CN106154120B - 光伏逆变器的电弧故障检测方法、装置及光伏逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏逆变器的电弧故障检测方法、装置及光伏逆变器。该方法包括：获取光伏逆变器直流侧的电流信号；根据电流信号获得电流信号的频谱特征；判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征；以及如果电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，则使光伏逆变器停机；分别获取光伏逆变器停机时的第一输入电压，及从停机起至一预定时间后的第二输入电压；计算第一输入电压与第二输入电压之间的压降；以及根据压降，判断是否发生电弧故障。通过本发明的综合判断机制，可以有效地减小由于逆变器本身的干扰而造成的对电弧故障的误判断及相应保护装置的误触发问题。
Description
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种光伏逆变器的电弧故障检测方法、装置及光伏逆变器。
背景技术
在光伏发电领域，光伏面板通常被安装在建筑物楼顶，由于潮湿、电线绝缘损坏、接线端松动等原因会产生直流电弧现象。直流电弧会产生高温明火，进而引起火灾。因而在光伏发电领域，光伏逆变器需要增加电弧检测设备或支持电弧检测功能。
目前电弧检测的通常做法是通过检测逆变器直流侧的直流电流，并根据直流电流的频域特征来判定电弧是否发生。但由于逆变器是开关电源，开关动作会产生高频的干扰信号，通过频域特征来判定是否发生电弧的办法，则有可能出现误判，而一旦判定发生电弧，则逆变器的保护装置就会使逆变器停机，使用者因此就会蒙受经济损失。因此寻找一种能准确识别电弧故障的方法，是非常必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种光伏逆变器中的电弧故障检测方法、装置及光伏逆变器，能够在基于频域特征对电弧故障进行判断的基础上，进一步对其中的误判进行识别，从而有效降低保护装置的误触发次数。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
本发明一方面提供了一种光伏逆变器的电弧故障检测方法，包括：获取光伏逆变器直流侧的电流信号；根据电流信号获得电流信号的频谱特征；判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征；以及如果电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，则使光伏逆变器停机；分别获取光伏逆变器停机时的第一输入电压，及从停机起至一预定时间后的第二输入电压；计算第一输入电压与第二输入电压之间的压降；以及根据压降，判断是否发生电弧故障。
于一实施例中，上述电弧故障检测方法还包括：如果未发生电弧故障，则使光伏逆变器正常启动；如果发生电弧故障，则发送电弧故障信息。
于另一实施例中，根据电流信号获得电流信号的频谱特征包括：将电流信号转换为数字信号；以及对数字信号进行快速傅里叶变换，以得到电流信号的频谱特征。
于再一实施例中，判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征包括：从电流信号的频谱特征中选取一特定频段的频谱特征；判断特定频段的频谱特征与电流信号的基础频谱特征相比，是否超过一预定的功率阈值；以及如果超过功率阈值，则判断电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征。
于再一实施例中，特定频段不包括光伏逆变器的开关频率以及开关频率的倍数频率。
于再一实施例中，根据压降，判断是否发生电弧故障包括：如果压降超过一电压阈值，则判断发送电弧故障。
于再一实施例中，根据公式计算电压阈值，其中n为电压阈值，U为第一输入电压，C为光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为光伏逆变器直流侧的等效电阻。
本发明另一方面提供了一种光伏逆变器的电弧故障检测装置，包括：电流信号获取单元，用于获取光伏逆变器直流侧的电流信号；输入电压获取单元，用于获取光伏逆变器的输入电压；以及处理单元，分别与电流信号获取单元及输入电压获取单元连接，用于根据电流信号获取单元获取的电流信号，获得电流信号的频谱特征；判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征；如果电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，则使光伏逆变器停机；根据输入电压获取单元获取的光伏逆变器停机时的第一输入电压及从停机起至一预定时间后的第二输入电压，计算第一输入电压与第二输入电压之间的压降；以及根据压降，判断是否发生电弧故障。
