CN113466640B - 一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法，首先基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，并在计及逆变电路级联与出口滤波电容的作用下，得到直流变压器开关电流的谐波表达式；利用大电流电弧模型数值方程，将开关电流谐波作为电弧的电流激励，得到电弧电压响应，并以此构造电弧故障检测判据；针对光伏直流系统投切负荷、开合闸与换流器闭锁时存在的误判问题，增加扰动检测辅助判据；根据所得到的电弧故障检测判据检测所述光伏直流系统的电弧故障类型，并采取相应的保护措施。该方法不受系统开关噪声的影响，无需通信且数据存储和计算量小，在系统正常扰动下能可靠不误判。

Description

一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法

技术领域

本发明涉及新能源发电并网技术领域，尤其涉及一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法。

背景技术

为解决传统交流光伏并网的传输容量受限，输电半径小等问题，大规模光伏资源开发利用过程中，多采用柔性直流汇集和送出系统。由于光伏电站大多建在沙漠、高山等远离内陆地区，难以架设架空线路，以电缆输电为主，大型光伏电站中电缆受绝缘老化、机械拉伤、接头松动等因素影响，产生直流电弧，在换流器定电压、定电流的控制策略抑制下，加之电弧的低阻特性，串联电弧故障特征微弱，线路电压与电流波动小，传统过流低压保护不会动作，故障将演成持续性燃弧故障，若不及时检测处理，会导致火灾、接头爆炸等严重危害，严重影响到系统安全稳定运行。

现有技术关于直流电弧故障的检测方法中，大多是利用电弧电流和电压时频特征，当采用单一时频特征判据的方法时难免出现误判、漏判问题。而采用多维时频特征判据的电弧故障检测方法，可靠性虽高，但操作繁琐，需要大量实测数据作为支持。这些方法也受制于系统结构、负荷波动与开关噪声，并且在实验室内模拟电弧故障，虽能最大程度逼近真实燃弧特征，但是测试系统电气回路较简单，电压水平较低，负载变化较小，与实际光伏系统相差较大，且无法验证换流器控制策略对检测方法的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法，该方法不受系统开关噪声的影响，无需通信且数据存储和计算量小，在系统正常扰动下能可靠不误判。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法，所述方法包括：

步骤1、基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，并在计及逆变电路级联与出口滤波电容的作用下，得到直流变压器开关电流的谐波表达式；

步骤2、基于步骤1得到的开关电流谐波表达式，利用大电流电弧模型数值方程，将开关电流谐波作为电弧的电流激励，得到电弧电压响应，并以此构造电弧故障检测判据；

步骤3、进一步针对光伏直流系统投切负荷、开合闸与换流器闭锁时存在的误判问题，在步骤2所构造的电弧故障检测判据中增加扰动检测辅助判据；

步骤4、根据步骤3所得到的电弧故障检测判据检测所述光伏直流系统的电弧故障类型，并采取相应的保护措施。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法不受系统开关噪声的影响，无需通信且数据存储和计算量小，在系统正常扰动下能可靠不误判，提高了光伏直流汇集系统的运行安全性和高效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法流程示意图；

图2为本发明所举实例光伏直流升压汇集系统的结构示意图；

图3为本发明所举实例直流变压器输出电流的频谱图；

图4为本发明所举实例直流变压器电弧电压的频谱图。

具体实施方式

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，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，并在计及逆变电路级联与出口滤波电容的作用下，得到直流变压器开关电流的谐波表达式；

在该步骤中，首先基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，直流变压器的出口电流表达式为：

式中，I_h为直流变压器出口电流；ω₀为开关谐波角频率，ω₀＝2πf₀，f₀为开关频率；A₀为直流分量幅值；A_n为n倍基频分量幅值；φ_n为n倍基频分量相位；n为谐波次数；T为傅里叶变换周期，a_n为n倍基频余弦分量；b_n为n倍基频正弦分量；

计及Boost电路与全桥逆变电路级联，并且逆变电路也是通过恒定开关频率控制开关管的状态，故直流变压器出口电流I_h中，除了含f₀及其n倍频分量外，还存在其他分量，此时直流变压器出口电流I_h表示为：

