一種直流故障電弧檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明針對直流故障電弧檢測提出一種新方法，有效區(qū)分是否發(fā)生故障電弧，檢測到發(fā)生故障電弧后及時報錯，提高系統(tǒng)安全性，本發(fā)明可應用于直流功率變換器領(lǐng)域中，如UPS電池系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)等。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著清潔能源、儲能系統(tǒng)等快速發(fā)展，直流電力變換系統(tǒng)獲得很大的發(fā)展，由于這些系統(tǒng)電流大、電壓高從而更易產(chǎn)生故障電弧。
[0003]電弧是指流經(jīng)大電流的導體，由于接頭的不可靠連接或接頭、導線絕緣退化，導致的接觸不良，觸點之間或觸點與其他導體之間的不可靠連接而形成的放電現(xiàn)象。電弧是直流系統(tǒng)中導致火災的主要原因，及時準確的偵測電弧的發(fā)生，直接影響直流系統(tǒng)的安全性和可靠性。
[0004]電弧包含串聯(lián)拉弧和并聯(lián)拉弧，前者指線纜之間的拉弧，后者指直流端對安全地的放電。本發(fā)明主要解決的是串聯(lián)拉弧。
[0005]光伏發(fā)電系統(tǒng)就是這種高電壓大電流的直流應用。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的高速增長，安裝的光伏系統(tǒng)設備越來越多。投入運行的光伏發(fā)電設備逐漸老化和人為安裝過程中的疏忽給光伏系統(tǒng)的安全性帶來挑戰(zhàn)。光伏系統(tǒng)直流側(cè)電壓隨光伏面板的配置可高達幾百上千伏，如果產(chǎn)生故障電弧，由于沒有過零點保護，直流電弧比交流電弧更加危險。光伏系統(tǒng)的光伏面板受到陽光持續(xù)照射產(chǎn)生能量，如果產(chǎn)生故障電弧而沒有及時覺察并切斷線路，面板給電弧提供了源源不斷的能量，對輸電線路和光伏設備本身都會造成巨大損傷，嚴重時會引起火災，危及生命安全。
[0006]基于安全可靠考慮，越來越多的直流應用對直流拉弧提出檢測要求，有些已被強制要求執(zhí)行，如美國電工法規(guī)NEC 2011年版開始要求針對光伏發(fā)電系統(tǒng)裝置電弧故障偵測斷路器。針對NEC中有關(guān)直流故障電弧檢測的要求，UL1699B標準給出了詳細的規(guī)定。該規(guī)定要求當逆變器檢測到故障電弧時應提供可視的告警提示，該告警不能自動清除。電源斷電重新上電后該告警應仍然顯示，必須手動清除逆變器才能并網(wǎng)工作。逆變器需具有故障電弧手動自檢功能，逆變器執(zhí)行自檢時必須有可視界面提示，若自檢未通過，必須手動清除，否則此告警保存，斷電重啟后依然存在。UL1699B還對保護時間和外界環(huán)境等做了詳細規(guī)范要求。
[0007]—方面，可靠準確的電弧檢測對直流系統(tǒng)的安全性無疑是非常重要，另一方面，如何避免檢測單元誤偵測也是實際中的難點。如美國NEC2011要求，當檢測單元發(fā)出拉弧告警后，光伏逆變器需停止發(fā)電并等待操作人員檢測并手動清除才允許繼續(xù)并網(wǎng)發(fā)電，因此誤偵測會導致光伏發(fā)電系統(tǒng)頻繁關(guān)機，影響系統(tǒng)發(fā)電收益。
[0008]目前常見的檢測如下:
[0009]1、基于拉弧產(chǎn)生的射頻噪音判斷
[0010]WO 95/25374中，根據(jù)直流電流電弧發(fā)生后，會產(chǎn)生一定頻段的射頻噪音，通過射頻接收裝置接收噪音信號，并進行一定分頻處理，根據(jù)電弧發(fā)生前后的噪音幅值進行判斷，從而偵測電弧是否發(fā)生。
