基于SSTDR的光伏系统对地故障检测方法
发布时间：2021-07-02 10:18
针对光伏系统中的接地故障检测问题,提出一种基于扩展频谱时域反射法（spread spectrum time domain reflectometry,SSTDR）的接地故障检测方法。在分析高频信号下光伏系统等效模型的基础上,将光伏系统整体视为传输线终端阻抗,当发生接地故障时其阻抗值会产生变化,通过对SSTDR自相关值进行数值分析处理,并与无接地故障光伏系统的自相关值进行比较,实现光伏接地故障检测。相较于常规检测方法,该方法无需测量光伏系统的电压、电流、温度、辐照度等参数,可消除传统检测方法中的检测盲点,且具有较强的鲁棒性。实验验证了方法在不同光照强度、不同接地电阻、双点接地等故障情况下的可行性和有效性。
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
单位长度传输线等效电路
目前，国内外学者针对光伏系统接地故障已提出一些保护策略。接地光伏系统中常通过接地故障检测断路器（ground-fault detection and interruption,GFDI）来监测光伏系统对地电流，当电流超过预设阈值后断开电路以保护系统[7]。此类GFDI器件基本上是依据故障电流的幅值来进行故障检测，例如无源被动器件——保险丝作为GFDI，当光伏系统中的接地故障电流小于保险丝的阈值时，将不会断开通路，会产生接地故障漏检的情况。另外，图1a中A点负直流母线发生接地故障时也将检测不到，这是GFDI的一个检测盲区。因为盲区的存在，相当于将保险丝旁路，后续再发生的接地故障将变得不可检测。如在A点发生接地故障的情况下，因漏检电路仍保持畅通，而后B点若发生接地故障，就会形成一个双接地故障。这种情况有可能先后发生在低光照下很短的一段时间内，因为第1次接地故障电流小未被检测到，而第2次接地故障发生时也未被检测。双接地故障发生时，整个阵列的电流可能流过接地线，严重时会烧坏整个系统。此外，光伏发电系统中，光伏组件的功率输出受运行环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，太阳电池可运行在不同且唯一的最大功率点（maximum power point,MPP）上。因此，逆变器上都有最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）技术，发生接地故障时，在某些情况下，MPPT的存在会使工作点移动，不仅可能使输出功率降低，也会使故障电流变得更小，造成故障更加难以检测。非接地光伏系统中常用剩余电流监测法[8]和直流绝缘电阻测量法[9-10]来判定是否存在接地故障：前者通过计算光伏阵列直流母线上的电流差值，后者通过测量光伏系统中载流导体与大地之间的绝缘电阻。这2种方法都可能因为额外的噪声而发生误判。上述3种常用的检测方法，共同的缺点是当辐照度低或故障阻抗高时，故障电流小，可能达不到设备阈值电流导致漏检[11-12]。
根据式（2），当r=+1,-1时，分别代表着传输线终端发生了开路故障（ZL=∞）和短路故障（ZL=0),r=0时说明终端阻抗与特征阻抗相匹配，未发生反射。任何终端阻抗的变化都相应地影响反射系数从而改变反射信号的电压幅值。图3描绘了特征阻抗Z0=50 W时的不同终端阻抗下的反射系数值。SSTDR故障检测系统框图如图4所示，将伪随机噪声（pseudo-random noise,PN）码与正弦波的二进制移相键控（binary phase-shift keying,BPSK）的信号作为入射信号x(t)注入至传输线中，如图5为BPSK实现过程。PN码是一种具有类似白噪声性质的码，相关函数具有尖锐的特性，功率谱占据很宽的频带，因此易于从其他信号或干扰信号中分离出来，具有优良的抗干扰特性[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种航天器一次母线故障在线检测定位方法[J]. 洪博,王莉,毛健美,尹晶,舒徳华. 电工技术学报. 2016(05)
[2]太阳能电池的动态模型和动态特性[J]. 秦岭,谢少军,杨晨,许津铭,王挺. 中国电机工程学报. 2013(07)
[3]电力系统中直流接地电阻检测的新原理[J]. 费万民,张艳莉,吴兆麟. 电力系统自动化. 2001(06)
本文编号：3260281
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
单位长度传输线等效电路
目前，国内外学者针对光伏系统接地故障已提出一些保护策略。接地光伏系统中常通过接地故障检测断路器（ground-fault detection and interruption,GFDI）来监测光伏系统对地电流，当电流超过预设阈值后断开电路以保护系统[7]。此类GFDI器件基本上是依据故障电流的幅值来进行故障检测，例如无源被动器件——保险丝作为GFDI，当光伏系统中的接地故障电流小于保险丝的阈值时，将不会断开通路，会产生接地故障漏检的情况。另外，图1a中A点负直流母线发生接地故障时也将检测不到，这是GFDI的一个检测盲区。因为盲区的存在，相当于将保险丝旁路，后续再发生的接地故障将变得不可检测。如在A点发生接地故障的情况下，因漏检电路仍保持畅通，而后B点若发生接地故障，就会形成一个双接地故障。这种情况有可能先后发生在低光照下很短的一段时间内，因为第1次接地故障电流小未被检测到，而第2次接地故障发生时也未被检测。双接地故障发生时，整个阵列的电流可能流过接地线，严重时会烧坏整个系统。此外，光伏发电系统中，光伏组件的功率输出受运行环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，太阳电池可运行在不同且唯一的最大功率点（maximum power point,MPP）上。因此，逆变器上都有最大功率点跟踪（maximum power point tracking,MPPT）技术，发生接地故障时，在某些情况下，MPPT的存在会使工作点移动，不仅可能使输出功率降低，也会使故障电流变得更小，造成故障更加难以检测。非接地光伏系统中常用剩余电流监测法[8]和直流绝缘电阻测量法[9-10]来判定是否存在接地故障：前者通过计算光伏阵列直流母线上的电流差值，后者通过测量光伏系统中载流导体与大地之间的绝缘电阻。这2种方法都可能因为额外的噪声而发生误判。上述3种常用的检测方法，共同的缺点是当辐照度低或故障阻抗高时，故障电流小，可能达不到设备阈值电流导致漏检[11-12]。
根据式（2），当r=+1,-1时，分别代表着传输线终端发生了开路故障（ZL=∞）和短路故障（ZL=0),r=0时说明终端阻抗与特征阻抗相匹配，未发生反射。任何终端阻抗的变化都相应地影响反射系数从而改变反射信号的电压幅值。图3描绘了特征阻抗Z0=50 W时的不同终端阻抗下的反射系数值。SSTDR故障检测系统框图如图4所示，将伪随机噪声（pseudo-random noise,PN）码与正弦波的二进制移相键控（binary phase-shift keying,BPSK）的信号作为入射信号x(t)注入至传输线中，如图5为BPSK实现过程。PN码是一种具有类似白噪声性质的码，相关函数具有尖锐的特性，功率谱占据很宽的频带，因此易于从其他信号或干扰信号中分离出来，具有优良的抗干扰特性[19]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种航天器一次母线故障在线检测定位方法[J]. 洪博,王莉,毛健美,尹晶,舒徳华. 电工技术学报. 2016(05)
[2]太阳能电池的动态模型和动态特性[J]. 秦岭,谢少军,杨晨,许津铭,王挺. 中国电机工程学报. 2013(07)
[3]电力系统中直流接地电阻检测的新原理[J]. 费万民,张艳莉,吴兆麟. 电力系统自动化. 2001(06)
本文编号：3260281
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