端并联连接；
各所述组串式逆变器的各个输入端分别连接相应的光伏组串。
可选的，同一所述子阵中，各所述组串式逆变器之间无内部连接线。
可选的，各所述组串式逆变器均与电站监控系统通信连接。
基于上述本发明实施例提供的PV接地故障检测方法，在组串式逆变器的直流母线的负极对地电压发生变化时，控制对应的主电路工作于高压模式；然后逐一控制对应主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断直流母线的负极对地电压是否恢复正常；对于直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障；进而实现对于接地故障组串的快速定位，减少运维人员的检修时间；并且，执行该PV接地故障检测方法时，无需该组串式逆变器停机，进而能够降低发电量的损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的组串式逆变器发生两个光伏组串不同极接地时的电流走向示意图；
图2为本发明实施例提供的一种组串式逆变器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种PV接地故障检测方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种组串式逆变器的主电路结构示意图；
图5a和图5b为本发明实施例提供的一种组串式逆变器发生PV接地故障时两种控制情况下的电流走向示意图；
图6为本发明实施例提供的一种PV接地故障检测方法的另外一种流程图；
图7为本发明另一实施例提供的光伏电站同一子阵不同组串式逆变器的连接结构示意图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
现有技术中，如图1所示，当PV1-发生接地故障时，如果不及时处理，若再次发生PV2+接地故障，则PV1和PV2电压串联后对直流母线BUS+和BUS-充电，会使得直流母线过压进而导致逆变器失效。
因此，本发明实施例提供一种PV接地故障检测方法，应用于组串式逆变器的控制器，能够精准定位故障组串，减少运维人员的检修时间，避免更严重的故障发生。
参见图2，该组串式逆变器，包括：主电路、检测模块和控制器；其中，主电路包括：逆变电路，和，至少两路BOOST电路；各路BOOST电路的输出端通过直流母线并联至逆变电路的直流侧；检测模块用于检测直流母线的负极对地电压；控制器用于执行该PV接地故障检测方法。
参见图3，该PV接地故障检测方法，包括：
S101、在直流母线的负极对地电压发生变化时，控制对应主电路工作于高压模式。
在直流母线的负极对地电压发生变化时，说明相应的组串式逆变器出现了PV接地故障，但是还需要确定该组串式逆变器中发生PV对地故障的BOOST电路，也即需要找到故障组串。
图4中对BOOST电路为对称三电平BOOST电路时的结构进行了展示，并且，图4仅以主电路中BOOST电路的个数为2为例进行展示，实际应用中并不仅限于此；其中，第一路BOOST电路内的开关管包括S1和S2，第二路BOOST电路内的开关管包括S3和S4，第一路BOOST电路的旁路二极管包括D1和D4，第二路BOOST电路的旁路二极管包括D5和D8。
实际应用中，控制对应主电路工作于高压模式，是指该组串式逆变器中每路BOOST电路内的开关管均常断，此时BOOST电路的输入电流将从其旁路二极管经过。
S102、逐一控制对应主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断直流母线的负极对地电压是否恢复正常。
然后逐一使各路BOOST电路的开关管常通，假设第一路BOOST电路所接的光伏组串PV1是发生PV接地故障的光伏组串、而第二路BOOST电路所接的光伏组串PV2未发生PV接地故障的光伏组串，此时，有以下两种情况：
参见图5a，当前是第一路BOOST电路内的开关管S1和S2被控制常通，则其直流母线的中点BUSN与地等电位，而其直流母线的负极BUS-对地电压恢复正常。
参见图5b，如果当前是第二路BOOST电路内的开关管S3和S4被控制常通，则其直流母线的负极BUS-对地电压保持原来的状态不变。
