一種非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏電氣故障檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非正常光照條件下逆 變器MPPT算法調(diào)節(jié)的光伏系統(tǒng)工作點，直流故障電弧檢測裝置動態(tài)跟蹤這些工作點以調(diào) 整設(shè)定的判斷特征量閾值，實現(xiàn)非正常光照條件下光伏系統(tǒng)內(nèi)故障電弧檢測的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 伴隨著全球能源的日益緊張和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求，光伏發(fā)電這一新型環(huán)保的可 再生能源在居民用電和工商業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的推廣應(yīng)用。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，故障電 弧通常是由線路絕緣老化、破損或者電氣回路存在匯流盒等連接松動等非操作原因引起 的。故障電弧發(fā)生時會吸收光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的大部分能量而轉(zhuǎn)為高溫電離氣體，由于缺乏全 方位的直流故障檢測裝置監(jiān)管，這種持續(xù)的高溫氣體顯然會將電纜、電器設(shè)備以及匯流箱 燒毀；故障電弧放電持續(xù)放出的大量的熱還可能點燃光伏系統(tǒng)周圍的易燃易爆品，最終引 起區(qū)域面積停電及爆炸火災(zāi)事故，極易造成光伏系統(tǒng)組件及相關(guān)設(shè)施的財產(chǎn)損失甚至危及 生命安全。因此，在任何情況下尤其是在非正常光照條件下準確檢測并斷開故障電弧是防 范危害事故的根本途徑。
[0003] 1999年，由美國保險商實驗室和美國電氣制造商協(xié)會合作起草的美國國標 UL1699,主要對交流故障檢測設(shè)備質(zhì)檢標準做了規(guī)定，并強制要求交流系統(tǒng)及民用建筑臥 室必須安裝故障電弧檢測保護裝置加以保護。上世紀九十年代是光伏系統(tǒng)的興盛年代，但 系統(tǒng)中易出現(xiàn)模塊、接線端子和連接匯流盒松動等問題，引起故障電弧頻發(fā)，這些故障電弧 盡管電流很小，但所生成的能量足夠引發(fā)火災(zāi)，威脅周圍環(huán)境中的生命財產(chǎn)安全。交流故障 檢測裝置國標的失效和光伏系統(tǒng)的大量應(yīng)用令光伏直流故障電弧的檢測隔離問題日益嚴 峻，美國于2011年制定的國標UL1699B正式就光伏系統(tǒng)的直流故障電弧檢測裝置質(zhì)檢問題 提出標準。我國也于近些年提出關(guān)于AFDD的一般設(shè)計要求及將其作為電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng) 的建議草案，可見光伏系統(tǒng)中故障電弧的防治迫在眉睫。
[0004] 目前，針對光伏系統(tǒng)故障電弧檢測，國內(nèi)外研宄提出的檢測特征量閾值均基于系 統(tǒng)處于正常穩(wěn)定光照外界環(huán)境、工作點及系統(tǒng)電量不發(fā)生變化這一前提，未涉及外界環(huán)境 變化或偶發(fā)因素令光照變化引發(fā)系統(tǒng)工作點及系統(tǒng)電量變動的情形。而在非正常光照條件 下（陰雨天氣、烏云連綿、樹葉動物長期遮蓋等穩(wěn)定非正常光照天氣環(huán)境和卷積云飄過、飛 機掠過、樹葉飄過、鳥兒飛過、日出日落等短時光照變化環(huán)境下），逆變器中的MPPT算法便 動態(tài)調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)工作點，光伏系統(tǒng)的電量均較正常時偏低，相應(yīng)輸出特性曲線及系統(tǒng)電 量也較正常時的偏低，此時一旦發(fā)生故障電弧，直流故障電弧檢測裝置采集計算得到的特 征量往往無法達到設(shè)定閾值，令正常光照下設(shè)定的故障電弧判斷特征量初始閾值失效，造 成裝置拒動。這便導(dǎo)致光伏系統(tǒng)存在較大的潛在電弧故障威脅，這種小電流故障電弧持續(xù) 燃燒，也具備足夠的能量損壞光伏系統(tǒng)、引發(fā)火災(zāi)、帶來生命財產(chǎn)損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決直流故障電弧保護裝置在光伏系統(tǒng)進入非正常光照條件 下原設(shè)定閾值失效而引發(fā)的拒動的問題，提供了一種非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電 弧檢測方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0007] 該故障電弧檢測方法包括以下步驟：