式中，B_n、ω_n、φ_n分别为其他分量幅值、角频率和相位；

进一步计及直流变压器存在的出口滤波电容，对高频分量有一定的滤除作用，当n个直流变压器串联输出，单个出口电容值为C₁，出口限流电抗器为L₁时，经出口滤波电容作用后的电流表达式为；

式中，为直流变压器经滤波后的输出电流相量；/>为直流变压器出口电流相量；f表示频率；Z₁表示限流电抗器的阻抗，主要由线路阻抗组成，在高频段时，由于限流电抗器电抗值远大于线路阻抗，故可忽略不计；

令直流变压器出口电容与限流电抗器构成的并联谐振频率为f_r，即：

式中，n为直流变压器串联个数；

由上述分析可知，出口电容对频率f>f_r的高频谐波有一定的滤除作用，则开关电流I₀谐波表达式为：

式中，a₀为直流分量幅值；K_n、P_n为滤波系数；α_n、β_n为对应频率分量相位。

步骤2、基于步骤1得到的开关电流谐波表达式，利用大电流电弧模型数值方程，将开关电流谐波作为电弧的电流激励，得到电弧电压响应，并以此构造电弧故障检测判据；

在该步骤中，在步骤2中，大电流电弧模型数值方程表示为：

式中，V_arc为电弧电压，单位V；I_arc为电弧电流，单位A；R_arc为电弧电阻，单位Ω；L为电极间距，单位mm；

由步骤1中的开关电流I₀谐波表达式可得基次开关电流谐波表示为：

将基次开关电流谐波作为电弧的电流激励，代入电弧模型数值方程，得到电弧电压响应表示为：

V_arc＝(13.11+0.287L^1.238)[K₁A₁(cosω₀t+α₁)]^0.154

进一步的，由于上式中含三角函数的非整数次幂，无法得到解析解，可通过计算机求解，根据频率响应定理，求解结果表示为：

式中，C₀、ω₀、γ₀分别为开关频率分量幅值、角频率和相位；C_m、ω_m、γ_m分别为对应频率分量幅值、角频率和相位，m＝,1,2...；

线路电流和电弧电压中含有除开关频率以外其他相同谐波含量，即ω_m与ω_n存在相同部分，根据故障回路约束可知汇集电压也含有该特征谐波含量，以此构造电弧故障检测判据为：

H'₁＜K₁H₁或H'₁＞K₁H₁

式中，H₁’与H₁分别为实测与正常运行时汇集电压中特征谐波含量；不等号方向取决于特征谐波故障前后的相位差，具体来说：当特征谐波故障前后的相位差大于90°时，即故障后特征谐波含量减少，此时取小于号；当特征谐波故障前后的相位差小于90°时，即故障后特征谐波含量增加，此时取大于号；K₁为可靠系数，根据电弧电阻理论值和线路阻抗估算得出；

其中，综合考虑判据可靠性与速动高，若选取两个特征谐波，则所述电弧故障检测判据的逻辑关系改为“与”，即：

H'₁＜K₁H₁∩H'₂＞K₂H₂

式中，H_n’与H_n分别为实测与正常运行时汇集电压中特征谐波含量，K_n均为可靠系数n＝1,2。

步骤3、进一步针对光伏直流系统投切负荷、开合闸与换流器闭锁时存在的误判问题，在步骤2所构造的电弧故障检测判据中增加扰动检测辅助判据；

在该步骤中，考虑到系统开合闸时，汇集电压均表现为阶跃信号，阶跃信号的频谱特征为：总体随着频率的上升而下降，并且在低频段频谱密度较大，变化率高，而高频含量低且较为平稳。基于这一现象，上述判据可能存在误判，特别是在特征谐波频率较高的情况下。

针对光伏直流系统投切负荷时，汇集电压存在暂降或暂升，在频域中表现为低频丰富，高频含量较少，也可能导致检测电弧故障时误判。

同时考虑到直流变压器闭锁后，线路电流开关谐波减少，这将使得特征谐波含量也降低，导致误判。

为解决上述正常扰动下，电弧故障检测判据误判的问题，增加扰动检测辅助判据来提高其抗干扰性，具体过程为：

将汇集电压在扰动瞬间看作阶跃信号，其低频段频谱密度较大，选取低频特征谐波作为辅助判据，表示如下：

H'₃＜K₃H₃

式中，H₃’与H₃分别表示实测与正常运行时低频特征谐波含量，低频特征谐波的选取需满足电弧故障前后含量几乎不变，即相位差在90°附近；K₃为可靠系数，K₃取2可满足条件；

