張國(guó)軍,楊東建,季淑潔,李浩文
(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,葫蘆島 125105;2.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司懷來縣供電分公司,張家口 075400)
隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,特別是屋頂光伏系統(tǒng)的日益增多,光伏系統(tǒng)故障電弧的危害受到業(yè)界的高度關(guān)注[1]。2011年美國(guó)電工法規(guī)NEC(National Electrical Code)提出,在光伏發(fā)電系統(tǒng)中要配備相應(yīng)的電弧保護(hù)裝置。隨后,美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 UL(Underwriters Laboratories)也推出了用于光伏系統(tǒng)直流電弧保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試的1699B草案[2-4]。由于在光伏電池組串中存在大量連接點(diǎn),當(dāng)連接點(diǎn)位置松動(dòng)或出現(xiàn)斷裂時(shí),會(huì)形成一對(duì)斷開的電極,在斷口產(chǎn)生的初期兩電極間的距離較小,根據(jù)電壓與電場(chǎng)的關(guān)系,即使兩端電壓較小,電場(chǎng)強(qiáng)度也能夠大到擊穿空氣從而產(chǎn)生串聯(lián)電弧故障,而當(dāng)串聯(lián)電弧故障發(fā)生時(shí)很難被目前的低壓斷路器及過流保護(hù)裝置檢測(cè)到[5-7]。因此本文主要對(duì)光伏系統(tǒng)串聯(lián)電弧故障檢測(cè)進(jìn)行研究。
目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)光伏系統(tǒng)電弧故障的研究主要集中在電弧信號(hào)的時(shí)域和頻域兩個(gè)方面。文獻(xiàn)[5-7]通過小波變換分析電弧信號(hào)的頻域特征進(jìn)行電弧故障識(shí)別,其中文獻(xiàn)[6]對(duì)傅里葉和小波分析在電弧故障信號(hào)頻域分析方面做了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)小波變換更適合于對(duì)光伏故障電弧信號(hào)做頻域分析;文獻(xiàn)[8]提出一種基于時(shí)域信號(hào)的擴(kuò)展時(shí)域反射法的光伏電弧故障檢測(cè)技術(shù),但算法較為復(fù)雜;文獻(xiàn)[9-10]采用傅里葉分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)電弧故障進(jìn)行人工智能識(shí)別,得到了較好的識(shí)別結(jié)果,但是算法較為復(fù)雜,有待優(yōu)化。
本文通過搭建光伏系統(tǒng)電弧故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究系統(tǒng)電流信號(hào)變化特征,將電流信號(hào)平均值的變化值以及利用小波變換方法得到的d5小波重構(gòu)信號(hào)能量值作為光伏系統(tǒng)串聯(lián)電弧故障檢測(cè)時(shí)的判據(jù),通過設(shè)定相應(yīng)閾值對(duì)系統(tǒng)電弧故障進(jìn)行檢測(cè)。
由于故障電弧產(chǎn)生的隨機(jī)性及物理過程的復(fù)雜性,并且環(huán)境及負(fù)載啟動(dòng)等因素會(huì)對(duì)光伏系統(tǒng)運(yùn)行電流造成影響,產(chǎn)生類似于電弧特征的波動(dòng)。因此尚無精確的電弧模型可對(duì)光伏系統(tǒng)電弧故障進(jìn)行仿真[11]。本文搭建的光伏系統(tǒng)電弧故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由光伏電源、負(fù)載、電弧發(fā)生器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備等構(gòu)成。其中光伏電源由2塊太陽(yáng)能電池板并聯(lián)組成,電池板參數(shù)如表1所示。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform
表1 光伏電池板參數(shù)Tab.1 Parameters of PV battery panel
