一種直流故障電弧檢測裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型針對直流故障電弧檢測提出一種新方法，有效區分是否發生故障電弧，檢測到發生故障電弧后及時報錯，提高系統安全性，本實用新型可應用于直流功率變換器領域中，如UPS電池系統，光伏發電系統等。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著清潔能源、儲能系統等快速發展，直流電力變換系統獲得很大的發展，由于這些系統電流大、電壓高從而更易產生故障電弧。
[0003]電弧是指流經大電流的導體，由于接頭的不可靠連接或接頭、導線絕緣退化，導致的接觸不良，觸點之間或觸點與其他導體之間的不可靠連接而形成的放電現象。電弧是直流系統中導致火災的主要原因，及時準確的偵測電弧的發生，直接影響直流系統的安全性和可靠性。
[0004]電弧包含串聯拉弧和并聯拉弧，前者指線纜之間的拉弧，后者指直流端對安全地的放電。本實用新型主要解決的是串聯拉弧。
[0005]光伏發電系統就是這種高電壓大電流的直流應用。隨著光伏產業的高速增長，安裝的光伏系統設備越來越多。投入運行的光伏發電設備逐漸老化和人為安裝過程中的疏忽給光伏系統的安全性帶來挑戰。光伏系統直流側電壓隨光伏面板的配置可高達幾百上千伏，如果產生故障電弧，由于沒有過零點保護，直流電弧比交流電弧更加危險。光伏系統的光伏面板受到陽光持續照射產生能量，如果產生故障電弧而沒有及時覺察并切斷線路，面板給電弧提供了源源不斷的能量，對輸電線路和光伏設備本身都會造成巨大損傷，嚴重時會引起火災，危及生命安全。
[0006]基于安全可靠考慮，越來越多的直流應用對直流拉弧提出檢測要求，有些已被強制要求執行，如美國電工法規NEC 2011年版開始要求針對光伏發電系統裝置電弧故障偵測斷路器。針對NEC中有關直流故障電弧檢測的要求，UL1699B標準給出了詳細的規定。該規定要求當逆變器檢測到故障電弧時應提供可視的告警提示，該告警不能自動清除。電源斷電重新上電后該告警應仍然顯示，必須手動清除逆變器才能并網工作。逆變器需具有故障電弧手動自檢功能，逆變器執行自檢時必須有可視界面提示，若自檢未通過，必須手動清除，否則此告警保存，斷電重啟后依然存在。UL1699B還對保護時間和外界環境等做了詳細規范要求。
[0007]—方面，可靠準確的電弧檢測對直流系統的安全性無疑是非常重要，另一方面，如何避免檢測單元誤偵測也是實際中的難點。如美國NEC2011要求，當檢測單元發出拉弧告警后，光伏逆變器需停止發電并等待操作人員檢測并手動清除才允許繼續并網發電，因此誤偵測會導致光伏發電系統頻繁關機，影響系統發電收益。
[0008]目前常見的檢測如下:
[0009]1、基于拉弧產生的射頻噪音判斷
[0010]WO 95/25374中，根據直流電流電弧發生后，會產生一定頻段的射頻噪音，通過射頻接收裝置接收噪音信號，并進行一定分頻處理，根據電弧發生前后的噪音幅值進行判斷，從而偵測電弧是否發生。
[0011]由于電力電子設備本身會產生噪音，且電子設備使用日益廣泛，因此此方案無法避免誤偵測，且多個設備同時運行的話，無法準確判斷和定位電弧產生的位置。
[0012]2、基于直流電流高頻分量幅值變化的檢測
[0013]Nat1nal instrument公司提出根據直流電流頻譜幅值進行判斷
[0014]此方案的原理，同樣是根據直流電弧產生后會對電流帶來一定程度的高頻噪音的原理，但檢測方式是通過采集直流電流并對其進行快速傅里葉分解(FFT)，從而獲取電流的幅頻特性，通過判斷電弧產生前后的一定頻帶的幅值差異，判斷電弧是否產生。
