一种光伏串短路保护方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光伏发电技术领域，涉及一种光伏串短路保护方法及装置，该方法基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；计算出故障电池数量的整定值；采用移动窗口计算光伏串的输出电流和光伏串的输出电压的暂态变化作为保护启动条件；以故障后光伏串的输出电流反向或者故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。本发明专利技术基于光伏阵列线间故障时光伏串输出电流突变以及故障电池数量的保护判据，可快速准确地定位光伏阵列中的故障光伏串。确地定位光伏阵列中的故障光伏串。确地定位光伏阵列中的故障光伏串。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏串短路保护方法及装置


[0001]本专利技术属于光伏发电
，具体涉及一种光伏串短路保护方法及装置。

技术介绍

[0002]太阳能光伏阵列中的故障分析是提高光伏发电系统可靠性和安全性的一项基本任务。若缺乏适当的保护，光伏阵列中的故障可能会损坏光伏模块和/或电缆，并导致直流电弧危险甚至火灾隐患。有效地检测光伏阵列中的故障并设计相应的保护动作方案对于提升光伏发电系统的安全稳定性以及效率具有重要的意义。
[0003]光伏阵列的保护通常采用过电流保护，并通过加装保险丝以保护光伏组件出现过流现象。当光伏阵列出现接地保护时，其产生的大电流使得过流保护装置能够有效地动作并断开故障电路。然而，当光伏阵列中出现的故障并非接地故障，而是发生在光伏阵列两点之间的故障（线间故障），则故障电流较小故而不足以清除故障。由于故障无法及时清除，导致光伏发电站起火和直流电弧等危险事故。因此，需要设计新的保护方案能够有有效地切除光伏阵列的线间故障。
[0004]目前，关于光伏阵列中的线间故障检测与保护已有一些研究，主要可采用的方法包括能量损失法、I
‑
V曲线分析法、电压电流波形法等。能量损失法的主要原理是通过计算光伏阵列整体输出的能量理论值与实际值的差距来判断其是否有故障。如改进的K最邻近算法、过数值统计方法等。然而，定义能量变化需要精确的光伏阵列模型以及环境参数，而这些在实际的光伏发电系统中难以获取。I
‑
V曲线分析法能够反映光伏阵列在故障时从I
‑
V曲线上提取电压、电流、功率以及这些变量的变化等信息来诊断光伏阵列中的故障。I
‑
V特性曲线在光伏阵列故障诊断中具有一定的优势，但直接利用I
‑
V曲线的故障诊断需要逆变器退出运行，影响光伏系统的可靠性。电压电流波形法是更为直接的一种方法，利用电压电流的波形所体现出的特征进行故障分析，且不受环境参数的影响；但利用电压电流的波形分析故障需要明晰光伏阵列中不同故障时的波形特征。然而，上述方法均较为复杂，且其未能区分线间故障的严重程度。因此，工程上仍然需要一种简单有效的光伏阵列线间保护方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种光伏串短路保护方法及装置。通过结合I
‑
V曲线分析光伏阵列线间故障时电流电压变化趋势，并计算故障电池数量，建立了光伏阵列故障时光伏串的输出电流出现反向突变或者故障电池数量大于整定值的判据。基于此判据，设计了一套光伏阵列线间故障保护动作方案，只需测量光伏串输出电流以及光伏阵列输出电压，在工程中具有较强的可实施性。
[0006]本专利技术通过采用的技术方案是：一种光伏串短路保护方法，步骤如下：步骤一：基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关
系；光伏串的输出电流I
s
与光伏串的输出电压V
s
的关系：式中，I
ph
为光伏电池受光照产生的电流，I
vd
为二极管的反向电流，R
sh
代表等效并联电阻，R
s
代表等效串联电阻，I
sh
为流经等效并联电阻的电流，I
vd0
为二极管反向的饱和电流，n为二极管的理想因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，N
s
为串联的光伏电池数量，T为光伏电池的温度，V
s
为光伏串的输出电压，I
s
为光伏串的输出电流；光伏串的输出电压V
s
与光伏阵列的输出电压V
pv
相等；式（1）简化为：式中，I
sc
是光伏串的短路电流；V
oc
是光伏串的开路电压；I
m
是最大功率点的电流值，V
m
是最大功率点的电压值；根据式（2）可以得到光伏串输出的功率P
s
：根据式（2）以及式（3）分别得到光伏串输出的I
‑
V特性曲线以及P
‑
V特性曲线，用于分析光伏阵列故障时电流电压特征；当光伏阵列中发生串内故障，其会造成光伏串内一个或者数个光伏电池短接；故障光伏串由于损失部分光伏电池，其开路电压下降；若在故障的瞬间，光伏阵列的光照以及温度均不变化，则故障光伏串的开路电压变化为：式中，V
oc
′
为故障光伏串故障后的开路电压，N
f
为故障电池数量，N
s
为串联的光伏电池数量；当发生串内故障后，故障光伏串的开路电压减小；同时，故障光伏串的短路电流为：将式（4）和式(5)代入到式（2），可以得到故障后光伏串输出的电流电压关系，如式（6）所示：
