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专利名称：一种光伏逆变器漏电流检测方法
技术领域：
本发明涉及逆变器领域，尤其涉及光伏逆变器漏电流检测领域，具体地说是一种 基于加权滑动平均预测算法的光伏逆变器漏电流检测方法，可用于具有阶梯时间保护特性 的应用场合。
背景技术：
在光伏逆变器产品中，软件保护种类繁多，从保护反应速度来看，有瞬时值保护、 有稳态值保护、有均方根值保护及变化率保护等等。在VDE0126-l-l，2006-02标准中，漏电 流保护需分成两种静态保护和动态保护。由于动态保护要求对不同变化率要有不同的反 应时间，但其又没有明确指出其变化率的量化指标，因而给实际操作带来很大的难度。

发明内容
本发明要解决的是现有光伏逆变器漏电流检测方法不能对漏电流的变化率和其 作用时间的进行综合考虑并量化的问题，旨在提供一种基于加权滑动平均预测法的光伏逆 变器漏电流检测方法，通过加权累加方法针对变化率进行监控保护的方法，可以应用于具 有时间阶梯特性的动态保护领域。解决上述问题采用的技术方案是一种光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于 包括以下步骤一、采用加权滑动平均预测法确定增量面积和阀值的计算方法1)基本增量面积的确定设定对象运动方程为y = f (xk)，对象时间从Xk变化到xk+n，输出相应从yk变化到 yk+n，将这段时间变化的程度用增量面积表示，利用冲量等效原理，增量面积AS用公式(1) 表示为 式中x表示时间，y表示漏电流，角标k表示经过离散化处理后的结果，η表示时 间窗口范围；设采样时间为固定的Ts，那么xk+i = xk+iXTs (2)式中，i表示第i个采样点；把公式(2)代入公式(1)，得AS= (yk+1-yk) XTs+ (yk+2-yk) XTs+. · · + (Yk^ryk) XTs (3)2)对增量面积加权若yk+i相对于yk变化范围比较大时，我们期望表示变化程度的Δ S应相应加强， 而yk+i相对于yk变化范围比较小时，期望表示变化程度的ΔS相应减弱；用权重系数Jii与的乘积来表示变化程度是否要加强，加权后的增量面积AS用公式(4)表示为 Δ S = [ (yk+1-yk) Xnk+ (yk+2-yk) X η k+1+· · · + (yk+n-i"yk) X η k+n_2] X Ts (4) 所述的权重系数Hi采用运动方程y = f (Xk)为阶跃曲线时的特殊情况来确定i :+m时就达到阀值ASlimit，其中，m表示阶跃量持续的时间长度，且m彡n，ASlifflit^ 二漏电流最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积，如此可得 Δ Slimit = [ (yk+「yk) Xnk+ (yk+2-yk) X η k+1+· · · + (yk+m-i-yk) X η k+m_2] X Ts (5)
Yk+l — Yk+2 — · · · — Yk+m-l — Yk+m — · · · — Yk+n(6)
rI k — rI k+1 — · · · — rI k+m-2 — rI k+rn-1 — · · · — rI k+n-1(了)
ASlimit= [(yk+1_yk)X nkX(m-l)]XTs所以根据公式⑶可得 二、实时监控漏电流1)根据公式⑶计算出需要保护的阀值ASlimit ；2)根据公式(9)计算出各段漏电流程度变化及其对应时间响应的权重系数Jli, 进而实时根据公式(4)计算出AS ；3)若Δ S彡Δ Slimit，则报故障；反之，Δ S < Δ Slimit，则无故障，继续滑动窗口，Ts 时间后，获取新的yk+n，再重新计算新的AS，并与ASlimit比较。 本发明的光伏逆变器漏电流检测方法，将漏电流的变化程度量化为漏电流和其作 用时间的积分，通过加权滑动平均预测的方法，实现对漏电流的动态保护。仿真和实验结果 显示所提方法对动态漏电流变化的保护是有效的，符合安规要求。对于起点yk的取值方法也是可以多样性的，可取前的时刻)到Xk时刻的滑 动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值等，具体采用何种方法计算出的yk 根据实际系统要求而定。另外，η值大小即时间窗口范围的截取原则需根据保护最长时间要求、软件计算和
存储量来综合考虑。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。图1是运动方程y = f(x)曲线示意图。图2是运动方程y = f(x)为阶跃曲线时示意图。图3是漏电流变化30mA时，微处理器响应波形图。图4是漏电流变化60mA时，微处理器响应波形图。图5是漏电流变化150mA时，微处理器响应波形图。
具体实施例方式本发明的光伏逆变器漏电流检测方法，包括以下步骤一，加权滑动平均预测算法
5
