基于光伏發(fā)電的光伏陣列故障診斷方法及處理原則

在現代社會(huì )中，新能源的使用已經(jīng)成為一種綠色又便捷的能源來(lái)源渠道了。而其中太陽(yáng)能是一種資源豐富、分布廣泛、環(huán)境污染小的理想替代能源，大規模光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要形式。但規模光伏陣列在運行過(guò)程中，除受自然環(huán)境(如云、臺風(fēng)、落葉等)影響外，還存在自身材料老化、光伏電池板不匹配等故障問(wèn)題。

光伏陣列故障形成原因及影響

根據對陣列輸出特性的影響，陣列中電池板損壞和陰影影響都可歸納為光伏陣列故障，由光伏電池單體到光伏陣列存在的故障點(diǎn)及故障點(diǎn)隨時(shí)間變化的分布情況，這些故障對光伏陣列輸出特性的影響都可等效為陰影。根據影響特性可將陰影分成硬性和軟性陰影兩類(lèi)，如表1所示。軟性陰影具有時(shí)變性，其形狀隨時(shí)間變化而變化，如云、樹(shù)木和建筑物等形成的影子;而硬性陰影具有時(shí)不變性，即一旦形成就不隨時(shí)間變化而變化，如電池表面污垢及電池損壞。軟性陰影還與部分硬性陰影的形成有因果關(guān)系，如在云或樹(shù)木等形成的軟性陰影影響下光伏陣列會(huì )形成不匹配。

圖1示出存在故障的光伏陣列，其輸出特性中存在局部最大功率點(diǎn)，該功率點(diǎn)與陣列全局最大功率點(diǎn)之間存在功率差額。文獻對比了多種商用光伏逆變器在陣列故障下的工作情況，結果表明測試逆變器輸出功率都出現損失，在嚴重時(shí)功率損失高達70%，若陣列長(cháng)期運行在局部最大功率點(diǎn)會(huì )導致整個(gè)系統效率降低。此外，故障存在會(huì )造成電池板熱斑效應，加速電池板損壞，甚至引起火災?？傊?，存在這些故障問(wèn)題不僅從源頭直接或間接地降低了光伏系統的效率，而且縮短了光伏陣列使用壽命，從而增加了發(fā)電成本。在規模光伏陣列中，由于電池板數量大，陣列中出現故障電池板的概率也隨之增加，因此研究規模光伏陣列故障診斷方法對陣列高效運行及推動(dòng)光伏產(chǎn)業(yè)健康持續發(fā)展具有重要的意義和應用價(jià)值。

光伏陣列故障診斷方法

文獻利用電池板熱斑效應，在陣列前面架設熱成像儀，通過(guò)圖像處理程序實(shí)現在線(xiàn)故障診斷并能實(shí)現故障點(diǎn)的定位。

對地電容測量(ECM)一般用于檢測傳輸線(xiàn)中的斷點(diǎn)，該方法可根據情況分為比較法和鉗形測量法。若有兩串電池板，其中一個(gè)正常，另一個(gè)有故障，則可通過(guò)測量有故障的電池串的對地電容和正常電池串的對地電容來(lái)判斷斷點(diǎn)：

式中：x為斷點(diǎn)處的電池板數;Cx為有問(wèn)題的電池板的對地電容;Cd為正常的一串電池板的對地電容;M為單串中的電池板數。

若只有一串電池板，可通過(guò)檢測正、負極的對地電容通過(guò)x=[Cp/(Cn+Cp)]M來(lái)判斷。Cn，Cp分別為光伏電池板串聯(lián)后的負極和正極的對地電容。

時(shí)域反射法(TDR)是一種類(lèi)似于雷達的檢測方法。輸入信號進(jìn)入傳輸線(xiàn)，當出現阻抗不匹配時(shí)產(chǎn)生反射信號，通過(guò)比較輸入信號與反射信號來(lái)定位故障，如圖2所示。當出現故障時(shí)，反射波會(huì )出現不同的延時(shí)和波形的改變，通過(guò)改變檢測波形能夠檢測老化(串聯(lián)電阻的增加)和故障點(diǎn)在光伏陣列中的位置。實(shí)驗需在黑暗環(huán)境下進(jìn)行，因為白天光照的影響會(huì )使陣列阻抗不穩定，而在黑暗的情況下光伏陣列的阻抗特性較穩定。

ECM和TDR均需在系統停止工作情況下檢測，難以做到實(shí)時(shí)監測。文獻在不同故障狀態(tài)下提取多種特征參數，在PSIM仿真環(huán)境下，利用事件相關(guān)度數學(xué)模型對陣列進(jìn)行故障診斷，該方法需采集多種故障狀態(tài)及不同環(huán)境下光伏電池陣列的輸出特性;文獻利用衛星觀(guān)測光伏陣列所在地區的天氣情況，將模型預測得到的光伏陣列所能發(fā)出的功率與檢測得到的實(shí)際功率進(jìn)行比較，來(lái)判斷陣列是否存在故障，該方法雖能判斷陣列是否故障，但不能對故障點(diǎn)定位;文獻由統計數據通過(guò)智能學(xué)習方法診斷出故障點(diǎn)，需要集合整個(gè)陣列各故障點(diǎn)下的統計數據如光照強度、溫度以及輸出功率等;文獻以電流檢測為手段，通過(guò)設計復雜的陣列結構連接方式實(shí)現故障電池板定位，該方法需要的電流傳感器較多且該陣列結構形式在工程上難以應用;文獻采用實(shí)時(shí)監測外部環(huán)境的方法，通過(guò)模型計算出陣列的應輸出功率，并將其與實(shí)際輸出功率比較，從而判斷陣列是否故障，這種方法難以實(shí)現故障點(diǎn)的精確定位;文獻采用功率單元補償的方法，即當光伏電池板因故障不能發(fā)出功率時(shí)，用功率單元彌補損失的功率。但這里僅考慮了電池板串聯(lián)情況，實(shí)際中光伏陣列是串并聯(lián)結合的，因此該方法具有一定的局限性;文獻通過(guò)改變陣列結構來(lái)減小陰影對陣列輸出特性影響，該方法在使用過(guò)程中需加入大量的開(kāi)關(guān)，因而在規模光伏陣列中難以推廣;文獻利用3層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的方法實(shí)現故障點(diǎn)定位，但該方法需要陣列大量的工作數據為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )提供訓練且主要針對電池板短路故障。文獻針對光伏組串結構，提出通過(guò)擾動(dòng)工作電流來(lái)檢測各電池板工作電壓的方法，從而實(shí)現單支路光伏故障診斷。文獻初步研究了小型光伏陣列故障診斷方法及傳感器放置策略。表2分別給出上述方法在不間斷運行、故障診斷和工程適用性這3方面的不足，其中紅外檢測法、ECM，TDR、智能算法、功率對比法均存在難以克服的困難，基于電特性檢測方法研究則較少，若能突破診斷方法及傳感器數量這兩個(gè)技術(shù)瓶頸則可兼具三方面潛力。