基于SSTDR的光伏系統(tǒng)對地故障檢測方法
發(fā)布時間：2021-07-02 10:18
針對光伏系統(tǒng)中的接地故障檢測問題,提出一種基于擴展頻譜時域反射法（spread spectrum time domain reflectometry,SSTDR）的接地故障檢測方法。在分析高頻信號下光伏系統(tǒng)等效模型的基礎(chǔ)上,將光伏系統(tǒng)整體視為傳輸線終端阻抗,當發(fā)生接地故障時其阻抗值會產(chǎn)生變化,通過對SSTDR自相關(guān)值進行數(shù)值分析處理,并與無接地故障光伏系統(tǒng)的自相關(guān)值進行比較,實現(xiàn)光伏接地故障檢測。相較于常規(guī)檢測方法,該方法無需測量光伏系統(tǒng)的電壓、電流、溫度、輻照度等參數(shù),可消除傳統(tǒng)檢測方法中的檢測盲點,且具有較強的魯棒性。實驗驗證了方法在不同光照強度、不同接地電阻、雙點接地等故障情況下的可行性和有效性。
【文章來源】：太陽能學報. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
單位長度傳輸線等效電路
目前，國內(nèi)外學者針對光伏系統(tǒng)接地故障已提出一些保護策略。接地光伏系統(tǒng)中常通過接地故障檢測斷路器（ground-fault detection and interruption,GFDI）來監(jiān)測光伏系統(tǒng)對地電流，當電流超過預(yù)設(shè)閾值后斷開電路以保護系統(tǒng)[7]。此類GFDI器件基本上是依據(jù)故障電流的幅值來進行故障檢測，例如無源被動器件——保險絲作為GFDI，當光伏系統(tǒng)中的接地故障電流小于保險絲的閾值時，將不會斷開通路，會產(chǎn)生接地故障漏檢的情況。另外，圖1a中A點負直流母線發(fā)生接地故障時也將檢測不到，這是GFDI的一個檢測盲區(qū)。因為盲區(qū)的存在，相當于將保險絲旁路，后續(xù)再發(fā)生的接地故障將變得不可檢測。如在A點發(fā)生接地故障的情況下，因漏檢電路仍保持暢通，而后B點若發(fā)生接地故障，就會形成一個雙接地故障。這種情況有可能先后發(fā)生在低光照下很短的一段時間內(nèi)，因為第1次接地故障電流小未被檢測到，而第2次接地故障發(fā)生時也未被檢測。雙接地故障發(fā)生時，整個陣列的電流可能流過接地線，嚴重時會燒壞整個系統(tǒng)。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件的功率輸出受運行環(huán)境如輻照度、負載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，太陽電池可運行在不同且唯一的最大功率點（maximum power point,MPP）上。因此，逆變器上都有最大功率點跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）技術(shù)，發(fā)生接地故障時，在某些情況下，MPPT的存在會使工作點移動，不僅可能使輸出功率降低，也會使故障電流變得更小，造成故障更加難以檢測。非接地光伏系統(tǒng)中常用剩余電流監(jiān)測法[8]和直流絕緣電阻測量法[9-10]來判定是否存在接地故障：前者通過計算光伏陣列直流母線上的電流差值，后者通過測量光伏系統(tǒng)中載流導體與大地之間的絕緣電阻。這2種方法都可能因為額外的噪聲而發(fā)生誤判。上述3種常用的檢測方法，共同的缺點是當輻照度低或故障阻抗高時，故障電流小，可能達不到設(shè)備閾值電流導致漏檢[11-12]。
根據(jù)式（2），當r=+1,-1時，分別代表著傳輸線終端發(fā)生了開路故障（ZL=∞）和短路故障（ZL=0),r=0時說明終端阻抗與特征阻抗相匹配，未發(fā)生反射。任何終端阻抗的變化都相應(yīng)地影響反射系數(shù)從而改變反射信號的電壓幅值。圖3描繪了特征阻抗Z0=50 W時的不同終端阻抗下的反射系數(shù)值。SSTDR故障檢測系統(tǒng)框圖如圖4所示，將偽隨機噪聲（pseudo-random noise,PN）碼與正弦波的二進制移相鍵控（binary phase-shift keying,BPSK）的信號作為入射信號x(t)注入至傳輸線中，如圖5為BPSK實現(xiàn)過程。PN碼是一種具有類似白噪聲性質(zhì)的碼，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，因此易于從其他信號或干擾信號中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性[19]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種航天器一次母線故障在線檢測定位方法[J]. 洪博,王莉,毛健美,尹晶,舒徳華. 電工技術(shù)學報. 2016(05)
