CN115021209B - 一种光伏串短路保护方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光伏发电技术领域，涉及一种光伏串短路保护方法及装置，该方法基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；计算出故障电池数量的整定值；采用移动窗口计算光伏串的输出电流和光伏串的输出电压的暂态变化作为保护启动条件；以故障后光伏串的输出电流反向或者故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。本发明基于光伏阵列线间故障时光伏串输出电流突变以及故障电池数量的保护判据，可快速准确地定位光伏阵列中的故障光伏串。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种光伏串短路保护方法及装置。
背景技术
太阳能光伏阵列中的故障分析是提高光伏发电系统可靠性和安全性的一项基本任务。若缺乏适当的保护，光伏阵列中的故障可能会损坏光伏模块和/或电缆，并导致直流电弧危险甚至火灾隐患。有效地检测光伏阵列中的故障并设计相应的保护动作方案对于提升光伏发电系统的安全稳定性以及效率具有重要的意义。
光伏阵列的保护通常采用过电流保护，并通过加装保险丝以保护光伏组件出现过流现象。当光伏阵列出现接地保护时，其产生的大电流使得过流保护装置能够有效地动作并断开故障电路。然而，当光伏阵列中出现的故障并非接地故障，而是发生在光伏阵列两点之间的故障（线间故障），则故障电流较小故而不足以清除故障。由于故障无法及时清除，导致光伏发电站起火和直流电弧等危险事故。因此，需要设计新的保护方案能够有有效地切除光伏阵列的线间故障。
目前，关于光伏阵列中的线间故障检测与保护已有一些研究，主要可采用的方法包括能量损失法、I-V曲线分析法、电压电流波形法等。能量损失法的主要原理是通过计算光伏阵列整体输出的能量理论值与实际值的差距来判断其是否有故障。如改进的K最邻近算法、过数值统计方法等。然而，定义能量变化需要精确的光伏阵列模型以及环境参数，而这些在实际的光伏发电系统中难以获取。I-V曲线分析法能够反映光伏阵列在故障时从I-V曲线上提取电压、电流、功率以及这些变量的变化等信息来诊断光伏阵列中的故障。I-V特性曲线在光伏阵列故障诊断中具有一定的优势，但直接利用I-V曲线的故障诊断需要逆变器退出运行，影响光伏系统的可靠性。电压电流波形法是更为直接的一种方法，利用电压电流的波形所体现出的特征进行故障分析，且不受环境参数的影响；但利用电压电流的波形分析故障需要明晰光伏阵列中不同故障时的波形特征。然而，上述方法均较为复杂，且其未能区分线间故障的严重程度。因此，工程上仍然需要一种简单有效的光伏阵列线间保护方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏串短路保护方法及装置。通过结合I-V曲线分析光伏阵列线间故障时电流电压变化趋势，并计算故障电池数量，建立了光伏阵列故障时光伏串的输出电流出现反向突变或者故障电池数量大于整定值的判据。基于此判据，设计了一套光伏阵列线间故障保护动作方案，只需测量光伏串输出电流以及光伏阵列输出电压，在工程中具有较强的可实施性。
本发明通过采用的技术方案是：一种光伏串短路保护方法，步骤如下：
步骤一：基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；
光伏串的输出电流I s 与光伏串的输出电压V s 的关系：
式中，I ph 为光伏电池受光照产生的电流，I vd 为二极管的反向电流，R sh 代表等效并联电阻，R s 代表等效串联电阻，I sh 为流经等效并联电阻的电流，I vd0为二极管反向的饱和电流，n为二极管的理想因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，N s 为串联的光伏电池数量，T为光伏电池的温度，V s 为光伏串的输出电压，I s 为光伏串的输出电流；光伏串的输出电压V s 与光伏阵列的输出电压V pv 相等；式（1）简化为：
式中，I sc 是光伏串的短路电流；V oc 是光伏串的开路电压；I m 是最大功率点的电流值，V m 是最大功率点的电压值；根据式（2）可以得到光伏串输出的功率P s ：
根据式（2）以及式（3）分别得到光伏串输出的I-V特性曲线以及P-V特性曲线，用于分析光伏阵列故障时电流电压特征；
当光伏阵列中发生串内故障，其会造成光伏串内一个或者数个光伏电池短接；故障光伏串由于损失部分光伏电池，其开路电压下降；若在故障的瞬间，光伏阵列的光照以及温度均不变化，则故障光伏串的开路电压变化为：
式中，V oc ′为故障光伏串故障后的开路电压，N f 为故障电池数量，N s 为串联的光伏
