光伏電站故障檢測(cè)光伏電站設(shè)備故障檢測(cè)與診斷研究現(xiàn)狀

光伏電站組成設(shè)備眾多，主要包括光伏陣列、直流匯流箱、光伏并網(wǎng)逆變器、交流配電柜以升壓變壓器等設(shè)備。在眾多的設(shè)備當(dāng)中，光伏陣列和光伏并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏電站的核心部件。其中光伏陣列的成本可占到整個(gè)光伏電站建設(shè)成本的40%-50%，且當(dāng)光伏陣列出現(xiàn)故障后，使得光伏陣列輸出功率下降，加速組件損壞，甚至引起火災(zāi)。而光伏逆變器雖然占整個(gè)光伏電站的總建設(shè)費(fèi)用比例不高，但它卻與電站的正常運(yùn)行息息相關(guān)。光伏電站在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有三種常見(jiàn)的故障類(lèi)型，即逆變器故障、交流輸配電側(cè)故障和直流輸配電側(cè)故障等，其中逆變器出現(xiàn)故障的次數(shù)比例達(dá)到60 。

目前光伏陣列的故障檢測(cè)方法主要有紅外圖像檢測(cè)法、電信號(hào)檢測(cè)法、事件相關(guān)檢測(cè)法和基于傳感器檢測(cè)法。]根據(jù)正常與故障的光伏電池組件在工作時(shí)存在一定溫差，在光伏陣列前架設(shè)紅外成像儀，通過(guò)紅外圖像處理提取故障特征來(lái)識(shí)別故障電池組件。電信號(hào)檢測(cè)法，采用時(shí)域反射法(TimeDomain Reflectometry，通過(guò)向光伏電池組件中注入高頻信號(hào)，然后根據(jù)反射信號(hào)的不同變化來(lái)進(jìn)行光伏陣列的故障檢測(cè)與定位。在基于事件相關(guān)法中，利用PSIM軟件建立3KW的光伏陣列仿真模型，通過(guò)提取不同故障情況下的特征，利用可拓法的相關(guān)函數(shù)模型對(duì)光伏陣列故障進(jìn)行診斷。在基于傳感器的檢測(cè)方法當(dāng)中，利用圖論的思想，將光伏組件之間的連線(xiàn)等效為權(quán)值邊，提出覆蓋每一個(gè)權(quán)值邊的最優(yōu)傳感器配置的光伏陣列故障檢測(cè)方法，通過(guò)改變陣列的工作電壓使得陣列工作在不同的電壓區(qū)域來(lái)檢測(cè)光伏電池是否存在故障。改進(jìn)光伏陣列的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合數(shù)據(jù)融合理論，對(duì)光伏陣列熱斑故障進(jìn)行了檢測(cè)和定位 。

上述方法不同程度的存在一定的缺點(diǎn)和不足:紅外圖像檢測(cè)法存在檢測(cè)精度不高，設(shè)備費(fèi)用大等缺點(diǎn);基于電信號(hào)的檢測(cè)方法也有自身的局限性，例如:時(shí)域反射法通過(guò)高頻信號(hào)注入法進(jìn)行光伏陣列的故障檢測(cè)，此方法需要系統(tǒng)停止工作的情況下檢測(cè)，難以做到在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，且對(duì)設(shè)備要求高，診斷精度有限;基于可拓法的光伏陣列故障診斷需要多種故障情況下陣列的輸出數(shù)據(jù)，這在大規(guī)模的光伏陣列情況下幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。在基于傳感器檢測(cè)方法中，基于CTCT結(jié)構(gòu)的故障檢測(cè)方法所用傳感器數(shù)量較多，檢測(cè)結(jié)構(gòu)難以在大規(guī)模光伏陣列應(yīng)用中推廣;而電壓掃描法檢測(cè)存在影響光伏陣列正常工作的缺點(diǎn)。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行規(guī)模的增大，光伏電站的優(yōu)化、改善和運(yùn)行成本等問(wèn)題嚴(yán)重制約了光伏發(fā)電的發(fā)展。其中光伏陣列由于占地面積大、分布廣泛，容易出現(xiàn)光伏電池組件“裂片”、“線(xiàn)路老化”和“熱斑現(xiàn)象”等故障，并網(wǎng)逆變器則容易出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流、功率管短路和開(kāi)路等故障。這些嚴(yán)重影響到光伏電池組件的壽命和光伏電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。特別是，大型并網(wǎng)逆變器承擔(dān)著向電網(wǎng)饋送電能的重任，其主電路中任意一個(gè)關(guān)鍵組件故障都會(huì)使得整個(gè)光伏電站停機(jī)甚至損壞設(shè)備，較長(zhǎng)的停機(jī)時(shí)間會(huì)降低電站的發(fā)電收益。光伏電站的這些故障，嚴(yán)重影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行 。

