全球一次能源日益枯竭，我國(guó)政府正大力發(fā)展可再生能源。其中因太陽(yáng)能具有清潔、安全且取之不盡的顯著特點(diǎn)，已經(jīng)成為規(guī)模發(fā)展最快的可再生能源。但光伏電站通常建立在各種不適宜居住的地區(qū)，如荒山、荒地、沙漠以及灘涂等，難免發(fā)生各種故障，從而降低了光伏電站的發(fā)電效率，甚至存在火災(zāi)等安全隱患。故障發(fā)生的原因大部分歸因于直流側(cè)故障電弧。

光伏系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)直流電源系統(tǒng)，由于光伏電站的直流端輸出電壓高，直流端會(huì)在任何位置出現(xiàn)電子元器件接觸不良或氧化腐蝕等現(xiàn)象，所形成的間隙易產(chǎn)生電弧。光伏電池板特殊的伏安特性使得電弧一旦產(chǎn)生，就容易形成穩(wěn)定的燃燒，使電壓進(jìn)一步上升，導(dǎo)致電弧的溫度驟升，引起附近可燃物及導(dǎo)體的燃燒，危及電源及電路的安全，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)造成財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡事故。再者，現(xiàn)有的保護(hù)裝置只能對(duì)電路過電流引起的故障起到保護(hù)作用，而無(wú)法檢測(cè)到此類電弧，因此存在安全隱患。

考慮到光伏系統(tǒng)中電弧發(fā)生位置的不確定性，因此無(wú)法利用電弧電壓進(jìn)行電弧檢測(cè)，但是，無(wú)論電弧發(fā)生在何處位置，電弧電流的特征都將在系統(tǒng)直流端的總電流中反映出來(lái)。因此，本文采用電弧電流的特征作為判斷依據(jù)。

早在2007年，美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用電弧產(chǎn)生的高熱特性對(duì)光伏系統(tǒng)故障電弧進(jìn)行檢測(cè)，研究表明高熱同時(shí)會(huì)引起光伏線纜上的聚合物纖維產(chǎn)生形變，導(dǎo)致光信號(hào)回路受阻，系統(tǒng)容易發(fā)生誤判。我國(guó)復(fù)旦大學(xué)電光源所和國(guó)家能源太陽(yáng)能發(fā)電研發(fā)中心于2010年10月在國(guó)內(nèi)率先展開光伏系統(tǒng)直流故障電弧特性及保護(hù)方法的研究，由于起步相對(duì)較晚，且大部分研究方法是針對(duì)單一時(shí)域或者頻域特征進(jìn)行檢測(cè)，存在檢出率低、誤判率高等缺點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧診斷研究還處于初期階段，文獻(xiàn)分析了電弧的電壓-電流特性，表明電源電壓對(duì)電信號(hào)參數(shù)并無(wú)太大影響。文獻(xiàn)[7]對(duì)電弧信號(hào)進(jìn)行頻域變換時(shí)加上有源帶通濾波器，能提高電弧特征頻率在故障信號(hào)中的占比。由于對(duì)電弧特征不甚了解，且電弧具有隨機(jī)性和復(fù)雜性，無(wú)法建立精確的電弧模型，因此，研究光伏電站直流側(cè)電弧故障的診斷方法具有重要的意義。

1 光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧的仿真和分析

目前常用的電弧模型有Cassie模型和Mayr模型。Cassie電弧模型是假設(shè)流過電弧通道的電流發(fā)生變化時(shí)其直徑也同樣跟著變化但是其溫度不變。Mayr電弧模型認(rèn)為電弧的直徑是保持不變的，即電弧間隙耗散的能量是不變的，變化的是電弧溫度密度分布。這兩種電弧模型都只單方面考慮某一種熱量耗散的方式而決定了電弧模型的形式。

本文只單方面研究電弧故障對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，故而選用Cassie模型來(lái)研究電弧的特征。為研究光伏系統(tǒng)故障電弧特征，本文建立了故障電弧數(shù)學(xué)模型，采用理論為輔，實(shí)驗(yàn)為主。

以Matlab軟件為平臺(tái)，利用Simulink中的元件建立的通用電弧模型，如圖1所示。電弧模型由電壓控制的電流源（controlled current source）、微分方程編輯器（DEE）、定值檢測(cè)（hit crossing）、階躍信號(hào)（step）、電壓測(cè)量（voltage measurement）等模塊組成。

