【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力领域，具体涉及一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法。
技术介绍
1、在电解铝等大功率直流负荷中，直接使用光伏等新能源发电已经成为能源领域的重要发展方向之一。相比传统化石能源，光伏发电等可再生能源具备清洁、低碳的优势。然而，在将新能源发电用于直流负荷时，现有技术仍然面临诸多挑战。
2、目前，新能源发电向直流负载供电的方式主要依赖于光伏发电。对于一些额定电压较低的直流负载而言，光伏发电的供电方式通常分为以下两种：
3、dc/ac、ac/dc交直流转换方式：在这种方式中，光伏发电系统产生的高电压（如1500v）通过构网型逆变装置转换为220v的交流电接入电网，电网再通过交直流转换器将交流电变为直流电。最后，经过降压整流装置整流后向直流负载供电。这种方式虽然能够适应现有电网架构，但由于电能需要经过多个转换环节，包括直流到交流、交流到直流的转换过程，导致整体能量转换效率低。此外，由于多个变换环节的存在，系统复杂性增加，能耗损失较大。与此同时，该方式通常需要昂贵的储能装置提供支持，进一步增加了系统的建设与运营成本，经济性不佳。
4、直流变换方式：相较于交直流转换方式，直流变换方式更为高效。在此方式中，大规模光伏系统通常采用1500v电压等级进行能量汇集，然后通过直流变换装置进行直流升压处理，随后通过降压过程直接接入直流负载系统。该方式减少了电能变换的环节，提升了系统的能量转换效率，变换链路更为简洁，设备成本较低。此外，直流变换方式的稳定性相对较高，适合大功率负荷的供电需求。>
5、然而，直流变换方式的核心设备为电力电子直流变压器，也被称为直流电能路由器。其可靠性对整个供电系统的稳定性至关重要。由于该设备采用复杂的电力电子拓扑结构，包含多个半导体器件和电磁元件，元器件数量较多，因此在长期运行中容易出现故障，可靠性和稳定性难以保证。尤其在大功率应用场景下，元器件的损耗和老化速度加快，导致设备的维护成本和运行风险显著增加。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法。
2、本专利技术是通过以下技术方案实现的：
3、本专利技术的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，所述大容量光伏直流变换设备为低压侧并联、高压侧串联结构，低压侧电压为1250vdc，高压侧电压为20kvdc的直流变压器，低压侧由多个低压侧功率单元并联组成，高压侧由多个高压侧功率单元串联组成，每个低压侧功率单元和高压侧功率单元通过高频变压器一对一连接。
4、本方法针对大容量光伏直流变换设备，其核心结构是低压侧功率单元并联和高压侧功率单元串联的设计。低压侧的电压设置为1250vdc，这通常是太阳能光伏组件生成的直流电压，而高压侧的电压达到了20kvdc，主要用于提升电压以适应远距离电力传输或接入高压电网。低压侧通过多个并联的功率单元工作，每个单元处理一部分功率，保证设备在高效运行的同时能提供冗余性和稳定性。高压侧的功率单元串联在一起，以保证最终输出的高压。高频变压器一对一地将每个低压侧功率单元与高压侧功率单元连接，确保电力在变换过程中有效传递，同时通过高频工作减少变压器体积。
5、所述故障在线监测方法包括：
6、采集每个高压侧功率单元的直流支撑电容的电压和电流；
7、对所述电压和电流进行实时傅里叶变换分析，分解为振荡频率、2倍振荡频率及4倍振荡频率处的分量；故障在线监测的核心在于实时监测每个高压侧功率单元的直流支撑电容的电压和电流。直流支撑电容是功率单元中的重要组件，用于平稳功率流动，防止电压波动和瞬变电流对设备的冲击。为了精准地监测可能出现的故障，使用傅里叶变换将信号分解到频率域中，从中提取振荡频率、2倍振荡频率和4倍振荡频率的分量。通过这些频率分量，可以识别电力传输中的不正常现象，例如电容老化或故障迹象，进而在电压或电流的波动中进行实时监控。
8、对高压侧功率单元的直流电容电压的不同频率分量进行监测，包括振荡频率处的分量与直流分量的比例、2倍振荡频率处的分量与直流分量的比例、4倍振荡频率处的分量与2倍振荡频率分量的比例；该步骤的目的是监测直流电容电压的不同频率成分。通过计算频率分量与直流分量的比例，可以识别电容工作中的异常行为。振荡频率处的分量与直流分量的比例表明电容是否工作在正常状态。如果2倍或4倍振荡频率处的分量显著增加，可能暗示电容或功率单元的故障正在积累，可能由于电容老化、损坏或功率波动引起。这种方法可以提前发现电容或功率单元即将发生的故障，避免设备在高负载或关键工作状态下出现故障。
9、对高压侧功率单元的直流电容电流的不同频率分量进行监测，包括振荡频率处的分量与输出电流的比例、2倍振荡频率处的分量与输出电流的比例、4倍振荡频率处的分量与2倍振荡频率分量的比例；该部分方法监测的是直流电容的电流频率分量，与前述电压监测类似。电容电流的振荡频率成分反映了电流中的非平稳成分和干扰。在直流系统中，频率分量的存在通常是不期望的，尤其是高次谐波。这些分量的监测能够帮助识别功率单元中的电流异常，如由非线性负载或设备故障引起的谐波干扰。电流中这些异常的频率成分会通过比例监测来反映，如果比例超出正常范围，则意味着功率单元可能需要检查或维护。
10、对高压侧单个功率单元的直流电容电压、电流的不同频率分量进行监测，与所有功率单元的对应的平均值进行比较，监测对应的比例；这一过程重点是将单个功率单元的电压和电流频率分量与所有单元的平均值进行比较，寻找是否有特定单元表现出异常的偏差。通过这种比较，可以迅速检测到单个功率单元的异常行为，从而帮助区分出是单一元件的问题还是整个系统的潜在问题。如果某个单元的电压、电流在不同频率上的表现明显与其他单元不同，那么这个单元可能存在故障，需要进一步排查。
11、定义整机输出电流大于等于50%的额定输出电流时为重载条件，整机输出电流在20%-50%的额定输出电流之间时为轻载条件；这里定义了不同的工作负载条件，帮助优化故障监测策略。重载条件意味着设备正在处理较高的功率输出，系统处于高负荷工作状态，要求更加严格的监测和保护措施。而轻载条件则对应较低的功率输出，虽然负载小但也可能存在一定的故障风险，因此需要相应的不同保护策略。这种分类使得监测方法更具灵活性和适应性，根据负载条件对监控的频率和阈值进行调整，避免误报或过度保护。