设定对象运动方程为y = f (X)，对象时间从Xk变化到xk+n，运动状态相应从yk变 化到yk+n，那么这段时间变化的程度可以用增量面积表示(下图1中阴影区域)。利用冲量 等效原理，定义增量面积Δ S可用公式(1)表示为 ^ Λ X (xk+l -Xk) + yk+l X (xk+2 - xk+1) +若采样时间为固定的Ts，那么xk+i = xk+iXTs (2)把公式⑵代入公式(1)，可得Δ S = (yk+1-yk) X Ts+ (yk+2-yk) X Ts+若yk+i相对于yk变化范围比较大时，我们期望表示变化强度的增量面积Δ S应相 应加强，而yk+i相对于yk变化范围比较小时，期望表示变化程度的AS相应减弱。在这里， 我们可以引入权重系数Hi，让Hi与(yk+i_yk)的乘积来表示变化强度是否要加强，即得到 加权滑动平均算法AS= [ (yk+1-yk) Xnk+ (yk+2-yk) X η k+1+· · · + (Yk^rYk) X η k+n_2] X Ts (4)7 可以通过采样得到，权重系数Jli的确定原理对于运动方程y = f(x)为阶跃 曲线(如图2所示)时，我们期望AS在xk+m(m彡η)时就达到保护阀值Δ Slimit ( Δ Slimit对 应于最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积)，如此，可得ASlimit= [(yk+1-yk)X η k+(y k+2 yk)x 1L k+1 +· · · + (yk+m-ryk) χ η k+m-2
]XTS (5)由图2可知yk+1 = yk+2 = · · · = Yk^1 = yk+m = · · · = yk+n(6)nk = ηk+1 = ... = ηk+m_2 = ηk+m-! = · · · = ηk+n-i (7)把公式(6)和公式(7)代入公式(5)Δ Slimit = [ (yk+1-yk) X n k X (m-1) ] X Ts(8)所以根据公式⑶可得
ASv . 对于起点yk的取值方法也是可以多样性的，可取前的时刻)到Xk时刻的滑 动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值等，具体采用何种方法计算出的yk 根据实际系统要求而定。另外，n值大小即时间窗口范围的截取原则需根据保护最长时间要求、软件计算和 存储量来综合考虑。二算法应用及设计例如，在光伏并网逆变器系统中，VDE标准对漏电流动态不同程度变化时，逆变器 动作时间有不同要求，具体见表1 Table 1-Maximum break times
(1)
+ yk+n-l X (Xk+n ~ Xk+n )"ΛΧ " ^ )
+ (yk+n-i-yk) XTs (3) 因为漏电流基频为50HZ (电网频率)，所以软件设计有效值采样间隔时间Ts为 20ms。最强的要求是当漏电流变化150mA时，需要在40ms内执行保护动作，让150mA对应 的权重系数nk(15(lmA)等于单位1，根据式⑶可得到保护阈值Δ 对于变化30mA漏电流，逆变器需要在0. 3s前动作，在这里，设定软件中实际动作 时间为0. 24s，则m = 0. 24s/20ms = 12，再根据公式(9)就可计算出对应的30mA漏电流变 化时权重系数 同理，对于变化60mA漏电流，逆变器需要在0. 15s前动作。在这里，设定软件中实
际动作时间为0. 12s，则m = ·^^ = 6，而ASlimit为0. 003A*s，根据公式(9)算出对应变化 类似地，当漏电流在60mA 150mA之间时，为了确定加权系数，可利用线性插值法 或其它插值算法，计算出保护响应时间，进而可计算出加权系数。如此，在实际系统中，实时 按公式⑷计算瞬时Δ S，然后与八、.(等于0.00348)比较。若AS> Δ Slimit，则报故 障；反之，AS< Δ Slimit，则无故障，继续滑动窗口，Ts时间后，获取新的yk+n，再重新计算新 的AS，并与ASlimit比较。利用此保护策略，就可用软件实现漏电流动态变化保护。三算法验证根据上面设计思想和原理，编写了光伏逆变器漏电流保护代码。利用信号发生器 产生交流信号，该信号模拟为漏电流信号(图3、4、5中CHl信号)。当微处理认为需要漏电 流保护动作时，微处理器的IO 口(图3、4、5中CH2信号)输出高电平信号，否则输出低电平。1)漏电流有效值从OmA — 30mA时，微处理器的动作响应时间约为220ms，微处理 器响应波形图参见图3;2)漏电流有效值从OmA — 60mA时，微处理器的动作响应时间约为120ms，微处理 器响应波形图参见图4;3)漏电流有效值从OmA — 150mA时，微处理器的动作响应时间约为40ms，微处理 器响应波形图参见图5。从测试效果分析，漏电流保护正确，符合VDE0126-1-1标准要求。另外，在实际调 试中，由于采样误差和有效值计算滞后因素影响，需要对权重系数Hk进行微调，这样才有比较好的动态响应效果。 应该理解到的是上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何 不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
权利要求