[0015]此方案由于檢測相對準確，成本低廉而被廣泛采用。但缺點在于同樣受制于電力電子電路本身和周圍設備帶來的噪音干擾，當設備本身的直流電流中的噪音信號較大，此方案便無法使用或者頻繁誤報。
【發明內容】
[0016]本實用新型的目的是提供一種能夠避免誤偵測，且不會受制于電力電子電路本身和周圍設備帶來的噪音干擾的串聯拉弧檢測方法。
[0017]為了達到上述目的，本實用新型的技術方案是提供了一種直流故障電弧檢測裝置，包括脈沖變壓器，其特征在于，還包括帶通濾波放大電路、AD采樣電路及M⑶處理單元，其中，脈沖變壓器的電流輸出端與帶通濾波放大電路的輸入端相連，帶通濾波放大電路的輸出端連接AD采樣電路的輸入端，AD采樣電路的輸出端與MCU處理單元的輸入端相連
[0018]對于直流功率變換器領域，本實用新型提出一種新的直流故障電弧檢測方法，利用變換器自身特性，直流電流高頻分量在變換器開關頻率的倍頻處都會產生噪聲信號，利用此噪聲信號對故障電弧頻譜進行分析計算，以此來檢測是否發生故障電弧。
【附圖說明】
[0019]圖1為常用的BOOST電路；
[0020]圖2為BOOST電路的驅動信號；
[0021]圖3為未發生電弧時的幅頻特性曲線；
[0022]圖4為發生電弧時的幅頻特性曲線；
[0023]圖5為以光伏逆變器為例，利用本實用新型提供的方法進行電弧檢測的實施方案；
[0024]圖6為M⑶處理部分的流程圖；
[0025]圖7為本實用新型的總體流程圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本實用新型更明顯易懂，茲以優選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0027]本實用新型提出的一種裝置基于結合電力電子變換器本身特性的直流電弧檢測方法。目前電力電子變換器大多為PWM(pulse width modulat1n)高頻斬波原理，利用開關器件的高頻切換(一般為幾kHz?500Hz)，將直流電流斬波成直流脈沖脈沖電流，這樣直流電流本身在開關頻率處和開關頻率倍數的頻段會產生相比于附近頻率較高幅值的信號。而在電弧產生時，由于電流的頻譜被整體抬高，變換器本身的開關頻率及其倍數頻率的噪音幅值相比于附近頻段則變化相對較小。
[0028]以常用的如圖1所示的BOOST電路為例進行說明。開關Q是高頻開關，其驅動信號見圖2中VgS，電感電流和輸入電流分別是iL和i in。由波形可知，輸入直流電流含有豐富的開關頻率次噪音。
[0029]對輸入電流進行FFT，可以得到輸入電流的幅頻特性如圖3所示，以開關頻率16kH為例，可以看出，在Fl?F2的頻帶內，開關頻率16kHz的噪音峰值Dl遠高于頻帶內的平均值D2，在16kHz的倍頻處，如32kHz、48kHz，也存在著同樣的狀況。
[0030]在頻帶Fl?F2內，定義D3為峰值Dl和均值D2的差值，則量化參數D3與D2的比值D3/D2則可以被用來判斷電弧是否發生，在無電弧時，D3/D2較大。
[0031]在電弧產生后輸入電流的FFT幅頻特性如圖4所示，可以看出，由于電弧產生的高頻噪音將整體的幅值抬高，在包含開關頻率及倍頻的頻帶內的峰值Dl相對于頻帶內平均值D2大大的減小。
[0032]由以上分析可知，對于高頻電力電子變換器而言，電弧產生后的電流幅頻特性具有兩個明顯特征:
[0033]1、在某些頻段，幅值明顯抬高；
[0034]2、在開關頻率及其倍頻附近，由于變換器本身的高頻信號幅值被電弧噪音淹沒或相對峰值明顯變小，即開關變換器本身在開關頻率及其倍頻處的噪音不變，但其他頻段由于電弧噪音變大；