S103、对于直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障。
S104、对于直流母线的负极对地电压未恢复正常所对应的BOOST电路，判定其未发生PV对地故障。
由图5a和图5b的分析可知，如果其直流母线的负极BUS-对地电压恢复正常，则认为此路的PV对地发生短路；而如果常通后其直流母线的负极BUS-对地电压没有发生变化，则认为此路PV无接地故障发生。据此方法可在逆变器不停机的情况下快速定位故障组串。
本实施例提供的PV接地故障检测方法，通过上述过程，能够实现对于接地故障组串的快速定位，减少运维人员的检修时间；并且，执行该PV接地故障检测方法时，无需该组串式逆变器停机，进而能够降低发电量的损失。
实际应用中，如图3所示，在步骤S103之后，还包括：
S105、生成并输出报警信号，以实现对于发生PV对地故障的BOOST电路的信息上报。
本实施例在损失较少发电量的前提下，可快速定位发生PV接地故障的光伏组串，同时上报运维人员进行故障排除，进而减少运维人员故障排查的时间，从根本上避免了更严重的故障发生。
在上一实施例的基础之上，对于图5a所示的情况，当发生PV接地故障的光伏组串后级的BOOST电路的开关管常通时，其直流母线的中点BUSN与地等电位，其直流母线的负极BUS-对地电压恢复正常，具体是变化为半母线电压。
也即，实际应用中，该PV接地故障检测方法的步骤S102中，判断直流母线的负极对地电压是否恢复正常，具体包括：
判断直流母线的负极对地电压是否为半母线电压；
若直流母线的负极对地电压为半母线电压，则判定直流母线的负极对地电压恢复正常。
实际应用中，采用组串式逆变器中原有的检测模块即可实现对于直流母线的负极电压的采集，因此，该PV接地故障检测方法并不涉及任何硬件改进和成本的增加，利于推广。
值得说明的是，实际应用中，一个大型的光伏电站内，往往具有多个子阵，而每个子阵中也通常设置有多台逆变器，比如上述实施例中提到的组串式逆变器；当任何一个组串式逆变器发生PV侧与地短接的情况时，如果不能及时对故障组串进行排查检修，不仅同一组串式逆变器中其他组串再次发生PV接地故障时，会使直流母线过压导致该组串式逆变器失效，而且当同一子阵中其他组串式逆变器再次发生PV接地故障时，会出现逆变器间的漏电流，当漏电流超过一定阈值时，机器会报故障导致停机，影响机器的发电效率。
因此，本发明另一实施例还提供了另外一种PV接地故障检测方法，在上述实施例的基础之上，当光伏电站同一子阵中包括多个组串式逆变器时，该PV接地故障检测方法中，在步骤S101中至少一个直流母线的负极对地电压发生变化时，即当子阵中的组串式逆变器检测到其直流母线的负极对地电压发生较大偏移时，比如由正常的半母线电压突然变大或变小一个数值，具体的变化数值可根据实际情况而定，该PV接地故障检测方法如图6所示，还包括先执行的以下步骤：
S201、控制对应主电路中全部BOOST电路切换工作状态，并同时记录对应直流母线的负极对地电压。
其中，控制对应主电路中全部BOOST电路切换工作状态，包括：
控制对应主电路中全部BOOST电路分别工作于直通模式和升压模式。
S202、判断对应直流母线的负极对地电压的变化是否大于预设值。
若直流母线的负极对地电压的变化大于预设值，则执行步骤S203，并执行步骤S101中控制对应主电路工作于高压模式的步骤。若直流母线的负极对地电压的变化小于等于预设值，则执行步骤S204。
S203、判定对应主电路发生PV对地故障。
S204、判定对应主电路未发生PV对地故障，并控制其恢复正常工作。
优选的，如图6所示，在步骤S201中控制对应主电路中全部BOOST电路切换工作状态之前，还包括：
S200、改变对应主电路的输出功率，以改变主电路中各路BOOST电路的PV电压，使主电路中各路BOOST电路能够实现直通模式和升压模式的切换。
也即，实际应用中，该PV接地故障检测方法，首先通过改变组串式逆变器的输出功率来改变同一子阵中所有组串式逆变器的PV电压，保证各路BOOST电路可以工作在直通与升压两种模式，并分别记录这两种模式下组串式逆变器直流母线的负极对地电压。
