一种用于光伏发电系统的直流电弧检测及保护方法和电路的制作方法
【专利摘要】本技术方案公开了一种用于光伏发电系统的直流电弧故障检测及保护方法及电路，属于电子【技术领域】。所述检测及保护方法的实现电路包括电流检测与采集模块、信号放大模块、滤波器模块、电压阀值比较模块、CPU模块和系统保护执行模块等。通过对电流信号进行检测、滤除，并经过信号放大模块放大、滤波模块滤波后，同时传递给电压阀值比较模块和CPU模块，分别通过电压阀值比较模块中预先设定的电压阀值判断和CPU模块中电压采样及分析，判断电弧故障的发生并发送指令给系统保护执行模块，从而有效实现对整个系统的保护。本技术方案直流电弧故障检测及保护方法，可以有效检测光伏发电系统中直流电弧故障并及时作出保护动作，能够有效防止系统火灾的发生，提高系统的可靠性。
【专利说明】—种用于光伏发电系统的直流电弧检测及保护方法和电路
【技术领域】
[0001]本技术方案涉及一种电弧故障检测及保护方法及电路，属于电子【技术领域】，尤其涉及光伏发电系统。
【背景技术】
[0002]全球能源危机和气候变暖等使得光伏、燃料电池等新型绿色可再生能源得到越来越广泛的应用。在光伏发电系统中，由于实际安装或光伏组件的质量问题，使得光伏组件或光伏侧直流电缆容易发生电气火灾。发生火灾的主要原因主要是由于电弧放电故障所引起的。由于原有的光伏保护组件不能有效的判断电弧放电，无法对电弧放电进行检测和故障保护，因此极易造成光伏发电系统及相关设施的财产损失。因此，如何实现对光伏发电系统中电弧放电故障进行有效的检测并实现及时的保护，是本【技术领域】亟需解决的问题。
【发明内容】
[0003]本技术方案针对现有技术的不足，提供一种直流电弧故障检测及保护方法及电路，尤其适用于光伏发电系统。
[0004]本技术方案采用以下技术方案:
[0005]一种用于光伏发电系统的直流电弧故障检测及保护方法，步骤包括:
[0006]I)先对光伏发电系统主功率回路的检测光伏组件和并网变电器之间的电流信号进行采样；
[0007]2 )然后把该采样得到电流信号转换成采样电压信号；该采样电压信号同时进行步骤3-a)和3-b)的处理:
[0008]3-a)所述采样电压信号的采样电压值与预先设定的电压阀值进行比较；若采样电压超过电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，并向光伏发电系统的系统保护执行模块给出电弧故障发生信号(即硬件保护)；
[0009]3-b )对采样电压信号的采样电压进行采样并进行相关分析，用以判断该采样电压是否达到预先设定的电压阀值或条件，若采样电压超过该电压阀值或满足设定条件，则认为已经发生了电弧故障，对光伏发电系统进行软件保护，同时向系统保护执行模块给出电弧故障发生信号(即软件保护)；
[0010]4)所述系统保护执行模块接收电压阀值比较模块或CPU模块发出的电弧故障发生信号，作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中的开关器件，从而实现对整个光伏发电系统的保护。
[0011]一种实现上述方法的电路，包括电流检测采集模块、信号放大模块、滤波器模块、电压阀值比较模块、CPU模块和系统保护执行模块；
[0012]电流检测采集模块与光伏发电系统主功率回路相连，电流检测采集模块的输出端连于信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端与滤波器模块的输入端相连，滤波器模块的输出端分别与电压阀值比较模块的输入端和CPU模块的输入端相连，电压阀值比较模块的输出端和CPU模块的输出端分别与系统保护执行模块的输入端相连。
[0013]所述电流检测采集模块为电流采样电路，该电路包括通过串入光伏电池回路中的采样电感L皿、电容Cltll和电容Cltl2组成的高通滤波器；所述电容Cltll的一极和电容Cltl2的一极分别接在采样电感Lltll两端；电容Cltll的另一极和电容Cltl2的另一极分别作为电流采样电路的输出差分信号的两个输出端；