電弧發(fā)生器為參考UL1699B方案中的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行制作,但考慮到UL1699B中提到的常規(guī)拉弧方法存在細(xì)鋼絲棉隨機(jī)熔化導(dǎo)致2個(gè)電極運(yùn)動(dòng)的不可預(yù)測(cè)性,甚至在熔化時(shí)阻擋電弧路徑,并且套管作為鋼絲絨的保持器也影響放電氣體擴(kuò)散等問題[2],因此本文采用電機(jī)帶動(dòng)電極分離,從而產(chǎn)生類似于電池板間連接點(diǎn)松動(dòng)斷裂的狀態(tài),模擬電弧故障的發(fā)生。該方法比UL1699B中規(guī)定的利用鋼絲絨及套管起弧的方法更加接近真實(shí)串聯(lián)故障電弧的產(chǎn)生狀態(tài),產(chǎn)生的電弧現(xiàn)象如圖2所示。該起弧方法數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括電流傳感器、示波器、數(shù)據(jù)采集卡等,其中數(shù)據(jù)采集卡為Smacq公司的USB-1000系列數(shù)據(jù)采集卡,其具有12位的模擬輸入分辨率,最高采樣率可達(dá)500 kS/s。
圖2 電弧現(xiàn)象Fig.2 Arc phenomenon
通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電流信號(hào)進(jìn)行采集,由于在高頻段電弧電流幅值極小,極易被噪聲信號(hào)覆蓋,因此頻段選擇上限不宜超過100 kHz[2]。本文設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為200 kHz,根據(jù)奈奎斯特定理,其能反映的真實(shí)信號(hào)頻率為100 kHz,采集到的故障電弧發(fā)生前后電流波形如圖3所示,其中灰色部分為電弧發(fā)生過程中的波形,觀察發(fā)現(xiàn)電弧電流較正常電流偏低且波動(dòng)明顯。
圖3 電弧發(fā)生前后電流波形Fig.3 Current waveform before and after the occurrence of arc
在頻域方面,通過對(duì)2種電流波形分別做FFT分析,在同幅值尺度下的頻譜對(duì)比如圖4所示,觀察頻域特征發(fā)現(xiàn)在20 kHz以上頻段,2種狀態(tài)電流頻譜并無較大區(qū)別,而在15 kHz以下頻段故障電弧諧波幅值明顯大于正常狀態(tài)?;谝陨蟽牲c(diǎn),可以通過對(duì)光伏系統(tǒng)電流時(shí)頻域特征進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)電弧故障檢測(cè)。
圖4 頻譜對(duì)比Fig.4 Comparison of frequency spectrum
由圖3可得,光伏系統(tǒng)發(fā)生電弧故障時(shí)線路電流會(huì)產(chǎn)生突變,電流幅值下降且具有明顯界限。因此本文在故障電弧時(shí)域特性分析過程中,主要分析了故障電弧發(fā)生前后電流時(shí)域波形平均值的變化。
在數(shù)據(jù)處理過程中為實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧故障的快速處理與檢測(cè),選用0.5 ms(采樣點(diǎn)N=100)的時(shí)間窗對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,分析過程中使用的電流平均值計(jì)算公式為
由于一天內(nèi)光照強(qiáng)度隨時(shí)間推移不斷變化,電池板的輸出電流也會(huì)隨之變化,因此將第1個(gè)時(shí)間窗內(nèi)計(jì)算到的電流平均值作為基準(zhǔn)電流平均值,電流平均值的變化值的計(jì)算公式為
對(duì)圖3所示的電流數(shù)據(jù)分析,電弧故障發(fā)生前后的電流平均值變化如圖5所示。通過對(duì)比可以看出,在發(fā)生串聯(lián)故障電弧時(shí),電流平均值與正常狀態(tài)相比變化很多,且二者存在明顯的差異,取Δ=0.9 A作為電流平均值變化的界限能夠較為明確地對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行及電弧故障進(jìn)行區(qū)分,因此電流平均值變化可作為判定故障電弧發(fā)生的典型特征。
圖5 電流平均值變化Fig.5 Changes in average current
考慮到光伏系統(tǒng)在運(yùn)行過程中易受陰影遮擋等環(huán)境因素影響,使輸出電流產(chǎn)生類似電弧故障的特征,本文對(duì)太陽(yáng)受到云層遮擋情況下的電池板輸出電流進(jìn)行了采樣,電流變化如圖6所示。從圖中可以看出,陰影對(duì)光伏系統(tǒng)的輸出電流具有較大影響,電流會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)低于正常輸出電流。
