应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统

1.本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统。


背景技术：

2.随着光伏发电技术的发展，光伏逆变器单台功率不断上升，接入逆变器的光伏组件数量也越来越多，相应的各种连接点也越来越多，发生直流拉弧故障的风险也随之增大；同时随着光伏组件数量增多，线缆长度也会越来越长，拉弧位置与拉弧传感器之间的线路阻抗也会越来越大，这样就会削弱拉弧发生时电弧特征信号的强度，造成拉弧漏报的风险。另外随着机器功率的增大，机器内部的噪声水平也会不断提升，电弧检测装置设置离逆变器的距离越近，受到机器噪声的干扰也就越强，有可能会导致拉弧检测的误触发，造成不必要的停机而影响发电量。因此为了提高电流探测灵敏度和避免逆变器噪声的干扰，采集更高频率的电流信号是必要的。
3.目前常用的直流电流测量常用方法主要有电阻测流和霍尔电流传感器测流两种方法，纯交流信号则可以采用ct或罗氏线圈的方式，上述四种方法较为简单，但其弊端也较为明显。其中，电阻测流法优点较为简单、成本相对较低，缺点是电阻会消耗功率，大电流场合电阻功耗较大，电阻体积大，频带范围受运放增益带宽积和放大倍数影响(bw＝gwp/freq)，且输入输出不隔离，一般只能应用在低压非隔离场合；霍尔电流传感器测流方法，优点是初次级隔离，电流幅值范围相对较宽(5～100a级别)，缺点是信号灵敏度不会很高(高于1mv)，带宽不会很高(小于400khz)，在某些应用场合(电弧测量)需要测试高频率信号的微小电流特性，这时候电阻测流方案和霍尔电流传感器方案就无法实现；ct方案应用变压器中的电流变电流原理，需要电阻进行电流-电压的转换，且运放需要进行放大处理，导致其带宽和灵敏度较低；罗氏线圈也是空心线圈，但采用积分方式获取电流，导致其测量只针对某一个频率点，且只用于测试大电流，小信号无法测量。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有电阻测流与霍尔电流传感器在体积和功耗上的缺陷以及检测带宽上的限制，ct或罗氏线圈方式在检测灵敏度缺陷和目标电流信号大小的限制，提供一种电流测量系统及测量方法，其架构简单、功能全面、检测范围广，在具备小电流信号测量功能的前提下，解决了在大直流背景下耦合的高频电流无法测量的问题。
5.本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统包括电流变送器、直流检测模块、信号处理机构，其中，所述电流变送器、直流检测模块均连接所述信号处理机构的输入端，所述电流变送器与信号处理机构之间设有跟随器。
6.作为一种具体的信号处理机构的逻辑功能结构及连接关系，所述信号处理机构包括数字高通滤波单元、数字低通滤波单元、ad采样单元、数据处理单元、输出单元；所述ad采样单元分别经数字高通滤波单元和数字低通滤波单元连接数据处理单元的输入端，所述数
据处理单元输出端连接输出单元：所述电流变送器经跟随器连接一个ad采样单元，所述直流检测模块连接另一个ad采样单元。
7.作为另一种具体的信号处理机构的逻辑功能结构及连接关系，所述信号处理机构包括模拟高通滤波单元、模拟低通滤波单元、ad采样单元、数据处理单元、输出单元；所述模拟高通滤波单元和模拟低通滤波单元分别经ad采样单元连接数据处理单元的输入端，所述数据处理单元输出端连接输出单元；所述电流变送器经跟随器连接所述模拟高通滤波单元，所述直流检测模块连接所述模拟低通滤波单元。
8.作为二次端电流采集技术优化，所述电流变送器采用空芯变压器；所述直流检测模块采用霍尔电流传感器。空心变压器不含磁芯，避免了直流对磁芯材料相对磁导率的影响。
9.作为二次端采集电流信号滤波优化，所述跟随器采用运算放大倍数k＝1。所以根据电路带宽bw＝gbw/k计算，该电路带宽就是运放的增益带宽积，另外配合电路无电阻设计，避免了电阻引入的热噪声。
10.作为采集信号处理技术优化，高通滤波单元与低通滤波单元的截至频率一致。使其信号在比例一致时可以直接叠加。
11.具体到信号处理机构个单元的具体硬件选择，所述数据处理单元采用cpu/dsp/mpu/mcu中的一种，所述ad采样单元采用a/d转换模块，所述输出单元采用d/a转换模块。
12.具体到作为核心的数据处理的功能模块，所述数据处理单元包括用于相位校正的fft处理模块和ifft处理模块。
13.具体到采集电流的处理方法电流所述电流变送器初级电流与次级电压的计算公式为：
14.i
101
＝asin(ωt)；
[0015][0016]
其中，m是线圈初级与次级的互感；μ0为真空的磁导率值为4π
×
10-7
；μr为空气的相对磁导率，值为1；ω为信号的角频率；mpl为电流电压转换器的磁路长度(此圆形绕圈为mpl＝2πr)。
[0017]
本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统，克服了现有电阻测流与霍尔电流传感器在体积和功耗上的缺陷以及检测带宽上的限制，ct或罗氏线圈方式在检测灵敏度缺陷和目标电流信号大小的限制，其架构简单、功能全面、检测范围广，在具备小电流信号测量功能的前提下，解决了在大直流背景下耦合的高频电流无法测量的问题。
附图说明
[0018]
下面结合附图对本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统作进一步说明：
[0019]
图1是本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统实施方式1的逻辑结构连接线框图；
[0020]