于一实施例中，如果未发生电弧故障，则处理单元还用于使光伏逆变器正常启动；如果发生电弧故障，则处理单元还用于发送电弧故障信息。
于另一实施例中，根据电流信号获得电流信号的频谱特征包括：将电流信号转换为数字信号；以及对数字信号进行快速傅里叶变换，以得到电流信号的频谱特征。
于再一实施例中，判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征包括：从电流信号的频谱特征中选取一特定频段的频谱特征；判断特定频段的频谱特征与电流信号的基础频谱特征相比，是否超过一预定的功率阈值；以及如果超过功率阈值，则判断电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征。
于再一实施例中，特定频段不包括光伏逆变器的开关频率以及开关频率的倍数频率。
于再一实施例中，根据压降，判断是否发生电弧故障包括：如果压降超过一电压阈值，则判断发送电弧故障。
于再一实施例中，根据公式计算电压阈值，其中n为电压阈值，U为第一输入电压，C为光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为光伏逆变器直流侧等效电阻。
本发明再一方面提供了一种光伏逆变器，包括上述任一种电弧故障检测装置；电流检测电路，与电弧故障检测装置连接，用于检测光伏逆变器直流侧的电流信号，并输出电流信号至电弧故障检测装置；以及电压检测电路，与电弧故障检测装置连接，用于检测光伏逆变器直流侧的输入电压，并输出输入电压至电弧故障检测装置。
于一实施例中，电流检测电路包括：电流互感器与带通滤波器，或者电流采样电阻与带通滤波器；和/或，电压检测电路包括差分放大电路。
于另一实施例中，电弧故障检测装置为微控制器。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的电弧故障检测方法的流程图。
图2为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的电弧故障检测装置的结构图。
图3为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的结构图。
图4为光伏逆变器直流侧电流信号的频谱曲线示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有所述特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元等，也可以实践本发明的技术方案。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构或者操作以避免模糊本发明。
图1为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的电弧故障检测方法的流程图。如图1所示，该电弧故障检测方法包括如下步骤：
步骤S101，使光伏逆变器正常启动。
例如，可通过设置电弧检测错误标志位的方法，来指示光伏逆变器正常启动。如当将电弧检测错误标志位置位时，指示光伏逆变器停机；而当将该标志位清除时，则指示光伏逆变器正常启动。
步骤S102，获取光伏逆变器的直流侧的电流信号。
如果获取的电流信号为模拟量，则还需要将模拟电流信号转换为数字信号；而如果获取的电流信号已经为数字信号，则无需再进行模数转换。
步骤S103，判断所述电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征，如果不具有电弧的频谱特征，则返回步骤S101；否则，执行步骤S104。
例如，将获取的数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，从而得到电流信号的频谱特征，再进一步判断该电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征。
图4为光伏逆变器直流侧电流信号的频谱曲线示意图。如图4所示，其中实线为逆变器的基础频谱，即未产生电弧时的频谱特征。而当发生电弧现象时，电弧噪声会叠加到逆变器的基础频谱之上，从而形成如图4中虚线所示的电弧频谱特征。
在一些实施例中，本发明通过使用一预定的功率阈值T来判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征。如果电流信号的频谱特征超过了该预定的功率阈值T，则判定为电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，从而认为电弧现象发生；否则，认为电流信号的频谱特征不具有电弧的频谱特征，即认为电弧现象未发生。功率阈值T可根据使用需要而进行设置。