电池数量；当发生串内故障后，故障光伏串的开路电压减小；同时，故障光伏串的短路电流
为：
将式（4）和式(5)代入到式（2），可以得到故障后光伏串输出的电流电压关系，如式（6）所示：
式中，
为故障后光伏串的输出电流；
式（6）表征了当某一串光伏组件发生故障后，此光伏串的输出电流与被短接的电池数量的关系；以N f 为参数，通过求解式（6），得到故障后光伏串的输出电流：
式（7）表示了光伏阵列中的故障的光伏电池数量与故障后稳态故障电流之间的关系；由式（6）和（7）求解出故障后的光伏串的输出电流；
步骤二：依据数学解析关系，以故障后的光伏串的输出电流反向为条件，计算出故障电池数量的整定值N f_set；
步骤三：依据测量的光伏阵列中光伏串的电压电流波形，采用移动窗口计算波形中的光伏串的输出电流均方根值和光伏串的输出电压的均方根值变化；当光伏串的输出电流均方根值减小，光伏串的输出电压均方根值减小，保护启动；
步骤四：保护启动后，故障后光伏串的输出电流反向或者依据故障后光伏串的输出电流计算得到的故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。
进一步优选，步骤二中，当光伏串的输出电流反向时，光伏阵列存在潜在的串内故障，因此，设定光伏串的输出电流小于零，计算得到的故障电池数量，即为故障电池数量的整定值N f_set，如公式（8）所示：
进一步优选，步骤三中，实时测量光伏串的输出电压、光伏串的输出电压，以1ms为移动窗口，对1ms内的10个采样点，做如下计算：
式中，I s_rms 为光伏串的稳态输出电流，V s_rms 为光伏串的稳态输出电压，v(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电压，i(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电流；
计算故障前后光伏阵列的稳态输出电压差值：
式中，∆V pv_steady 为故障前后光伏阵列的输出电压差值，V pv_steady 为故障前光伏阵列的输出电压，V′ pv_steady 为故障后光伏阵列的输出电压；当式（9），（10）以及（11）的计算结果满足以下条件时，保护启动；
式中，I s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电流均方根值，V s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电压均方根值。
进一步优选，步骤四中，保护判据为如式（13）所示：
当光伏串的输出电流I s <0A时，保护装置动作跳开故障光伏串开关；当光伏串的输出电流I s >0A，且计算得到的故障电池数量大于整定值，保护装置动作跳开故障光伏串开关；
若光伏串的输出电流只是减小，但并不反向，且计算得到的故障电池数量小于整定值，光伏串的输出电压则通过控制增加到开路电压，并继续观察光伏串的输出电流是否反向。
本发明还提供一种光伏串短路保护装置，如图5所示，包括接口转换装置、光伏组件直流保护装置和逆变器；接口转换装置与光伏串相连接，接口转换装置连接光伏组件直流保护装置，光伏组件直流保护装置连接逆变器；光伏组件直流保护装置包括霍尔传感器、接触器和控制单元。每个光伏串串接了霍尔传感器用于电流测量，串接接触器用于断开光伏串，并最终馈入逆变器的MPPT支路；控制单元用于保护逻辑的实现。控制单元包括直流电流的补偿和AD采样电路、数字运算处理器DSP，以及控制回路。
本发明提出基于光伏阵列线间故障时光伏串输出电流反向突变以及故障电池数量的判据，可快速准确地定位光伏阵列中的故障光伏串和故障电池数量。该方法只需要测量光伏串的输出直流电流信号以及光伏阵列输出的电压信号，保护配合只需要跳闸信号，能够有效切除光伏阵列线间故障。
附图说明
图1是光伏阵列两种线间短路示意图。
图2是光伏阵列等效电路图。
图3是光伏阵列串内故障光伏串电流电压变化图。
图4是本发明的光伏阵列保护方法流程图。
图5是光伏串短路保护装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细阐明。
一种光伏串短路保护方法及装置，步骤如下：
步骤一：基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；
步骤二：依据数学解析关系，以故障后的光伏串的输出电流反向为条件，计算出故障电池数量的整定值N f_set；
步骤三：依据测量的光伏阵列中光伏串的电压电流波形，采用移动窗口计算波形中的光伏串的输出电流均方根值（RMS值）和光伏串的输出电压均方根值的变化；当光伏串的输出电流均方根值减小，光伏串的输出电压均方根值减小，保护启动；