[0014]所述信号放大模块为电压放大电路，该电路为由运算放大器构成的电压差分放大电路；运算放大器的两个输入端分别对应连接电流采样电路的输出差分信号的两个输出端；运算放大器的输出端作为电压放大电路的输出端；
[0015]所述电压阀值比较模块具体为电压比较器；
[0016]所述CPU模块由数字控制芯片及其外围电路构成。
[0017]所述滤波器模块为低通、高通、带通或带阻类型的滤波电路，将信号放大电路的输出信号中期望频带的信号滤取出来，分别传递给电压阀值比较模块和CPU模块。
[0018]是所述电压比较器为迟滞电压比较器。
[0019]本技术方案原理说明如下:
[0020]所述电弧故障检测及保护方法的实现电路包括电流检测与采集模块、信号放大模块、滤波器模块、电压阀值比较模块、CPU模块和系统保护执行模块等。其中，电流检测模块与系统主功率回路相连，其输出连于电流采样放大模块的输入，采样放大模块的输出与滤波器模块的输入相连，滤波器模块的输出分别与电压阀值比较模块的输入、CPU模块的输入相连，电压阀值比较模块和CPU模块的输出与系统保护执行模块的输入相连；
[0021]所述电弧故障检测及保护方法的工作原理为通过对电流信号进行检测、滤除并经过信号放大模块放大、滤波模块滤波后，同时传递给电压阀值比较模块和CPU模块，分别通过电压阀值比较模块中预先设定的电压阀值判断和CPU模块中电压采样及分析，判断电弧故障的发生并发送指令给系统保护执行模块，从而有效实现对整个系统的保护。
[0022]所述电流检测与采集模块具体为相应的电流采样电路，本技术方案中为通过串入光伏电池回路中的采样电感和电容组成高通滤波器，以滤取在电弧故障发生时的电流噪声信号，并以差分形式输出作为信号放大模块的输入。
[0023]所述信号放大模块具体为电压放大电路，本技术方案中为由运算放大器构成的电压差分放大电路，对采集得到的电流信号进行放大，其输出接入滤波器模块。
[0024]所述滤波器模块具体为滤波器电路，可以为低通、高通、带通、带阻等类型的滤波电路，将信号放大电路的输出信号中期望频带的信号滤取出来，分别传递给电压阀值比较模块和CPU模块。
[0025]所述电压阀值比较模块具体为电压比较器，本技术方案中为迟滞电压比较器，通过预先设定的电压阀值，判断滤波器模块的输出电压是否达到该电压阀值，若采样电压超过该电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，并向系统保护执行模块给出电弧故障发生信号。
[0026]所述CPU模块具体由数字控制芯片如DSP及其外围电路构成，通过对滤波器模块的输出电压进行采样并进行相关分析，用以判断该采样电压是否达到预先设定的电压阀值或条件，若采样电压超过该电压阀值或满足设定条件，则认为已经发生了电弧故障，对系统进行软件保护，同时向系统保护执行模块给出电弧故障发生信号。[0027]所述系统保护执行模块接收电压阀值比较模块和CPU模块发出的电弧故障发生信号，作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中开关、继电器、固态接触器等，实现对整个系统的保护。
[0028]本技术方案具有如下技术效果:
[0029](I)实现方法简单、成本低；
[0030](2)可以有效实现电弧故障的检测；
[0031](3)可以在电弧故障发生时有效实现对系统的保护，提高系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]附图1是本技术方案直流电弧故障检测及保护方法的原理框图；
[0033]附图2是本技术方案电流检测与采集模块实现电路图；
[0034]附图3是本技术方案信号放大模块实现电路图；
[0035]附图4是本技术方案滤波器模块实现电路图；
[0036]附图5是本技术方案电压阀值比较模块实现电路图；