[2]太陽能電池的動態(tài)模型和動態(tài)特性[J]. 秦嶺,謝少軍,楊晨,許津銘,王挺. 中國電機工程學報. 2013(07)
[3]電力系統(tǒng)中直流接地電阻檢測的新原理[J]. 費萬民,張艷莉,吳兆麟. 電力系統(tǒng)自動化. 2001(06)
本文編號：3260281
【文章來源】：太陽能學報. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：10 頁
【部分圖文】：
單位長度傳輸線等效電路
目前，國內(nèi)外學者針對光伏系統(tǒng)接地故障已提出一些保護策略。接地光伏系統(tǒng)中常通過接地故障檢測斷路器（ground-fault detection and interruption,GFDI）來監(jiān)測光伏系統(tǒng)對地電流，當電流超過預(yù)設(shè)閾值后斷開電路以保護系統(tǒng)[7]。此類GFDI器件基本上是依據(jù)故障電流的幅值來進行故障檢測，例如無源被動器件——保險絲作為GFDI，當光伏系統(tǒng)中的接地故障電流小于保險絲的閾值時，將不會斷開通路，會產(chǎn)生接地故障漏檢的情況。另外，圖1a中A點負直流母線發(fā)生接地故障時也將檢測不到，這是GFDI的一個檢測盲區(qū)。因為盲區(qū)的存在，相當于將保險絲旁路，后續(xù)再發(fā)生的接地故障將變得不可檢測。如在A點發(fā)生接地故障的情況下，因漏檢電路仍保持暢通，而后B點若發(fā)生接地故障，就會形成一個雙接地故障。這種情況有可能先后發(fā)生在低光照下很短的一段時間內(nèi)，因為第1次接地故障電流小未被檢測到，而第2次接地故障發(fā)生時也未被檢測。雙接地故障發(fā)生時，整個陣列的電流可能流過接地線，嚴重時會燒壞整個系統(tǒng)。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件的功率輸出受運行環(huán)境如輻照度、負載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，太陽電池可運行在不同且唯一的最大功率點（maximum power point,MPP）上。因此，逆變器上都有最大功率點跟蹤（maximum power point tracking,MPPT）技術(shù)，發(fā)生接地故障時，在某些情況下，MPPT的存在會使工作點移動，不僅可能使輸出功率降低，也會使故障電流變得更小，造成故障更加難以檢測。非接地光伏系統(tǒng)中常用剩余電流監(jiān)測法[8]和直流絕緣電阻測量法[9-10]來判定是否存在接地故障：前者通過計算光伏陣列直流母線上的電流差值，后者通過測量光伏系統(tǒng)中載流導體與大地之間的絕緣電阻。這2種方法都可能因為額外的噪聲而發(fā)生誤判。上述3種常用的檢測方法，共同的缺點是當輻照度低或故障阻抗高時，故障電流小，可能達不到設(shè)備閾值電流導致漏檢[11-12]。
根據(jù)式（2），當r=+1,-1時，分別代表著傳輸線終端發(fā)生了開路故障（ZL=∞）和短路故障（ZL=0),r=0時說明終端阻抗與特征阻抗相匹配，未發(fā)生反射。任何終端阻抗的變化都相應(yīng)地影響反射系數(shù)從而改變反射信號的電壓幅值。圖3描繪了特征阻抗Z0=50 W時的不同終端阻抗下的反射系數(shù)值。SSTDR故障檢測系統(tǒng)框圖如圖4所示，將偽隨機噪聲（pseudo-random noise,PN）碼與正弦波的二進制移相鍵控（binary phase-shift keying,BPSK）的信號作為入射信號x(t)注入至傳輸線中，如圖5為BPSK實現(xiàn)過程。PN碼是一種具有類似白噪聲性質(zhì)的碼，相關(guān)函數(shù)具有尖銳的特性，功率譜占據(jù)很寬的頻帶，因此易于從其他信號或干擾信號中分離出來，具有優(yōu)良的抗干擾特性[19]。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]一種航天器一次母線故障在線檢測定位方法[J]. 洪博,王莉,毛健美,尹晶,舒徳華. 電工技術(shù)學報. 2016(05)
[2]太陽能電池的動態(tài)模型和動態(tài)特性[J]. 秦嶺,謝少軍,楊晨,許津銘,王挺. 中國電機工程學報. 2013(07)
[3]電力系統(tǒng)中直流接地電阻檢測的新原理[J]. 費萬民,張艷莉,吳兆麟. 電力系統(tǒng)自動化. 2001(06)
本文編號：3260281
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