CN208110019U

CN208110019U - 一种光伏并网逆变器故障信号检测系统

Info

Publication number: CN208110019U
Application number: CN201820592796.8U
Authority: CN
Inventors: 高相铭; 来建民; 邹玉炜; 丁电宽
Original assignee: Anyang Normal University
Current assignee: Anyang Normal University
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2028-04-25

Abstract

一种光伏并网逆变器故障信号检测系统：包括霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路和系统电源电路；所述A/D转换电路还包括参考电压产生电路；所述霍尔传感器电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，信号调理电路的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端电连接，A/D转换电路的输出端与微处理器电连接；所述系统电源电路分别与霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路、参考电压产生电路电连接，为其提供电源；所述参考电压产生电路的输出端与A/D转换电路的参考电压输入端相连，为其提供参考电压。本实用新型大大节省了硬件成本，灵敏可靠。

Description

一种光伏并网逆变器故障信号检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，属于电力电子技术领域。

背景技术

为了推进太阳能光伏发电的长远发展，我国政府推出了相关的鼓励政策。例如低压电网系统将允许分布式太阳能发电系统的并入，国家电网公司将会对这些并网电能进行全额收购。然而太阳能发电具有间歇性、波动性、不可控性等特点，随着越来越多的光伏发电系统并入电网，势必会对电网的安全运行造成一定的影响。并网逆变器作为连接光伏电池板和电网的关键设备，其安全、稳定、可靠的运行对于光伏发电系统至关重要。而当光伏并网逆变器的单个或某几个功率开关器件发生开路故障时并不会导致逆变系统出现过流现象，而且系统能够在相当长的一段时间内继续运行，因此在系统运行过程中很难发现这种故障。系统这样长时间运行于故障状态下，若不能及时诊断故障并将其排除，必然会造成相关器件的永久性损坏，更为严重的可能会导致整个并网系统崩溃，进而影响电网的安全稳定运行。因此，研究逆变器相关故障的诊断方法在降低损失、维持设备稳定运行以及保障电网安全运行等方面具有重要意义。

在光伏并网系统中，三电平逆变器具有诸多的优点，已经被广泛采用，其结构原理如附图9所示。光伏并网逆变器本质上是一种结构复杂、元件众多的电力电子器件组合体，因此，对并网型光伏逆变器进行的故障诊断可以转化为针对电力电子设备的组成元器件的故障诊断。功率开关管是光伏并网逆变器中主要元件之一，并且也是故障发生率最高的元件。功率开关管长期在频率极高的状况下使用，对于器件的损伤很大，非常容易产生故障，其类型主要为开路故障和短路故障。由于短路故障持续时间极短而且后果非常严重，现在多采用硬件电路进行保护，在短路故障发生后迅速切断功率开关管，其最终结果等同于开路。因此对光伏并网逆变器功率开关器件的开路故障进行及时诊断，对于保障光伏并网系统的安全稳定运行具有十分重要的意义。光伏并网逆变器故障诊断的过程分为三个重要步骤：故障信号检测、故障信息的特征提取、故障识别和定位，其中信号检测是实现故障诊断的第一步，所采集的故障信息必须完整而精确，这样才能保证后期故障诊断的准确性。目前对于光伏并网三电平逆变器的故障诊断，大多以电压信号作为故障诊断依据，采用三电平逆变器的上、中、下桥臂d、e、f、a、b、c、g、h、i处（见附图9）的电压作为检测信号，利用桥臂电压的多种谐波含量和特征作为故障特征向量，该方法需要采集电压信号很多，不但需要很多传感器，而且大大增加了需要处理的信息量，这些高维特征向量作为神经网络的输入使得网络结构复杂，运算量增加，延长了故障诊断时间。

发明内容

针对上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、检测准确、迅速的光伏并网逆变器故障信号检测系统。

本实用新型的技术方案为：一种光伏并网逆变器故障信号检测系统：包括霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路和系统电源电路；所述A/D转换电路还包括参考电压产生电路；所述霍尔传感器电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，信号调理电路的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端电连接，A/D转换电路的输出端与微处理器电连接；所述系统电源电路分别与霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路、参考电压产生电路电连接，为其提供电源；所述参考电压产生电路的输出端与A/D转换电路的参考电压输入端相连，为其提供参考电压。

