论文总字数：33244字

摘 要

随着光伏系统在世界各建设，光伏系统的火灾事故也在世界各地发生。据统计，光伏电站40%的火灾是由直流电弧引起。除了直流电弧之外，过高的温度、各种自然灾害以及动物的破坏也会引发光伏系统的火灾事故。本次毕业设计的主要目的是实现一种光伏系统火灾检测方法。本文最后提出了一种基于直流电弧故障检测与温度检测相融合的光伏系统火灾预警技术，保障系统安全。

论文首先对电弧的产生原因、形成过程及其危害进行了深入的分析，并在此基础上总结了电弧故障的随机性及其电流电压数据变化特征等特性。接着对数个电弧模型进行总结分析，并将各种模型进行了对比，总结各自的特征与适用范围。论文根据光伏系统的特性选择合适的电弧模型，依据电弧特征描述进行电弧仿真模型的搭建，并对搭建模型的效果进行了测试。测试结果为后续的电弧检测提供了数据基础。

同时，论文对当前热门的电弧检测方法进行了分析，并将它们进行了对比，总结各种算法的优缺点。又详细分析了FFT与小波变换的原理及其推理过程，利用FFT的频谱提取和小波变换的多层分解进行电弧故障检测。根据不同的系统条件以及不同的检测方法，进行了多次实验，接着对实验数据进行对比分析。实验结果表明，用上述两种方法对电弧进行检测是可行的，而且小波变换的检测结果更加准确。

在温度方面，提出利用电弧能量计算线路温度的方法，还利用排除环境因素影响的算法对该方法进行了改进，得到最后校正后的温度数据，进而进行温度检测。检测结果表明算法可行。

最后，将直流电弧故障检测和温度检测进行多信息融合，得到一种新的算法，并对算法的有效性进行验证。结果表明，融合后的算法在精确度上比之前的单一电弧检测算法有了较为显著的提升。

关键词：光伏系统，电弧模型，直流电弧故障检测，温度检测

Abstract

As photovoltaic systems are built around the world, fire accidents in photovoltaic systems are also occurring around the world. According to statistics, 40% of fires in photovoltaic power plants are caused by DC arcs. In addition to DC arcs, excessive temperatures, various natural disasters, and animal damage can also cause fire accidents in photovoltaic systems.The main purpose of this graduation project is to implement a photovoltaic system fire detection method. Finally, a photovoltaic system fire warning technology based on DC arc fault detection and temperature detection is proposed to ensure system security.

Firstly, the cause, formation process and damage of the arc are analyzed in depth. On this basis, the randomness of the arc fault and the characteristics of the current and voltage data are summarized. Then, several arc models are summarized and analyzed, and various models are compared to summarize their respective characteristics and application scope. According to the characteristics of the photovoltaic system, the appropriate arc model is selected, and the arc simulation model is built according to the arc feature description, and the effect of the model is tested. The test results provide a data base for subsequent arc detection.

At the same time, the current popular arc detection methods are analyzed, and they are compared to summarize the advantages and disadvantages of various algorithms. The principle and reasoning process of FFT and wavelet transform are analyzed in detail. The FFT spectrum extraction and multi-layer decomposition of wavelet transform are used to detect arc fault. According to different system conditions and different detection methods, several experiments were carried out, and then the experimental data were compared and analyzed. The experimental results show that it is feasible to use the above two methods to detect the arc, and the detection result of wavelet transform is more accurate.

In terms of temperature, the method of calculating the temperature of the line by using the arc energy is proposed, and the method is also improved by using an algorithm that excludes the influence of environmental factors, and the final corrected temperature data is obtained, and then the temperature is detected. The test results show that the algorithm is feasible.

Finally, the DC arc fault detection and temperature detection are combined to obtain a new algorithm, and the effectiveness of the algorithm is verified. The results show that the fusion algorithm has a significant improvement in accuracy compared to the previous single arc detection algorithm.