为了进一步的降低开关信号对电弧判断所造成的干扰，在本发明的另一些实施例中，还可以先选取一特定频段的频谱特征，再判断该特定频段的频谱特征是否具有电弧的频谱特征，即将该特定频段的频谱特征与功率阈值T进行比较，如果该特定频段的频谱特征超过了功率阈值T，则判定为该特定频段的频谱特征具有电弧的频谱特征，从而认为电弧现象发生；否则，认为不具有电弧的频谱特征，电弧现象未发生。从图4的实线可以看出，由于光伏逆变器的开关信号的干扰(高频干扰)存在，在基础频谱曲线中存在一些尖峰，这些频谱尖峰会造成该频率及该频率附近的功率信号增大。因此选取特定频段时，要避开关频率及开关频率的倍数频率，也即选取的特定频段中不包括开关频率及开关频率的倍数频率。从而降低逆变器高频开关对电弧检测造成的干扰。
在上述实施例中，为了避免开关信号的干扰，在选取特定频段时，要避开开关频率及其倍数频率，但本发明中对特定频段的选取不以此为限。例如，当还存在其他干扰源时，该特定频段在选取时，也可以避免这些干扰源所在的频率，从而减少对电弧故障的误判。
步骤S104，使光伏逆变器停机。
例如，通过将上述的电弧检测错误标志位置位，使光伏逆变器停机，停止输出功率。
步骤S105，判断光伏逆变器从停机起至一预定时间后的输入电压的压降是否超过一电压阈值N，如果未超过该电压阈值N，则返回步骤S101；否则，执行步骤S106。
光伏逆变器停机后，分别获取光伏逆变器停机时的第一输入电压及至上述预定时间后的第二输入电压，该预定时间例如可以为1秒、5秒等，但本发明不以此为限。
获得上述第一输入电压及第二输入电压后，判断第二输入电压相比于第一输入电压的下降幅度是否超过该电压阈值N，如果未超过该电压阈值N，则返回步骤S101；否则，执行步骤S106。
上述电压阈值N可以为根据使用需要而预先设定的值，也可以为根据相关参数计算而获得的值。
在一些实施例中，可以将该电压阈值N设置为光伏逆变器直流侧电容的放电系数n，而该放电系数可通过下述公式计算而得：
其中，U为上述第一输入电压，C为光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为光伏逆变器直流侧的等效电阻。
步骤S106，发送电弧故障信息。
根据光伏逆变器停机后一段时间内输入电压的压降，来确认上述根据电弧频谱特征做出的发生电弧的判断是否为误判，如果非误判，即压降超过了电压阈值N，则确认发生了电弧故障，发送电弧故障信息，从而等待维修人员来对光伏逆变器进行维修。
需要说明的是，若可获得实质上相同的结果，则上述步骤并不一定要完全遵照图1中所示的顺序执行。
图2为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的电弧故障检测装置的结构图。如图2所示，该电弧故障检测装置1包括：电流信号获取单元12、输入电压获取单元14及处理单元16。其中，处理单元16分别与电流信号获取单元12、输入电压获取单元14连接。
电流信号获取单元12用于获取光伏逆变器直流侧的电流信号，并将获取到的该电流信号提供给处理单元16。
输入电压获取单元14用于获取光伏逆变器的输入电压，并将获取到的输入电压提供给处理单元16。
处理单元16用于根据接收的电流信号和输入电压，执行电弧故障检测操作。
如果获取的电流信号为模拟量，则处理单元16还需要将模拟电流信号转换为数字信号；而如果获取的电流信号已经为数字信号，则无需再进行模数转换。
处理单元16根据接收的电流信号，获得该电流信号的频谱特征。例如，将获取的数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，从而得到电流信号的频谱特征，再进一步判断该电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征。
在一些实施例中，处理单元16通过使用一预定的功率阈值T来判断电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征。如果电流信号的频谱特征超过了该预定的功率阈值T，则判定为电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，从而认为电弧现象发生；否则，认为电流信号的频谱特征不具有电弧的频谱特征，即认为电弧现象未发生。功率阈值T可根据使用需要而进行设置。
为了进一步的降低开关信号对电弧判断所造成的干扰，在本发明的另一些实施例中，处理单元16还可以先选取一特定频段的频谱特征，再判断该特定频段的频谱特征是否具有电弧的频谱特征，即将该特定频段的频谱特征与功率阈值T进行比较，如果该特定频段的频谱特征超过了功率阈值T，则判定为该特定频段的频谱特征具有电弧的频谱特征，从而认为电弧现象发生；否则，认为不具有电弧的频谱特征，电弧现象未发生。从图4的实线可以看出，由于光伏逆变器的开关信号的干扰(高频干扰)存在，在基础频谱曲线中存在一些尖峰，这些频谱尖峰会造成该频率及该频率附近的功率信号增大。因此选取特定频段时，要避开关频率及开关频率的倍数频率，也即选取的特定频段中不包括开关频率及开关频率的倍数频率。从而降低逆变器高频开关对电弧检测造成的干扰。
