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朱立春, 张跃火, 张显立. 基于光伏直流电弧故障的研究与保护技术[J]. 电器与能效管理技术, 2018(10): 35-39.
ZHU Lichun, ZHANG Yuehuo, ZHANG Xianli. DC Arc Fault Research and Protection Technology of Photovoltaic System[J]. ELECTRICAL & ENERGY MANAGEMENT TECHNOLOGY, 2018(10): 35-39.
Doi:10.16628/j.cnki.2095-8188.2018.10.006  
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基于光伏直流电弧故障的研究与保护技术
朱立春, 张跃火, 张显立
阳光电源股份有限公司,安徽 合肥 230088

朱立春(1992—),男,工程师,主要从事太阳能光伏发电技术的研究。

张跃火(1984—),男,高级工程师,主要从事光伏逆变器、光伏系统及应用技术的研究。

张显立(1980—),男,高级工程师,主要从事光伏逆变器、光伏系统及应用技术的研究。

收稿日期: 2018-04-20
摘要

为保证光伏系统安全稳定运行,光伏不间断直流供电系统所产生的直流电弧危害亟需有更好的检测保护方法。详细描述了光伏系统中直流电弧形成机理,并对检测做出详细设计说明。采用时频分析法,循环检测光伏系统的频谱参数信号,对电弧故障进行实时跟踪判断;再通过DSP滤波处理采样过程中的扰动杂波与串扰信号,防止误触发信号,从而检测出电弧故障最终结果,以保护系统,防止直流电弧危害产生。

关键词: 光伏系统; 直流电弧; 电弧故障; 时频分析法
中图分类号:TM501+.2 文献标志码:A 文章编号:2095-8188(2018)10-0035-05 doi: 10.16628/j.cnki.2095-8188.2018.10.006
DC Arc Fault Research and Protection Technology of Photovoltaic System
ZHU Lichun, ZHANG Yuehuo, ZHANG Xianli
Sungrow Power Supply Ltd.,Corp.,Hefei 230088,China
Abstract

For PV system,from the PV panel to inverter input,there is high voltage direct current during daytime.It is necessary to have a better arc detection and protection methods to guarantee the safe and stable operation of the photovoltaic system.This paper gives a detail description of the DC arc formation mechanism,and a detailed DC arc detection and protection design of PV system.The time domain and frequency domain analysis of frequency spectrum was adopted,and with the cyclic detection of PV system spectrum-parameter signal,the arc fault is detected,tracked and judged in real time.Moreover,the disturbance clutter and crosstalk signal of the sampling process are processed by DSP filtering to prevent the false triggering signal,and the final results of arc fault detection is systematically protected to prevent the damage of DC arc.

Keyword: PV system; DC arc; arc fault; frengency spectrum analysis
0 引言

目前, 光伏发电系统应用广泛, 尤其是分布式光伏发电系统的推广, 光伏直流电弧导致的火灾与安全问题已逐渐威胁到住宅建筑、商业设施、公共设施及其光伏系统的安全。光伏系统工作在直流高电压和大电流的情况下, 由于线缆绝缘老化、连接受潮、接触器接触不良、磨损、腐蚀或机械压力导致的松动、靠近热源等都会产生直流电弧。光伏系统直流侧接线端子很多, 发生电弧危害可能性高, 特别是屋顶光伏电站, 一旦失火扑救困难、经济损失巨大。

目前, 国内外对于光伏系统直流电弧故障检测问题的研究尚处于初步阶段, 并未形成较好的保护方案。2011年, 美国圣地亚国家实验室率先对该问题展开研究, 并深入研究光伏系统串联电弧和并联电弧的相关特征[1]。2014年实施的美国电气法规NEC 2014 690.12《光伏电站快速关断》[2]要求安装在建筑物的光伏系统具有快速关机功能。随着国内市场逐渐重视光伏电站系统运营安全, 光伏系统直流电弧故障检测与保护技术已成为亟需研究并解决的课题。

1 直流电弧

电弧是在带电导体间距离较近时, 导体间电压击穿空气, 使空气电离放电而产生的一种辉光现象。针对光伏系统发生的故障电弧又称拉弧。

1.1 光伏直流电弧的类型

光伏系统中直流电弧主要分为两大类。串联电弧, 是一种电流导线在突然的情况下扯断或断裂, 在其断裂处会产生串联故障电弧。这种电弧极易发生在光伏组件与组件之间、快速接头之间、接线与接线盒之间, 因此串联电弧是光伏系统引起火灾的主要潜在因素[3]。并联电弧, 是两个极性相反的导体之间发生电弧, 即为并行电弧。这种电弧主要是外力造成电线破损, 导致正负极性金属相互接触产生的故障电弧[4]。

