一种接地故障电流检测保护方法及装置与流程

本发明涉及光伏逆变器发电系统，具体涉及一种接地故障电流检测保护方法及装置。

背景技术：

近年来光伏发电的应用越来越广泛，在绿色清洁能源中的比重越来越大。这是环保观念越来越深入人心的体现，也是可持续发展的重要组成措施。

对于光伏发电系统的核心部件光伏逆变器而言，接地故障电流漏电保护器(GFCI，Ground Fault Circuit Interrupter)是非常重要的安全保护器件。VDE0126安规对光伏逆变器GFC的保护阈值以及跳脱时间设定参见表1：

表1

以三相光伏逆变器(参见图1)为例，GFCI检测的接地故障电流(GFC，Ground Fault Circuit)的本质为共模电流，其产生原因是光伏系统和大地之间存在寄生电容，当寄生电容、光伏系统、电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上产生共模电流。在无变压器型光伏系统中，回路阻抗相对较小，共模电压将在光伏系统和大地之间的寄生电容上形成较大的共模电流。

普通的GFCI检测保护判据如下：

1.使用由GFCI传递到AD(Analog/Digital，模拟/数字信号转换器)的信号量求算数平均值作为Leakage current(漏电电流)类型的检测保护判据。

2.使用由GFCI传递到AD的信号量求算数平均值与GFC基准值求平方差作为Residual current(剩余电流)类型的检测保护判据。

光伏发电应用现场气象条件以及环境条件的变化复杂，PV(Photovoltaic，光伏)输入对大地存在意外阻抗，所以传送到AD的GFC不仅仅是包含阻性电流的变化。因此直接以普通方法作为GFC突变判断条件，容易出现检测到GFC突变过大而保护的现象。

分析此时光伏系统的实际漏电流突变，其实并没有达到保护阀值。普通检测方法不能完全真实反映实际的漏电流的变化，所以会出现GFCI误动作的现象。若在极端条件下不能真实检测实际漏电流，则将不能有效保障安全。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种接地故障电流检测保护方法及装置，能够精准检测GFC。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供一种接地故障电流检测保护方法，在每个检测周期所述方法包括：

检测漏电电流，并对所述漏电电流进行采样，获得采样信号；

对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号；

将所述采样信号作为第一分量，将所述正交信号作为第二分量，对所述第一分量和第二分量进行坐标转换，获得两相旋转直角坐标系的直流分量；

分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流。

可选地，所述方法之后还包括：

根据所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量确定所述漏电电流类型的检测电流是否超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流与基准值的偏差是否超出第二保护阈值。

可选地，所述方法之后还包括：

当所述漏电电流类型的检测电流超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流与基准值的偏差超出第二保护阈值，断开光伏逆变器与电网之间的连接。

可选地，分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流包括：

对所述检测周期内的所述采样信号进行平均值计算，将获得的平均值作为直流共模电压导致的直流分量Idc；

对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

可选地，对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号包括：

将所述采样信号移相90°获得正交信号；或者，

将所述采样信号延迟1/4周期获得正交信号。

可选地，对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic包括：

依据预设的相位偏差值对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行修正处理，获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

本发明还提供一种接地故障电流检测保护装置，包括：

模拟数字AD检测模块，设置为检测漏电电流，并对所述漏电电流进行采样，获得采样信号；

正交相量处理模块，设置为对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号；

坐标变换模块，设置为将所述采样信号作为第一分量，将所述正交信号作为第二分量，对所述第一分量和第二分量进行坐标转换，获得两相旋转直角坐标系的直流分量；

分析模块，设置为分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流。

可选地，所述的装置还包括：

比较模块，设置为根据所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量确定所述漏电电流类型的检测电流是否超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流与基准值的偏差是否超出第二保护阈值。

可选地，所述的装置还包括：

继电模块，设置为当所述漏电电流类型的检测电流超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流超出第二保护阈值，断开光伏逆变器与电网之间的连接。

可选地，分析模块包括：

平均值单元，设置为对所述检测周期内的所述采样信号进行平均值计算，将获得的平均值作为直流共模电压导致的直流分量Idc；

分量补偿单元，设置为对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

可选地，正交相量处理模块包括：

滤波单元，设置为将所述采样信号移相90°获得正交信号；或者，

存储记录单元，设置为将所述采样信号延迟1/4周期获得正交信号。

可选地，分量补偿单元设置为：

依据预设的相位偏差值对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行修正处理，获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明通过对GFCI的信号进行采样，对信号处理，分解出GFC信号的各分量；依据对GFC信号各分量的分析结果，决定是否进行GFCI保护。本发明主要应用于光伏逆变器的GFCI检测，其他设备上的应用也可参照本发明实施。本发明不额外增加元件，能够精准检测、分析、处理GFC，真实反映GFC的变化，实现GFCI功能，可准确侦测分解接地故障电流，消除误判，达到精准测量、快速保护以及消除误保护的目的，提高光伏发电系统效益。