由于直流变压器闭锁时，使得光伏直流系统固有开关谐波含量下降，故以此作为另一个辅助判据，表示如下：

H'₄＞K₄H₄

式中，H₄’与H₄分别表示实测与正常运行时开关谐波含量；K₄为可靠系数，由于K₄受闭锁换流器所在的光伏场站的正常出力有关，K₄由下式估算得到：

K₄＝P_b/∑P

式中，P_b为闭锁换流器所在光伏电站出力；ΣP为光伏电站总出力；

其中，考虑到两个辅助判据所针对的扰动类型不一样，故两个辅助判据的逻辑关系为“与”；

结合步骤2中的故障检测判据，可得故障检测总判据：

H'₁＜K₁H₁∩H'₂＞K₂H₂∩H'₃＜K₃H₃∩H'₄＞K₄H₄

式中，H_n’与H_n分别为实测与正常运行时汇集电压中故障特征谐波含量，n＝1,2,3,4。

步骤4、根据步骤3所得到的电弧故障检测判据检测所述光伏直流系统的电弧故障，并采取相应的保护措施。

在该步骤中，具体流程如下：

首先量测正常运行线路电流中的开关谐波幅值与相位，并代入电弧数值模型，选取出特征谐波频率；

接着读取10ms窗长内的汇集电压数据并提取出特征谐波频率对应的分量，根据步骤3所得到的电弧故障检测判据进行扰动检测：

若满足扰动检测辅助判据，则进一步进行故障检测；若故障检测判据也满足，则判断系统发生电弧故障，通知相关巡检人员进行故障排除；

若扰动检测辅助判据与故障检测判据有一个不满足，则重新读取汇集电压数据，重复上述过程。

下面以具体的实例对上述方法的过程进行详细描述，如图2所示为本发明所举实例光伏直流升压汇集系统的结构示意图，图2中规模化光伏发电单元经直流变压器(DCT)就地升压后，汇集到±30kV直流母线，再送至模块化多电平换流器(MMC)，逆变后接入220kV电网。换流器出口均安装限流电抗器。DCT采用单向隔离型结构，MMC采用具有故障隔离能力的全半桥混联结构；光伏场站侧的DCT采用最大功率点追踪(MPPT)控制策略，网侧MMC采用定直流电压控制策略,串联电弧故障位置发生在汇集支路或送出支路上。

如图3所示为本发明所举实例直流变压器输出电流的频谱图，如图4所示为直流变压器电弧电压的频谱图。从图3可以看出，当系统开关频率为3.2kHz，线路电流I₂中开关频率对应的频谱密度最大，并且除了开关谐波，电流中还包含其他分量。从图4可以看出，电弧在开关谐波电流激励下，电压响应中还产生其他分量，如0.8kHz、1.6kHz、2.4kHz等，这些谐波分量在正常运行时的汇集电压U_cn和电弧电压V_arc中的实测相位如表1所示：

表1

从表1可以看出，3.2kHz、0.8kHz、4kHz对应谐波相位差接近90°，即故障后，谐波含量变化不明显；1.6kHz、2.4kHz对应的谐波相位差接近180°，即谐波含量在发生故障后，有明显下降趋势，故选取检测电弧故障的特征谐波分量为1.6kHz与2.4kHz。根据系统参数可估算出1.6kHz谐波含量降幅比为0.68，2.4kHz谐波含量降幅比为0.74，故K_n取值范围为0.74<K_n<1，这里取0.8,n＝1,2。