[0035]根據以上分析，本實用新型提出的電弧檢測過程如下:
[0036]1、對輸入電流進行采樣、濾波和FFT，得到電流高頻分量的幅頻特性；
[0037]2、根據變換器自身的開關特性選擇比較頻段，判斷幅值是否變大；
[0038]3、選定一個或多個包含開關頻率或倍數頻率的頻段，計算頻段內的最大值Dl以及平均值D2，利用發生電弧后均值變大而最大值基本不變的現象經過邏輯計算，判斷電弧是否發生。
[0039]以光伏逆變器為例，下面提供一種利用本實用新型進行電弧檢測的實施方案:
[0040]I)直流電流經脈沖變壓器，帶通濾波器，AD轉換器和M⑶處理器采樣得到電流數據，如圖5。
[0041 ] 2 )MCU處理部分，采樣數據經漢林窗然后做FFT，將時域轉換至頻域，計算高頻信號幅值后在進行數據邏輯處理，如圖6。
[0042]3)數據邏輯處理部分主要利用機器自身特性產生的噪聲信號，機器的噪聲信號主要在機器開關頻率的倍頻處，圖4是發生故障電弧的頻譜，圖3是沒有發生故障電弧的頻譜。
[0043]圖中示例機器開關頻率16k，如頻譜所示無論是否發生電弧故障機器在16k，32k，48k附近有明顯噪聲信號。
[0044]基于以上兩點M⑶選擇倍頻附近頻段進行處理，如圖3及圖4可以選擇27k_37k和43k-53k兩個頻段分別處理。結合圖7，處理過程如下(圖3中標出Dl，D2，D3)
[0045]步驟一、計算頻段中Y個數的滑動平均值，比較選擇最大值D1。在本實用新型中，不直接用最大值而用滑動平均最大值，從而將干擾考慮在內，利用滑動平均達到一定程度的濾波。
[0046]步驟二、去掉頻段中的一定比例的高值和低值剩下值求均值D2。
[0047]步驟三、用最大值Dl減去D2求得差值D3。
[0048]步驟四、用差值D3除以均值D2求得百分比D4，統計10個數據中小于閾值Tl的百分比D4的個數X，若X大于閾值T2，則有電弧發生，否則，無電弧發生。
[0049]此算法與僅僅判斷某一頻段內幅值大小相比更有優勢:首先，發生電弧故障時的差值D3小于沒有發生電弧故障時的差值D3 ；其次，發生電弧故障時的均值D2大于沒有發生電弧故障時的均值D2;最后，用D3除以D2，發生電弧故障時分子更小而分母更大，所得數值當然更小，更有利區分。
[0050]本實用新型從以下兩點考慮使用此噪聲信號:第一:發生電弧故障時整體頻譜幅值抬高;第二:倍頻處峰值幅值基本不變。
【主權項】
1.一種直流故障電弧檢測裝置，包括脈沖變壓器，其特征在于，還包括帶通濾波放大電路、AD采樣電路及MCU處理單元，其中，脈沖變壓器的電流輸出端與帶通濾波放大電路的輸入端相連，帶通濾波放大電路的輸出端連接AD采樣電路的輸入端，AD采樣電路的輸出端與MCU處理單元的輸入端相連。
【專利摘要】本實用新型涉及一種直流故障電弧檢測裝置，包括脈沖變壓器，其特征在于，還包括帶通濾波放大電路、AD采樣電路及MCU處理單元，其中，脈沖變壓器的電流輸出端與帶通濾波放大電路的輸入端相連，帶通濾波放大電路的輸出端連接AD采樣電路的輸入端，AD采樣電路的輸出端與MCU處理單元的輸入端相連。對于直流功率變換器領域，本實用新型提出一種新的直流故障電弧檢測方法，利用變換器自身特性，直流電流高頻分量在變換器開關頻率的倍頻處都會產生噪聲信號，利用此噪聲信號對故障電弧頻譜進行分析計算，以此來檢測是否發生故障電弧。
【IPC分類】G01R31/12, H02S50/00
【公開號】CN205193210
【申請號】CN201520669687
【發明人】張玉林, 劉蓉, 張俊
【申請人】上海正泰電源系統有限公司
【公開日】2016年4月27日
【申請日】2015年8月31日