圖1 Cassie電弧模型

將圖1的電弧故障模型接入光伏系統(tǒng)中，得到仿真結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，電弧燃燒時(shí)具有隨機(jī)性且電流信號(hào)會(huì)發(fā)生不規(guī)則變化。實(shí)際上，電弧具有多種物理特性，但是在現(xiàn)有技術(shù)條件下不適用在光伏系統(tǒng)中。

比如，熱學(xué)上，電弧燃燒會(huì)迅速產(chǎn)生高溫，雖然現(xiàn)在已有測(cè)量局部熱點(diǎn)的技術(shù)，但對(duì)于光伏電站而言成本過高。聲學(xué)上，電弧燃燒會(huì)發(fā)出噪聲，但現(xiàn)在環(huán)境干擾性大，易發(fā)生誤判。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知，在電學(xué)上，可利用電弧的電流信號(hào)作為特征，這為后續(xù)故障電弧的特征提取提供了可能性。

2 小型光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及其故障電弧特性的分析

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本平臺(tái)所采用的電池板單晶硅材質(zhì)，太陽(yáng)光充足時(shí)光電轉(zhuǎn)換效率高，便于在戶外條件好的情況下進(jìn)行模擬，所以我們可以通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行光伏系統(tǒng)的模擬。本文搭建了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括光伏板、電弧發(fā)生器、光伏逆變器和電流傳感器等。

圖2 電弧故障直流側(cè)電流波形

圖3 光伏系統(tǒng)電弧檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

其中光伏板采用CanadianSolar公司CS6P-230P型光伏組件，一個(gè)組件由60個(gè)電池單體串聯(lián)組成，將每3塊組件串聯(lián)后再并聯(lián)，通過直流斷路器接到逆變器，再接入電網(wǎng)。光伏組件基本參數(shù)見表1。

表1 光伏組件的主要參數(shù)

本文中所使用的電弧發(fā)生器符合美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，圖4為簡(jiǎn)易電弧發(fā)生器的示意圖。該電弧發(fā)生裝置為一對(duì)距離可調(diào)節(jié)的銅棒電極，一個(gè)被固定，另一個(gè)電極通過步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)可進(jìn)一步提高銅棒之間距離的精確度。

將兩個(gè)電極從接觸良好到分開，可以模擬出實(shí)際直流系統(tǒng)中松弛、接觸不良的情況，與實(shí)際電弧的產(chǎn)生機(jī)理相同，皆是原本導(dǎo)通的電極分離時(shí)擊穿空氣并維持高能量放電的過程。用此裝置接入光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可模擬出直流故障電弧的發(fā)生以及提取出電弧電壓和電流波形。

圖4 電弧故障發(fā)生器

2.2 故障電弧的數(shù)據(jù)采集

利用上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬電弧實(shí)驗(yàn)，光伏系統(tǒng)從正常運(yùn)行到開始發(fā)生電弧故障，匯流箱處電流會(huì)存在明顯的變化。故在系統(tǒng)直流側(cè)選用電流源輸出作為檢測(cè)故障電弧的物理參數(shù)，分析電弧產(chǎn)生發(fā)展過程中上述參數(shù)的變化，提取相應(yīng)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障直流電弧的檢測(cè)。

本實(shí)驗(yàn)采用羅氏線圈RS/RDRS測(cè)量，同時(shí)使用漢泰示波器（DSO8202E）記錄電流波形。該示波器最高采樣速率為1GSa/s。試驗(yàn)時(shí)，燃燒的電弧會(huì)將電極燒蝕，因此每次放電后都要對(duì)電極進(jìn)行打磨，保證試驗(yàn)過程中電極表面的一致性。試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后需要更換銅棒電極。

圖5是利用分開式起弧法的電流波形。當(dāng)電路中產(chǎn)生電弧時(shí)，相當(dāng)于在電路中增加一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，因此會(huì)導(dǎo)致電流在時(shí)域特性中產(chǎn)生突變。

圖5 電弧故障后的電流波形

2.3 特征提取

1）基于時(shí)域特征的提取

提取時(shí)域特征常見的做法是，使用電流的均值、波動(dòng)以及變化率等參量來(lái)提取電弧特性。在多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后，這些特性均不明顯，無(wú)法滿足閾值判斷。將圖5數(shù)據(jù)進(jìn)行離散，設(shè)定取樣點(diǎn)，取得5s內(nèi)的電流幅值，并計(jì)算出每點(diǎn)10ms內(nèi)電流最大值與最小值之差，得到如圖6所示的電流波形。利用這一參量，選擇合適的閾值能滿足要求。

