光伏系統(tǒng)電弧故障檢測(cè)方法探究

引言

隨著化石燃料的日漸枯竭,未來(lái)新型能源必然將逐步取代化石能源成為最主要的能源。目前光伏發(fā)電已成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要領(lǐng)域。截至2018年底,我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.74億kw,較2017年新增4426萬(wàn)kw,同比增長(zhǎng)34%。但光伏發(fā)電的快速發(fā)展也帶來(lái)了一系列問(wèn)題,例如,由于設(shè)備老化、松動(dòng)等原因造成設(shè)備絕緣破損,引發(fā)電弧故障便是其中一個(gè)重要問(wèn)題。光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電弧是直流電弧,具有持續(xù)燃燒的特點(diǎn)。此外,光伏發(fā)電受溫度、光照強(qiáng)度等環(huán)境影響明顯,系統(tǒng)中的逆變器會(huì)帶來(lái)一定的高頻干擾,使其較其他直流系統(tǒng)更難檢測(cè)故障。光伏系統(tǒng)的電弧故障檢測(cè)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

1電弧故障發(fā)生的原因及類(lèi)型

電弧主要是極間電動(dòng)勢(shì)擊穿介質(zhì)產(chǎn)生的輝光放電現(xiàn)象。線(xiàn)路以及器件破損都極有可能引發(fā)電弧故障,直流電弧一旦產(chǎn)生將會(huì)持續(xù)燃燒,極有可能引燃附近的易燃物造成嚴(yán)重的火災(zāi)。

光伏系統(tǒng)電弧故障主要分為串聯(lián)電弧故障、并聯(lián)電弧故障與接地電弧故障3種。串聯(lián)電弧主要是由于設(shè)備連接頭松動(dòng),產(chǎn)生細(xì)小間距,電流擊穿間距而產(chǎn)生。并聯(lián)電弧多發(fā)生在相線(xiàn)與中性線(xiàn)以及相線(xiàn)與相線(xiàn)之間,大多是因?yàn)榫€(xiàn)路絕緣破損等原因引起。接地電弧是指電弧電流從帶電導(dǎo)體流入大地的電弧故障,一般是由于高壓相線(xiàn)出現(xiàn)絕緣失效的問(wèn)題引起。光伏系統(tǒng)電弧故障發(fā)生位置如圖1所示,其中a為串聯(lián)電弧,光伏板的連接處、多串組件的匯合接頭處等都是可能發(fā)生串聯(lián)電弧的位置:b為線(xiàn)路之間的并聯(lián)電弧:c為線(xiàn)路對(duì)地的接地電弧。

2光伏系統(tǒng)電弧檢測(cè)現(xiàn)狀及展望

2011年,美國(guó)保險(xiǎn)人實(shí)驗(yàn)室(UL）推出了UL標(biāo)準(zhǔn)1699B草案,即光伏直流電弧故障保護(hù)電路安全綱要,是目前唯一提出的針對(duì)光伏系統(tǒng)電弧檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。由于光伏發(fā)電產(chǎn)生的是直流電,需要經(jīng)過(guò)升壓電路與逆變器轉(zhuǎn)化成220V的交流電供用戶(hù)使用。目前,在其他領(lǐng)域內(nèi)針對(duì)故障電弧檢測(cè)方案的研究已經(jīng)很深入,一些方法在光伏系統(tǒng)的電弧故障檢測(cè)中也得到了應(yīng)用。對(duì)于光伏系統(tǒng)而言,環(huán)境變化、逆變器頻繁啟停等原因使其不同于其他系統(tǒng)的電弧故障檢測(cè)。目前針對(duì)光伏系統(tǒng)的電弧故障檢測(cè)主要分為三部分:采用聲、光、電磁輻射等物理特征的方法:劃定時(shí)頻域故障判據(jù)閾值的檢測(cè)方法:基于學(xué)習(xí)算法的故障檢測(cè)方法。

2.1基于物理特征的檢測(cè)方法

基于聲、光、電磁輻射等物理特征的檢測(cè)方法主要是利用電弧故障發(fā)生時(shí)電弧所放出的熱量、弧光、噪聲或電磁信號(hào)作為檢測(cè)依據(jù)。文獻(xiàn)選取降噪后故障電弧電磁輻射信號(hào)的模極大值作為故障判據(jù),利用模糊C均值聚類(lèi)方法檢測(cè)電弧故障。熊慶等學(xué)者設(shè)計(jì)4階Hilbert天線(xiàn)測(cè)量直流電弧電磁輻射信號(hào),電磁輻射信號(hào)的特征頻率、脈沖時(shí)間間隔以及脈沖簇持續(xù)時(shí)間等特征量可以作為故障判據(jù)。相較于其他方法,基于物理特性的檢測(cè)方法需要在系統(tǒng)的不同位置安裝檢測(cè)裝置,因此能夠更輕易實(shí)現(xiàn)故障定位。

