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(xiàn)代社會中，新能源的使用已經(jīng)成為一種綠色又便捷的能源來源渠道了。而其中太陽能是一種資源豐富、分布廣泛、環(huán)境污染小的理想替代能源，大規(guī)模光伏發(fā)電是太陽能利用的重要形式。但規(guī)模光伏陣列在運(yùn)行過程中，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題。

光伏陣列故障形成原因及影響

根據(jù)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(jù)影響特性可將陰影分成硬性和軟性陰影兩類，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?fù)p壞。軟性陰影還與部分硬性陰影的形成有因果關(guān)系，如在云或樹木等形成的軟性陰影影響下光伏陣列會形成不匹配。

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(xiàn)對比了多種商用光伏逆變器在陣列故障下的工作情況，結(jié)果表明測試逆變器輸出功率都出現(xiàn)損失，在嚴(yán)重時(shí)功率損失高達(dá)70%，若陣列長期運(yùn)行在局部最大功率點(diǎn)會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率降低。此外，故障存在會造成電池板熱斑效應(yīng)，加速電池板損壞，甚至引起火災(zāi)?？傊?，存在這些故障問題不僅從源頭直接或間接地降低了光伏系統(tǒng)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(guī)模光伏陣列中，由于電池板數(shù)量大，陣列中出現(xiàn)故障電池板的概率也隨之增加，因此研究規(guī)模光伏陣列故障診斷方法對陣列高效運(yùn)行及推動光伏產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

光伏陣列故障診斷方法

文獻(xiàn)利用電池板熱斑效應(yīng)，在陣列前面架設(shè)熱成像儀，通過圖像處理程序?qū)崿F(xiàn)在線故障診斷并能實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。

對地電容測量(ECM)一般用于檢測傳輸線中的斷點(diǎn)，該方法可根據(jù)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判斷斷點(diǎn)：

式中：x為斷點(diǎn)處的電池板數(shù);Cx為有問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(shù)。

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

時(shí)域反射法(TDR)是一種類似于雷達(dá)的檢測方法。輸入信號進(jìn)入傳輸線，當(dāng)出現(xiàn)阻抗不匹配時(shí)產(chǎn)生反射信號，通過比較輸入信號與反射信號來定位故障，如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，反射波會出現(xiàn)不同的延時(shí)和波形的改變，通過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(yàn)需在黑暗環(huán)境下進(jìn)行，因?yàn)榘滋旃庹盏挠绊憰龟嚵凶杩共环€(wěn)定，而在黑暗的情況下光伏陣列的阻抗特性較穩(wěn)定。

ECM和TDR均需在系統(tǒng)停止工作情況下檢測，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測。文獻(xiàn)在不同故障狀態(tài)下提取多種特征參數(shù)，在PSIM仿真環(huán)境下，利用事件相關(guān)度數(shù)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(xiàn)利用衛(wèi)星觀測光伏陣列所在地區(qū)的天氣情況，將模型預(yù)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(xiàn)由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過智能學(xué)習(xí)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如光照強(qiáng)度、溫度以及輸出功率等;文獻(xiàn)以電流檢測為手段，通過設(shè)計(jì)復(fù)雜的陣列結(jié)構(gòu)連接方式實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式在工程上難以應(yīng)用;文獻(xiàn)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測外部環(huán)境的方法，通過模型計(jì)算出陣列的應(yīng)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(xiàn)故障點(diǎn)的精確定位;文獻(xiàn)采用功率單元補(bǔ)償?shù)姆椒?，即?dāng)光伏電池板因故障不能發(fā)出功率時(shí)，用功率單元彌補(bǔ)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(jié)合的，因此該方法具有一定的局限性;文獻(xiàn)通過改變陣列結(jié)構(gòu)來減小陰影對陣列輸出特性影響，該方法在使用過程中需加入大量的開關(guān)，因而在規(guī)模光伏陣列中難以推廣;文獻(xiàn)利用3層人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)定位，但該方法需要陣列大量的工作數(shù)據(jù)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供訓(xùn)練且主要針對電池板短路故障。文獻(xiàn)針對光伏組串結(jié)構(gòu)，提出通過擾動工作電流來檢測各電池板工作電壓的方法，從而實(shí)現(xiàn)單支路光伏故障診斷。文獻(xiàn)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(yùn)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(shù)量這兩個(gè)技術(shù)瓶頸則可兼具三方面潛力。