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(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(guī)模光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要形式。但規(guī)模光伏陣列在運(yùn)行過(guò)程中，除受自然環(huán)境(如云、臺(tái)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(jù)對(duì)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(duì)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(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?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(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(xiàn)對(duì)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(cè)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(zhǎng)期運(yùn)行在局部最大功率點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率降低。此外，故障存在會(huì)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(wèn)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(duì)陣列高效運(yùn)行及推動(dòng)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(guò)圖像處理程序?qū)崿F(xiàn)在線(xiàn)故障診斷并能實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。

對(duì)地電容測(cè)量(ECM)一般用于檢測(cè)傳輸線(xiàn)中的斷點(diǎn)，該方法可根據(jù)情況分為比較法和鉗形測(cè)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(cè)量有故障的電池串的對(duì)地電容和正常電池串的對(duì)地電容來(lái)判斷斷點(diǎn)：

式中：x為斷點(diǎn)處的電池板數(shù);Cx為有問(wèn)題的電池板的對(duì)地電容;Cd為正常的一串電池板的對(duì)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(guò)檢測(cè)正、負(fù)極的對(duì)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(fù)極和正極的對(duì)地電容。

時(shí)域反射法(TDR)是一種類(lèi)似于雷達(dá)的檢測(cè)方法。輸入信號(hào)進(jìn)入傳輸線(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)阻抗不匹配時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)，通過(guò)比較輸入信號(hào)與反射信號(hào)來(lái)定位故障，如圖2所示。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，反射波會(huì)出現(xiàn)不同的延時(shí)和波形的改變，通過(guò)改變檢測(cè)波形能夠檢測(cè)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?huì)使陣列阻抗不穩(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(cè)，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。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(duì)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(guān)測(cè)光伏陣列所在地區(qū)的天氣情況，將模型預(yù)測(cè)得到的光伏陣列所能發(fā)出的功率與檢測(cè)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(duì)故障點(diǎn)定位;文獻(xiàn)由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)為手段，通過(guò)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(cè)外部環(huán)境的方法，通過(guò)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(guò)改變陣列結(jié)構(gòu)來(lái)減小陰影對(duì)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(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(duì)電池板短路故障。文獻(xiàn)針對(duì)光伏組串結(jié)構(gòu)，提出通過(guò)擾動(dòng)工作電流來(lái)檢測(cè)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(cè)法、ECM，TDR、智能算法、功率對(duì)比法均存在難以克服的困難，基于電特性檢測(cè)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。