进一步的，上述信号调理电路包括低通滤波电路、电压跟随器电路、电压调整电路、基准电压产生电路；所述霍尔传感器电路的输出端与低通滤波电路的输入端电连接，低通滤波电路的输出端与电压跟随器电路的输入端电连接，电压跟随器的输出端与电压调整电路的电压信号输入端电连接，电压调整电路的输出端与A/D转换电路的模拟输入端电连接；所述基准电压产生电路的输出端与电压调整电路的基准电压输入端相连，为其提供基准电压。

进一步的，上述霍尔传感器电路的输出电压信号为-2.5V~2.5V。

可选的，上述霍尔传感器电路采用的霍尔电流传感器型号为LA100-P。

进一步的，上述低通滤波电路实现截止频率为1kHz的低通滤波功能。

可选的，上述低通滤波电路采用无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器，采用的运算放大器型号为OPA227U。

可选的，上述电压跟随器电路采用的运算放大器型号为OPA227U。

进一步的，上述电压调整电路的输出电压信号为0~5V，采用的运算放大器型号为OP07。

进一步的，上述基准电压产生电路产生的基准电压为2.5V，采用的核心器件型号为LM336BD-2.5。

进一步的，上述A/D转换电路的模拟信号输入端输入的模拟电压信号为0~5V。

可选的，上述A/D转换电路采用的A/D转换芯片型号为TLC4541。

进一步的，上述参考电压产生电路产生的参考电压为5V，采用的器件型号为LM336-5。

进一步的，上述系统电源电路包括电源变压器、整流电路、滤波电路和精准稳压电路；所述电源变压器的输入电压为220V交流电，输出为20V的交流电压并送入整流电路；经整流电路整流、滤波电路滤波、精准稳压电路稳压后，输出直流电压。

进一步的，上述整流电路由4个IN5391二极管组成桥式整流模块。

进一步的，上述精准稳压电路采用三端集成稳压芯片；采用型号为LM7812CT和LM7912CT的芯片输出±12V直流电压；采用型号为LM7805CT和LM7905CT的芯片输出±5V直流电压。

本实用新型的积极有益技术效果在于：本技术方案中采用霍尔电流传感器的检测系统对逆变器的输出交流电流进行检测，只需要三个传感器即可实现故障信号的检测，不但大大节省了硬件成本，并且使系统的结构更加紧凑，更加节能环保；且采用本方案时，以逆变器的输出电流作为故障诊断依据，只需对A、B、C三相电流进行检测，利用电流信号中的多种谐波含量和特征作为故障特征向量，该方法只需处理A、B、C三相的电流信号，大大减少了数据处理的运算量，而作为神经网络输入的特征向量的维数也会大大降低，因此会使故障诊断时间进一步减少，使故障诊断系统的实时性更强；通过采用霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路，可以及时的将光伏并网逆变器输出的每一相大电流信号转化为灵敏的小电压数字信号输出，并且采用低通滤波电路、参考电压电路和基准电压电路，以及采用市场上灵敏通用的传感器、和/或运算放大器、和/或稳压芯片等核心器件，有效滤除了噪声，提高了检测的灵敏度、完整度和准确度。

附图说明

图1光伏并网逆变器故障信号检测系统总体结构图。

图2霍尔电流传感器电路。

图3低通滤波与电压跟随器电路。

图4电压调整电路。

图5电压调整电路中的2.5V基准电压产生电路。

图6高精度16位A/D转换电路。

图7 A/D转换器5V参考电压产生电路。

图8系统电源电路。

图9三电平逆变器结构原理图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型进一步详细的解释：光伏并网逆变器故障信号检测系统主要由霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路和系统电源电路等组成，系统总体结构如图1所示。

霍尔电流传感器采用LEM公司的LA100-P，一次侧输入额定电流为±100A，变比为1:2000，二次侧输出额定电流为±50mA，传感器所需电源电压VCC为12V，VEE为-12V，R _m取50欧姆，则V _out端的输出电压变化范围为-2.5V~2.5V。其电路如图2所示。

光伏并网逆变器的输出为三相电流，因此需要采用三个相同的霍尔电流传感器进行检测，被检测线路从霍尔电流传感器的中心穿过。如果电流方向为I_in端流向I_out端，则V_hout输出正电压，最高为2.5V；反之如果电流方向为I_out端流向I_in端，则V_hout输出负电压，最低为-2.5V。从而将变化范围为-100A~+100A的交流电流信号变为-2.5V~2.5V的电压信号。