参见图7，假设左侧的组串式逆变器(内部包括逆变电路INV，输入端连接两个光伏组串PV1和PV2)发生PV接地故障：当其各路BOOST电路直通时，其直流母线的负极BUS-对地电压近似于0V；当其各路BOOST电路工作于升压模式时，其直流母线的负极BUS-对地电压为V(BUS-)-PE＝(VPV-VBUS)/2；其中，VPV为该路BOOST电路的输入电压，VBUS为该路BOOST电路的直流母线电压。但是右侧的组串式逆变器(内部包括逆变电路INV1，输入端连接两个光伏组串PV11和PV12)，其直流母线的负极BUS1-对地电压并不随各路BOOST电路工作状态的改变而改变。
也即，控制对应主电路中全部BOOST电路切换工作状态之后，如果子阵中某台组串式逆变器的负极对地电压发生较大变化，则可以定位发生PV接地故障的组串式逆变器，反之，则可以确定该组串式逆变器未发生PV接地故障。由此，可以定位出发生PV接地故障的组串式逆变器。
然后，当定位出子阵中发生接地故障的逆变器后，对于无故障发生的组串式逆变器，可使其恢复正常工作；而对于发生PV接地故障的逆变器，下一步是要确定故障组串，也即需要执行上述实施例中所提供的PV接地故障检测方法：使其工作于高压模式，即组串式逆变器每路BOOST开关管常断，此时BOOST电路的输入电流从旁路二极管经过；然后逐一使组串式逆变器每路BOOST电路的开关管保持常通，如果此时其直流母线的负极对地电压恢复正常，则认为此路的PV对地发生短路。如果常通后其直流母线的负极对地电压没有发生变化，则认为此路PV无接地故障发生。由此，在组串式逆变器不停机的情况下完成了对于光伏电站内各子阵中组串式逆变器故障组串的快速定位；然后，通过报警信号通知运维人员及时排除故障，从根本上避免了更严重的故障发生。
参见图2，本发明另一实施例还提供了一种组串式逆变器，包括：主电路、检测模块和控制器；其中：
主电路包括：逆变电路102，和，至少两路BOOST电路101。
各路BOOST电路101的输出端通过直流母线并联至逆变电路102的直流侧。
BOOST电路101用于将其输入端所接光伏组串的电能进行变换后，输出至直流母线；然后由逆变电路102将直流母线上汇集的各个BOOST电路101的输出电能变换为交流电进行输出；两者的工作原理及正常工作时的控制过程可以参见现有技术，此处不再一一赘述。
如图4所示，其BOOST电路101为对称三电平BOOST电路101。
检测模块201用于检测直流母线的负极对地电压；
控制器202用于执行如上述任一实施例所述的PV接地故障检测方法，该PV接地故障检测方法的具体过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。
实际应用中，该控制器202可以包括多个控制模块，以分别实现对于各路BOOST电路101和逆变电路102的监测和控制；并且，一般以逆变电路102的控制模块为各个控制模块中的通信主机，来执行上述PV接地故障检测方法。当然，也不排除额外设置一个独立通信主机来实现全部通信模块之间的谐调控制及上述PV接地故障检测方法。
本发明另一实施例还提供了一种光伏电站，包括多个子阵；各个子阵中分别包括多个如上一实施例所述的组串式逆变器；其中：
同一子阵中，各组串式逆变器的输出端并联连接。
各组串式逆变器中BOOST电路101的输入端分别作为其对应的一个输入端，连接相应的光伏组串；并且，各个BOOST电路101的输入端分别连接至少一个光伏组串，此处不做具体限定。
实际应用中，同一子阵中，各组串式逆变器之间无内部连接线；也即，同一子阵中，各个组串式逆变器仅交流侧并联，而各自之间再无其他来自于彼此内部的连接线。
另外，实际应用中，各组串式逆变器还均与电站监控系统通信连接，以方便实现报警信号的上报。
其余的原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种PV接地故障检测方法，其特征在于，应用于组串式逆变器的控制器，所述组串式逆变器的主电路包括逆变电路和输出端并联至直流母线的至少两路BOOST电路；所述PV接地故障检测方法包括：
在所述直流母线的负极对地电压发生变化时，控制对应所述主电路工作于高压模式；
逐一控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常；
对于所述直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障。