12、为重载条件、轻载条件分别设定一个延时时间，为每个比例分别设定两个闭锁保护阈值，两个闭锁保护阈值分别适用于重载条件和轻载条件；针对不同的负载情况，设计了不同的延时时间和保护阈值。在重载条件下，由于系统处于高负荷状态，设备可能承受更大的电力波动，因此延时时间和阈值会更加严格，确保设备不会因为偶然的短时波动而误触发闭锁。而在轻载条件下，设备运行较为平稳，因此允许的波动范围可能更大，保护机制相对宽松。这种设计提高了设备在不同负载下的可靠性和灵活性，避免不必要的停机。
13、当分量本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，所述大容量光伏直流变换设备为低压侧并联、高压侧串联结构，低压侧电压为1250VDC，高压侧电压为20kVDC的直流变压器，低压侧由多个低压侧功率单元并联组成，高压侧由多个高压侧功率单元串联组成，每个低压侧功率单元和高压侧功率单元通过高频变压器一对一连接，其特征在于，所述故障在线监测方法包括：
2.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述采集每个高压侧功率单元的直流支撑电容的电压和电流，包括在每个高压侧功率单元中设置采用高速FPGA和采样芯片对电压和电流进行实时采样，采样结果通过光纤传送至主控制器，主控制器进行保护计算、判断并执行闭锁或报警操作。
3.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：为每个比例还设定有独立的报警阈值，当功率单元的电压或电流的判据值高于报警阈值但低于闭锁保护阈值时，仅发出报警，而不执行闭锁操作。
4.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于，进一步包括：在保护延时时间
5.如权利要求3所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述高压侧功率单元的闭锁保护阈值和报警阈值均通过软件设定，能够根据不同的负载条件进行调整。
6.如权利要求5所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述主控制器通过以太网通信接口连接调试电脑，通过调试软件设置和调整闭锁保护阈值、报警阈值及延时时间。
7.如权利要求3所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：在所述重载条件下，符合下述条件之一且持续时间超过重载保护延时时间时发出报警，并闭锁设备：
8.如权利要求3所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：在所述轻载条件下，符合下述条件之一且持续时间超过轻载保护延时时间时发出报警，并闭锁设备：
9.如权利要求7所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述重载保护延时时间为3秒；第一闭锁保护阈值到第十二闭锁保护阈值依次分别为5％，10％，8％，60％，30％，80％，70％，8％，15％，20％，30％，45％，对应的非闭锁预警阈值依次分别为3％，5％，4％，40％，20％，60％，50％，5％，12％，15％，20％，30％。
10.如权利要求8所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述轻载保护延时时间为10秒；第十三闭锁保护阈值到第二十四闭锁保护阈值依次分别为4％，8％，6％，80％，20％，50％，90％，10％，30％，40％，50％，65％，对应的非闭锁预警阈值依次分别为3％，5％，4％，50％，10％，30％，60％，5％，15％，25％，30％，45％。
...【技术特征摘要】
1.一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，所述大容量光伏直流变换设备为低压侧并联、高压侧串联结构，低压侧电压为1250vdc，高压侧电压为20kvdc的直流变压器，低压侧由多个低压侧功率单元并联组成，高压侧由多个高压侧功率单元串联组成，每个低压侧功率单元和高压侧功率单元通过高频变压器一对一连接，其特征在于，所述故障在线监测方法包括：
2.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述采集每个高压侧功率单元的直流支撑电容的电压和电流，包括在每个高压侧功率单元中设置采用高速fpga和采样芯片对电压和电流进行实时采样，采样结果通过光纤传送至主控制器，主控制器进行保护计算、判断并执行闭锁或报警操作。
3.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：为每个比例还设定有独立的报警阈值，当功率单元的电压或电流的判据值高于报警阈值但低于闭锁保护阈值时，仅发出报警，而不执行闭锁操作。
4.如权利要求1所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于，进一步包括：在保护延时时间内，若输出电流变化幅度超过10%额定电流，则重新计时。
5.如权利要求3所述的一种大容量光伏直流变换设备的故障在线监测方法，其特征在于：所述高压侧功率单元的闭锁保护阈值和报警阈值均通过软件设定，能够根据不同的负载条件进行调整。
6.如权利要求5所述的一种大容...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐明磊，丛林，闫建成，路晓宁，
申请(专利权)人：青铜峡铝业股份有限公司青铜峡铝业分公司，
类型：发明
国别省市：
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