[0037]以上附图中的符号名称:101电流检测与采集模块、102为信号放大模块、103为滤波器模块、104为电压阀值比较模块、105为CPU模块和106为系统保护执行模块；R1(I1?Rltl9为电阻；C1(I1?Cltl3为电容；AMP为运算放大器；C0MP为电压比较器；VMf为预设电压；VCC为运算放大器和电压比较器的供电电压；Vi+、V1-为差分放大电路输入电压A为差分放大电路输出电压；Vi_f为滤波后电压，Vp为保护信号电压。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本技术方案的技术方案进行详细说明。
[0039]一种用于光伏发电系统的直流电弧故障检测及保护方法，步骤包括:
[0040]I)先对光伏发电系统主功率回路的检测光伏组件和并网变电器之间的电流信号进行采样；
[0041 ] 2 )然后把该采样得到电流信号转换成采样电压信号；该采样电压信号同时进行步骤3-a)和3-b)的处理:
[0042]3-a)所述采样电压信号的采样电压值与预先设定的电压阀值进行比较；若采样电压超过电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，并向光伏发电系统的系统保护执行模块给出电弧故障发生信号(即硬件保护)；
[0043]3-b)对采样电压信号的采样电压进行采样并进行相关分析(例如，可以是对采样电压进行快速傅里叶变换，将信号分解成振幅分量和频率分量，并针对不同频率下的幅值进行分析。由于在发生电弧故障时，电流谐波含量比较丰富，频率范围和幅值变化并没有严格的界定，需要经过大量的试验与分析才能掌握经验性的数据。查阅相关文献后发现，一般认为电弧故障发生时电流信号的频率范围在10?100kHz。当然，为了便于理解与分析，可以选择某一频段为例进行说明，具体如下:
[0044]不妨选择I?20次谐波分量作为研究对象，通过快速傅里叶变换分析得到各次谐波的振幅或含有率，假设在连续N(N暂定为10)个采样周期内，I?20次谐波分量的幅值比正常运行时增幅超过20% (即阀值，需要实测数据确定，否则会引起误判)，则认为发生了电弧故障。
[0045]本技术方案主要是提供电弧故障检测的方法和思路，具体的数值界定需要根据实际的试验数据来确定)，用以判断该采样电压是否达到预先设定的电压阀值或条件，若采样电压超过该电压阀值或满足设定条件(设定的条件是指，针对不同频率的谐波分量，设定不同的电压阀值，当某个或多个频率下的振幅幅值同时达到其设定阀值时，可以认为已经发生了电弧故障)，则认为已经发生了电弧故障，对光伏发电系统进行软件保护，同时向系统保护执行模块给出电弧故障发生信号(即软件保护:指的是DSP (CPU模块中的DSP)程序中的保护，与上述硬件保护相对应。当电弧故障发生时，可以触发DSP中的保护程序，之后在程序中进行封锁开关管驱动、关机等操作，实现对系统的保护);
[0046]4)所述系统保护执行模块接收电压阀值比较模块或CPU模块发出的电弧故障发生信号，作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中的开关器件，从而实现对整个光伏发电系统的保护。
[0047]一种实现上述方法的电路，包括电流检测采集模块、信号放大模块、滤波器模块、电压阀值比较模块、CPU模块和系统保护执行模块；
[0048]电流检测采集模块与光伏发电系统主功率回路相连，电流检测采集模块的输出端连于信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端与滤波器模块的输入端相连，滤波器模块的输出端分别与电压阀值比较模块的输入端和CPU模块的输入端相连，电压阀值比较模块的输出端和CPU模块的输出端分别与系统保护执行模块的输入端相连。
[0049]所述电流检测采集模块为电流采样电路，该电路包括通过串入光伏电池回路中的采样电感L皿、电容Cltll和电容Cltl2组成的高通滤波器；所述电容Cltll的一极和电容Cltl2的一极分别接在采样电感Lltll两端；电容Cltll的另一极和电容Cltl2的另一极分别作为电流采样电路的输出差分信号的两个输出端；
[0050]所述信号放大模块为电压放大电路，该电路为由运算放大器构成的电压差分放大电路；运算放大器的两个输入端分别对应连接电流采样电路的输出差分信号的两个输出端；运算放大器的输出端作为电压放大电路的输出端；