圖6 10ms內(nèi)電流的最大值與最小值之差

2）基于頻域特征的提取

在直流電弧起弧瞬間與燃燒過程中，電流中的高頻分量會(huì)增加。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于直流電弧故障檢測(cè)都會(huì)考慮電流的高頻信號(hào)特征。與時(shí)域相似的是，頻域特性在發(fā)生電弧故障時(shí)會(huì)引起突變和震蕩，但表現(xiàn)更為穩(wěn)定，通過對(duì)多組數(shù)據(jù)的綜合分析，這些特性可以作為故障電弧檢測(cè)的依據(jù)。

圖7為所采集電流波形經(jīng)濾波后進(jìn)行信號(hào)FFT分析的電弧信號(hào)頻譜圖，其中無(wú)電弧時(shí)諧波主要含量來(lái)源于逆變器高開關(guān)頻率，一種低壓直流轉(zhuǎn)為高壓交流時(shí)由于電路震蕩引起一定的頻率。該頻率一般在30kHz左右，因此本文選擇40～100kHz范圍內(nèi)的高次諧波作為故障電弧的特征信號(hào)，可以避免逆變器一部分噪聲的干擾。取頻率最低但幅值不為零的5kHz諧波為參考基波，8～20次諧波幅值為電弧檢測(cè)依據(jù)。

圖7 電弧信號(hào)的頻譜圖

3 基于時(shí)頻域特性的閾值判斷法

對(duì)電弧故障進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光伏系統(tǒng)中的環(huán)境噪聲和系統(tǒng)動(dòng)作等內(nèi)外部干擾信號(hào)會(huì)使特定頻段內(nèi)的噪聲增加，出現(xiàn)具有與直流故障電弧類似的特性。光伏模塊出現(xiàn)遮擋和短路同樣會(huì)造成電流值的突變，會(huì)干擾電弧特性的檢測(cè)。如果檢測(cè)算法的魯棒性不強(qiáng)，這些干擾因素就會(huì)引起誤判斷，進(jìn)而導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的大規(guī)模停運(yùn)，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

從另一方面來(lái)看，如果檢測(cè)算法限定判斷條件過多，就會(huì)造成電弧故障的漏判，其結(jié)果同樣會(huì)帶來(lái)?yè)p失，更有甚者會(huì)造成人員傷亡事故。針對(duì)單一時(shí)域和頻域特征進(jìn)行檢測(cè)存在檢出率低的缺點(diǎn)?；谝陨显?，本文提出的檢測(cè)算法兼顧了電弧的時(shí)域和頻域特性，使用時(shí)域和頻域的多重判據(jù)進(jìn)行診斷，有助于彌補(bǔ)判據(jù)閾值精度上面的不足。如果時(shí)域和頻域兩情況下均判定為故障，即判斷電弧故障，就避免了單一特性診斷出現(xiàn)的誤判和漏判。

由上述分析可知，用于電弧檢測(cè)的電弧電流特性確定為時(shí)域和頻域兩個(gè)特性，通過多組實(shí)驗(yàn)，最終確定的閾值范圍見表2。當(dāng)檢測(cè)值均超過兩者特性所設(shè)定的閾值時(shí)，即判定為產(chǎn)生電弧故障。

表2 電弧特性的分類、定義及閾值大小

為了驗(yàn)證該方法確定的特性與閾值的可靠性，本實(shí)驗(yàn)又使用兩組補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述時(shí)域和頻域特性與閾值進(jìn)行了離線驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于上述方法劃定的閾值可以區(qū)分電弧電流與正常電流。

結(jié)論

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)直流側(cè)故障電弧檢測(cè)問題。首先，建立了光伏系統(tǒng)電弧故障模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本文故障電弧特征選取的可能性；其次，提過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析；最后，利用閾值選擇，提出了基于時(shí)域和頻域的方法來(lái)綜合判斷是否發(fā)生故障。

同時(shí)，本文也考慮到了光伏系統(tǒng)環(huán)境噪聲以及逆變器對(duì)故障電弧檢測(cè)的影響，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)說(shuō)明本算法具有良好的抗干擾性，為研究光伏系統(tǒng)直流電弧故障檢測(cè)裝置提供了切實(shí)可行的理論依據(jù)。