信号调理电路主要包括低通滤波电路、电压跟随器电路、电压调整电路以及2.5V基准电压产生电路。低通滤波与电压跟随器电路如图3所示，电压调整电路如图4所示，2.5V基准电压产生电路如图5所示。

低通滤波电路采用无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器，其中的运算放大器选用高精度低噪声运算放大器OPA227U。通过选择合适电阻和电容参数，实现截止频率为1kHz的低通滤波功能，将霍尔传感器输出的有效信号中的大于1kHz的高频干扰信号全部滤除，保证了有效信号的精确性。

电压跟随器电路位于低通滤波电路和电压调整电路之间，起到缓冲和隔离的作用。该电压跟随器具有高输入阻抗、低输出阻抗的性能，能够使低通滤波电路输出的电压信号不受电压调整电路输入阻抗的影响，进一步保证了信号的准确性。电压跟随器的核心为OPA227U高精度低噪声运算放大器。电压跟随器输出信号的范围同霍尔传感器输出信号的范围相同，均为：-2.5V~2.5V，而后级的A/D转换器要求输入电压信号为0~5V，因此需要对电压进行调整，以适应A/D转换器的输入要求。该功能由图4所示的电压调整电路来实现。

电压调整电路的核心为运算放大器OP07，电压跟随器输出的信号从OP07的正相端输入，实现了电压调整的功能，其工作原理如下：

设OP07运算放大器的2脚电压为V ₊，3脚的电压为V _-，同相端2.5V输入电压为V _in1。根据运算放大器的特性可知V ₊=V _-，且可以得到如下等式：

将以上等式变形得到：

由于V ₊=V _-，因此令R ₂ =R ₃，R _f =R ₁，则有：

由于输入端V _in的电压取值范围为-2.5V~2.5V，经过电压调整电路后，输出端V _out电压范围被调整为0~5V，而A/D转换器TLC4541所要求的模拟电压输入范围也为0~5V，从而实现了电压的匹配。

电压调整电路中用到的2.5V基准电压由图5所示的2.5V基准电压产生电路提供。电路的核心器件为LM336BD-2.5。

A/D转换电路是光伏并网逆变器故障信号检测系统的核心部分，其功能是使传感器采集的模拟信号转换成计算机能处理的数字信号。考虑到系统对光伏并网逆变器输出电流信号检测精度和检测速度的较高要求，A/D转换芯片选用TI公司的TLC4541。该芯片采用CMOS工艺，在高速转换的同时能够保持低功耗，具有16位分辨率，最高采样率为200ksps，内置采样保持电路。TLC4541的外部接线电路如图6所示。

A/D转换器TLC4541的VDD接正5V电源，AIN-和GND接电源地，AIN+接电压调整电路输出的0~5V模拟信号，REF接5V基准电压源作为A/D转换器的参考电压，该参考电压的精度将直接影响A/D转换精度。为此专门设计了以LM336-5V为核心的5V参考电压产生电路，如图7所示。

通过将TLC4541的片选引脚 (CS)、串行时钟引脚(SCK)以及串行数据输出引脚(SDO)与微处理器进行连接，即可将转换结果送入微处理器内，以便进行后续的故障信号分析和故障特征提取。

系统电源电路如图8所示。电源系统的输入电压为50Hz的220V交流电，通过电源变压器降压后得到20V左右的交流电压并送入整流电路。整流电路由4个IN5391二极管组成桥式整流模块，当正弦交流电压为正的时候，D1、D3导通，当交流电压为负的时候D2、D4导通，从而将正负交变的交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压仍含有较大的纹波，无法用于驱动直流负载，因此需要进行滤波和稳压处理。滤波电路中采用3300uf的电解电容C41、C42作为滤波电容，并起到初步稳压的作用，脉动的直流电压通过该电路后电压波形脉动减小，变为平滑的直流电压，但这样的电压还会随电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，需接精准稳压电路，方能得到稳定精确的直流电压。本设计采用三端集成稳压芯片作为精准稳压电路的核心器件，分别为：LM7812CT、LM7912CT、LM7805CT、LM7905CT。