附图说明

图1是本发明的三相光伏逆变系统对地回路电路图；

图2是本发明实施例的SVPWM调制方式下共模电压波形图；

图3是本发明实施例PV对地无意外阻抗时共模电流采样波形图；

图4是本发明实施例PV对地有意外阻抗时共模电流采样波形图；

图5是本发明实施例的接地故障电流检测保护方法的流程图；

图6是本发明实施例的接地故障电流检测保护装置的结构示意图；

图7是本发明实施例1GFCI检测保护过程示意图；

图8是本发明实施例1GFC检测保护过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，三相光伏逆变系统中PV+表示PV面板输入的正极，PV-表示PV面板输入的负极。C指系统的Y电容(安规电容在电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全，Y电容是跨于L-G(火线-地线)/N-G(零线-地线)之间的电容器，基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级，Y电容抑制共模干扰)；CPV表示太阳能PV面板对地的等效电容，其大小与PV面板的面积有关。

如果该光伏逆变系统使用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)方式，忽略Lg(逆变器和电网间的接地电感)，忽略IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)对地的寄生电容并假定三相滤波电感感值(La、Lb、Lc)相同，Uan、Ubn、Ucn分别为电感La、Lb、Lc前的对三相对N的电压矢量，则系统的共模电压Ucm为：

Ucm＝(Uan+Ubn+Ucn)/3

对于SVPWM调制方式而言，Ucm的幅值由上述公式计算获得，是3倍于市电电压频率的三角波。相位初始角与系统锁相环一致并3倍频于锁相环。图2为系统仿真中的共模电压波形。图2中显示3个周期的共模电压波形。

1.当PV对地没有意外阻抗的时，系统的共模电压只跟CPV有关(C是常量)。共模电压是三角波，在电容上的形成的共模电流为方波，两者相差为90°。该电流称为容性电流。图3所示为PV对地无意外阻抗时共模电流采样波形，图3中显示6个周期的共模电压波形。

2.当PV对地存在意外阻抗时，则需要考虑直流共模电压形成的漏电电流。直流共模电压的大小跟PV电大大小有关，称为阻性电流。阻性电流包含2个分量，交流成分和直流成分。交流成分相位与交流共模电压同相。图4所示为PV对地有意外阻抗时共模电流采样波形。图4中显示6个周期的共模电压波形。

当应用现场气象条件以及环境条件的变化时，系统的CPV和意外阻抗R产生较大变化。普通算法不能正确反映出阻性和容性的变化，把所有的GFC突变都归结为阻性电流的突变，显然是不合适的。

如图1和图5所示，本发明实施例提供一种接地故障电流检测保护方法，在每个检测周期所述方法包括：

检测漏电电流，并对所述漏电电流进行采样，获得采样信号；

对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号；

将所述采样信号作为第一分量，将所述正交信号作为第二分量，对所述第一分量和第二分量进行坐标转换，获得两相旋转直角坐标系的直流分量；

分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流。

所述方法之后还包括：

根据所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量确定所述漏电电流类型的检测电流是否超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流与基准值的偏差是否超出第二保护阈值。

基准值的设定依据依据安规进行设定，可以是滑动运算周期的平均值，周期可以是80mS，但不限于该数值；第一保护阈值和第二保护阈值依据安规进行设定，第一保护阈值和第二保护阈值可以设定为略小于安规阈值的数值，跳脱时间(从GFC超出保护阈值开始至断开市电连接relay的时间)可以设定为小于安规规定数值。

所述方法之后还包括：

当所述漏电电流类型的检测电流超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流超出第二保护阈值，断开光伏逆变器与电网之间的连接。

本发明以GFC信号采样值为第一分量，并经过正交相量处理生成的第二分量；对第一分量与第一分量进行Park变换，转换为DQ轴分量。以DQ轴分量以及由GFC信号获得的采样信号为基础，分析GFC的分量信息，依据分析结果决定是否进行GFCI保护动作。

分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流包括：

对所述检测周期内的所述采样信号进行平均值计算，将获得的平均值作为直流共模电压导致的直流分量Idc；

对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

本发明实施例能够实时计算出GFC的三个分量，即直流共模电压导致的直流分量Idc，容性交流电流Ic，阻性交流电流Ir。通过GFC的分解，实现精准测量GFC的目标。

对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号包括：

将所述采样信号移相90°获得正交信号；或者，

将所述采样信号延迟1/4周期获得正交信号。

本发明中可以通过滤波器(一阶、二阶等滤波器)实现相移90°，也可以用其他方法实现相移90°。

本发明中可以利用采样信号记录的方式延迟1/4周期。

对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic包括：

依据预设的相位偏差值对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行修正处理，获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