一种光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于包括以下步骤一、采用加权滑动平均预测法确定增量面积和阀值的计算方法1)基本增量面积的确定设定对象运动方程为y＝f(xk)，对象时间从xk变化到xk+n，输出相应从yk变化到yk+n，将这段时间变化的程度用增量面积表示，利用冲量等效原理，增量面积ΔS用公式(1)表示为 <mrow><mi>&Delta;S</mi><mo>=</mo><msubsup> <mo>&Integral;</mo> <msub><mi>x</mi><mi>k</mi> </msub> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi></mrow> </msub></msubsup><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>dx</mi><mo>-</mo><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>&ap;</mo><msub> <mi>y</mi> <mi>k</mi></msub><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>+</mo><msub> <mi>y</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi></mrow> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>y</mi> <mi>k</mi></msub><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>x</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mi>n</mi></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中x表示时间，y表示漏电流，k表示经过离散化处理后的结果，n表示时间窗口范围；设采样时间为固定的Ts，那么xk+i＝xk+i×Ts(2)式中i表示第i个采样点；把公式(2)代入公式(1)，得ΔS＝(yk+1-yk)×Ts+(yk+2-yk)×Ts+...+(yk+n-1-yk)×Ts(3)2)对增量面积加权若yk+i相对于yk变化范围比较大时，我们期望表示变化程度的ΔS应相应加强，而yk+i相对于yk变化范围比较小时，期望表示变化程度的ΔS相应减弱；用权重系数ηi与(yk+i-yk)的乘积来表示变化程度是否要加强，加权后的增量面积ΔS用公式(4)表示为ΔS＝[(yk+1-yk)×ηk+(yk+2-yk)×ηk+1+...+(yk+n-1-yk)×ηk+n-2]×Ts(4)所述的权重系数ηi采用运动方程y＝f(x)为阶跃曲线时的特殊情况来确定设ΔS在xk+m时就达到阀值ΔSlimit，其中，m表示阶跃量持续的时间长度，且m≤n，ΔSlimit表示对应于漏电流最大程度变化、最快时间响应要求时的增量面积，如此可得ΔSlimit＝[(yk+1-yk)×ηk+(yk+2-yk)×ηk+1+...+(yk+m-1-yk)×ηk+m-2]×Ts(5)yk+1＝yk+2＝...＝yk+m-1＝yk+m＝...＝yk+n (6)ηk＝ηk+1＝...＝ηk+m-2＝ηk+m-1＝...＝ηk+n-1(7)把公式(6)和公式(7)代入公式(5)ΔSlimit＝[(yk+1-yk)×ηk×(m-1)]×Ts (8)所以根据公式(8)可得 <mrow><msub> <mi>&eta;</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>S</mi> <mi>limit</mi></msub> </mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>y</mi><mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn></mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>&times;</mo><mi>Ts</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>9</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>二、实时监控漏电流1)根据公式(8)计算出需要保护的阀值ΔSlimit；2)根据公式(9)计算出各段漏电流程度变化及其对应时间响应的权重系数ηi，进而实时根据公式(4)计算出ΔS；3)若ΔS≥ΔSlimit，则报故障；反之，ΔS＜ΔSlimit，则无故障，继续滑动窗口，Ts时间后，获取新的yk+n，再重新计算新的ΔS，并与ΔSlimit比较。
2.如权利要求1所述的光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于起点时刻漏电流yk的 取值方法是取\到Xk时刻的滑动平均值、加权平均值、加权滑动平均、最大值或最小值中的 任何一种方法，其中χ」是xk之前的时刻。
3.如权利要求1或2所述的光伏逆变器漏电流检测方法，其特征在于时间窗口范围η 值的截取原则根据保护最长时间要求、软件计算和存储量来综合考虑。
全文摘要
本发明提供了一种基于加权滑动平均预测法的光伏逆变器漏电流检测方法，将漏电流的变化程度量化为漏电流和其作用时间的积分，通过加权滑动平均预测的方法，实现对漏电流的动态保护。仿真和实验结果显示所提方法对动态漏电流变化的保护是有效的，符合安规要求，可以应用于具有时间阶梯特性的动态保护领域。
文档编号G01R31/02GK101881801SQ20101023263
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月21日 优先权日2010年7月21日
发明者张彦虎, 徐锡军 申请人:上海正泰电源系统有限公司