步骤四：保护启动后，故障后光伏串的输出电流反向或者依据故障后光伏串的输出电流计算得到的故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。
典型的并网光伏发电系统主要包括光伏电源模块、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、滤波器、电气连接布线和保护装置，保护装置包括过流保护装置（OCPD）和接地故障保护设备（GFPD）。光伏电源模块由一定数量的光伏电池板串并联组成，形成光伏阵列。光伏阵列输出的直流电压通过DC/DC变换器实现升压，从而提供DC/AC逆变器的直流侧电容电压。DC/DC变换器的开关函数由最大功率追踪（MPPT）确定。DC/AC逆变器通常采用双环控制，即外环控制直流侧电容电压以及逆变器输出的无功功率（通常为0），内环控制逆变器交流测输出电流。其内环控制环节通常为dq控制并采用PI控制器。逆变器前端的LCL滤波器用于滤除逆变器开关引起的高次谐波。
光伏阵列中的故障主要分为接地故障与线间故障。光伏阵列的接地故障可由过流保护装置动作切除故障电路部分。本发明则主要针对过流保护无法动作的线间故障。光伏阵列中的线间故障可以分为两类，如图1所示。第一类故障为同一串光伏电池的线路两点之间短接，称之为串内故障。当光伏阵列中出现串内故障，则只有故障光伏串的部分光伏电池被短接，而其他光伏串则不受有影响。第二类故障为不同光伏串的线路两点之间短路，称之为串间故障。值得注意的是，由于物理距离较近，光伏阵列中的光伏电池基本可视为相同，因此，在不同串的相同电位点发生短接不会造成电压电流变化。短接的两点必须是不同电位的两点。在此情况下，串间故障会导致至少两串光伏电池组件出现异常。图1中，I 1，I 2，…，I n分别为第1，2，…，n光伏串的输出电流；V 11，V 12，…，V 1n分别为第1光伏串第1，2，…，n个光伏电池；V 21，V 22，…，V 2n分别为第2光伏串第1，2，…，n个光伏电池，V n1，V n2，…，V nn分别为第n光伏串第1，2，…，n个光伏电池电压，每个光伏电池的发电功率为1000W/m2，I pv 为光伏阵列的输出电流，V pv 为光伏阵列的输出电压。
本发明提出基于故障光伏串电流反向突变和故障电池数量的保护判据。光伏串的等效电路图可由图2表示，光伏电池、二极管、等效并联电阻三者并联，然后再串联等效串联电阻。根据图2可以得到光伏串的输出电流I s 与光伏串的输出电压V s 的关系：
式中，I ph 为光伏电池受光照产生的电流，I vd 为二极管的反向电流，R sh 代表等效并联电阻，R s 代表等效串联电阻，I sh 为流经等效并联电阻的电流，I vd0为二极管反向的饱和电流，n为二极管的理想因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，N s 为串联的光伏电池数量，T为光伏电池的温度，V s 为光伏串的输出电压，Is为光伏串的输出电流。光伏串的输出电压V s 与光伏阵列的输出电压V pv 相等。值得注意的是，式（1）中的很多参数均受光照强度、温度等影响，而实际中的厂家往往不提供相关参数。因此，在工程实际中，更为广泛使用的简化电流公式如式（2）所示。
式中，I sc 是光伏串的短路电流；V oc 是光伏串的开路电压；I m 是最大功率点的电流值，V m 是最大功率点的电压值。根据式（2）可以得到光伏串输出的功率P s 表达式如式（3）所示。
因此，根据式（2）以及式（3）可以分别得到光伏串输出的I-V特性曲线以及P-V特性曲线，并用于分析光伏阵列故障时电流电压特征。
当光伏阵列中发生串内故障，其会造成光伏串内一个或者数个光伏电池故障。故障光伏串由于损失部分光伏电池，其开路电压下降。假设在故障的瞬间，光伏阵列的光照以及温度等环境均不变化，则故障光伏串的开路电压变化为：
式中，V oc ′为故障光伏串故障后的开路电压，N f 为故障电池数量，N s 为串联的光伏电池数量。因此，可以看出，当发生串内故障后，故障光伏串的开路电压减小。同时，故障光伏串的短路电流可表达为式（5）所示。
将式（4）和式(5)代入到式（2），可以得到故障后光伏串输出的电流电压关系，如式（6）所示。
式中，
为故障后光伏串的输出电流；式（6）表征了当某一串光伏组件发生故障
后，此光伏串的输出电流与故障电池数量的关系。值得注意的是，由于故障未被检测之前，
最大功率MPPT特性仍然保持原来的电压工作点，即光伏阵列的输出电压V pv 不变，式（6）中，
即V pv 仍为最大功率工作点电压V m 。因此，以N f 为未知数，通过求解式（6），可以得到故障后光
伏串的输出电流，即