图2是本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统实施方式2的逻辑结构连接线框图；
[0021]
图3是本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统相同截至频率的所述高通与低通滤波器叠加原理示意图。
[0022]
图中：
[0023]
1-电流变送器、2-直流检测模块、3-信号处理机构、4-跟随器；
[0024]
33-ad采样单元、34-数据处理单元、35-输出单元；
[0025]
311-数字高通滤波单元、312-数字低通滤波单元、321-模拟高通滤波单元、322-模拟低通滤波单元；341-fft处理模块、342-ifft处理模块。
具体实施方式
[0026]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0027]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0028]
以下用具体实施例对本发明技术方案做进一步描述，但本发明的保护范围不限制于下列实施例。
[0029]
实施方式1：如图1所示，本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统包括电流变送器1、直流检测模块2、信号处理机构3，其中，所述电流变送器1、直流检测模块2均连接所述信号处理机构3的输入端，所述电流变送器1与信号处理机构3之间设有跟随器4。作为一种具体的信号处理机构的逻辑功能结构及连接关系，所述信号处理机构3包括数字高通滤波单元311、数字低通滤波单元312、ad采样单元33、数据处理单元34、输出单元35；所述ad采样单元33分别经数字高通滤波单元311和数字低通滤波单元312连接数据处理单元34的输入端，所述数据处理单元34输出端连接输出单元35：所述电流变送器1经跟随器4连接一个ad采样单元33，所述直流检测模块2连接另一个ad采样单元33。
[0030]
实施方式2：如图2所示，本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统所述信号处理机构3包括模拟高通滤波单元321、模拟低通滤波单元322、ad采样单元33、数据处理单元34、输出单元35；所述模拟高通滤波单元321和模拟低通滤波单元322分别经ad采样单元33连接数据处理单元34的输入端，所述数据处理单元34输出端连接输出单元35；所述电流变送器1经跟随器4连接所述模拟高通滤波单元321，所述直流检测模块2连接所述模拟低通滤波单元322。
[0031]
实施方式3：本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统所述数据处理单元34采用cpu/dsp/mpu/mcu中的一种，ad采样单元33采用a/d转换模块，输出单元35采用d/a转换模块。所述数据处理单元34包括用于相位校正的fft处理模块341和ifft处理模块342。
[0032]
实施方式4：本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统所述电
流变送器1采用空芯变压器；所述直流检测模块2采用霍尔电流传感器。空心变压器不含磁芯，避免了直流对磁芯材料相对磁导率的影响。所述跟随器4采用运算放大倍数k＝1。所以根据电路带宽bw＝gbw/k计算，该电路带宽就是运放的增益带宽积，另外配合电路无电阻设计，避免了电阻引入的热噪声。本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统中，高通滤波单元与模拟低通滤波单元的截至频率一致。使其信号在比例一致时可以直接叠加，其原理如图3所示。
[0033]
实施方式5：本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统具体到采集电流的处理方法电流所述电流变送器初级电流与次级电压的计算公式为：
[0034]i101
＝asin(ωt)；
[0035][0036]
其中，m是线圈初级与次级的互感；μ0为真空的磁导率值为4π
×
10-7
；μr为空气的相对磁导率，值为1；ω为信号的角频率；mpl为电流电压转换器的磁路长度此圆形绕圈为mpl＝2πr。
[0037]
可以看到此处的u
102
的幅度值跟信号的角频率ω是成比例增长的关系，数据处理单元34对电流变送器采集转换后的数据进行fft处理，并将fft处理的数据除以ω后进行ifft操作，并将数据与直流检测模块采集转换后的数据进行求和，然后通过输出端元进行输出结果。
[0038]
本应用于光伏逆变器智能电弧检测装置的宽带电流测量系统克服了现有电阻测流与霍尔电流传感器在体积和功耗上的缺陷以及检测带宽上的限制，ct或罗氏线圈方式在检测灵敏度缺陷和目标电流信号大小的限制，其架构简单、功能全面、检测范围广，在具备小电流信号测量功能的前提下，解决了在大直流背景下耦合的高频电流无法测量的问题。
[0039]
以上描述显示了本发明的主要特征、基本原理，以及本发明的优点。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施方式或者实施例的细节，且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此应将上述实施方式或者实施例看作示范性的，且非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0040]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。