光伏系统直流电弧动态模型及其故障检测算法研究

【摘要】：接触点松脱、绝缘老化等原因易引起直流电弧,而大型光伏系统触点可达数万个,且缺乏针对直流电弧的保护设备。这导致直流电弧一旦产生便极易维持,进而引发电气火灾,给光伏系统生产运行和工作人员带来了巨大的安全隐患。当前,国内外学者针对光伏系统直流电弧的研究尚不成熟,主要表现在低压小电流直流电弧的动态数学模型契合度较低、直流电弧特征提取方法繁多但缺乏有效的评价、直流电弧故障类型辨识和故障定位等方面。本文通过线性化直流电弧过渡过程中的电压和电流,改进Mayr电弧模型的能量积累值Q,推导得出低压小电流直流电弧动态数学模型。通过模拟实验平台进行定电压、变电流的直流电弧实验,获取了参数U_a、P_o和τ的计算方法,并对比了静态电弧电阻模型、原Mayr模型、改进Mayr等模型与实验波形的契合度,验证本文所提参数计算方法和模型的有效性。基于改进电弧数学模型,搭建了光伏系统直流电弧故障仿真模型。进一步,以青海省韵家口集中式光伏系统实测数据为模板,仿真分析了光伏系统中的串、并联型直流电弧故障特征与部分光伏组件被阴影遮挡时的输出特征。但在三种情况下的输出特征重叠,无法有效辨识系统运行状态,需依赖直流电弧检测算法。最后,采用频域分析、小波包分解、功率谱提取和混沌分析方法从光伏系统输出电流中提取六种直流电弧特征量,分别为频谱幅值总和、低频段与高频段幅值标准差之比、频谱幅值相关系数、小波包系数方差和、功率谱幅值第四大值处的频率和最大李雅普诺夫指数。基于以上六种特征量,采用逻辑回归分类方法对光伏系统直流电弧进行模式辨识。通过光伏系统中采集的8208组正常运行数据、3296组干扰数据和8272组直流电弧数据,分析各特征量对模式辨识的价值,因而去除耗时较长的李雅普诺夫指数,最终得到了高准确率的光伏系统直流电弧检测算法。数据表明,此算法对实验数据的电弧检测误判率为0.24%,暂未见漏判现象。