在上述实施例中，为了避免开关信号的干扰，在选取特定频段时，要避开开关频率及其倍数频率，但本发明中对特定频段的选取不以此为限。例如，当还存在其他干扰源时，该特定频段在选取时，也可以避免这些干扰源所在的频率，从而减少对电弧故障的误判。
如果处理单元16判断出电流信号的频谱特征具有电弧特征，则使光伏逆变器停机，停止输出功率。之后，处理单元16判断光伏逆变器从停机起至一预定时间后的输入电压的压降是否超过一电压阈值N。
光伏逆变器停机后，处理单元16分别通过输入电压获取单元14获取光伏逆变器停机时的第一输入电压及至上述预定时间后的第二输入电压，该预定时间例如可以为1秒、5秒等，但本发明不以此为限。
获得上述第一输入电压及第二输入电压后，判断第二输入电压相比于第一输入电压的下降幅度是否超过该电压阈值N，如果未超过该电压阈值N，则使光伏逆变器重新启动；而如果超过该电压阈值N，则发送发出电弧故障信息。
上述电压阈值N可以为根据使用需要而预先设定的值，也可以为根据相关参数计算而获得的值。
在一些实施例中，可以将该电压阈值N设置为光伏逆变器直流侧电容的放电系数n，而该放电系数可通过下述公式计算而得：
其中，U为上述第一输入电压，C为光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为光伏逆变器直流侧的等效电阻。
本领域技术人员应明白的是，结合以上所描述的各种示例性功能模块和方法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性模块和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个***的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本发明的范围。
本发明提供的光伏逆变器的电弧故障检测方法及装置，通过判断电流信号的频域特征是否具有电弧的频域特征，来判断是否有电弧发生。如果有电弧发生，则使光伏逆变器停机。之后，再进一步地根据光伏逆变器停机后，输入电压在一段时间内的压降来判断上述关于是否电弧发生的判断是否为误判。如果为误判，则使光伏逆变器重新开始工作；否则，发出电弧故障信息，从而通知维修人员进行确认。通过本发明的综合判断机制，可以有效地减小由于逆变器本身的干扰(例如开关信号的高频干扰)而造成的对电弧故障的误判断及相应保护装置的误触发问题。
图3为根据一示例性实施例示出的光伏逆变器的结构图。如图3所示，光伏逆变器2的输入端耦接光伏面板21，接收来自光伏面板的直流电，并输出交流至电网3。光伏逆变器2还包括：电流检测电路22、电压检测电路23、及上述的电弧故障检测装置1。
电流检测电路22与电弧故障检测装置1连接，用于检测光伏逆变器2直流侧的电流信号，并将该电流信号输出至电弧故障检测装置1。电流检测电路22例如包括：电流互感器与带通滤波器，或者电流检测电阻与带通滤波器。
电压检测电路23与电弧故障检测装置1连接，用于检测光伏逆变器2输入侧的直流输入电压或是光伏面板的输出电压，并将该输入电压提供至电弧故障检测装置1。电压检测电路23例如包括差分放大电路。
电弧故障检测装置1分别从电流检测电路22和电压检测电路23中获取上述电流信号和输入电压，以执行电弧故障检测的操作。其具体操作以在上文中进行了说明，在此不再赘述。
电弧故障检测装置1可以与光伏逆变器2中的主功率电路24及用于控制交流输出的控制开关25相连，以在判断出现电弧故障时，向其发送电弧故障信息，从而使主功率电路24停机和/或断开控制开关25的连接，以停止功率输出。该主功率电路24负责完成逆变器的直流变交流的逆变操作，其为本领域技术人员的公知，在此不再详细描述。
在一些实施例中，电弧故障检测装置1可以为光伏逆变器2中的微控制器，即由微控制器来实现电弧故障检测装置1的全部功能。
本发明提供的光伏逆变器，通过判断电流信号的频域特征是否具有电弧的频域特征，来判断是否有电弧发生。如果有电弧发生，则使光伏逆变器停机。之后，再进一步地根据光伏逆变器停机后，输入电压在一段时间内的压降来判断上述关于是否电弧发生的判断是否为误判。如果为误判，则使光伏逆变器重新开始工作；否则，发出电弧故障信息，从而通知维修人员进行确认。通过本发明的综合判断机制，可以有效地减小由于逆变器本身的干扰(例如开关信号的高频干扰)而造成的对电弧故障的误判断及相应保护装置的误触发问题。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求范围内的各种修改和等效置换。
Claims (13)
1.一种光伏逆变器的电弧故障检测方法，其特征在于，包括：
获取所述光伏逆变器直流侧的电流信号；
