[發(fā)明專利]光伏系統(tǒng)直流側(cè)電弧故障檢測裝置及其檢測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710535193.4
• 申請日: 2017-07-03
• 公開（公告）號(hào): CN107294494A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐文新;柴立超;吳春華
• 申請（專利權(quán)）人: 上海巖芯電子科技有限公司
• 主分類號(hào): H02S50/00
• 分類號(hào): H02S50/00;G01R31/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于光伏并網(wǎng)故障檢測領(lǐng)域，特別涉及光伏系統(tǒng)直流側(cè)電弧故障檢測裝置及其檢測方法。

背景技術(shù)：

隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展，一些嚴(yán)重的問題也突顯出來，其中光伏組件老化帶來的電氣系統(tǒng)安全問題尤為突出。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)光伏系統(tǒng)火災(zāi)事故大多與直流故障電弧有關(guān)。光伏系統(tǒng)存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和大量的連接設(shè)備，直流端電壓可以達(dá)到1000V以上，一旦產(chǎn)生電弧故障，極有可能瞬間點(diǎn)燃周圍的可燃物或者光伏組件從而造成火災(zāi)事故。為解決此類安全問題，美國國家電氣規(guī)范NEC(National Electrical Code)第690.11號(hào)文件要求光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流母線大于80V應(yīng)配備故障電弧檢測裝置與斷路器。

光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧的檢測不僅因?yàn)楣夥嚵薪Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生故障電弧位置難以預(yù)測給故障檢測以及電路保護(hù)帶來困難，還要面對外界環(huán)境的干擾以及逆變器MPPT算法和孤島檢測算法、電力電子裝置的運(yùn)行干擾、類弧負(fù)載的工作干擾等內(nèi)部工況。因此，需要一種多維判據(jù)的故障電弧準(zhǔn)確檢測方法，為光伏系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。

按電弧發(fā)生位置不同，可將電弧類型分為串聯(lián)、并聯(lián)及接地電弧，如圖1所示：其中a為組串內(nèi)串聯(lián)電弧，b、d為組內(nèi)并聯(lián)電弧，c為組間并聯(lián)電弧。其中接地電弧可視為一種特殊的并聯(lián)電弧，且比較容易被檢測到。

目前針對光伏系統(tǒng)的故障電弧檢測并沒有得到深入的研究，也沒有考慮到光伏系統(tǒng)的復(fù)雜性結(jié)構(gòu)及易受到外界干擾的特性，造成在某些情況下的誤判和漏判。譬如，光伏系統(tǒng)在面對噪聲干擾、天氣變化等復(fù)雜外界環(huán)境時(shí)，其中便存在云層剛過時(shí)或者飛行物掠過時(shí)給光伏系統(tǒng)發(fā)電帶來的波動(dòng)性，若在此時(shí)發(fā)生故障電弧，單一判據(jù)的電弧檢測方法可能會(huì)發(fā)生誤判、漏判。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了光伏系統(tǒng)直流側(cè)電弧故障檢測裝置及其檢測方法，目的在于解決在光伏系統(tǒng)中發(fā)生直流電弧故障時(shí)準(zhǔn)確檢測到故障電弧的問題。

光伏陣列故障電弧檢測方法，包括如下步驟：

(1)在光伏系統(tǒng)運(yùn)行過程中采用電流互感器對光伏陣列輸出端直流母線進(jìn)行電流采樣。

(2)對上述的電流采樣信號(hào)經(jīng)過硬件濾波電路進(jìn)行高通濾波，濾除20kHz以下的信號(hào)分量，獲得電流采樣高頻信號(hào)；

(3)對上述的電流采樣高頻信號(hào)，經(jīng)過ADC采樣芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)送入DSP數(shù)字信號(hào)處理器后進(jìn)行代入電弧故障檢測算法進(jìn)行電弧故障檢測，其中ADC采樣芯片采樣率為180kHz。

(4)利用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)算法對上述電流采樣高頻信號(hào)進(jìn)行分解，得到若干本征模態(tài)分量(intrinsic mode function，IMF)；

(5)利用表征信號(hào)復(fù)雜度的模糊熵算法將各時(shí)間序列IMF量化，選擇能夠區(qū)分電弧故障的高頻局部分量IMF1、IMF2、IMF3的模糊熵E₁、E₂、E₃作為特征向量；

(6)多次采集光伏系統(tǒng)在正常狀態(tài)下以及故障電弧狀態(tài)下的直流側(cè)母線電流信號(hào)，并通過上述步驟進(jìn)行處理，提取正常以及故障電弧的特征向量。

(7)利用模糊C均值聚類算法(fuzzy C means clustering，F(xiàn)CM)將多次采集的電流信號(hào)并通過EEMD與模糊熵算法提取的正常與故障電弧特征向量進(jìn)行聚類處理，并得出正常與故障電弧的聚類中心V1、V2，如圖4所示。

(8)在進(jìn)行電弧故障檢測時(shí)，每次采集到的光伏系統(tǒng)直流母線電流信號(hào)進(jìn)行處理后，提取特征向量歸一化后，計(jì)算與正常狀態(tài)與故障電弧狀態(tài)聚類中心V1、V2的距離進(jìn)行故障電弧辨識(shí)即可。

(9)若檢測光伏陣列存在故障電弧，則通過DSP發(fā)出故障進(jìn)行故障報(bào)警；若不存在故障電弧，則重復(fù)步驟8。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提出了一種基于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)和模糊C均值聚類(FCM)的組合故障檢測方法來檢測故障電弧信號(hào)，能夠更加準(zhǔn)確的檢測光伏陣列是否發(fā)生電弧故障，防止誤判漏判。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧檢測框圖；

圖2為本發(fā)明光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧檢測流程圖；

圖3為正常狀態(tài)及故障電弧狀態(tài)直母線電流EEMD分解前四層結(jié)果；

圖4為光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧識(shí)別結(jié)果；

具體實(shí)施方法

為了更為具體的描述本發(fā)明，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下：

圖2為光伏陣列故障電弧檢測方法，包括如下步驟：