[0051 ] 所述电压阀值比较模块具体为电压比较器；
[0052]所述CPU模块由数字控制芯片及其外围电路构成。
[0053](系统保护执行模块的具体电路实现可以是:在主电路中串联开关、继电器等器件，正常工作时为接触导通状态；当电弧故障发生时，电压阀值比较模块和/或CPU模块会发出故障保护信号；该信号作为开关或继电器等的控制信号，切断电路的连接实现系统的保护。)
[0054]所述滤波器模块为低通、高通、带通或带阻类型的滤波电路，将信号放大电路的输出信号中期望频带的信号滤取出来，分别传递给电压阀值比较模块和CPU模块。
[0055]是所述电压比较器为迟滞电压比较器。
[0056]如附图1所示，本技术方案所述电弧故障检测及保护方法的实现电路包括电流检测采集模块101、信号放大模块102、滤波器模块103、电压阀值比较模块104、CPU模块105和系统保护执行模块106等。其中，电流检测与采集模块101与系统主功率回路相连，其输出连于信号放大模块102的输入，信号放大模块102的输出与滤波器模块103的输入相连，滤波器模块103的输出分别与电压阀值比较模块104的输入、CPU模块105的输入相连，电压阀值比较模块104和CPU模块105的输出与系统保护执行模块106的输入相连；
[0057]所述电弧故障检测及保护方法的工作原理为通过电流检测与采集模块101对电流信号进行检测并经过信号放大模块102放大、滤波器模块103滤波后，同时传递给电压阀值比较模块104和CPU模块105，分别通过电压阀值比较模块104中预先设定的电压阀值判断和CPU模块105中电压采样及分析，判断电弧故障的发生并发送指令给系统保护执行模块106，从而有效实现对整个系统的保护。
[0058]如附图2所示，所述电流采样模块101具体为相应的采样电路，本技术方案中实施例为通过串入光伏电池回路中的采样电感和电容组成高通滤波器，以滤取在电弧故障发生时的电流噪声信号，并以差分形式作为电流采样放大模块102的输入。
[0059]如附图3所示，所述电流采样放大模块102具体为电压放大电路，本技术方案中实施例为由运算放大器构成的电压差分放大电路，对采集得到的电流信号进行放大，其输出接入滤波器模块103。
[0060]如附图4所示，所述滤波器模块103具体为滤波器电路，可以为低通、高通、带通、带阻等类型的滤波电路，图4给出RC低通滤波器的实现方式，将信号放大电路的输出信号中期望频带的信号滤取出来，分别传递给电压阀值比较模块104和CPU模块105。
[0061 ] 如附图5所示，所述电压阀值比较模块104具体为电压比较器，本技术方案中实施例为迟滞电压比较器，通过预先设定的电压阀值，判断滤波器模块的输出电压是否达到该电压阀值，若采样电压超过该电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，则向系统保护执行模块106给出电弧故障发生信号。
[0062]所述CPU模块105具体由数字控制芯片如DSP及其外围电路构成，通过对滤波器模块103的输出电压进行采样并进行相关分析，用以判断该采样电压是否达到预先设定的电压阀值，若采样电压超过该电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，对系统进行软件保护，同时向系统保护执行模块106给出电弧故障发生信号。
[0063]所述系统保护执行模块106接收电压阀值比较模块104和CPU模块105发出的电弧故障发生信号，作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中开关、继电器、固态接触器等，实现对系统的保护。
[0064]下面结合附图1?5详细说明本技术方案电弧故障检测及保护方法的工作过程。