进一步，考虑到系统开合闸、投切负荷和DCT闭锁时，用于检测电弧故障的特征谐波含量与正常时接近，此时存在误判可能，故需要增加扰动检测辅助判据。从表1可分析得出0.8kHz对应的谐波含量在发生电弧故障时，无明显变化，故选取0.8kHz的特征谐波用于扰动检测辅助判据；又DCT闭锁时，开关谐波明显下降，而发生电弧故障时，3.2kHz开关谐波含量变化较小，鉴于此，可选取3.2kHz特征谐波作为另一扰动检测辅助判据。根据场站容量参数估算出K₄>0.6，又考虑到电弧故障时，该特征谐波降幅比值为0.9，故0.6<K₄<0.9，这里取0.7。

综上，考虑到直流串联电弧检测判据的可靠性和抗干扰性，3.2kHz开关频率下的电弧检测判据最终为：

(H₁＜0.8H'₁)∩(H₂＜0.8H'₂)∩(H₃＜2H'₃)∩(H₄＞0.7H'₄)

式中，H_k、H_k’表示实测与正常运行时特征谐波含量，k取1、2、3、4分别表示1.6kHz、2.4kHz、0.8kHz与3.2kHz的特征谐波。

在3.2kHz开关频率下，不同支路电弧故障及正常扰动下的故障检测结果如表2所示，表2中，括号中数据为各检测判据的阈值；f₁、f₂分别表示汇集支路1和2发生串联电弧故障；检测结果为1表示电弧故障，0表示非电弧故障；其余符号与上文描述一致。

表2

从上表2中可以看出，按照故障检测流程，当发生电弧故障(f₁、f₂)时，辅助判据(H₃、H₄)和检测判据(H₁、H₂)均得到满足，判别结果为电弧故障；当发生开合闸和负荷投切时，不满足辅助判据H₃，当发生DCT2闭锁时，不满足辅助判据H₄，故检测结果为非电弧故障。

由以上仿真结果和分析可知，本发明实施例所述基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法仅需提取事前确定的4个特征谐波含量就可以完成电弧故障检测，并在系统正常扰动下能可靠不误判，抗干扰性好。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述检测方法不受开关谐波影响，在系统开合闸、负荷投切和换流器闭锁时，能可靠不误判，抗干扰性好；且无需通信，数据存储和计算量小，提高了光伏直流汇集系统的运行安全性和高效性。

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披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，并在计及逆变电路级联与出口滤波电容的作用下，得到直流变压器开关电流的谐波表达式；

所述步骤1的过程具体为：

基于光伏直流系统中单向隔离型直流变压器的工作特征，直流变压器的出口电流表达式为：

式中，I_h为直流变压器出口电流；I₀为开关电流；ω₀为开关谐波角频率，ω₀＝2πf₀，f₀为开关频率；A₀为直流分量幅值；A_n为n倍基频分量幅值；为n倍基频分量相位；n为谐波次数；T为傅里叶变换周期，a_n为n倍基频余弦分量；b_n为n倍基频正弦分量；

计及Boost电路与全桥逆变电路级联，并且逆变电路也是通过恒定开关频率控制开关管的状态，故直流变压器出口电流I_h中，除了含f₀及其n倍频分量外，还存在其他分量，此时直流变压器出口电流I_h表示为：

式中，B_n、ω_n、φ_n分别为其他分量幅值、角频率和相位；

进一步计及直流变压器存在的出口滤波电容，对高频分量有一定的滤除作用，当n个直流变压器串联输出，单个出口电容值为C₁，出口限流电抗器为L₁时，经出口滤波电容作用后的电流表达式为；

式中，为直流变压器经滤波后的输出电流相量；/>为直流变压器出口电流相量；f表示频率；Z₁表示限流电抗器的阻抗，主要由线路阻抗组成，在高频段时，由于限流电抗器电抗值远大于线路阻抗，故忽略不计；