由于硬件特性，第一分量与第二分量进行Park变换后，转换为DQ轴分量，DQ轴分量的相位与实际共模电压Ucm的相位存在一些偏差；补偿的目的就是消除存在的相位偏差。

预设的相位偏差可以是依据测试经验确定的经验值也可以是经过分析设定的固定相位偏差值。

本发明实施例中，直流共模电压导致的直流分量Idc，该分量由PV对地共模电压大小决定的，可以对采样GFC信号做平均运算得到；容性交流电流Ic，Ic由系统共模电压对C产生，相位超前共模电压90°，频率为3倍频于市电电压频率；阻性交流电流Ir，Ir由系统共模电压对R产生的，相位与共模电压一致，频率为3倍频于市电电压频率。有上述分析可知GFC电流能够反映所有共模电流的矢量合成。只有对该合成量进行有效的分解，才能够达到精准测量GFC的目的。本发明实施例对GFC进行分解，并依据分解后的各分量与设定GFC的安规保护判据比较，可以消除误保护现象，达到精准测量，有效保护，提高光伏系统效益。

如图1和图6所示，本发明实施例还提供一种接地故障电流检测保护装置，包括：

模拟数字AD检测模块，设置为检测漏电电流，并对所述漏电电流进行采样，获得采样信号；

正交相量处理模块，设置为对获得的采样信号进行正交相量处理，获得正交信号；

坐标变换模块，设置为将所述采样信号作为第一分量，将所述正交信号作为第二分量，对所述第一分量和第二分量进行坐标转换，获得两相旋转直角坐标系的直流分量；

分析模块，设置为分析所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量的信息，确定所述接地故障电流。

所述的装置还包括：

比较模块，设置为根据所述采样信号和两相旋转直角坐标系的直流分量确定所述漏电电流类型的检测电流是否超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流与基准值的偏差是否超出第二保护阈值。

所述的装置还包括：

继电模块，设置为当所述漏电电流类型的检测电流超出第一保护阈值和/或剩余电流类型的检测电流超出第二保护阈值，断开光伏逆变器与电网之间的连接。

分析模块包括：

平均值单元，设置为对所述检测周期内的所述采样信号进行平均值计算，将获得的平均值作为直流共模电压导致的直流分量Idc；

分量补偿单元，设置为对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行补偿获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

正交相量处理模块包括：

滤波单元，设置为将所述采样信号移相90°获得正交信号；或者，

存储记录单元，设置为将所述采样信号延迟1/4周期获得正交信号。

分量补偿单元设置为：

依据预设的相位偏差值对所述两相旋转直角坐标系的直流分量进行修正处理，获得阻性交流电流有效值Ir和容性交流电流有效值Ic。

本发明实施例提供的装置通过对GFC信号进行有效分解，精准分析GFC，设定合理的安规保护判据，达成精准测量、快速保护以及消除误保护的目的。通过具体应用测试，本发明提出的GFC分解算法是真实有效的，可以准确的计算出系统GFC各个分量的大小，为系统GFCI保护提供精确的依据。在复杂的光伏发电现场气象条件以及环境条件下，有很好的实用价值。

实施例1

如如图7和图8所示，本发明实施例提供的接地故障电流检测保护方法如下：

1.对GFC信号进行AD采样，获取信号量数值；

2.对GFC信号处理，原始采样值作为第一分量；由原始采样值经过正交相量处理产生的正交分量数值作为第二分量；

3.以SVPWM调制方式的三相光伏逆变系统为例(不仅仅限于该系统使用)，对第一分量与第二分量进行Park变换，转换为DQ轴分量，Park变换所需要的角度θ是系统锁相环角度的3倍频。

4.考虑到3次，5次上的能量，对Park变换分解出来的D轴分量和Q轴分量进行补偿修正，补偿修正后阻性电流有效值Ir，补偿修正后容性电流有效值为Ic；

5.同步对GFC信号原始采样值进行平均值计算，即为直流共模电压导致的直流分量Idc。

6.分析各分量的变化，依据分析确定是否进行GFCI保护。

对于Leakage current类型的判据为检测是否超出第一保护阈值。

对于Residual current类型的判据为检测与基准值的偏差值是否超出第二保护阈值。

本发明实施例不仅适用于光伏逆变系统(三相光伏逆变器，单相光伏逆变器)，也适用于其他电力系统。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。