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光伏体系直流侧毛病电弧的检测与判别

  2019年06月03日  

  现在国内外光伏体系直流侧毛病电弧确诊研讨还处于初期阶段,文献剖析了电弧的电压-电流特性,标明电源电压对电信号参数并无太大影响。文献对电弧信号进行频域改换时加上有源带通滤波器,能进步电弧特征频率在毛病信号中的占比。因为对电弧特征不甚了解,且电弧具有随机性和复杂性,无法树立准确的电弧模型,因而,研讨光伏电站直流侧电弧毛病的确诊办法具有重要的含义。

  1 光伏体系直流侧毛病电弧的仿真和剖析

  现在常用的电弧模型有Cassie模型和Mayr模型。Cassie电弧模型是假定流过电弧通道的电流发作改变时其直径也相同跟着改变可是其温度不变。Mayr电弧模型以为电弧的直径是坚持不变的,即电弧空隙耗散的能量是不变的,改变的是电弧温度密度散布。这两种电弧模型都只单方面考虑某一种热量耗散的办法而决议了电弧模型的方式。

  本文只单方面研讨电弧毛病对体系发作的影响,故而选用Cassie模型来研讨电弧的特征。为研讨光伏体系毛病电弧特征,本文树立了毛病电弧数学模型,选用理论为辅,试验为主。

  以Matlab软件为渠道,运用Simulink中的元件树立的通用电弧模型,如图1所示。电弧模型由电压操控的电流源(controlled current source)、微分方程修改器(DEE)、定值检测(hit crossing)、阶跃信号(step)、电压丈量(voltage measurement)等模块组成。

  图1 Cassie电弧模型

  将图1的电弧毛病模型接入光伏体系中,得到仿真成果如图2所示。由图2可知,电弧焚烧时具有随机性且电流信号会发作不规则改变。实践上,电弧具有多种物理特性,可是在现有技能条件下不适用在光伏体系中。

  比方,热学上,电弧焚烧会敏捷发作高温,尽管现在已有丈量部分抢手的技能,但关于光伏电站而言本钱过高。声学上,电弧焚烧会宣布噪声,但现在环境搅扰性大,易发作误判。经过仿真试验可知,在电学上,可运用电弧的电流信号作为特征,这为后续毛病电弧的特征提取供给了可能性。

  2 小型光伏体系试验渠道建立及其毛病电弧特性的剖析

  2.1 试验渠道建立

  本渠道所选用的电池板单晶硅原料,太阳光足够时光电转化效率高,便于在户外条件好的状况下进行模仿,所以咱们能够经过建立试验渠道进行光伏体系的模仿。本文建立了如图3所示的试验渠道,包含光伏板、电弧发作器、光伏逆变器和电流传感器等。

  图2 电弧毛病直流侧电流波形

  图3 光伏体系电弧检测试验渠道

  其间光伏板选用CanadianSolar公司CS6P-230P型光伏组件,一个组件由60个电池单体串联组成,将每3块组件串联后再并联,经过直流断路器接到逆变器,再接入电网。光伏组件基本参数见表1。

  表1 光伏组件的首要参数

  本文中所运用的电弧发作器契合美国保险商试验室所规则的规范,图4为简易电弧发作器的示意图。该电弧发作设备为一对间隔可调理的铜棒电极,一个被固定,另一个电极经过步进电机操控体系可进一步进步铜棒之间间隔的准确度。

  将两个电极从触摸杰出到分隔,能够模仿出实践直流体系中松懈、触摸不良的状况,与实践电弧的发作机理相同,皆是本来导通的电极别离时击穿空气并保持高能量放电的进程。用此设备接入光伏体系试验渠道,可模仿出直流毛病电弧的发作以及提取出电弧电压和电流波形。

  图4 电弧毛病发作器

  2.2 毛病电弧的数据收集

  运用上述试验设备进行模仿电弧试验,光伏体系从正常运转到开端发作电弧毛病,汇流箱处电流会存在显着的改变。故在体系直流侧选用电流源输出作为检测毛病电弧的物理参数,剖析电弧发作开展进程中上述参数的改变,提取相应特征,完成对毛病直流电弧的检测。