根据所述电流信号获得所述电流信号的频谱特征；
判断所述电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征；以及
如果所述电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，则
使所述光伏逆变器停机；
分别获取所述光伏逆变器停机时的第一输入电压，及从停机起至一预定时间后的第二输入电压；
计算所述第一输入电压与所述第二输入电压之间的压降；以及
将所述压降和一电压阈值比较，如果所述压降超过所述电压阈值，则判断发生电弧故障，其中所述电压阈值的计算公式为：
其中n为所述电压阈值，U为所述第一输入电压，C为所述光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为所述光伏逆变器直流侧的等效电阻。
2.根据权利要求1所述的电弧故障检测方法，还包括：如果未发生所述电弧故障，则使所述光伏逆变器正常启动；如果发生所述电弧故障，则发送电弧故障信息。
3.根据权利要求1或2所述的电弧故障检测方法，其中根据所述电流信号获得所述电流信号的频谱特征包括：
将所述电流信号转换为数字信号；以及
对所述数字信号进行快速傅里叶变换，以得到所述电流信号的频谱特征。
4.根据权利要求1或2所述的电弧故障检测方法，其中判断所述电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征包括：
从所述电流信号的频谱特征中选取一特定频段的频谱特征；
判断所述特定频段的频谱特征与所述电流信号的基础频谱特征相比，是否超过一预定的功率阈值；以及
如果超过所述功率阈值，则判断所述电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征。
5.根据权利要求4所述的电弧故障检测方法，其中所述特定频段不包括所述光伏逆变器的开关频率以及开关频率的倍数频率。
6.一种光伏逆变器的电弧故障检测装置，其特征在于，包括：
电流信号获取单元，用于获取所述光伏逆变器直流侧的电流信号；
输入电压获取单元，用于获取所述光伏逆变器的输入电压；以及
处理单元，分别与所述电流信号获取单元及所述输入电压获取单元连接，用于根据所述电流信号获取单元获取的所述电流信号，获得所述电流信号的频谱特征；判断所述电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征；如果所述电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征，则
使所述光伏逆变器停机；
根据所述输入电压获取单元获取的所述光伏逆变器停机时的第一输入电压及从停机起至一预定时间后的第二输入电压，计算所述第一输入电压与所述第二输入电压之间的压降；以及
比较所述压降和一电压阈值，如果所述压降超过所述电压阈值，则判断发生电弧故障，其中所述电压阈值的计算公式为：
其中n为所述电压阈值，U为所述第一输入电压，C为所述光伏逆变器直流侧电容的电容值，R为所述光伏逆变器直流侧的等效电阻。
7.根据权利要求6所述的电弧故障检测装置，其中如果未发生所述电弧故障，则所述处理单元还用于使所述光伏逆变器正常启动；如果发生所述电弧故障，则所述处理单元还用于发送电弧故障信息。
8.根据权利要求6或7所述的电弧故障检测装置，其中根据所述电流信号获得所述电流信号的频谱特征包括：
将所述电流信号转换为数字信号；以及
对所述数字信号进行快速傅里叶变换，以得到所述电流信号的频谱特征。
9.根据权利要求6或7所述的电弧故障检测装置，其中判断所述电流信号的频谱特征是否具有电弧的频谱特征包括：
从所述电流信号的频谱特征中选取一特定频段的频谱特征；
判断所述特定频段的频谱特征与所述电流信号的基础频谱特征相比，是否超过一预定的功率阈值；以及
如果超过所述功率阈值，则判断所述电流信号的频谱特征具有电弧的频谱特征。
10.根据权利要求9所述的电弧故障检测装置，其中所述特定频段不包括所述光伏逆变器的开关频率以及开关频率的倍数频率。
11.一种光伏逆变器，其特征在于，包括：
根据权利要求6-10任一项所述的电弧故障检测装置；
电流检测电路，与所述电弧故障检测装置连接，用于检测所述光伏逆变器直流侧的电流信号，并输出所述电流信号至所述电弧故障检测装置；以及
电压检测电路，与所述电弧故障检测装置连接，用于检测所述光伏逆变器直流侧的输入电压，并输出所述输入电压至所述电弧故障检测装置。
12.根据权利要求11所述的光伏逆变器，其中所述电流检测电路包括：电流互感器与带通滤波器，或者电流采样电阻与带通滤波器；和/或，所述电压检测电路包括差分放大电路。
13.根据权利要求11所述的光伏逆变器，其中所述电弧故障检测装置为微控制器。
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