一种非正常光照条件下的光伏系统故障电弧检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光伏电气故障检测技术领域，具体涉及一种基于非正常光照条件下逆 变器MPPT算法调节的光伏系统工作点，直流故障电弧检测装置动态跟踪这些工作点以调 整设定的判断特征量阈值，实现非正常光照条件下光伏系统内故障电弧检测的方法。
【背景技术】
[0002] 伴随着全球能源的日益紧张和环境可持续发展要求，光伏发电这一新型环保的可 再生能源在居民用电和工商业领域得到越来越广泛的推广应用。光伏发电系统中，故障电 弧通常是由线路绝缘老化、破损或者电气回路存在汇流盒等连接松动等非操作原因引起 的。故障电弧发生时会吸收光伏系统产生的大部分能量而转为高温电离气体，由于缺乏全 方位的直流故障检测装置监管，这种持续的高温气体显然会将电缆、电器设备以及汇流箱 烧毁；故障电弧放电持续放出的大量的热还可能点燃光伏系统周围的易燃易爆品，最终引 起区域面积停电及爆炸火灾事故，极易造成光伏系统组件及相关设施的财产损失甚至危及 生命安全。因此，在任何情况下尤其是在非正常光照条件下准确检测并断开故障电弧是防 范危害事故的根本途径。
[0003] 1999年，由美国保险商实验室和美国电气制造商协会合作起草的美国国标 UL1699,主要对交流故障检测设备质检标准做了规定，并强制要求交流系统及民用建筑卧 室必须安装故障电弧检测保护装置加以保护。上世纪九十年代是光伏系统的兴盛年代，但 系统中易出现模块、接线端子和连接汇流盒松动等问题，引起故障电弧频发，这些故障电弧 尽管电流很小，但所生成的能量足够引发火灾，威胁周围环境中的生命财产安全。交流故障 检测装置国标的失效和光伏系统的大量应用令光伏直流故障电弧的检测隔离问题日益严 峻，美国于2011年制定的国标UL1699B正式就光伏系统的直流故障电弧检测装置质检问题 提出标准。我国也于近些年提出关于AFDD的一般设计要求及将其作为电气火灾监控系统 的建议草案，可见光伏系统中故障电弧的防治迫在眉睫。
[0004] 目前，针对光伏系统故障电弧检测，国内外研宄提出的检测特征量阈值均基于系 统处于正常稳定光照外界环境、工作点及系统电量不发生变化这一前提，未涉及外界环境 变化或偶发因素令光照变化引发系统工作点及系统电量变动的情形。而在非正常光照条件 下（阴雨天气、乌云连绵、树叶动物长期遮盖等稳定非正常光照天气环境和卷积云飘过、飞 机掠过、树叶飘过、鸟儿飞过、日出日落等短时光照变化环境下），逆变器中的MPPT算法便 动态调节光伏系统工作点，光伏系统的电量均较正常时偏低，相应输出特性曲线及系统电 量也较正常时的偏低，此时一旦发生故障电弧，直流故障电弧检测装置采集计算得到的特 征量往往无法达到设定阈值，令正常光照下设定的故障电弧判断特征量初始阈值失效，造 成装置拒动。这便导致光伏系统存在较大的潜在电弧故障威胁，这种小电流故障电弧持续 燃烧，也具备足够的能量损坏光伏系统、引发火灾、带来生命财产损失。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决直流故障电弧保护装置在光伏系统进入非正常光照条件 下原设定阈值失效而引发的拒动的问题，提供了一种非正常光照条件下的光伏系统故障电 弧检测方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] 该故障电弧检测方法包括以下步骤：
[0008] 在光伏系统未发生故障电弧事件的情况下，基于逆变器中的MPPT算法动作信号 识别光伏系统工作点变动，基于光伏系统工作点变动同步调节直流故障电弧检测装置中用 于故障电弧事件判断的特征量阈值，使得所述特征量阈值随着光伏系统工作点中的系统电 量的变化而呈现同样的变化趋势。
[0009] 所述故障电弧检测方法具体包括以下步骤：
[0010] 1)直流故障电弧检测装置根据所述特征量阈值进行故障电弧检测，并判断当前 采样时刻是否发生故障电弧事件，若发生故障电弧事件，则计数变量N计数，然后转至步骤 3);若未发生故障电弧事件，则清零计数变量N，转至步骤2);
[0011] 2)判断逆变器中的MPPT算法是否动作，若动作，则判断当前采样时刻光伏系统进 入非正常光照条件，直流故障电弧检测装置读入逆变器输出的变动后的光伏系统工作点， 结合所述特征量阈值的初始设定值及初始设定值对应的光伏系统工作点计算得到所述特 征量阈值在下一次故障电弧检测时对应的设定值，然后返回步骤1)进行下一次故障电弧 检测；若未动作，则保持所述特征量阈值的当前设定值不变，然后返回步骤1)进行下一次 故障电弧检测；
[0012] 3)判断故障电弧事件是否连续发生，若故障电弧事件连续发生Ntl次，N累计达到 设定值Ntl，则判定光伏系统内发生故障电弧，采取相应保护措施；若故障电弧事件未连续发 生Ntl次，N未累计达到设定值N^，则返回步骤1)继续使用所述特征量阈值的当前设定值进 行下一次故障电弧检测。
[0013] 所述采样的频率为IOkHz?100kHz，Ntl的取值范围为3?5。
