CN104934927A - 一种光伏直流侧短路保护装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光伏直流侧短路保护装置及其控制方法，包括与光伏直流电源的输入端相连的断路器，所述断路器的母线上设有用于采集所述断路器前端直流母线的电流值的电流采集装置，所述断路器的正、负极之间连接有用于采集所述断路器前端线路正、负极之间的电压值的电压采集装置，所述电流采集装置和所述电压采集装置分别连接控制器，所述控制器的输出端连接所述断路器或负荷开关的分励线圈用于控制所述断路器动作，该短路保护装置还包括电源模块，所述电源模块接入所述断路器的进线端。线路出现短路时，电流会小幅增加，电压会出现明显跌落，控制器根据短路时线路上电压、电流的变化，判定线路是否出现短路故障，从而发出分闸信号作用断路器跳闸以保护线路。

Description

一种光伏直流侧短路保护装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流供电保护技术领域，具体涉及一种光伏直流侧短路保护装置及其控制方法。

背景技术

光伏发电直流侧电流与太阳辐照度成正比，直流侧短路电流大小即与太阳辐照度，又与太阳能光伏电池组件自身固有短路电流有关，按照传统电气设计选择和设置熔断器的熔丝电流与断路器的脱扣电流，由于伏***直流侧的工作电流和短路电流值接近，传统保护器件的灵敏度较低无法区分，二者还会根据光照条件和环境温度发生变化，保护定值亦难以整定，当线路出现短路故障时，瞬时脱扣器因达不到动作条件（10倍额定电流）而不会动作，其热脱扣器由于其反时限的特征，动作时间较长，这在光伏***直流侧的线路保护上是不可取的，因为光伏***直流侧的短路会在短路点产生直流电弧，电弧的高温极易导致严重的电气火灾。

发明内容

本发明的目的一，提供一种光伏直流短路保护装置，用于解决上述问题，具有

一种光伏直流侧短路保护装置，包括与光伏直流电源的输入端相连的断路器，所述断路器的母线上设有用于采集所述断路器前端直流母线的电流值的电流采集装置，所述断路器的正、负极之间连接有用于采集所述断路器前端线路正、负极之间的电压值的电压采集装置，所述电流采集装置和所述电压采集装置分别连接控制器，所述控制器的输出端连接所述断路器的分励线圈用于控制所述断路器动作，该短路保护装置还包括电源模块，所述电源模块接入所述断路器的进线端。

优选的，所述电流采集装置为设置于所述断路器前端直流母线上的电流传感器，所述电压采集装置为设置于所述断路器或负荷开关的正、负极之间的电压送变器，所述电流传感器的输出端和所述电压送变器的输出端分别连接所述控制器。

进一步的，该保护装置还包括人机界面和监控室，所述控制器的通过通信接口分别连接人机界面和监控室。

所述电流采集装置为电流传感器，所述电压采集装置为电压变送器。

本发明的目的二，提供一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，该控制方法如下所示，

首先，根据I-V特性曲线设置控制器内的设定电流值I₀和设定电压值U₀，设定电压值U₀的取值界限小于光伏直流侧后端所接逆变器或控制器设定的最低工作电压，设定电流值I₀为光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值；

其次，电流采集装置实时采集断路器母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器前端正、负极的电压值U₁，将电流值I₁和电压值U₁送入控制器；

再次，控制器判断电流值I₁是否大于预设于控制器内的设定电流值I₀，电压值U₁是否小于预设于控制器内的设定电压值U₀；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置采集的电压值U₁小于设定电压值U₀，则控制器检测出光伏直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器发出断路器分闸指令，断路器的分励线圈动作，断路器断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

优选的，所述设定电压值U₀取n*Vmp值的一半，其中Vmp值表示标准测试条件下光伏组件的最佳工作电压值，n表示该光伏直流侧的组件串联数。

优选的，所述电流采集装置为电流传感器，所述电压采集装置为电压变送器。

本发明的目的三，提供一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，该控制方法如下所示，

首先，根据I-V特性曲线，设置控制器内的设定电流值I₀和设定电压值U₀，并设定采样间隔时间t，其中设定电流值I₀为光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值；

其次，电流采集装置实时采集断路器母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器前端正、负极的电压值U₁，并根据采样间隔时间t将电流值I₁和电压值U₁送入控制器；

再次，控制器判断电流采集装置采集的电流值I₁是否大于预设于控制器内的设定电流值I₀，控制器比较采样间隔时间t前后采集的电压值U₁，降幅是否超过(V_oc-V_o)/V_oc的值，其中，V_oc为被保护线路所对应的光伏直流侧最大开路电压，V_o为被保护的光伏直流侧后端所接逆变器或控制器设定的最低工作电压；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置在采集间隔时间t前后的电压值U₁降幅超过(V_oc-V_o)/V_oc的值，则控制器检测出直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器发出断路器分闸指令，断路器的分励线圈动作，断路器断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