1.2 光伏直流电弧的特点

光伏直流电弧的形成往往伴随着以下特点:电弧是强功率的放电现象, 伴随着电弧, 大量的电能转化为热能, 使电弧处的温度极高, 以焦耳热的形式发出; 电弧是一种自持放电现象, 不用很高的电压和很大的电流就能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭; 电弧是等离子体, 质量极轻, 极易改变形状, 电弧区内气体的流动包括自然对流及外界甚至电弧电流本身产生的磁场都会使电弧受力, 改变形状。电弧强度随电压、电流、间距增大而增大, 稳定性随间距增大而降低[5]。电弧特性曲线如图1所示。

图1 电弧特性曲线

2 直流电弧故障保护方法与检测技术探究

针对于光伏直流电弧故障的检测, 目前主流有3种检测方案:

(1)低频电流信号检测技术。该方案主要利用电弧检测板采集电流低频信号进行电弧检测, 当采样电流幅值变化超过阈值持续一段时间后, 认为电弧发生[6]。该方案主要是对低频段信号进行检测、判断, 电弧采样时段数据易失真, 无法准确判断电弧状态, 存在长线电弧故障误报问题。

(2)高频电流信号检测技术。该方案利用电弧检测板采集电流高频信号进行电弧故障检测, 通过内部LC谐振, 放大电流在450 kHz频率点的信号, 幅值解调后输出电压信号, 当输出电压信号超过阈值并持续一段时间后, 认为电弧故障发生[7]。该方案主要采集高频电流信号, 检测灵敏度很低, 仅在电弧电流变化较大时才检测出电弧故障, 并存在长线电弧故障误报问题。

(3)高频电流调理信号检测技术。该方案采用高频电流进行电弧检测[8]; 通过采样电流, 并经过硬件信号调理电路滤波放大40~100 kHz电流信号, 再经过软件FFT算法分析频段内频谱强度, 超过阈值认为发生电弧故障。该方案采用DSP 芯片AD板在电弧较强时检测灵敏度较高, 但在短暂弧闪时检测灵敏度较低, 也会存在长线电弧故障误报问题[9]。

3 直流电弧故障检测设计思路

对比已有的电弧故障检测方案与存在的采样失真和长线电弧故障误报问题, 现采用循环采集累加法进行电弧故障检测。此方法采用自制电弧故障检测板[10, 11], 与汇流箱既有的有源电流传感器结合进行故障电弧检测。

3.1 光伏直流电弧故障的频率段探究

针对电弧故障发生的主要频率段, 对该频率采集分量进行软件优化[12], 本文采用A、B、C、D 4种不同功率逆变器直流端电弧故障检测试验进行频率段分析。

(1)A型逆变器有无电弧故障时电流和电流FFT试验。A型逆变器有无电弧故障时电流波形图、电流FFT分析图分别如图2、图3所示。

图2 A型逆变器有无故障电弧时电流波形图

图3 A型逆变器有无故障电弧时电流FFT分析图

分析结果:A型逆变器故障电弧发生时, 在低频段频谱区别比较大, 在50 kHz以下区别比较明显。

(2)B型逆变器有无故障电弧时电流FFT分析图和启机过程中有无回路电阻时电流FFT分析图分别如图4、图5所示。

图4 B型逆变器有无电弧故障时电流FFT分析图

图5 B型逆变器启机过程中有无回路电阻时电流FFT分析图

分析结果:由图4和图5可见, B型逆变器在启机时和正常无电弧故障时的电流波形的FFT分析结果差不多。同时, 发生电弧故障时, 在低频段与无电弧故障的电流FFT分析结果差别比较明显, 在40 kHz以下可以明显区分出来。