[0014] 计算所述特征量阈值的设定值中，反映特征量阈值的初始设定值所对应光伏系统 工作点及变动后的光伏系统工作点的系统电量应当一致，该系统电量的数值的改变仅由光 照条件变化引起。
[0015] 对于根据故障电弧检测结果切除故障光伏块后剩余的光伏组件所组成的光伏系 统，应根据所述光伏组件对应的光伏系统工作点对所述特征量阈值的设定值进行初始化， 然后按照步骤1)至步骤3)继续进行故障电弧检测。
[0016] 所述MPPT算法动作信号和光伏系统工作点变动均由直流故障电弧检测装置与逆 变器通信后获取。
[0017] 本发明具有如下有益的技术效果：
[0018] 1)该方法硬件实现简单，仅需在原光伏系统中加设直流故障电弧检测装置与逆变 器间的通信线，用以MPPT算法动作信号和光伏系统动态调整的工作点传输，成本低廉；
[0019] 2)该方法在故障电弧引起光伏系统工作点变动时，特征量阈值保持不变，有效杜 绝了故障电弧对系统工作点扰动这一干扰因素，增强了非正常光照条件下故障电弧检测的 可靠性；
[0020] 3)该方法针对非正常光照条件下发生于光伏系统的故障电弧也能准确有效检测， 拓宽了直流故障电弧检测装置辨识故障电弧的范围，使得直流故障电弧保护装置在任何环 境下都能准确可靠的动作，及时切断光伏系统中的故障电弧，避免了这些情况下潜在的故 障电弧威胁造成的生命财广损失；
[0021] 4)该方法在发现故障电弧后及时切除故障光伏块，并依据此时的新工作点，对故 障光伏块所在光伏串和逆变器端的直流故障电弧检测装置特征量阈值重新设立，使得其余 光伏组件依旧能正常稳定工作，大大延长了光伏系统在频繁非光照条件下的工作时间，增 加了经济效益。
【附图说明】
[0022] 图Ia为本发明的非正常光照条件下的光伏系统故障电弧检测方法流程图之一；
[0023] 图Ib为本发明的非正常光照条件下的光伏系统故障电弧检测方法流程图之二；
[0024] 图2为本发明的检测方法应用于包含集成于逆变器的直流故障电弧检测装置的 特定光伏系统原理框图；
[0025] 图3为本发明的检测方法应用于包含集成于光伏串的直流故障电弧检测装置的 特定光伏系统原理框图；
[0026] 图4为本发明的检测方法应用于包含集成于光伏块的直流故障电弧检测装置的 特定光伏系统原理框图；
[0027] 图5a为晴天稳定正常光照转为阴雨这一稳定非正常光照天气环境下逆变器中 MPPT算法对光伏系统工作点的调节曲线；
[0028] 图5b为晴天稳定正常光照转为阴雨这一稳定非正常光照天气环境下直流故障电 弧检测装置实时跟踪光伏系统工作点生成的对应判断特征量阈值曲线；
[0029] 图5c为晴天稳定正常光照转为阴雨这一稳定非正常光照天气环境后光伏系统突 发故障电弧曲线；
[0030] 图6a为日落这一短时光照变化环境下逆变器中MPPT算法对光伏系统工作点的调 节曲线；
[0031] 图6b为日落这一短时光照变化环境下直流故障电弧检测装置实时跟踪光伏系统 工作点生成的对应判断特征量阈值曲线；
[0032] 图7a为卷积云飘过这一短时光照变化环境下逆变器中MPPT算法对光伏系统工作 点的调节曲线；
[0033] 图7b为卷积云飘过这一短时光照变化环境下直流故障电弧检测装置实时跟踪光 伏系统工作点生成的对应判断特征量阈值曲线；
[0034] 图7c为卷积云飘过之后突发故障电弧曲线。
[0035] 图中：1、光伏系统；2、直流故障电弧检测装置；3、逆变器；30、逆变器端口；31、逆 变器端口；4、通信线；5、脱扣装置；6、断路器；7、交流电网；8、检测电量装置；9、短路开关； 10、光伏模块。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0037] 参见图la，一种非正常光照条件下的光伏系统故障电弧检测方法：在确认光伏系 统内未发生故障电弧事件后，再进行MPPT算法动作检测，动作后才令直流故障电弧检测装 置中的设定阈值动态跟踪工作点的变化。通过使判断故障电弧特征量阈值紧密跟踪MPPT 算法调节的系统工作点变动曲线，便能应对光照变化引发故障电弧检测电量动态变动或持 续偏低等情形，保障检测装置能随时有效检测到光伏系统内的故障电弧，完成非正常光照 条件下的故障电弧检测，有效排除了故障电弧对系统工作点的干扰。本发明极大的提高了 光伏系统在由天气环境变化等引起的非正常光照条件下的故障电弧检测防范能力，弥补了 传统检测装置对非正常光照条件下的潜在电弧威胁难以检测的漏洞，有效解决了光伏故障 电弧保护装置在上述非正常光照条件下的拒动问题。
[0038] 结合图lb，对本发明所述非正常光照条件下的光伏系统故障电弧检测方法的步骤 进行具体说明。
[0039] 步骤一、故障电弧检测方法的初始化过程：包括逆变器端口复位清零、故障事件次 数N复位清零、录入光伏系统初始特征量阈值F及其工作点（初始特征量阈值对应的光伏 系统所处正常光照环境E恰能令整个系统工作于额定状态（P，U)，其中，P=PN，U=UN，Pn 为额定功率，Un为额定电压）和通信线的通信方式设置等。
[0040] 步骤二、直流故