进一步的，所述电流采集装置为电流传感器，所述电压采集装置为电压变送器。

优选的，所述采样间隔时间t为1ms。

本发明的有益效果在于：

1）、本发明的保护装置可安装于汇流箱和直流配电柜内，通过电流采集装置和电压采集装置采集断路器前端的电流和电压的大小，然后将检测结果送入控制器，控制器进行逻辑运算，控制器根据运算结果控制断路器动作。本发明的保护装置，能够准确区分短路故障，瞬时作用断路器跳闸，有效避免线路因短路产生的直流电弧所述导致的电气火灾，进一步解决传统断路器和熔丝在光伏***直流侧线路保护方便不足的问题。

2）、本发明通过采集断路器前端的电压、电流值，并根据光伏组件的I-V特性曲线，当线路出现短路时，电流会小幅增加，电压会出现明显跌落，控制器根据短路时线路上电压、电流的这一变化情况，判定线路是否出现短路故障，从而发出分闸信号作用于断路器或负荷开关跳闸以保护线路。

3）本发明的保护装置采用软硬件结合的方式实现，保护定值由软件设定，能根据光伏组件的特性和安装环境进行调整，适用性好，可靠性高，通过对软件进行编写，还能在远端进行直流侧发电量的统计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的保护装置原理图。

图2为本发明的I-V特性曲线。

图3为本发明的第一种控制方法的流程图。

图4为本发明的第二种控制方法的流程图。

10——保护装置  11——断路器  12——电流传感器  13——电压变送器  14——控制器  15——人机界面  16——监控室  17——电源模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，一种光伏直流侧短路保护装置，包括与光伏直流电源的输入端相连的断路器11，所述断路器11的母线上设有用于采集所述断路器11前端直流母线的电流值的电流传感器12，所述断路器11的正、负极之间连接有用于采集所述断路器11前端线路正、负极之间的电压值的电压送变器13，所述电流传感器12和所述电压送变器13分别连接控制器14，所述控制器14的输出端连接所述断路器11的分励线圈用于控制所述断路器11动作，该保护装置10还包括电源模块17，所述电源模块17接入所述断路器11的进线端。

其中电流传感器12为霍尔电流传感器，断路器11为QF光伏直流短路器。

该保护装置10还包括人机界面15和监控室16，所述控制器14的通过通信接口分别连接人机界面15和监控室16。

如图2所示为光伏组件I-V特性曲线，纵轴表示电流，横轴表示电压，曲线是将光伏组件中串入可变电子负载，使光伏组件逐渐从短路状态向开路状态变化，从而对光伏组件的I-V特性进行扫描。根据光伏组件的I-V特性曲线，当线路出现短路时，电压会出现明显跌落，即使经过串、并联组合后，该特性依然存在。 控制器根据短路时线路上电压、电流的这一变化情况，判定光伏***直流侧是否出现短路故障。

如图3所示，以大型光伏电站使用的500KW等级光伏并网逆变器为例，其MPPT电压范围为460V-850V，最小启动电压一般在460V左右，低于该值逆变器进入待机模式，光伏直流侧切换至开路状态，这时该段线路流过的电流为零。如果线路出现正、负极直接短路，短路点瞬时接通时线路两端的电压会跌落至零，当出现放电间隙时，线路两端的电压会随着间隙长度波动，其值一般维持在几十伏，远小于逆变器最小启动电压。对于短路状态判断的电压取值上限可设为标准测试条件下组件最大功率点电压Vmp的一半，如直流侧采用260Wp多晶硅组件，标准测试环境下Vmp=30.77，光伏组件每21块一串联，那么短路状态判断所须设定的电压上限值U₀为30.77*21/2=323V，既避开了逆变器正常工作时的直流侧电压区间值，又能应对各种短路条件下电压值的变化。电流取值区间不小于光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值，同时考虑霍尔直流传感器的测量精度影响，可设定电流值为1A，若是检测到的电流值大于1A，电压值小于323V，二者同时满足，则可以判断光伏直流侧出现短路。

一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，该控制方法如下所示，

首先，根据I-V特性曲线设置控制器14内的设定电流值I₀和设定电压值U₀，设定电压值U₀为323V，设定电流值I₀为1A；

其次，电流采集装置实时采集断路器11母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器11前端正、负极的电压值U₁，将电流值I₁和电压值U₁送入控制器14；

再次，控制器14判断电流值I₁是否大于预设于控制器14内的设定电流值I₀，电压值U₁是否小于预设于控制器14内的设定电压值U₀；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置采集的电压值U₁小于设定电压值U₀，则控制器14检测出光伏直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器14发出断路器11分闸指令，断路器11分励线圈动作，断路器11断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

所述电流采集装置为电流传感器12，所述电压采集装置为电压变送器。

如图4所示，以大型光伏电站使用的500KW等级光伏并网逆变器为例，当正、负极出现短路故障时，正、负极两端都会出现明显的电压跌落，电流小幅增加，短路判断是电压变化条件为采样间隔的电压降幅超过(V_oc-V_o)/V_oc的值，如直流侧采用260Wp多晶硅组件，以标准测试环境下为例，单块组件的V_oc=37.73，光伏组件每21块一串联，那么该段被保护的光伏直流侧最大开路电压V_oc=792.33，逆变器最小启动电压V_o=460V，那么(V_oc-V_o)/V_oc =0.42，考虑环境因素对光伏组件电性能的影响，电压降幅可设为50％，电流判断的取值区间不小于光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值，同时考虑霍尔直流传感器的测量精度影响，可设为1A，若电压降幅超过50%，电流值大于1A，二者同时满足，则可以检测出光伏直流侧短路。