[0008] 在光伏系統(tǒng)未發(fā)生故障電弧事件的情況下，基于逆變器中的MPPT算法動作信號 識別光伏系統(tǒng)工作點變動，基于光伏系統(tǒng)工作點變動同步調(diào)節(jié)直流故障電弧檢測裝置中用 于故障電弧事件判斷的特征量閾值，使得所述特征量閾值隨著光伏系統(tǒng)工作點中的系統(tǒng)電 量的變化而呈現(xiàn)同樣的變化趨勢。
[0009] 所述故障電弧檢測方法具體包括以下步驟：
[0010] 1)直流故障電弧檢測裝置根據(jù)所述特征量閾值進行故障電弧檢測，并判斷當前 采樣時刻是否發(fā)生故障電弧事件，若發(fā)生故障電弧事件，則計數(shù)變量N計數(shù)，然后轉(zhuǎn)至步驟 3);若未發(fā)生故障電弧事件，則清零計數(shù)變量N，轉(zhuǎn)至步驟2);
[0011] 2)判斷逆變器中的MPPT算法是否動作，若動作，則判斷當前采樣時刻光伏系統(tǒng)進 入非正常光照條件，直流故障電弧檢測裝置讀入逆變器輸出的變動后的光伏系統(tǒng)工作點， 結(jié)合所述特征量閾值的初始設(shè)定值及初始設(shè)定值對應(yīng)的光伏系統(tǒng)工作點計算得到所述特 征量閾值在下一次故障電弧檢測時對應(yīng)的設(shè)定值，然后返回步驟1)進行下一次故障電弧 檢測；若未動作，則保持所述特征量閾值的當前設(shè)定值不變，然后返回步驟1)進行下一次 故障電弧檢測；
[0012] 3)判斷故障電弧事件是否連續(xù)發(fā)生，若故障電弧事件連續(xù)發(fā)生Ntl次，N累計達到 設(shè)定值Ntl，則判定光伏系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障電弧，采取相應(yīng)保護措施；若故障電弧事件未連續(xù)發(fā) 生Ntl次，N未累計達到設(shè)定值N^，則返回步驟1)繼續(xù)使用所述特征量閾值的當前設(shè)定值進 行下一次故障電弧檢測。
[0013] 所述采樣的頻率為IOkHz?100kHz，Ntl的取值范圍為3?5。
[0014] 計算所述特征量閾值的設(shè)定值中，反映特征量閾值的初始設(shè)定值所對應(yīng)光伏系統(tǒng) 工作點及變動后的光伏系統(tǒng)工作點的系統(tǒng)電量應(yīng)當一致，該系統(tǒng)電量的數(shù)值的改變僅由光 照條件變化引起。
[0015] 對于根據(jù)故障電弧檢測結(jié)果切除故障光伏塊后剩余的光伏組件所組成的光伏系 統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)所述光伏組件對應(yīng)的光伏系統(tǒng)工作點對所述特征量閾值的設(shè)定值進行初始化， 然后按照步驟1)至步驟3)繼續(xù)進行故障電弧檢測。
[0016] 所述MPPT算法動作信號和光伏系統(tǒng)工作點變動均由直流故障電弧檢測裝置與逆 變器通信后獲取。
[0017] 本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果：
[0018] 1)該方法硬件實現(xiàn)簡單，僅需在原光伏系統(tǒng)中加設(shè)直流故障電弧檢測裝置與逆變 器間的通信線，用以MPPT算法動作信號和光伏系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整的工作點傳輸，成本低廉；
[0019] 2)該方法在故障電弧引起光伏系統(tǒng)工作點變動時，特征量閾值保持不變，有效杜 絕了故障電弧對系統(tǒng)工作點擾動這一干擾因素，增強了非正常光照條件下故障電弧檢測的 可靠性；
[0020] 3)該方法針對非正常光照條件下發(fā)生于光伏系統(tǒng)的故障電弧也能準確有效檢測， 拓寬了直流故障電弧檢測裝置辨識故障電弧的范圍，使得直流故障電弧保護裝置在任何環(huán) 境下都能準確可靠的動作，及時切斷光伏系統(tǒng)中的故障電弧，避免了這些情況下潛在的故 障電弧威脅造成的生命財廣損失；
[0021] 4)該方法在發(fā)現(xiàn)故障電弧后及時切除故障光伏塊，并依據(jù)此時的新工作點，對故 障光伏塊所在光伏串和逆變器端的直流故障電弧檢測裝置特征量閾值重新設(shè)立，使得其余 光伏組件依舊能正常穩(wěn)定工作，大大延長了光伏系統(tǒng)在頻繁非光照條件下的工作時間，增 加了經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0022] 圖Ia為本發(fā)明的非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法流程圖之一；
