随着光伏发电技术的快速发展,光伏发电装机容量不断增长,截至2017年底我国光伏发电累计装机容量已超过130GW,光伏发电为人们带来绿色清洁能源的同时,其安全运行问题也受到国内外广泛关注。由于接头松动、线缆老化等原因引起的直流电弧故障是影响光伏系统安全运行的关键问题。
直流电弧不存在过零点,一旦产生很难熄灭,极易引起火灾事故。根据电弧发生位置,电弧故障可以分为串联型和并联型两种类型。电弧相当于一个非线性电阻,当发生串联电弧故障时,电弧电流往往小于线路工作的正常电流,系统中的断路器、熔断器等保护装置无法对其进行有效保护。因此,光伏串联直流电弧故障的识别与保护已成为国内外研究热点。
现有光伏系统直流电弧故障保护方法主要基于故障电弧的电压和电流特征。
这些方法对光伏直流电弧故障起到一定的保护作用,但是中小功率光伏逆变器网侧大多为非隔离设计,电弧故障检测会受到来自逆变器高频噪声以及电网谐波的干扰,容易引起保护误动作。
为了解决现有检测方法的不足,近年来国内外学者开始探索电弧电磁辐射信号用于电弧故障识别的可行性。
然而,针对电弧故障电磁辐射的研究尚处于起步阶段,当前研究侧重于电弧故障电磁辐射信号特征分析。
本文在分析电弧故障电磁辐射信号特征的基础上,提出一种基于三阶Hilbert分形天线的故障电弧电磁辐射测量方法,为电弧故障识别与定位策略研究奠定基础。
图1 直流电弧实验平台
首先,针对电弧燃弧起始阶段,分析了光伏直流电弧电磁辐射特性。电弧电磁辐射为间断脉冲序列,其脉冲起始点与电流突变时刻相对应,且每个电磁辐射脉冲为一个衰减振荡信号。电弧电磁辐射强度与其电流变化率近似成正比,电弧电磁辐射频谱最大值对应频率与电弧振荡脉冲宽度近似成反比。
其次,研究了电磁辐射测量方法,提出了一种用于电弧电磁辐射测量的三阶Hilbert分形天线,在较小外形尺寸(仅有60mm×60mm)下实现了较大频率测量范围,其带宽可达210~800MHz,并具有较好的回波损耗及接收方向性。
最后,利用所设计的三阶Hilbert分形天线进行了实验验证。结果表明,电弧电磁辐射与电流变化率的关系及其频谱最大值所对应频率与理论分析相吻合,验证了天线设计的正确性。同时,分析了电弧电流变化率以及测量距离对电弧电磁辐射信号强度的影响,采用实验结果统计及min-max归一化处理方法有效避免了电弧信号随机性的影响,为基于电弧电磁辐射信号的故障电弧定位策略研究奠定了基础。
下一步准备开展基于电弧电磁辐射的电弧故障定位方法研究,采用天线阵列接收电弧故障信号,并用接收信号强度和信号时延进行电弧故障定位研究。