[发明专利]光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法

说明书

本发明公开了一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法，在光伏发电系统发生并联电弧故障时，故障点前级的功率优化器检测到故障，即将并联电弧故障点前级的功率优化器从MPPT工作模式切换到安全工作模式，以快速自动断开电弧故障前级的光伏组件，能够有效防止因并联电弧故障可能带来的火灾危害。在发生并联电弧故障时，首先自动快速断开故障的光伏组件，然后再定位故障点，改变了现有技术中先定位并联电弧故障点再执行故障排除的方案，提高了并联电弧故障排除的及时性，有利于降低火灾等危害发生的概率。另外，发生并联电弧故障时，仅隔断并联电弧故障区间，能够确保光伏发电系统仍能正常供电，提高了系统发电的可靠性。

技术领域

本发明涉及光伏设备保护技术领域，具体涉及一种光伏发电系统直流并联电弧保护及定位系统和方法。

背景技术

直流供电的光伏发电系统通常高达1000V甚至1500V的系统电压，若发生接点脱落、器件老化、绝缘破裂、接地不良等现象，容易发生直流电弧故障（包括串联电弧和并联电弧），直流电弧故障可能引发火灾事故不仅会损坏光伏发电系统，同时还威胁到住宅建筑、工商业设施、公共设施等的安全。鉴于光伏发电系统直流电弧故障的危害性，政府要求直流电压高于80V的屋顶光伏发电系统必须配备串联直流电弧故障断路器，以在发生直流电弧时断开电路减少由于电弧故障引起的火灾危害。然而，光伏发电系统在产生串联电弧或并联电弧时电流通常达不到如直流电弧故障断路器等电弧保护装置的跳闸电流，因此电弧不能被及时熄灭。

串联电弧，又称拉弧，串联电弧通常由组件间电缆插头接触不良、组串电缆与汇流箱或者逆变器的连接不牢靠等原因造成。并联电弧主要由线路破损引起的正负极性导体短接，或者光伏组串电缆之间短接引起的。当组串电缆被机械挤压或磨损时，在正负极之间，或者不同组串之间就会产生电弧放电，这就是并联电弧故障。还有一种情况也会导致并联电弧，当系统出现串联电弧没有及时处理时，串联电弧的热量烧坏电缆绝缘层，也会产生并联电弧。通过切断光伏发电系统直流母线或相应光伏组串可以熄灭串联故障电弧，然而却无法熄灭并联故障电弧，甚至可能导致更大的电流通过电弧通路，使电弧燃烧更加剧烈。

目前市场上很多组串式光伏逆变器供应厂家都推出了内置有AFCI（AFCI，Arc-Fault Circuit-Interrupter，电弧故障断路器）功能的光伏逆变器产品，内置AFCI电弧检测的光伏逆变器通过检测电弧噪声，来识别直流电弧故障，断开直流电路，消除电弧。AFCI即电弧故障断路器，它是通过识别电路中的电弧故障特征信号，在电弧故障发展成为火灾或电路出现短路之前断开电源电路的一种保护装置。值得注意的是，当前光伏逆变器的AFCI通常可以检测、熄灭的只是串联电弧，而并联电弧无法通过当前的AFCI功能进行检测与消除。虽然组件级快速关断技术能够断开光伏发电系统中每块组件之间的连接，从而消除光伏发电系统阵列中存在的直流高压与串、并联电弧故障，然而由于当前光伏逆变器的AFCI功能无法检测并联电弧，因此当前组件级快速关断技术亦无法快速实现并联电弧的消除，而并联电弧的破坏力往往是串联电弧的10倍及以上，安全隐患更大。

为了解决AFCI无法检测并联电弧的问题，公开号为CN102472789B的名称为“光伏系统中电弧的检测方法及其光电系统”的专利提供的方案中，通过数字低通滤波从直流通路中检测出电弧检测信号，并根据检测信号区分串联电弧和并联电弧。若检测到的为串联电弧，则改变光伏逆变器的工作状态到安全状态，光伏逆变器基本不再产生交流电，于是直流通路中流动的电流被阻断，从而将串联电弧熄灭。另一方面，若检测到的是并联电弧，则直流通路被一个开关短路，因此并联电弧电压基本变为零，从而将该电弧熄灭。然而该方法需要区分检测并联电弧与串联电弧，必须附加硬件部件，这会导致增加额外的成本，同时光伏发电系统正常运行状态下的各种噪声和干扰也会给检测带来影响，实验表明，光伏发电系统正常运行时直流回路中的各种噪声和干扰，足以造成故障电弧检测设备的误判和误动作，使得故障检测设备自身难以发挥正常作用，如若故障电弧检测设备无法保证电弧故障判断的准确性，特别是针对危害更大的并联电弧故障，若造成误判，将造成不必要的发电量损失，影响光伏电站收益，还可能引发火灾等严重后果。