[0065]在电弧故障发生时，会在光伏电池串的电缆回路中产生较大的电流噪声或尖峰，当电流峰值较大时，会产生火花、引起火灾。该电流噪声经采样电感和电容组成高通滤波器采集、滤取后，以差分形式输入vi+、Vi_到电压差分放大电路；经过电压差分放大电路，将电流噪声信号转化成幅值较大的电压信号Vi;再经滤波器之后同时传递给迟滞电压比较器电路和CPU模块。当输入的检测电压超过预设的阀值时，迟滞电压比较器会产生电平翻转，作为电弧故障发生的信号vp，输出给系统保护执行模块。另外，滤波器输出的电压Vi_f经CPU外围AD采样电路送如DSP，可以进行幅值判断或快速傅里叶变换等相关分析，将采样信号分解成基波分量和各高次谐波分量，然后在不同的频率下对各分量分别进行分析，当满足预先设定的条件时，即可以认为发生了电弧故障；判断完成后，首先在程序中作出动作实现软件保护，如封锁系统中变换器驱动信号等，同时向系统保护执行模块发出电弧故障发生信号。系统保护执行模块在接收到电压阀值比较模块或CPU模块发出的电弧故障发生信号后，以此作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中继电器、固态接触器等，实现对整个系统的保护。
【权利要求】
1.一种用于光伏发电系统的直流电弧故障检测及保护方法，其特征在于: 1)先对光伏发电系统主功率回路的检测光伏组件和并网变电器之间的电流信号进行采样； 2)然后把该采样得到电流信号转换成采样电压信号；该采样电压信号同时进行步骤3-a)和3-b)的处理: 3_a)所述采样电压信号的采样电压值与预先设定的电压阀值进行比较；若采样电压超过电压阀值，则认为已经发生了电弧故障，并向光伏发电系统的系统保护执行模块给出电弧故障发生信号； 3-b )对采样电压信号的采样电压进行采样并进行分析，用以判断该采样电压是否达到预先设定的电压阀值或条件，若采样电压超过该电压阀值或满足设定条件，则认为已经发生了电弧故障，对光伏发电系统进行软件保护，同时向系统保护执行模块给出电弧故障发生信号； 4)所述系统保护执行模块接收电压阀值比较模块或CPU模块发出的电弧故障发生信号，作为保护执行机构的控制指令，控制串联在主功率回路中的开关器件，从而实现对整个光伏发电系统的保护。
2.一种实现权利要求1所述方法的电路，其特征在于:包括电流检测采集模块、信号放大模块、滤波器模块、电压阀值比较模块、CPU模块和系统保护执行模块； 电流检测采集模块与光伏发电系统主功率回路相连，电流检测采集模块的输出端连于信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端与滤波器模块的输入端相连，滤波器模块的输出端分别与电压阀值比较模块的输入端和CPU模块的输入端相连，电压阀值比较模块的输出端和CPU模块的输出端分别与系统保护执行模块的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征是所述电流检测采集模块为电流采样电路，该电路包括通过串入光伏电池回路中的采样电感L1(ll、电容Cltll和电容Cltl2组成的高通滤波器；所述电容Cltll的一极和电容Cltl2的一极分别接在采样电感Lltll两端；电容Cltll的另一极和电容Cltl2的另一极分别作为电流米样电路的输出差分信号的两个输出端； 所述信号放大模块为电压放大电路，该电路为由运算放大器构成的电压差分放大电路；运算放大器的两个输入端分别对应连接电流采样电路的输出差分信号的两个输出端；运算放大器的输出端作为电压放大电路的输出端； 所述电压阀值比较模块具体为电压比较器； 所述CPU模块由数字控制芯片及其外围电路构成。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征是所述滤波器模块为低通、高通、带通或带阻类型的滤波电路，将信号放大电路的输出信号中期望频带的信号滤取出来，分别传递给电压阀值比较模块和CPU模块。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征是所述电压比较器为迟滞电压比较器。
【文档编号】G01R31/12GK103457238SQ201310371017
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】姚华文, 孟庆远, 宋美恩 申请人:南京集能易新能源技术有限公司