2.根据权利要求1所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，控制对应所述主电路工作于高压模式，包括：
控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常断。
3.根据权利要求1所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常，包括：
判断所述直流母线的负极对地电压是否为半母线电压；
若所述直流母线的负极对地电压为半母线电压，则判定所述直流母线的负极对地电压恢复正常。
4.根据权利要求1所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，在对于所述直流母线的负极对地电压恢复正常所对应的BOOST电路，判定其发生PV对地故障之后，还包括：
生成并输出报警信号，以实现对于发生PV对地故障的BOOST电路的信息上报。
5.根据权利要求1所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，逐一控制对应所述主电路中各路BOOST电路的开关管常通，并同时判断所述直流母线的负极对地电压是否恢复正常之后，还包括：
对于所述直流母线的负极对地电压未恢复正常所对应的BOOST电路，判定其未发生PV对地故障。
6.根据权利要求1-5任一项所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，在光伏电站同一子阵中包括多个所述组串式逆变器时，所述PV接地故障检测方法，在至少一个所述直流母线的负极对地电压发生变化时，还包括先执行的以下步骤：
控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态，并同时记录对应所述直流母线的负极对地电压；
判断对应所述直流母线的负极对地电压的变化是否大于预设值；
若所述直流母线的负极对地电压的变化大于所述预设值，则判定对应所述主电路发生PV对地故障，并执行所述控制对应所述主电路工作于高压模式的步骤。
7.根据权利要求6所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态，包括：
控制对应所述主电路中全部BOOST电路分别工作于直通模式和升压模式。
8.根据权利要求7所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，控制对应所述主电路中全部BOOST电路切换工作状态之前，还包括：
改变对应所述主电路的输出功率，以改变所述主电路中各路BOOST电路的PV电压，使所述主电路中各路BOOST电路能够实现所述直通模式和所述升压模式的切换。
9.根据权利要求6所述的PV接地故障检测方法，其特征在于，在判断对应所述直流母线的负极对地电压的变化是否大于预设值之后，还包括：
若所述直流母线的负极对地电压的变化小于等于所述预设值，则判定对应所述主电路未发生PV对地故障，并控制其恢复正常工作。
10.一种组串式逆变器，其特征在于，包括：主电路、检测模块和控制器；其中：
所述主电路包括：逆变电路，和，至少两路BOOST电路；
各路BOOST电路的输出端通过直流母线并联至所述逆变电路的直流侧；
所述检测模块用于检测所述直流母线的负极对地电压；
所述控制器用于执行如权利要求1-9任一项所述的PV接地故障检测方法。
11.根据权利要求10所述的组串式逆变器，其特征在于，所述BOOST电路为对称三电平BOOST电路。
12.一种光伏电站，其特征在于，包括多个子阵；各个所述子阵中分别包括多个如权利要求10或11所述的组串式逆变器；
同一所述子阵中，各所述组串式逆变器的输出端并联连接；
各所述组串式逆变器的各个输入端分别连接相应的光伏组串。
13.根据权利要求12所述的光伏电站，其特征在于，同一所述子阵中，各所述组串式逆变器之间无内部连接线。
14.根据权利要求12或13所述的光伏电站，其特征在于，各所述组串式逆变器均与电站监控系统通信连接。
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