令直流变压器出口电容与限流电抗器构成的并联谐振频率为f_r，即：

式中，n为直流变压器串联个数；

出口电容对频率f>f_r的高频谐波有一定的滤除作用，则开关电流I₀谐波表达式为：

式中，a₀为直流分量幅值；K_n、P_n为滤波系数；α_n、β_n为对应频率分量相位；

步骤2、基于步骤1得到的开关电流谐波表达式，利用大电流电弧模型数值方程，将开关电流谐波作为电弧的电流激励，得到电弧电压响应，并以此构造电弧故障检测判据；

在步骤2中，大电流电弧模型数值方程表示为：

式中，V_arc为电弧电压，单位V；I_arc为电弧电流，单位A；L为电极间距，单位mm；

由步骤1中的开关电流I₀谐波表达式可得基次开关电流谐波表示为：

将基次开关电流谐波作为电弧的电流激励，代入电弧模型数值方程，得到电弧电压响应表示为：

V_arc＝(13.11+0.287L^1.238)[K₁A₁(cosω₀t+α₁)]^0.154

进一步的，根据频率响应定理，求解结果表示为：

式中，C₀、ω₀、γ₀分别为开关频率分量幅值、角频率和相位；C_m、ω_m、γ_m分别为对应频率分量幅值、角频率和相位，m＝,1,2...；

线路电流和电弧电压中含有除开关频率以外其他相同谐波含量，即ω_m与ω_n存在相同部分，根据故障回路约束可知汇集电压也含有特征谐波含量，以此构造电弧故障检测判据为：

H′₁＜K₁H₁或H′₁＞K₁H₁

式中，H₁’与H₁分别为实测与正常运行时汇集电压中特征谐波含量；不等号方向取决于特征谐波故障前后的相位差，具体来说：当特征谐波故障前后的相位差大于90°时，取小于号；当特征谐波故障前后的相位差小于90°时，取大于号；K₁为可靠系数，根据电弧电阻理论值和线路阻抗估算得出；

其中，若选取两个特征谐波，则所述电弧故障检测判据的逻辑关系改为“与”，即：

H′₁＜K₁H₁∩H′₂＞K₂H₂

式中，H_n’与H_n分别为实测与正常运行时汇集电压中特征谐波含量，n＝1,2；K_n均为可靠系数n＝1,2；

步骤3、进一步针对光伏直流系统投切负荷、开合闸与换流器闭锁时存在的误判问题，在步骤2所构造的电弧故障检测判据中增加扰动检测辅助判据；

在步骤3中，在所构造的电弧故障检测判据中增加扰动检测辅助判据的过程具体为：

将汇集电压在扰动瞬间看作阶跃信号，其低频段频谱密度较大，选取低频特征谐波作为辅助判据，表示如下：

H′₃＜K₃H₃

式中，H₃’与H₃分别表示实测与正常运行时低频特征谐波含量，低频特征谐波的选取需满足电弧故障前后含量几乎不变，即相位差在90°附近；K₃为可靠系数，K₃取2满足条件；

由于直流变压器闭锁时，使得光伏直流系统固有开关谐波含量下降，故以此作为另一个辅助判据，表示如下：

H₄’＞K₄H₄

式中，H₄’与H₄分别表示实测与正常运行时开关谐波含量；K₄为可靠系数，由于K₄受闭锁换流器所在的光伏场站的正常出力有关，K₄由下式估算得到：

K₄＝P_b/ΣP

式中，P_b为闭锁换流器所在光伏电站出力；ΣP为光伏电站总出力；

其中，考虑到两个辅助判据所针对的扰动类型不一样，故两个辅助判据的逻辑关系为“与”；

结合步骤2中的故障检测判据，可得故障检测总判据：

H₁’＜K₁H₁∩H₂’＞K₂H₂∩H₃’＜K₃H₃∩H₄’＞K₄H₄

式中，H_n’与H_n分别为实测与正常运行时汇集电压中故障特征谐波含量，n＝1,2,3,4；

步骤4、根据步骤3所得到的电弧故障检测判据检测所述光伏直流系统的电弧故障类型，并采取相应的保护措施。

2.根据权利要求1所述基于电压谐波特征的光伏直流系统串联电弧的检测方法，其特征在于，所述步骤4的具体过程为：

首先量测正常运行线路电流中的开关谐波幅值与相位，并代入电弧数值模型，选取出特征谐波频率；

接着读取10ms窗长内的汇集电压数据并提取出特征谐波频率对应的分量，根据步骤3所得到的电弧故障检测判据进行扰动检测：

若满足扰动检测辅助判据，则进一步进行故障检测；若故障检测判据也满足，则判断系统发生电弧故障，通知相关巡检人员进行故障排除；

若扰动检测辅助判据与故障检测判据有一个不满足，则重新读取汇集电压数据，重复上述过程。