(3)C型逆变器有无电弧故障时电流FFT分析图和启机过程中有无回路电阻电流FFT分析图分别如图6、图7所示。

图6 C型逆变器有无电弧故障时电流FFT分析图

图7 C型逆变器启机过程中有无回路电阻时电流FFT分析图

分析结果:C型逆变器在低频段, 有无电弧故障的电流FFT分析结果差别比较明显。在40 kHz以下可以明显区分出来。

(4)D型逆变器有无电弧故障时电流FFT分析图如图8所示。

图8 D型逆变器有无电弧故障时电流FFT分析图

分析结果:D型逆变器有没有电弧故障发生的判断频谱段在40 kHz以下比较明显。

上述4组试验表明, 低频段为光伏直流电弧故障主要频谱段。在检测电弧时, 可根据上述结论在低频段采样对软件进行详细优化处理。

3.2 循环采集累加法检测原理

循环采集累加法是通过汇流箱内自制电弧故障检测板, 不停搜索多路电弧故障传感器采集到的波形频谱并进行高低频分段分析, 经过FFT运算和频域滤波, 提取采样信号的频率特征与无电弧故障系统的频率比较。若满足电弧故障特征, 则累加特征寄存器, 否则递减特征寄存器; 若特征寄存器当前为0, 则切换到下一通道继续检测, 直至检测到电弧故障标志位存在。

电弧故障检测流程图如图9所示; 电弧故障检测原理框图如图10所示。

图9 电弧故障检测流程图

图10 电弧故障检测原理框图

3.3 循环采集累加法检测试验

通过采样电流, 根据某一频带内的电流波形强度变化, 检测电弧的发生。电路连接图如图11所示。形成一个串联回路, 通过投切开关来模拟拉弧试验, 通过调节电压源及投切不同数量开关获得不同的电路运行电压电流。

图11 电路连接图

汇流箱电流传感器装于电流检测板上, 为有源型传感器, 型号为CAS15-NP, 输入额定电流15 A, 输出为电压信号, 工作温度-40~85 ℃, 模拟电弧的工作环境, 近似满足关系式:

Uo=0.04Iin+2.5(1)

-1 dB带宽100 kHz, -3 dB带宽300 kHz, 汇流箱控制芯片采用32位ARM微控制器STM32F103R, 具有内部12位AD。电弧故障检测器能检出40~100 kHz的带通信号, 为采样更高频信号, 可将原有的ARM采样通道上低通滤波电容都去掉。

为实现连接到电弧故障检测板的模拟前端(放大+带通滤波), 将汇流箱电流传感器输出进行了1阶RC高通滤波(截止频率8 kHz), 滤除直流成分, 防止模拟前端饱和。

A(s)=Uo(s)Ui(s)=Ao/(1+s/ω0)f0=1/(2πRC)(2)

同时, 为了补偿汇流箱电流传感器采样电流的0.04倍缩小, 在模拟前端电路上增加25倍放大电路数。试验中除了通过示波器观察波形、通过万用表检测电位外, 还通过串口通信将汇流箱ARM处理器和电弧故障检测板DSP处理器的AD采样数据输送出来, 经过MATLAB数据处理来分析波形。现截取几组频域波形如图12~图14所示。

图12 100 V/1.71 A故障电弧发生前后频率波形对比

图13 200 V/3.41 A故障电弧发生前后频率波形对比

图14 300 V/10.15 A故障电弧发生前后频域波形对比

经过试验, 故障电弧发生前后波形从频域上能看到较明显的差别。汇流箱内部循环采集累加法检测技术用于电弧检测, 并未发生误报电弧故障情况。

汇流箱内自制电弧检测板, 不停搜索多路电弧故障传感器采集到的波形频谱并进行分析, 一旦确认第N支路组串的实时波形与电弧故障波形吻合, 确认该路发生电弧故障, 立刻驱动汇流箱内部断路器分励线圈动作, 断路器断开主回路[13]。

同时通过自制电弧故障检测板将电弧故障位信息通过声光告警传递给监控室值班人员, 此时电站维护人员对光伏系统进行维修检查, 待消除电弧故障产生的故障后(更换受损端子、破皮线缆、电池板组件松动接插头等), 手动合闸; 电弧故障检测板检测到合闸信号, 表明故障已排除, 光伏系统断路器闭合, 电弧故障位自动清零, 汇流箱中电弧检测板重新进入故障搜索状态, 系统恢复正常运行。

4 结 语

对于今后智能光伏来说, 光伏直流电弧的检测技术将显得至关重要, 在光伏系统直流电弧检测中, 噪声、误判、不稳定等都是下一步完善和提高电弧故障检测技术的一个难点。本文对光伏直流电弧检测方法、判断依据提供了理论依据, 为国内今后光伏系统的直流电弧检测提供了借鉴和参考。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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