一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，该控制方法如下所示，

首先，根据I-V特性曲线，设置控制器14内的设定电流值I₀为1A，并设定采样间隔时间t为1ms；

其次，电流采集装置实时采集断路器11母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器11前端正、负极的电压值U₁，并根据采样间隔时间t将电流值I₁和电压值U₁送入控制器14；

再次，控制器14判断电流采集装置采集的电流值I₁是否大于预设于控制器14内的设定电流值I₀，控制器14比较采样间隔时间t前后采集的电压值U₁，降幅是否超过百分之五十；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置在采集间隔时间t前后的电压值U₁降幅超过百分之五十，则控制器14检测出直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器14发出断路器11分闸指令，断路器11分励线圈动作，断路器11断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

其中，所述电流采集装置为电流传感器12，所述电压采集装置为电压变送器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏直流侧短路保护装置，包括与光伏直流电源的输入端相连的断路器（11），其特征在于：所述断路器（11）的母线上设有用于采集所述断路器（11）前端直流母线的电流值的电流采集装置，所述断路器（11）的正、负极之间连接有用于采集所述断路器（11）前端线路正、负极之间的电压值的电压采集装置，所述电流采集装置和所述电压采集装置分别连接控制器（14），所述控制器（14）的输出端连接所述断路器（11）的分励线圈用于控制所述断路器（11）动作，该短路保护装置还包括电源模块，所述电源模块（17）接入所述断路器（11）的进线端。

2.如权利要求1所述的一种光伏直流侧短路保护装置，其特征在于：所述电流采集装置为设置于所述断路器（11）前端直流母线上的电流传感器（12），所述电压采集装置为设置于所述断路器（11）的正、负极之间的电压送变器（13），所述电流传感器（12）的输出端和所述电压送变器（13）的输出端分别连接所述控制器（14）。

3.如权利要求1至2任一项所述的一种光伏直流侧短路保护装置，其特征在于：该保护装置（10）还包括人机界面（15）和监控室（16），所述控制器（14）通过通信接口分别连接人机界面（15）和监控室（16）。

4.如权利要求1所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：该控制方法如下所示，

首先，根据I-V特性曲线设置控制器（14）内的设定电流值I₀和设定电压值U₀，设定电压值U₀的取值界限小于光伏直流侧后端所接逆变器或控制器设定的最低工作电压，设定电流值I₀为光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值；

其次，电流采集装置实时采集断路器（11）母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器（11）前端正、负极的电压值U₁，将电流值I₁和电压值U₁送入控制器（14）；

再次，控制器（14）判断电流值I₁是否大于预设于控制器（14）内的设定电流值I₀，电压值U₁是否小于预设于控制器（14）内的设定电压值U₀；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置采集的电压值U₁小于设定电压值U₀，则控制器（14）检测出光伏直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器（14）发出断路器（11）分闸指令，断路器（11）的分励线圈动作，断路器（11）断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

5.如权利要求4所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：所述设定电压值U₀取n*Vmp值的一半，其中Vmp值表示标准测试条件下光伏组件的最佳工作电压值，n表示该光伏直流侧的组件串联数。

6.如权利要求4所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：所述电流采集装置为电流传感器（12），所述电压采集装置为电压变送器。

7.如权利要求1所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：

首先，根据I-V特性曲线，设置控制器（14）内的设定电流值I₀和设定电压值U₀，并设定采样间隔时间t，其中设定电流值I₀为光伏直流侧后端所接逆变器或控制器待机时光伏直流供电的最大电流值；

其次，电流采集装置实时采集断路器（11）母线上的电流值I₁，电压采集装置实时采集断路器（11）前端正、负极的电压值U₁，并根据采样间隔时间t将电流值I₁和电压值U₁送入控制器（14）；

再次，控制器（14）判断电流采集装置采集的电流值I₁是否大于预设于控制器（14）内的设定电流值I₀，控制器（14）比较采样间隔时间t前后采集的电压值U₁，降幅是否超过(V_oc-V_o)/V_oc的值，其中，V_oc为被保护线路所对应的光伏直流侧最大开路电压，V_o为被保护的光伏直流侧后端所接逆变器或控制器设定的最低工作电压；

最后，若电流采集装置采集的电流值I₁大于设定电流值I₀，同时电压采集装置在采集间隔时间t前后的电压值U₁降幅超过(V_oc-V_o)/V_oc的值，则控制器（14）检测出直流侧的正、负极之间出现短路故障，控制器（14）发出断路器（11）分闸指令，断路器（11）的分励线圈动作，断路器（11）断开；反之，则继续检测电流值和电压值。

8.如权利要求7所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：所述电流采集装置为电流传感器（12），所述电压采集装置为电压变送器。

9.如权利要求7所述的一种光伏直流侧短路保护装置的控制方法，其特征在于：所述采样间隔时间t为1ms。