[实用新型]光伏系统直流侧电弧故障检测装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光伏并网故障检测领域，特别涉及光伏系统直流侧电弧故障检测装置及其检测方法。

背景技术

随着光伏发电的快速发展，一些严重的问题也突显出来，其中光伏组件老化带来的电气系统安全问题尤为突出。经研究发现光伏系统火灾事故大多与直流故障电弧有关。光伏系统存在复杂的结构和大量的连接设备，直流端电压可以达到1000V以上，一旦产生电弧故障，极有可能瞬间点燃周围的可燃物或者光伏组件从而造成火灾事故。为解决此类安全问题，美国国家电气规范NEC(National Electrical Code)第690.11号文件要求光伏并网系统直流母线大于80V应配备故障电弧检测装置与断路器。

光伏系统直流侧故障电弧的检测不仅因为光伏阵列结构复杂，发生故障电弧位置难以预测给故障检测以及电路保护带来困难，还要面对外界环境的干扰以及逆变器MPPT算法和孤岛检测算法、电力电子装置的运行干扰、类弧负载的工作干扰等内部工况。因此，需要一种多维判据的故障电弧准确检测方法，为光伏系统的正常运行提供保障。

按电弧发生位置不同，可将电弧类型分为串联、并联及接地电弧，如图1所示：其中a为组串内串联电弧，b、d为组内并联电弧，c为组间并联电弧。其中接地电弧可视为一种特殊的并联电弧，且比较容易被检测到。

目前针对光伏系统的故障电弧检测并没有得到深入的研究，也没有考虑到光伏系统的复杂性结构及易受到外界干扰的特性，造成在某些情况下的误判和漏判。譬如，光伏系统在面对噪声干扰、天气变化等复杂外界环境时，其中便存在云层刚过时或者飞行物掠过时给光伏系统发电带来的波动性，若在此时发生故障电弧，单一判据的电弧检测方法可能会发生误判、漏判。

发明内容

本实用新型提供了光伏系统直流侧电弧故障检测装置及其检测方法，目的在于解决在光伏系统中发生直流电弧故障时准确检测到故障电弧的问题。

光伏阵列故障电弧检测方法，包括如下步骤：

(1)在光伏系统运行过程中采用电流互感器对光伏阵列输出端直流母线进行电流采样。

(2)对上述的电流采样信号经过硬件滤波电路进行高通滤波，滤除20kHz以下的信号分量，获得电流采样高频信号；

(3)对上述的电流采样高频信号，经过ADC采样芯片将模拟信号转为数字信号送入DSP数字信号处理器后进行代入电弧故障检测算法进行电弧故障检测，其中ADC采样芯片采样率为180kHz。

(4)利用集合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition，EEMD)算法对上述电流采样高频信号进行分解，得到若干本征模态分量(intrinsic mode function，IMF)；

(5)利用表征信号复杂度的模糊熵算法将各时间序列IMF量化，选择能够区分电弧故障的高频局部分量IMF1、IMF2、IMF3的模糊熵E₁、E₂、E₃作为特征向量；

(6)多次采集光伏系统在正常状态下以及故障电弧状态下的直流侧母线电流信号，并通过上述步骤进行处理，提取正常以及故障电弧的特征向量。

(7)利用模糊C均值聚类算法(fuzzy C means clustering，FCM)将多次采集的电流信号并通过EEMD与模糊熵算法提取的正常与故障电弧特征向量进行聚类处理，并得出正常与故障电弧的聚类中心V1、V2，如图4所示。

(8)在进行电弧故障检测时，每次采集到的光伏系统直流母线电流信号进行处理后，提取特征向量归一化后，计算与正常状态与故障电弧状态聚类中心V1、V2的距离进行故障电弧辨识即可。

(9)若检测光伏阵列存在故障电弧，则通过DSP发出故障进行故障报警；若不存在故障电弧，则重复步骤8。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提出了一种基于集合经验模态分解(EEMD)和模糊C均值聚类(FCM)的组合故障检测方法来检测故障电弧信号，能够更加准确的检测光伏阵列是否发生电弧故障，防止误判漏判。

附图说明

图1为本实用新型光伏系统直流侧故障电弧检测框图；

图2为本实用新型光伏系统直流侧故障电弧检测流程图；

图3为正常状态及故障电弧状态直母线电流EEMD分解前四层结果；

图4为光伏系统直流侧故障电弧识别结果；

具体实施方式

为了更为具体的描述本实用新型，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：