式中，为故障后光伏串的输出电流；式（6）表征了当某一串光伏组件发生故障后，此光伏串的输出电流与被短接的电池数量的关系；以N
f
为参数，通过求解式（6），得到故障后光伏串的输出电流：式（7）表示了光伏阵列中的故障的光伏电池数量与故障后稳态故障电流之间的关系；由式（6）和（7）求解出故障后的光伏串的输出电流；步骤二：依据数学解析关系，以故障后的光伏串的输出电流反向为条件，计算出故障电池数量的整定值N
f_set
；步骤三：依据测量的光伏阵列中光伏串的电压电流波形，采用移动窗口计算波形中的光伏串的输出电流均方根值和光伏串的输出电压的均方根值变化；当光伏串的输出电流均方根值减小，光伏串的输出电压均方根值减小，保护启动；步骤四：保护启动后，故障后光伏串的输出电流反向或者依据故障后光伏串的输出电流计算得到的故障电池数量达到故障电池数量的整定值为保护判据，执行保护动作。
[0007]进一步优选，步骤二中，当光伏串的输出电流反向时，光伏阵列存在潜在的串内故障，因此，设定光伏串的输出电流小于零，计算得到的故障电池数量，即为故障电池数量的整定值N
f_set
，如公式（8）所示：进一步优选，步骤三中，实时测量光伏串的输出电压、光伏串的输出电压，以1ms为移动窗口，对1ms内的10个采样点，做如下计算：移动窗口，对1ms内的10个采样点，做如下计算：式中，I
s_rms
为光伏串的稳态输出电流，V
s_rms
为光伏串的稳态输出电压，v(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电压，i(x)为第x个采样点采集的光伏串的输出电流；计算故障前后光伏阵列的稳态输出电压差值：
式中，
∆
V
pv_steady
为故障前后光伏阵列的输出电压差值，V
pv_steady
为故障前光伏阵列的输出电压，V
′
pv_steady
为故障后光伏阵列的输出电压；当式（9），（10）以及（11）的计算结果满足以下条件时，保护启动；式中，I
s_rms
(y)为第y次采用移动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏串短路保护方法，其特征是，步骤如下：步骤一：基于太阳能光伏电池的等效电路模型以及相应的出口电流电压特征方程，得到在故障后的故障光伏串的输出电流、输出电压，以及故障电池数量的数学解析关系；光伏串的输出电流I
s
与光伏串的输出电压V
s
的关系：式中，I
ph
为光伏电池受光照产生的电流，I
vd
为二极管的反向电流，R
sh
代表等效并联电阻，R
s
代表等效串联电阻，I
sh
为流经等效并联电阻的电流，I
vd0
为二极管反向的饱和电流，n为二极管的理想因子，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，N
s
为串联的光伏电池数量，T为光伏电池的温度，V
s
为光伏串的输出电压，I
s
为光伏串的输出电流；光伏串的输出电压V
s
与光伏阵列的输出电压V
pv
相等；式（1）简化为：式中，I
sc
是光伏串的短路电流；V
oc
是光伏串的开路电压；I
m
是最大功率点的电流值，V
m
是最大功率点的电压值；根据式（2）得到光伏串输出的功率P
s
：根据式（2）以及式（3）分别得到光伏串输出的I
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V特性曲线以及P
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V特性曲线，用于分析光伏阵列故障时电流电压特征；当光伏阵列中发生串内故障，其会造成光伏串内一个或者数个光伏电池短接；故障光伏串由于损失部分光伏电池，其开路电压下降；若在故障的瞬间，光伏阵列的光照以及温度均不变化，则故障光伏串的开路电压变化为：式中，V
oc
′
为故障光伏串故障后的开路电压，N
f
为故障电池数量，N
s
为串联的光伏电池数量；当发生串内故障后，故障光伏串的开路电压减小；同时，故障光伏串的短路电流为：将式（4）和式(5)代入到式（2），得到故障后光伏串输出的电流电压关系，如式（6）所示：
式中，为故障后光伏串的输出电流；式（6）表征了当某一串光伏组件发生故障后，此光伏串的输出电流与故障电池数量的关系；以N
f
为参数，通过求解式（6），得到故障后光伏串的输出电流：式（7）表示了光伏阵列中的故障的光伏电池数量与故障后稳态故障电流之间的关系；由式（6）和（7）求解出故障后的光伏串的输出电流；步骤二：依据数学解析关系，以故障后的光伏串的输出电流反向为条件，计算出故障电池数量的整定值N
f_set
；步骤三：依据测量的光伏阵列中光伏串的电压电流波形，采用移动窗口计算波形中的光伏串的输出电流均方根值和光伏串的输出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旻，曾伟，陈波，林小进，黄扬琪，赵伟哲，李佳，
申请(专利权)人：国家电网有限公司中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：