KEY WORDS: photovoltaic system, arc model, DC arc fault detection, temperature detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.1.1 课题背景 1

1.1.2 课题研究意义 2

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 国外有关研究 3

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 本文的研究内容 5

第二章 光伏系统直流电弧故障理论 6

2.1 电弧理论基础 6

2.1.1 电弧形成过程 6

2.1.2 电弧的组成 7

2.1.3 光伏系统中的电弧 8

2.2 电弧特性 9

2.3 电弧模型 10

2.3.1 基于物理的电弧模型 10

2.3.2 基于V-I特征的电弧模型 11

2.3.3 启发式电弧模型 12

2.4 直流电弧仿真模型 12

2.4.1 Mayr电弧仿真模型测试 12

2.4.2 其他电弧仿真模型测试 15

2.5 本章小结 16

第三章 光伏系统直流电弧故障检测方法研究 18

3.1 直流电弧检测方法 18

3.1.1 基于电流电压波形变化的检测方法 18

3.1.2 短时傅里叶变换 18

3.1.3 基于人工智能的方法 18

3.2 基于快速傅里叶变换的直流电弧故障检测研究 19

3.2.1 快速傅里叶变换原理 19

3.2.2 基于快速傅里叶变换的直流电弧故障检测 21

3.3 基于小波变换的直流电弧故障检测研究 26

3.3.1 小波变换原理 26

3.3.2 基于小波变换的直流电弧故障检测 27

3.4 本章小结 29

第四章 光伏系统温度检测方法研究 30

4.1 温度测量方法研究 30

4.1.1 风速对导线温度的影响 32

4.1.2 环境温度对导线温度的影响 32

4.1.3 光照强度对导线温度的影响 32

4.2 多信息融合技术 33

4.3 光伏系统直流电弧故障检测与温度检测的融合 34

4.4 本章小结 36

第五章 总结与展望 37

5.1 本文总结 37

5.2 展望 37

参考文献 39

致 谢 42

绪论

论文研究背景

课题背景

如今，随着人们环保意识的提高，新能源行业慢慢发展扩大。太阳能产业是新能源行业中规模很大、发展也很快的部分。而且，相比于其他新能源，太阳能有其独特的优势^[1]：

1. 光伏发电具备很好的经济基础。太阳能是每个人都可以利用的、不需要交钱的能源，所以人们不会为了去获取足够的太阳能而花费额外的钱财。
2. 太阳能资源是取之无尽的。据计算，到达地面的太阳辐射能完全能够满足人类的日常需求，而且太阳的寿命至少一半，即数十亿年，是人类发展到今天的时间的无数倍。这意味着人类基本不需要担心太阳能的来源问题，完全可以放心使用。
3. 太阳能是一种清洁的、无污染的能源。太阳能开发利用时几乎不会产生任何污染，相比于其他能源利用时产生的或多或少的污染，太阳能显然更加干净、清洁。
4. 能量转换中的损耗少。光伏发电的原理是利用太阳能电池板直接将太阳辐射能转换为电能，转换过程非常直接、简单，能量损耗会比其他能源转换时的消耗更少。
5. 太阳能发电没有运动的部件，因此相比于其他发电系统，光伏系统的损坏非常小，维护简单。

太阳能光伏发电系统（简称光伏系统）就是将太阳能转换为电能的系统。根据国家能源局报告，截至2018年年末，全国光伏发电装机达到1.74亿千瓦，较上年新增4426万千瓦，同比增长34%。2018年一整年的时间内，全国各地光伏发电量达到1775亿千瓦时，同比增长50%。而且，国家将会对光伏产业长期持支持态度，并且会出台有关政策对光伏产业进行支持。

可以看到，应用光伏系统的有关行业已经在国内占据了重要地位。而且，不仅仅是在国内，在全世界范围内，光伏系统也可以说是时刻影响着人们的生活。

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