[0023] 圖Ib為本發(fā)明的非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法流程圖之二；
[0024] 圖2為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于包含集成于逆變器的直流故障電弧檢測裝置的 特定光伏系統(tǒng)原理框圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于包含集成于光伏串的直流故障電弧檢測裝置的 特定光伏系統(tǒng)原理框圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明的檢測方法應(yīng)用于包含集成于光伏塊的直流故障電弧檢測裝置的 特定光伏系統(tǒng)原理框圖；
[0027] 圖5a為晴天穩(wěn)定正常光照轉(zhuǎn)為陰雨這一穩(wěn)定非正常光照天氣環(huán)境下逆變器中 MPPT算法對光伏系統(tǒng)工作點的調(diào)節(jié)曲線；
[0028] 圖5b為晴天穩(wěn)定正常光照轉(zhuǎn)為陰雨這一穩(wěn)定非正常光照天氣環(huán)境下直流故障電 弧檢測裝置實時跟蹤光伏系統(tǒng)工作點生成的對應(yīng)判斷特征量閾值曲線；
[0029] 圖5c為晴天穩(wěn)定正常光照轉(zhuǎn)為陰雨這一穩(wěn)定非正常光照天氣環(huán)境后光伏系統(tǒng)突 發(fā)故障電弧曲線；
[0030] 圖6a為日落這一短時光照變化環(huán)境下逆變器中MPPT算法對光伏系統(tǒng)工作點的調(diào) 節(jié)曲線；
[0031] 圖6b為日落這一短時光照變化環(huán)境下直流故障電弧檢測裝置實時跟蹤光伏系統(tǒng) 工作點生成的對應(yīng)判斷特征量閾值曲線；
[0032] 圖7a為卷積云飄過這一短時光照變化環(huán)境下逆變器中MPPT算法對光伏系統(tǒng)工作 點的調(diào)節(jié)曲線；
[0033] 圖7b為卷積云飄過這一短時光照變化環(huán)境下直流故障電弧檢測裝置實時跟蹤光 伏系統(tǒng)工作點生成的對應(yīng)判斷特征量閾值曲線；
[0034] 圖7c為卷積云飄過之后突發(fā)故障電弧曲線。
[0035] 圖中：1、光伏系統(tǒng)；2、直流故障電弧檢測裝置；3、逆變器；30、逆變器端口；31、逆 變器端口；4、通信線；5、脫扣裝置；6、斷路器；7、交流電網(wǎng)；8、檢測電量裝置；9、短路開關(guān)； 10、光伏模塊。
【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0037] 參見圖la，一種非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法：在確認光伏系 統(tǒng)內(nèi)未發(fā)生故障電弧事件后，再進行MPPT算法動作檢測，動作后才令直流故障電弧檢測裝 置中的設(shè)定閾值動態(tài)跟蹤工作點的變化。通過使判斷故障電弧特征量閾值緊密跟蹤MPPT 算法調(diào)節(jié)的系統(tǒng)工作點變動曲線，便能應(yīng)對光照變化引發(fā)故障電弧檢測電量動態(tài)變動或持 續(xù)偏低等情形，保障檢測裝置能隨時有效檢測到光伏系統(tǒng)內(nèi)的故障電弧，完成非正常光照 條件下的故障電弧檢測，有效排除了故障電弧對系統(tǒng)工作點的干擾。本發(fā)明極大的提高了 光伏系統(tǒng)在由天氣環(huán)境變化等引起的非正常光照條件下的故障電弧檢測防范能力，彌補了 傳統(tǒng)檢測裝置對非正常光照條件下的潛在電弧威脅難以檢測的漏洞，有效解決了光伏故障 電弧保護裝置在上述非正常光照條件下的拒動問題。
[0038] 結(jié)合圖lb，對本發(fā)明所述非正常光照條件下的光伏系統(tǒng)故障電弧檢測方法的步驟 進行具體說明。
[0039] 步驟一、故障電弧檢測方法的初始化過程：包括逆變器端口復(fù)位清零、故障事件次 數(shù)N復(fù)位清零、錄入光伏系統(tǒng)初始特征量閾值F及其工作點（初始特征量閾值對應(yīng)的光伏 系統(tǒng)所處正常光照環(huán)境E恰能令整個系統(tǒng)工作于額定狀態(tài)（P，U)，其中，P=PN，U=UN，Pn 為額定功率，Un為額定電壓）和通信線的通信方式設(shè)置等。
[0040] 步驟二、直流故