  本试验选用罗氏线圈RS/RDRS丈量,一起运用汉泰示波器(DSO8202E)记载电流波形。该示波器最高采样速率为1GSa/s。试验时,焚烧的电弧会将电极烧蚀,因而每次放电后都要对电极进行打磨,确保试验进程中电极外表的一致性。试验进行一段时间后需求替换铜棒电极。

  图5是运用分隔式起弧法的电流波形。当电路中发作电弧时,相当于在电路中添加一个动态电阻,因而会导致电流在时域特性中发作骤变。

  图5 电弧毛病后的电流波形

  2.3 特征提取

  1)根据时域特征的提取

  提取时域特征常见的做法是,运用电流的均值、动摇以及改变率等参量来提取电弧特性。在多组试验数据剖析后,这些特性均不显着,无法满意阈值判别。将图5数据进行离散,设定取样点,获得5s内的电流幅值,并计算出每点10ms内电流最大值与最小值之差,得到如图6所示的电流波形。运用这一参量,挑选适宜的阈值能满意要求。

  图6 10ms内电流的最大值与最小值之差

  2)根据频域特征的提取

  在直流电弧起弧瞬间与焚烧进程中,电流中的高频重量会添加。现在,国内外关于直流电弧毛病检测都会考虑电流的高频信号特征。与时域相似的是,频域特性在发作电弧毛病时会引起骤变和震动,但体现更为安稳,经过对多组数据的归纳剖析,这些特性能够作为毛病电弧检测的根据。

  图7为所收集电流波形经滤波后进行信号FFT剖析的电弧信号频谱图,其间无电弧时谐波首要含量来源于逆变器高开关频率,一种低压直流转为高压沟通时因为电路震动引起必定的频率。该频率一般在30kHz左右,因而本文挑选40~100kHz规模内的高次谐波作为毛病电弧的特征信号,能够防止逆变器一部分噪声的搅扰。取频率最低但幅值不为零的5kHz谐波为参阅基波,8~20次谐波幅值为电弧检测根据。

  图7 电弧信号的频谱图

  3 根据时频域特性的阈值判别法

  对电弧毛病进行检测时,光伏体系中的环境噪声和体系动作等内外部搅扰信号会使特定频段内的噪声添加,出现具有与直流毛病电弧相似的特性。光伏模块出现遮挡和短路相同会形成电流值的骤变,会搅扰电弧特性的检测。假如检测算法的鲁棒性不强,这些搅扰要素就会引起误判别,从而导致光伏体系的大规模停运,形成不可估量的经济丢失。

  从另一方面来看,假如检测算法限制判别条件过多,就会形成电弧毛病的漏判,其成果相同会带来丢失,更有甚者会形成人员伤亡事故。针对单一时域和频域特征进行检测存在检出率低的缺陷。根据以上原因,本文提出的检测算法统筹了电弧的时域和频域特性,运用时域和频域的多重判据进行确诊,有助于补偿判据阈值精度上面的缺乏。假如时域和频域两状况下均判定为毛病,即判别电弧毛病,就防止了单一特性确诊出现的误判和漏判。

  由上述剖析可知,用于电弧检测的电弧电流特性确认为时域和频域两个特性,经过多组试验,终究确认的阈值规模见表2。当检测值均超越两者特性所设定的阈值时,即判定为发作电弧毛病。

  表2 电弧特性的分类、界说及阈值巨细

  为了验证该办法确认的特性与阈值的可靠性,本试验又运用两组弥补试验数据对上述时域和频域特性与阈值进行了离线验证。试验成果标明,根据上述办法划定的阈值能够区别电弧电流与正常电流。

  定论

  本文针对光伏体系直流侧毛病电弧检测问题。首要,树立了光伏体系电弧毛病模型,经过仿真试验阐明本文毛病电弧特征选取的可能性;其次,提过试验渠道收集很多数据进行时域和频域剖析;最终,运用阈值挑选,提出了根据时域和频域的办法来归纳判别是否发作毛病。

  一起,本文也考虑到了光伏体系环境噪声以及逆变器对毛病电弧检测的影响,并经过仿真和试验阐明本算法具有杰出的抗搅扰性,为研讨光伏体系直流电弧毛病检测设备供给了切实可行的理论根据。

标签:光伏体系我要反应
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