式（7）表示了光伏阵列中的故障的光伏电池数量与故障后稳态故障电流之间的关系。值得注意的是，求解上述方程需要故障前开路电压、短路电流、光伏串的光伏电池数量以及最大功率工作点，而这些参数可以根据外部的温度、光照强度以及光伏阵列的设计参数得出。由式（6）和（7）可知，求解故障后的光伏串输出电流需要知道故障前开路电压、短路电流、光伏串的光伏电池数量以及最大功率工作点。当这些参数已知时，根据测量的故障后电流稳态值， 当光伏串的输出电流反向时，光伏阵列存在潜在的串内故障，因此，设定光伏串的输出电流小于零，计算得到故障电池数量，即为故障电池数量的整定值N f_set，如公式（8）所示：
具体地，步骤三中，实时测量光伏串的输出电压、光伏串的输出电压，以1ms为移动窗口，对1ms内的10个采样点，做如下计算：
式中，I s_rms 为光伏串的输出电流均方根值，V s_rms 为光伏串的输出电压均方根值，v(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电压，i(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电流；
计算故障前后光伏阵列的稳态输出电压差值：
式中，∆V pv_steady 为故障前后光伏阵列的稳态输出电压差值，V pv_steady 为故障前光伏阵列的输出电压，V′ pv_steady 为故障后光伏阵列的输出电压；当式（9），（10）以及（11）的计算结果满足以下条件时，保护启动；
式中，I s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电流均方根值，V s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电压均方根值。
实际中，故障后光伏串的输出电流I s ′与故障电池数量N f 的关系可由图3来分析。当故障故障电池数量增加时，故障光伏串的开路电压与短路电流均减小，因此，其I~V曲线有如图3所示变化趋势。其对应的故障后光伏串的输出电流如左半边曲线所示。从图中可以看出，当光伏串中只有部分电池被短接时，光伏串的输出电流减小，被短接的电池数量越多，故障光伏串的输出电流突变量越大。值得注意的是，当光伏串中的被故障电池达到一定数量时，故障光伏串的输出电流出现反向。根据以上分析结果表明，当发生串内故障时，其故障电流的绝对值减小而非增加。因此，过流保护难以识别并断开线间保护。同时，当光伏串中只有少部分故障电池时，故障串电流只是减小，此时对于光伏发电系统的安全稳定运行危害不大。但当光伏串中故障的电池数量增加时，由于电流反向，意味着击穿了二极管，此时虽然电流绝对值可能不大，但其潜在危害很大。此时，必须要有有效的保护措施切除此类故障。
因此，当光伏阵列的输出电压不变，光伏串的输出电流反向时（以向电网部分输出为参考方向）或者故障电池数量大于整定值时，光伏阵列中存在潜在的危险串内故障。由此，本发明步骤四中的保护判据为：
当光伏串的输出电流I s <0A时，此时光伏串的输出电流已经反向，保护装置应该动作跳开故障光伏串开关；当光伏串的输出电流I s >0A，此时光伏串的输出电流虽未反向，但计算得到的故障电池数量大于整定值，保护装置动作跳开故障光伏串开关；
若光伏串的输出电流只是减小，但并不反向，光伏串的输出电压则通过控制增加到开路电压，并继续观察光伏串的输出电流是否反向。
进一步地，保护装置的动作逻辑设置如图4所示，从t=0时刻开始采样，判断是否满足式（12），如果否，则继续MPPT控制，如果是，进行t+Ts时刻采样，T s 为采样周期，继续判断是否满足式（12），监控满足式（12）的状态持续时间Δt是不是大于1ms，如果否，保护装置不启动，继续按采样周期采样，如果是，保护装置启动，判断是否满足式（13），如果是，保护装置动作，跳开故障光伏串开关，如果否，光伏串的输出电压则通过控制增加到开路电压。
本发明还提供一种光伏串短路保护装置，如图5所示，包括接口转换装置、光伏组件直流保护装置和逆变器；接口转换装置与光伏串相连接，接口转换装置连接光伏组件直流保护装置，光伏组件直流保护装置连接逆变器；光伏组件直流保护装置包括霍尔传感器、接触器和控制单元。每个光伏串串接了霍尔传感器用于电流测量，串接接触器用于断开光伏串，并最终馈入逆变器的MPPT支路；控制单元用于保护逻辑的实现。控制单元包括直流电流的补偿和AD采样电路、数字运算处理器DSP，以及控制回路。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种光伏串短路保护方法，其特征是，步骤如下：
步骤一：基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；
光伏串的输出电流I s 与光伏串的输出电压V s 的关系：