為了防止因故障造成更嚴(yán)重的事故，降低電站的收益損失，及時(shí)檢測(cè)光伏電站設(shè)備故障，有助于光伏電站穩(wěn)定高效運(yùn)行，方便在光伏電站設(shè)備發(fā)生故障之初采取相應(yīng)的對(duì)策。通過(guò)對(duì)光伏電站設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析處理故障征兆，確定設(shè)備故障發(fā)生的原因和位置，也有利于光伏電站維護(hù)人員工作的開(kāi)展。因此研究光伏電站設(shè)備故障檢測(cè)及診斷方法，以實(shí)現(xiàn)光伏電站的穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)光伏發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展，具有極其重要的意義。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)于各種形式的能源需求也越來(lái)越大。如今，世界正面臨著三大能源危機(jī):一是對(duì)化石燃料的過(guò)分依賴(lài)，并且在化石燃料的生產(chǎn)和消耗的過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的污染和破壞;二是人類(lèi)己經(jīng)消耗了大概一半不可再生的化石燃料;三是己探明的化石燃料儲(chǔ)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足人們對(duì)于能源的巨大需求。尋找和研究新型能源是當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)之一 。

從能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程來(lái)說(shuō)，大型光伏電站一般由直流系統(tǒng)(光伏陣列)、逆變系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成。而光伏電站的基本設(shè)備除了光伏陣列、光伏逆變器、升壓變壓器等能量轉(zhuǎn)換部件之外，還包括直流匯流箱、直流配電柜、交流配電柜等一系列電氣設(shè)備。分析了上述設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)故障及其相應(yīng)的檢測(cè)方法，如表2-1所示 。

大型光伏電站的建設(shè)費(fèi)用是一筆龐大的開(kāi)支，使得光伏發(fā)電的成本居高不下。在光伏電站的投入運(yùn)行前的階段，可以通過(guò)采用高轉(zhuǎn)換效率的光伏電池、高效率的逆變器和MPPT控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)降低成本。在光伏電站投入運(yùn)行以后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)與診斷，能夠更有效的提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及降低光伏發(fā)電的成本費(fèi)用。在眾多的設(shè)備當(dāng)中，光伏陣列和光伏并網(wǎng)逆變器是整個(gè)光伏電站的核心部件，與電站的正常運(yùn)行息息相關(guān)，同時(shí)也是比較容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)

電壓電流檢測(cè)法的設(shè)計(jì)是光伏陣列輸出性能原理。新型電壓電流檢測(cè)法檢測(cè)目標(biāo)為并串型光伏陣列。并串型光伏電池陣列具有對(duì)陰影敏感度低的優(yōu)點(diǎn)，適合大面積使用。

1)傳感器的布置

光伏陣列共有n個(gè)并聯(lián)支路串聯(lián)而成，每個(gè)并聯(lián)支路上面并聯(lián)了若干個(gè)光伏電池，這些電池被平均分為了m組。每一條并聯(lián)支路上放置一個(gè)電壓傳感器，測(cè)量該并聯(lián)支路的輸出電壓U。每一條并聯(lián)支路上的每個(gè)小組放置一個(gè)電流傳感器，測(cè)量流經(jīng)該小組的電流。