圖6 陰影下的輸出電流變化Fig.6 Changes in shadowed output current
圖7顯示了陰影遮擋下的電流平均值變化,可以發(fā)現(xiàn)電流的平均值也跟隨系統(tǒng)電流呈現(xiàn)相應(yīng)變化,出現(xiàn)高于基準(zhǔn)值的情況,這與電弧故障發(fā)生時(shí)的特征很相似,因此若僅以時(shí)域上的電流及平均值變化作為電弧故障的發(fā)生依據(jù)極易產(chǎn)生誤判,尋找電弧發(fā)生時(shí)的其他特征進(jìn)一步對(duì)電弧故障及陰影遮擋2種情況進(jìn)行區(qū)分是非常有必要的。
圖7 陰影下的電流平均值變化Fig.7 Changes in average shadowed current
由于故障電弧信號(hào)是非周期的混沌信號(hào),傅里葉分析雖然可以分析出信號(hào)中的頻率成分,但卻只能對(duì)信號(hào)整體進(jìn)行表達(dá),易造成細(xì)節(jié)信息的丟失。目前在故障信號(hào)的分析處理中,小波分析越來越受到人們的重視。多分辨率分析的小波變換可以利用正交小波基將信號(hào)分解為不同尺度下的各個(gè)分量,相當(dāng)于利用一組高通濾波器和低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解,分解得到的2個(gè)分量各占被分解信號(hào)頻帶寬度的1/2,隨后再次使用濾波器對(duì)低頻分量進(jìn)行重復(fù)分解,分解方式如圖8所示。
圖8 小波分解示意Fig.8 Schematic of wavelet decomposition
其中小波多分辨率分解公式[12-13]為
式中:h(n)=〈Ψj0(i),Φj,l,n(i)〉等效為一組低通濾波器,得到對(duì)應(yīng)低頻系數(shù) aj(i);g(n)=〈Ψj0(i),Φj,l,n(i)〉等效為一組高通濾波器,得到對(duì)應(yīng)的高頻系數(shù)dj(i);Ψ和Φ分別為小波函數(shù)和尺度函數(shù)。
經(jīng)過分解后的信號(hào)可通過單支重構(gòu)得到小波近似信號(hào)aj與細(xì)節(jié)信號(hào)dj,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與原始信號(hào)長(zhǎng)度相等,每層信號(hào)包含的頻帶范圍為
式中:fs為采樣頻率;j為分解層次。
由于實(shí)驗(yàn)過程中采用200 kHz采樣頻率,其能反映的真實(shí)信號(hào)頻段為0~100 kHz,考慮到故障電弧特征主要集中在15 kHz以下,且頻率越低特征越明顯,但在1 kHz以下頻率易受光伏變異度及無線電頻率的影響[14-15],因此本文選用具有緊支撐、正交性好的db5小波對(duì)實(shí)驗(yàn)電流信號(hào)做5層小波包分解,提取第5層分解細(xì)節(jié)信號(hào)d5,其能反映的頻段范圍為3.125~6.250 kHz。針對(duì)圖3所示電弧信號(hào)及圖6陰影下電流信號(hào)對(duì)其進(jìn)行小波分解,圖9為2種信號(hào)的d5頻段重構(gòu)對(duì)比。從圖中可以看出,在電弧故障發(fā)生時(shí),d5頻段上的信號(hào)波動(dòng)劇烈,信號(hào)幅值明顯增大,而雖然陰影的遮擋能夠使電流在時(shí)域上產(chǎn)生變化,但并沒有對(duì)d5頻段所代表的頻率成分產(chǎn)生影響,與電弧故障發(fā)生前的d5重構(gòu)信號(hào)并無明顯差別。
圖9 d5重構(gòu)波形對(duì)比Fig.9 Comparison of d5 reconstruction waveform
由于電弧故障發(fā)生時(shí),d5重構(gòu)頻段上波動(dòng)幅值明顯大于正常信號(hào),基于這一特點(diǎn)本文分析了電弧故障發(fā)生前后d5頻段電流信號(hào)的能量變化,研究電弧故障的頻域特征。在能量計(jì)算時(shí)依然采用0.5 ms(采樣點(diǎn)N=100)的時(shí)間窗對(duì)重構(gòu)后的d5頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,每0.5 ms計(jì)算一次,分析過程中使用的能量計(jì)算公式為
通過時(shí)間窗的移動(dòng)對(duì)圖9中所示d5小波重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行能量計(jì)算,得到的正常、電弧故障及陰影下的電流能量變化如圖10所示。通過同尺度下能量對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池板受到陰影遮擋時(shí),并沒有對(duì)d5頻段上的能量產(chǎn)生明顯影響,數(shù)值比較穩(wěn)定。而電弧故障發(fā)生時(shí),由于信號(hào)幅值增加使諧波能量明顯增大,與正常工作電流之間具有明顯界限。使用圖10(b)中所示的能量值為0.5作為閾值能夠較好地對(duì)電弧故障及正常工作狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分,因此光伏系統(tǒng)回路電流的小波分解d5頻段的能量特征可以作為電弧檢測(cè)的判據(jù)。