式中，I ph 为光伏电池受光照产生的电流，I vd 为二极管的反向电流，R sh 代表等效并联电阻，R s 代表等效串联电阻，I sh 为流经等效并联电阻的电流，I vd0为二极管反向的饱和电流，n为二极管的理想因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，N s 为串联的光伏电池数量，T为光伏电池的温度，V s 为光伏串的输出电压，I s 为光伏串的输出电流；光伏串的输出电压V s 与光伏阵列的输出电压V pv 相等；式（1）简化为：
式中，I sc 是光伏串的短路电流；V oc 是光伏串的开路电压；I m 是最大功率点的电流值，V m 是最大功率点的电压值；根据式（2）得到光伏串输出的功率P s ：
根据式（2）以及式（3）分别得到光伏串输出的I-V特性曲线以及P-V特性曲线，用于分析光伏阵列故障时电流电压特征；
当光伏阵列中发生串内故障，其会造成光伏串内一个或者数个光伏电池短接；故障光伏串由于损失部分光伏电池，其开路电压下降；若在故障的瞬间，光伏阵列的光照以及温度均不变化，则故障光伏串的开路电压变化为：
式中，V oc ′为故障光伏串故障后的开路电压，N f 为故障电池数量，N s 为串联的光伏电池数
量；当发生串内故障后，故障光伏串的开路电压减小；同时，故障光伏串的短路电流
为：
将式（4）和式(5)代入到式（2），得到故障后光伏串输出的电流电压关系，如式（6）所示：
式中，
为故障后光伏串的输出电流；
式（6）表征了当某一串光伏组件发生故障后，此光伏串的输出电流与故障电池数量的关系；以N f 为参数，通过求解式（6），得到故障后光伏串的输出电流：
式（7）表示了光伏阵列中的故障的光伏电池数量与故障后稳态故障电流之间的关系；由式（6）和（7）求解出故障后的光伏串的输出电流；
步骤二：依据数学解析关系，以故障后的光伏串的输出电流反向为条件，计算出故障电池数量的整定值N f_set；
步骤三：依据测量的光伏阵列中光伏串的电压电流波形，采用移动窗口计算波形中的光伏串的输出电流均方根值和光伏串的输出电压的均方根值变化；当光伏串的输出电流均方根值减小，光伏串的输出电压均方根值减小，保护启动；
步骤四：保护启动后，故障后光伏串的输出电流反向或者依据故障后光伏串的输出电流计算得到的故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。
2.根据权利要求1所述的一种光伏串短路保护方法，其特征是，步骤二中，故障电池数量的整定值N f_set根据公式（8）计算，设定光伏串的输出电流小于零，计算得到的故障电池数量，即为故障电池数量的整定值N f_set；
3.根据权利要求1所述的一种光伏串短路保护方法，其特征是，步骤三中，实时测量光伏串的输出电压、光伏串的输出电压，以1ms为移动窗口，对1ms内的10个采样点，做如下计算：
式中，I s_rms 为光伏串的输出电流均方根值，V s_rms 为光伏串的输出电压均方根值，v(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电压，i(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电流；
计算故障前后光伏阵列的稳态输出电压差值：
式中，∆V pv_steady 为故障前后光伏阵列的输出电压差值，V pv_steady 为故障前光伏阵列的输出电压，V′ pv_steady 为故障后光伏阵列的输出电压；当式（9），（10）以及（11）的计算结果满足以下条件时，保护启动；
式中，I s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电流均方根值，V s_rms (y)为第y次采用移动窗口计算的光伏串的输出电压均方根值。
4.根据权利要求3所述的一种光伏串短路保护方法，其特征是，步骤四中，保护判据如式（13）所示：
当光伏串的输出电流I s <0A时，保护装置动作跳开故障光伏串开关；当光伏串的输出电流I s >0A，且计算得到的故障电池数量大于整定值，保护装置动作跳开故障光伏串开关；
若光伏串的输出电流只是减小，但并不反向，且计算得到的故障电池数量小于整定值，光伏串的输出电压则通过控制增加到开路电压，并继续观察光伏串的输出电流是否反向。
5.一种实现权利要求1-4任意一项所述方法的光伏串短路保护装置，其特征是，包括接口转换装置、光伏组件直流保护装置和逆变器；接口转换装置与光伏串相连接，接口转换装置连接光伏组件直流保护装置，光伏组件直流保护装置连接逆变器；光伏组件直流保护装置包括霍尔传感器、接触器和控制单元；每个光伏串串接了霍尔传感器用于电流测量，串接接触器用于断开光伏串，并最终馈入逆变器的MPPT支路；控制单元用于保护逻辑的实现。
6.根据权利要求5所述的光伏串短路保护装置，其特征是，控制单元包括直流电流的补偿和AD采样电路、数字运算处理器DSP，以及控制回路。
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