2)剔除環(huán)境因素的影響

環(huán)境對(duì)電池組件輸出伏安特性有很大影響。通過(guò)電壓、電流測(cè)量法，可以較容易的找到電流輸出異常的電池組件，但卻很難區(qū)分環(huán)境因素造成的電壓電流變化和真正故障引發(fā)的電壓電流變化。因此在進(jìn)行故障判斷的時(shí)候，還要剔除環(huán)境因素的影響?？梢圆扇r(shí)間追蹤法來(lái)剔除可能對(duì)故障判斷產(chǎn)生干擾的環(huán)境因素。

一般而言，遮蔽等環(huán)境因素是隨著一天中太陽(yáng)的不同方位、天氣的變換而變化的，因此隨著時(shí)間的改變，疑似故障的電流、電壓檢測(cè)信號(hào)會(huì)趨于正常。對(duì)于在一個(gè)時(shí)間段輸出電壓和電流偏低的疑似故障組，采用時(shí)間追蹤法來(lái)進(jìn)行最終判斷。數(shù)據(jù)采集分析的頻率一般設(shè)定為每2小時(shí)一次(從口出到口落，根據(jù)不同的地理位置，設(shè)定時(shí)間間隔不同)，對(duì)于疑似故障，如果在3次數(shù)據(jù)采集分析中，該電池小組輸出的電壓、電流信號(hào)都偏低，則判斷為電池小組故障;如果該電池小組輸出的電壓、電流信號(hào)恢復(fù)正常，則解除對(duì)該電池小組故障的懷疑。

3)光伏陣列分組數(shù)量與故障判斷精確度的關(guān)系

光伏陣列分組時(shí)，每一個(gè)小組所包含的電池組件越少，則檢測(cè)準(zhǔn)確度越高。但是，所使用的電流傳感器也越多，整體成本也越高。綜合成本、檢測(cè)準(zhǔn)確度、檢測(cè)快速性等兒個(gè)因素，一般把3電池組件作為一個(gè)小組。

太陽(yáng)能光伏電站是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的綠色能源裝備。光伏陣列是光伏電站的核心部件。光伏陣列的在線(xiàn)檢測(cè)是光伏電站實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的重要條件。在分析光伏組件性能原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新型光伏陣列故障在線(xiàn)檢測(cè)方法。新型檢測(cè)法包括電壓電流檢測(cè)初篩法及電池組件參數(shù)估算法。電壓電流檢測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)故障組件被定位在小范圍內(nèi)，而電池組件參數(shù)估算法則可以根據(jù)光伏組件的光照強(qiáng)度和溫度估算出光伏組件的性能參數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確定位故障組件。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該故障檢測(cè)方法可以快速較精確的找到故障光伏電池組件，新型光伏陣列故障在線(xiàn)檢測(cè)法的準(zhǔn)確性在90%以上。2100433B

光伏電站直流檢測(cè)表是針對(duì)直流屏、太陽(yáng)能供電、電信基站等應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)的，該系列儀表可測(cè)量直流系統(tǒng)中的電流、電壓、功率和電能。既可用于本地顯示，又能與工控設(shè)備、計(jì)算機(jī)連接，組成測(cè)控系統(tǒng)。

光伏電站直流檢測(cè)表適用環(huán)境

l 工作溫度：LCD顯示：-10℃~ 45℃；LED顯示：-10℃~ 55℃

l 相對(duì)濕度：≤93%RH，不結(jié)露，無(wú)腐蝕性氣體場(chǎng)所

光伏電站直流檢測(cè)表電磁兼容

l 靜電抗干擾實(shí)驗(yàn) Ⅲ級(jí)(IEC61000-4-2)

l 輻射抗干擾試驗(yàn) Ⅲ級(jí)(IEC61000-4-3)

l 電快速瞬變脈沖群干擾試驗(yàn) Ⅳ級(jí)(IEC61000-4-4)

l 浪涌抗干擾試驗(yàn) Ⅳ級(jí)(IEC61000-4-5)

l 射頻傳導(dǎo)干擾試驗(yàn) Ⅲ級(jí)(IEC61000-4-6)

l 電磁場(chǎng)抗干擾試驗(yàn) Ⅲ級(jí)(IEC61000-4-8)