分类：电子论文 时间：2021-09-10 热度：209
摘要：在大型光伏电站中存在数量众多的连接点和连接线缆，表明可能产生电弧故障的潜在发生点很多，故障电弧信号从发生点到达电弧检测单元可能需穿过光伏组件串和连接电缆。为分析光伏系统直流故障电弧信号从故障点传输到检测点可能的信号变化情况，建立大型光伏电站的高频等效模型，分别针对不同位置的串联、并联电弧信号到达直流母线上电弧检测点的传输行为进行仿真及分析。结合实验模拟测试，证实电弧信号主要会受传输线缆寄生参数的影响而导致其频率特性发生一定的改变，在大型光伏电站故障电弧检测过程中的信号特征提取需考虑电弧信号的变化。
关键词：光伏电站;电弧信号;传输特性;高频建模;寄生参数
0引言
随着环境污染与能源危机的加剧，太阳能作为一种清洁的可再生能源，近年来得到各国政府的高度重视，光伏发电应用因此得到迅速发展。光伏发电系统的光伏阵列一直暴露在外部恶劣环境中，遭受暴晒、风沙、酸雨等侵蚀，环境温度骤变而带来的机械应力和热应力的作用，甚至受到小动物的撕咬，从而造成光伏组件老化、连接线缆绝缘层破损、连接头腐蚀等问题，进而导致光伏系统串联、并联电弧故障的发生。
为解决光伏系统直流电弧造成的安全问题，2011年，美国国家电气规范NEC第690.11号文件要求光伏并网系统直流母线电压大于80V应配备故障电弧检测装置与断路器保护[1]。近年来，光伏系统故障电弧的有效检测逐渐引起了相关学者的重视。由于电弧故障发生时，系统电流、电压信号会发生变化，因此目前光伏故障电弧的检测多以电流、电压信号的时频域特征变化作为检测电弧发生的特征依据[2-4]。文献[5-6]分析了小型光伏系统中不同位置的串联与并联电弧电流信号的时频域特性，并提出区分串并联电弧方法;文献[7]提出一种基于电弧电流信号时频域特征的多准则故障电弧判据;文献[8]使用小波变换提取故障电弧的频域特征，实现故障电弧类型的辨识。文献[9]提出采用预先记录的电弧特征来判断电弧故障，但未考虑不同规模系统，不同位置与不同类型电弧信号之间的差异。文献[10]分析了几种较短长度的线缆对故障电弧信号的影响，但其取值与实际系统规模存在较大差距，且未考虑不同种类故障电弧信号自身的特点。
在实际大型光伏电站中存在数目众多的连接点，即存在着大量有可能会产生故障电弧的位置点。同时，光伏电站占地面积大，光伏线缆长度一般可达数百米甚至上千米，其高频分布参数很可能会使电弧原始信号产生变化。另一方面，外界环境噪声及逆变器开关频率噪声，也会对故障电弧信号造成一定干扰[11-14]，致使电弧故障误判或漏判，降低故障电弧检测的准确性，对整个光伏系统造成安全隐患。目前，国内外对电弧检测的研究都是针对电弧发生点的信号特征作为检测基础，而未深入考虑实际光伏电站中不同位置、不同类型的故障电弧原始信号到达检测点过程中可能产生的特征变化。
针对上述问题，本文在综合分析光伏组件动态等效模型、寄生参数;线缆高频等效模型、寄生参数的基础上，建立光伏电站高频等效模型。然后，针对光伏系统中不同位置、不同类型的故障电弧信号在系统内的传输过程进行仿真、分析，并结合实验测试进行验证，希望为光伏电站中故障电弧的有效检测提供一定的参考。
1大型光伏电站高频建模
1.1光伏电站基本结构
通常，光伏电站的基本结构如图1所示。a个光伏组件串到初级汇流箱并联汇流，然后b个初级汇流箱经过次级汇流箱再次汇流，接入直流配电柜后，再经并网逆变器进行逆变、升压变压器升压并入高压电网。光伏电站的高频建模主要集中在次级汇流箱之前的光伏直流系统部分：光伏阵列动态等效模型及分布参数;光伏阵列中传输线缆的高频模型及分布参数。
1.2光伏阵列动态等效模型及分布参数
当光伏电站中光伏组件的型号和光照强度相同时，n个光伏组件串联后，再由m个组串并联后所形成n×m的光伏阵列等效电路[15]如图2所示。
1.3线缆高频模型及分布参数
在直流或低频交流输电线中，电流在导线横截面上均匀分布，导线电阻RDC基本恒定。随着交流频率升高，导线的趋肤效应越来越明显，导线的有效截面积减小，其等效电阻RAC会随之增加。在高频交流时，线缆的交流电阻RAC表达式如式(4)。
2串、并联故障电弧信号传输仿真与分析
2.1算例分析