圖10 d5頻段能量值對(duì)比Fig.10 Comparison of d5 frequency-band energy value
基于上述電弧發(fā)生時(shí)的時(shí)頻域特征,本文所使用的電弧故障檢測(cè)流程如圖11所示,其中考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)所處環(huán)境的復(fù)雜性及開關(guān)切換、負(fù)載突變等因素會(huì)使電池板產(chǎn)生類似電弧故障的特征而引起誤檢測(cè),采用二次檢測(cè)判斷電弧故障的方法可有效避免電弧故障的錯(cuò)誤判斷[7,9]。當(dāng)連續(xù)檢測(cè)出2次及以上的Δ和E超過閾值時(shí),則判定為電弧故障,使輸出信號(hào)f=1;否則,輸出信號(hào)f=0。
圖11 電弧故障檢測(cè)流程Fig.11 Flow chart of arc fault detection
由于考慮到一天之中光照強(qiáng)度及溫度不斷變化,電池板的輸出電流也會(huì)隨時(shí)間的變化發(fā)生改變,因此對(duì)于初始時(shí)間窗內(nèi)的基準(zhǔn)電流設(shè)定系統(tǒng)每隔1 min重新計(jì)算一次,以此進(jìn)一步排除一天中光照強(qiáng)度變化對(duì)電弧故障檢測(cè)的影響。
利用上述光伏系統(tǒng)電弧故障檢測(cè)程序?qū)?shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行電弧故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn),部分檢測(cè)結(jié)果如圖12所示。其中:圖12(a)為對(duì)電弧故障的檢測(cè)結(jié)果,從檢測(cè)結(jié)果可以看到,雖然在電弧發(fā)生后的末端出現(xiàn)了個(gè)別點(diǎn)誤判的情況,但是在電弧發(fā)生至熄滅總體上都檢測(cè)出了電弧故障的存在,效果較為準(zhǔn)確;圖12(b)為電弧發(fā)生的一種特殊情況,即由于斷點(diǎn)連接的不穩(wěn)定性使電弧間斷發(fā)生,從檢測(cè)結(jié)果看,這種情況依然具有電弧特征,因此本文的電弧檢測(cè)算法依然可以對(duì)其進(jìn)行較為準(zhǔn)確的檢測(cè);圖12(c)為當(dāng)陰影遮擋對(duì)電流造成波動(dòng)時(shí)的檢測(cè)結(jié)果,可以看出,雖然電流波動(dòng)明顯,但是并未發(fā)生誤判,由此進(jìn)一步說明了本文所提檢測(cè)方法的可行性與準(zhǔn)確性。
圖12 檢測(cè)結(jié)果Fig.12 Detection results
本文通過搭建光伏系統(tǒng)故障實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬電弧故障的發(fā)生,通過對(duì)正常電流及故障電弧電流的對(duì)比分析,得到了電弧故障的時(shí)頻域特征,通過設(shè)定特定閾值采用移動(dòng)時(shí)間窗重復(fù)檢測(cè)的方法對(duì)電弧故障進(jìn)行有效檢測(cè),主要結(jié)論如下。
(1)當(dāng)電弧發(fā)生時(shí),電流時(shí)域波形平均值會(huì)發(fā)生明顯改變,明顯區(qū)別于正常工作電流,但產(chǎn)生陰影遮擋時(shí)電流會(huì)發(fā)生與電弧故障時(shí)相同的特征,因此單獨(dú)采用電流時(shí)域特征不能對(duì)電弧故障進(jìn)行有效檢測(cè)。
(2)通過FFT分析發(fā)現(xiàn),電弧故障特征主要集中在15 kHz以下頻段,利用小波分解提取d5頻段重構(gòu)系數(shù),通過計(jì)算d5頻段能量發(fā)現(xiàn)正常電流及陰影遮擋下的電流能量并無明顯變化,而發(fā)生電弧故障時(shí)電流能量增加,且具有明顯界限。
(3)采用時(shí)頻域特征相結(jié)合,利用閾值進(jìn)行二次檢測(cè)確定電弧故障的方法,能夠有效地對(duì)電弧故障進(jìn)行檢測(cè),并且能將環(huán)境因素對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行區(qū)分,有效避免了電弧故障的誤檢測(cè),證明了本文檢測(cè)方法的可行性與準(zhǔn)確性。