[0011]由于電力電子設備本身會產(chǎn)生噪音，且電子設備使用日益廣泛，因此此方案無法避免誤偵測，且多個設備同時運行的話，無法準確判斷和定位電弧產(chǎn)生的位置。
[0012]2、基于直流電流高頻分量幅值變化的檢測
[0013]Nat1nal instrument公司提出根據(jù)直流電流頻譜幅值進行判斷
[0014]此方案的原理，同樣是根據(jù)直流電弧產(chǎn)生后會對電流帶來一定程度的高頻噪音的原理，但檢測方式是通過采集直流電流并對其進行快速傅里葉分解(FFT)，從而獲取電流的幅頻特性，通過判斷電弧產(chǎn)生前后的一定頻帶的幅值差異，判斷電弧是否產(chǎn)生。
[0015]此方案由于檢測相對準確，成本低廉而被廣泛采用。但缺點在于同樣受制于電力電子電路本身和周圍設備帶來的噪音干擾，當設備本身的直流電流中的噪音信號較大，此方案便無法使用或者頻繁誤報。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是提供一種能夠避免誤偵測，且不會受制于電力電子電路本身和周圍設備帶來的噪音干擾的串聯(lián)拉弧檢測方法。
[0017]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種直流故障電弧檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0018]第一步、對高頻電力電子變換器的輸入電流進行采樣、濾波和快速傅立葉變換，得到電流高頻分量的幅頻特性曲線；
[0019]第二步、在幅頻特性曲線上選定至少一個包含開關(guān)頻率或倍數(shù)頻率的頻段，計算該頻段內(nèi)的幅值的峰值Dl以及幅值的平均值D2，根據(jù)峰值Dl與平均值D2間的距離變化判斷是否有電弧發(fā)生，若平均值D2向峰值Dl靠近，則有電弧發(fā)生，否則，無電弧發(fā)生。
[0020]優(yōu)選地，在所述第二步中，計算峰值Dl與平均值D2的差值D3，用差值D3除以平均值D2求得百分比D4，統(tǒng)計N個數(shù)據(jù)中小于閾值Tl的百分比D4的個數(shù)X，若X大于閾值T2，則有電弧發(fā)生，否則，無電弧發(fā)生。
[0021]優(yōu)選地，在所述第二步中，所述峰值Dl的計算方法為:在選定的頻段內(nèi)每Y個幅值求滑動平均，從而求出所述峰值Dl。
[0022]優(yōu)選地，在所述第二步中，所述平均值D2的計算方法為:在選定的頻段內(nèi)去掉幅值中最大的々％個幅值，同時，去掉幅值中最小的個幅值，求剩余的幅值的均值，從而得到所述平均值D2。
[0023]對于直流功率變換器領(lǐng)域，本發(fā)明提出一種新的直流故障電弧檢測方法，利用變換器自身特性，直流電流高頻分量在變換器開關(guān)頻率的倍頻處都會產(chǎn)生噪聲信號，利用此噪聲信號對故障電弧頻譜進行分析計算，以此來檢測是否發(fā)生故障電弧。
【附圖說明】
[0024]圖1為常用的BOOST電路；
[0025]圖2為BOOST電路的驅(qū)動信號；
[0026]圖3為未發(fā)生電弧時的幅頻特性曲線；
[0027]圖4為發(fā)生電弧時的幅頻特性曲線；
[0028]圖5為以光伏逆變器為例，利用本發(fā)明提供的方法進行電弧檢測的實施方案；
[0029]圖6為MCU處理部分的流程圖；
[0030]圖7為本發(fā)明的總體流程圖。
【具體實施方式】
[0031]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0032]本發(fā)明提出一種結(jié)合電力電子變換器本身特性的直流電弧檢測方法。目前電力電子變換器大多為PWM(pulse width modulat1n)高頻斬波原理，利用開關(guān)器件的高頻切換(一般為幾kHz?500Hz)，將直流電流斬波成直流脈沖脈沖電流，這樣直流電流本身在開關(guān)頻