图5所示为西北地区一个容量为1MW的大型地面光伏电站示意图，其中每500kW接入一个630kW的并网逆变器。下面以一个逆变器所接的500kW子阵列作为建模分析算例：单个光伏串由20个230W的光伏组件串联;2个串上下并排排列，每8排光伏串汇流到1个初级汇流箱;16个初级汇流箱2次汇流到直流配电柜;然后通过一个630kW的并网逆变器。2台逆变器使用一个交流配电柜，连接一路升压变压器，输入到35kV高压输电线。
以一台逆变器所连接的光伏阵列为建模算例，加入坐标轴，如图6所示：其中一个小长方形代表一组双排并列的光伏组串，坐标系中原点(0，0)连接直流配电柜，将16个初级汇流箱依次排列在y轴上，编号为1~16，两边组件关于y轴对称，初级汇流箱8和9离配电柜最近，而初级汇流箱1和16离配电柜最远。从单个初级汇流箱来看，虚线框部分8组并联汇流的光伏组串中，靠近y轴即横坐标为±1的组串较近，而横坐标为±2的组串较远。综上，同一方阵中不同位置到直流配电柜使用线缆的长度存在较大的差异。一组光伏阵列的排布与放置方式如图7所示。根据图3、图7和式(3)可得一块光伏组件(230W)的对地分布电容如式(8)所示，其具体值受天气及外界环境因素影响。
在本例中，直流侧的传输线缆有2种：一种为PFG1169-1×4mm2专用光伏电缆，用于光伏组件之间的连接以及组件到初级汇流箱的连接，露天分布;另一种为YJV22-0.6/1kV2×16mm2线缆，用于初级汇流箱到直流配电柜以及逆变器之间的连接，埋设于地下0.8m的位置。根据式(7)，可知光伏系统直流侧正负极线缆间寄生电容约为0.002nF/m。查阅相关技术参数得到YJV22-0.6/1kV2×16mm2线缆的对地分布电容约为0.4nF/m;而PFG1169-1×4mm2为架空排布，其对地电容可忽略不计。
2.2串联故障电弧信号传播分析与仿真
光伏阵列中的电弧故障一般分为2大类：串联电弧与并联电弧。接下来分析串联故障电弧信号在传播过程中受各类高频分布参数影响的情况，并结合仿真验证。
为简化分析，将串联故障电弧发生的位置分为2类：一类为发生在组串上的电弧;另一类为发生在母线上(直流配电柜附近)的电弧，如图8所示。电弧检测点一般设置在直流配电柜处，即每个逆变器对应一个检测点。
对于在M、N点发生的电弧，因各组串与初级汇流箱均装设有防逆二极管，不会出现因电压不平衡导致的组串间的电流倒灌，则故障组串上的电流不会对正常工作组串造成影响，故在分析时可将光伏电站模型等效成2部分：一部分为发生电弧的组串或初级汇流箱，另一部分为剩余的正常工作组串。图9给出了不同位置光伏组串线路上使用的总线缆长度。
为分析检测点电流信号频谱的变化，可通过未考虑线缆高频寄生参数的电弧电流信号及考虑线缆高频寄生参数后的检测点电流信号的幅频响应来分析其频率特性的变换情况。电弧本质上是一个高频变化的随机电阻，在2端电压的作用下，产生高频电流[15]。本文采用粉红噪声来模拟电弧电阻的变化规律。根据图4拓扑，以m=n=1为例，计算未考虑高频参数的电流信号与原始电流信号的幅频响应(Lin与C为0)，其结果如式(9)。
对于发生在组串上(图8中N点)的串联电弧，仿真得到其组串上检测点与母线上检测点的电流频域波形，如图12所示。可看到组串上检测点与母线上检测点之间的电流频谱基本相互重叠，即未发生明显改变。
取图8中距离直流配电柜由近到远的3个初级汇流箱，其线缆使用长度分别为150、370和520m，针对不同位置的电弧在检测点上的情况作仿真，结果如图13所示。由图13可知，随着线缆长度增加，检测点电流信号的低频部分几乎未发生改变，但谐振点逐渐向低频段移动，且电流信号在更低的频段就开始衰减，高频段的信号衰减程度依次增大。
对发生在直流配电柜上(图8中L点)的串联电弧，得其2个不同检测点的电流频域波形如图14所示。由图14可知，组串上检测点与母线上检测点之间的电流频谱基本相互重叠，即未发生明显改变。
同样取图8中距离直流配电柜由近到远(150m，370m，520m)的3个初级汇流箱，针对不同位置的电弧在检测点上的信号差异进行仿真，结果如图15所示。随着线缆长度增加，检测点电流信号的低频部分几乎未发生改变，但谐振点逐渐向低频段移动，高频段的信号衰减程度依次增大。上述仿真与理论计算结果一致，表明线缆高频参数会使串联电弧在检测点电流信号频率特性发生一定的改变。
2.3并联故障电弧信号传播分析与仿真
并联故障电弧信号同样分为2大类：组串上的并联电弧与母线处(直流配电柜附近)的并联电弧。