2.2劃定時(shí)頻域故障判據(jù)閾值的檢測(cè)方法

當(dāng)前主流的檢測(cè)方法是選擇合適的故障判據(jù),根據(jù)故障判據(jù)在正常狀態(tài)與發(fā)生電弧故障時(shí)不同的取值范圍設(shè)定故障報(bào)警裝置的動(dòng)作閾值。文獻(xiàn)選用db4小波進(jìn)行小波分解,選取小波高頻分量的能量值作為故障判據(jù),設(shè)置介于正常狀態(tài)與故障狀態(tài)之間的可靠值作為故障報(bào)警閾值。文獻(xiàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)差作為時(shí)域特征、由db5小波分解后的各頻帶能量作為頻域特征,構(gòu)建特征平面,在特征平面內(nèi)劃分故障分界線(xiàn)進(jìn)行故障電弧檢測(cè)。文獻(xiàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了信號(hào)最大值、小波細(xì)節(jié)系數(shù)的方差值和模極大值3種時(shí)頻域判據(jù),提出了一種基于時(shí)域與頻域的電弧故障混合判據(jù)。多種判據(jù)方法較單一判據(jù)具有更高的準(zhǔn)確性與可靠性,可以進(jìn)一步降低檢測(cè)方法的誤動(dòng)率與拒動(dòng)率。

2.3基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的故障檢測(cè)方法

近些年出現(xiàn)了使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等算法取代閾值判定是否發(fā)生電弧故障的檢測(cè)方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是希望通過(guò)學(xué)習(xí)得到一個(gè)模型,利用該模型可以輸出一個(gè)期望的目標(biāo)值。在電弧檢測(cè)領(lǐng)域中,可以使用電弧故障數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),得到一個(gè)可以判斷是否發(fā)生電弧故障的模型。文獻(xiàn)分別使用FFT得到的電弧頻譜幅值和電流最大最小幅值差、小波系數(shù)的均方根、不同頻域段內(nèi)的能量比作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,將訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于判斷電弧故障。文獻(xiàn)使用了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷電弧故障,但容易出現(xiàn)局部?jī)?yōu)化和訓(xùn)練過(guò)慢問(wèn)題。文獻(xiàn)使用遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷電弧故障。除了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法,文獻(xiàn)利用支持向量機(jī)算法,從時(shí)頻域中提取電流均值、高頻分量標(biāo)準(zhǔn)差等7個(gè)故障判據(jù)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練,得到的模型可以對(duì)是否發(fā)生電弧故障進(jìn)行分類(lèi)。

3仿真模型及分析

當(dāng)前不少學(xué)者使用simulink軟件建立了帶有MPPT功能的光伏系統(tǒng)仿真模型,并利用仿真得到與實(shí)際一致的輸出特性。本文在仿真研究基礎(chǔ)上,構(gòu)建了一套完整的光伏系統(tǒng)電弧故障仿真模型,包含光伏電池模塊、Cassie電弧模塊、MPPT模塊與逆變模塊等,可以較為準(zhǔn)確地仿真出不同光照強(qiáng)度、溫度與不同位置發(fā)生電弧故障時(shí)光伏系統(tǒng)的特征。通過(guò)對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,尋找出特征明顯的電弧故障判據(jù)。仿真模型如圖2所示,其中MPPT模塊使用擾動(dòng)觀(guān)察法,光照強(qiáng)度設(shè)為1000w/m2,溫度設(shè)為25℃,仿真時(shí)間為1s,電弧故障于0.5s時(shí)發(fā)生。

仿真得到的波形如圖3所示,可以看出,發(fā)生故障后的電流發(fā)生劇烈波動(dòng)。時(shí)域中的方差值、頻域中的高頻能量都可以作為故障判據(jù)。但光伏系統(tǒng)中的逆變器啟停、光照強(qiáng)度與溫度變化等因素帶來(lái)的干擾因素會(huì)對(duì)某些判據(jù)造成干擾,因此使用多種故障判據(jù)比單一判據(jù)具有更明顯的優(yōu)越性。

本文分別對(duì)800w/m2、1000w/m2光照強(qiáng)度下的正常工作狀態(tài)與故障狀態(tài)進(jìn)行仿真,溫度選擇25℃。由不同光照下的電流波形(圖4）可以看出,隨著光照強(qiáng)度增加,電流明顯增大。

小波變換是一種常用的信號(hào)分析方法,可以將原始信號(hào)分解得到不同尺度下的高頻分量和低頻分量,分解得到的低頻分量A(k）和高頻分量D(k）所包含的頻帶范圍為:

式中,j1+,D,…,m:/s為采樣頻率。

調(diào)整光伏電池參數(shù),對(duì)仿真輸出的波形進(jìn)行兩層小波分解,選用db4小波作為小波基函數(shù)。通過(guò)計(jì)算可以得到在822w/mD、D0℃與1000w/mD、D5℃環(huán)境條件下的方差值與小波高頻分量能量值,結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可知,光伏系統(tǒng)直流側(cè)電流的方差值與小波高頻分量的能量值具有良好的區(qū)分性,可以作為檢測(cè)光伏系統(tǒng)電弧故障的判據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了光伏系統(tǒng)的直流電弧故障的原因及類(lèi)型,對(duì)目前光伏系統(tǒng)電弧故障的研究現(xiàn)狀與主要檢測(cè)方法進(jìn)行了闡述,搭建了光伏系統(tǒng)電弧故障仿真模型,使用該模型可以獲得不同光照、溫度條件下不同故障位置的電弧故障特性,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,提出了以方差值與小波高頻分量能量值作為故障判據(jù),具有準(zhǔn)確度較高的特點(diǎn)。