精准稳压电路的稳压芯片LM7812CT、LM7912CT输入端接电容C29、C30、C35、C36用以抵消输入端较长接线的电感效应，以防止自激振荡，还能抑制电源的高频脉冲干扰。其中C30、C36选用漏电流小的0.47μF的钽电容，C29、C35选用100μF的电解电容。稳压芯片LM7812CT、LM7912CT、LM7805CT、LM7905CT的输出端分别接电容C31、C32、C33、C34、C37、C38、C39、C40用于改善负载的瞬态响应，消除电路的高频噪声，同时也具有消振作用。其中C32、C34、C38、C40选用0.1μF的钽电容，C31、C33、C37、C39选用47μF的电解电容。系统电源电路可精准稳定的输出±12V和±5V，为其他电路提供电源。

当光伏并网逆变器的功率开关管发生故障时，其输出的电流曲线会发生畸变，例如对任意单个功率开关管开路故障，共有12种类型故障；同一相的桥臂上任意两个功率开关管开路故障，共有3*6=18种类型故障；不同位置的功率开关管的开路故障会导致相应的逆变电路功率开关管无法导通，从而使输出的三相电流发生相应的畸变。利用此电流特征，采用基于极值比值法提取三相电流的故障特征量，然后将提取的故障特征量作为深度神经网络的输入向量，不同的故障特征向量对应的故障类型作为深度神经网络的输出值，对网络进行训练，最终构建基于深度神经网络的逆变器故障智能诊断系统，实现逆变器故障位置和类型的快速判断定位。

在详细说明本实用新型的实施方式之后，熟悉该项技术的人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围，且本实用新型亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims

1.一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：包括霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路和系统电源电路；所述A/D转换电路还包括参考电压产生电路；所述霍尔传感器电路的输出端与信号调理电路的输入端电连接，信号调理电路的输出端与A/D转换电路的模拟信号输入端电连接，A/D转换电路的输出端与微处理器电连接；所述系统电源电路分别与霍尔传感器电路、信号调理电路、A/D转换电路、参考电压产生电路电连接，为其提供电源；所述参考电压产生电路的输出端与A/D转换电路的参考电压输入端相连，为其提供参考电压。

2.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述信号调理电路包括低通滤波电路、电压跟随器电路、电压调整电路、基准电压产生电路；所述霍尔传感器电路的输出端与低通滤波电路的输入端电连接，低通滤波电路的输出端与电压跟随器电路的输入端电连接，电压跟随器的输出端与电压调整电路的电压信号输入端电连接，电压调整电路的输出端与A/D转换电路的模拟输入端电连接；所述基准电压产生电路的输出端与电压调整电路的基准电压输入端相连，为其提供基准电压。

3.根据权利要求2所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述霍尔传感器电路的输出电压信号为-2.5V~2.5V，所述霍尔传感器电路采用的霍尔电流传感器型号为LA100-P，所述低通滤波电路为具有截止频率为1kHz的低通滤波低通滤波电路功能。

4.根据权利要求3所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述低通滤波电路采用无限增益多路反馈二阶有源低通滤波器，采用的运算放大器型号为OPA227U。

5.根据权利要求2所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述电压跟随器电路采用的运算放大器型号为OPA227U。

6.根据权利要求2所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述电压调整电路的输出电压信号为0~5V，采用的运算放大器型号为OP07，所述基准电压产生电路产生的基准电压为2.5V，采用的核心器件型号为LM336BD-2.5。

7.根据权利要求1或2所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述A/D转换电路的模拟信号输入端输入的模拟电压信号为0~5V，所述A/D转换电路采用的A/D转换芯片型号为TLC4541。

8.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述参考电压产生电路产生的参考电压为5V，采用的器件型号为LM336-5。

9.根据权利要求1所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述系统电源电路包括电源变压器、整流电路、滤波电路和精准稳压电路；所述电源变压器的输入电压为220V交流电，输出为20V的交流电压并送入整流电路；经整流电路整流、滤波电路滤波、精准稳压电路稳压后，输出直流电压，所述整流电路由4个IN5391二极管组成桥式整流模块。

10.根据权利要求9所述的一种光伏并网逆变器故障信号检测系统，其特征在于：所述精准稳压电路采用三端集成稳压芯片,采用型号为LM7812CT和LM7912CT的芯片输出±12V直流电压；采用型号为LM7805CT和LM7905CT的芯片输出±5V直流电压。