对于组串上的并联电弧(图8中N点)，即一个组串中仅有一个或几个组件被短路的情况。与前面分析串联电弧方法相同，使用叠加原理，即故障组串部分的电流源在母线检测点经过的电弧电流与正常组串部分的电流源在母线检测点经过的电弧电流分开计算，最后叠加得到结果。
以一串20块光伏组件中的10块被短路为例，仿真得到不同线缆长度下(150m，370m，520m)的检测点电流信号频谱，再分别计算其考虑线缆高频参数前后的并联电弧电流信号的幅频响应，如图16和图17所示。从图16和图17中可看到，在低频段，幅频响应为1，并联电弧电流信号基本不变;受线缆高频分布电感电容的影响，从约10kHz开始，电弧电流信号产生衰减，且随线缆长度增加，衰减发生得更早、更明显。
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由图18和图19可知，在低频段，线缆寄生参数对电弧电流信号在检测点的影响可忽略;在中频段，电流频谱特性中出现谐振点，电流信号在特定频段产生明显放大，且随线缆长度增加，谐振点向低频段移动;高频段，频谱及幅频响应均快速衰减，且随线缆长度增加，信号会更早、更快地衰减。综上，可表明线缆寄生参数会使并联电弧在检测点的信号频率特性发生一定改变。
3实验测试
3.1实验平台
本文搭建了如图20所示的实验平台：3×2的光伏阵列，通过直流断路器接入逆变器并网。光伏组件参数如表1所示;而光伏系统中线缆的寄生参数则依据估算值用集总电感、电容来等效。根据组串与检测点距离情况将线缆长度分别设定为0m(等效电弧发生点和检测点位置距离接近的情况)，150m，550m;线缆寄生参数如表2所示。将电弧发生器分别接入图中A、B、C位置，模拟光伏组串内、母线上的串联电弧，及组内并联电弧。用示波器采集电弧电流，采样频率为500kHz。
3.2实验结果与分析
对图20中A、B、C这3个位置的故障电弧分别测试不同长度线缆时(模拟不同位置的同类故障)，检测点电弧电流信号的频率特性。另外加入一组系统正常运行时检测点的电流信号作参照。各位置故障电弧实验结果如图21所示。
从图21a和图21b可发现，当发生串联电弧故障时，母线检测点处的电流频谱在中低频段(约<10kHz)明显高于正常情况下的电流频谱;随着线缆长度增加，电弧故障电流的谐振点向低频段方向移动，电流频谱在谐振点之后更早、更快地衰减;在低频段(<1kHz)，不同线缆长度下的电流频谱基本重合，说明线缆寄生参数影响较小，可忽略。3组故障信号频率特性总体趋势相同，且在1kHz以下的低频段与100kHz以上的高频段不存在明显差别，只在谐振点附近频段(1~20kHz)有较大差异。实验结果与理论分析及仿真结果一致。
由图21c可发现，当光伏阵列发生组串内并联电弧时，检测点的电流频谱变化趋势与串联电弧故障的(图21a和图21b)相似：在中频段，有并联电弧故障的检测点处电流频谱明显高于正常情况的电流频谱分布;中频段谐振点随线缆长度增加而向低频段方向移动，谐振点之后电流频谱快速下降。实验结果与理论分析及仿真结果一致。
综合A，B，C这3个位置的实验结果可发现：光伏系统中直流侧线缆寄生参数会使得电弧电流信号在某个频段发生谐振，该谐振点所处频段与电弧种类以及发生在系统中的位置有关，随着线缆长度增加，谐振点向低频段移动。而对于故障检测，在低频段(如<1kHz)，有电弧故障与正常情况电流信号频谱相差较小，且低频段信号易受电网频率和外界干扰因素影响;而对于高频段(如>100kHz)，故障电流频谱衰减大，且受采样频率与逆变器开关频率影响，正常与故障情况的频谱差异减小;因此低频段、高频段均不适合作为电弧检测的频率范围。中频段为谐振点附近频段，电弧故障与正常情况时的电流频谱存在明显差异，有助于实现电弧故障检测;但随着电弧电流信号通过的线缆长度增加，谐振点向低频段方向移动，所以在设置检测频段时应引起注意。
4结论
针对光伏电站中故障电弧信号在传播过程中可能发生变化的问题，综合光伏组件动态等效模型、线缆寄生参数等建立大型光伏系统的高频等效模型。通过理论分析、仿真及实验等过程分析不同类型的、在系统中不同位置的故障电弧信号在传播过程中的变化情况。如果以电流高频分量作为大型光伏电站中故障电弧的检测依据，需考虑电弧信号在传播过程中产生的变化;在电流信号谐振点附近的中频段是电弧检测的较佳频段。——论文作者：李智华，钟杰人，吴春华，吴尚，汪飞
文章名称：光伏电站中故障电弧信号的传输行为研究
