[科普中國]-光伏電站故障檢測

簡介

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對于各種形式的能源需求也越來越大。如今，世界正面臨著三大能源危機(jī):一是對化石燃料的過分依賴，并且在化石燃料的生產(chǎn)和消耗的過程中對環(huán)境產(chǎn)生了巨大的污染和破壞;二是人類己經(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備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對于能源的巨大需求。尋找和研究新型能源是當(dāng)今社會的研究熱點之一2。

光伏電站設(shè)備故障檢測的意義隨著光伏發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步和光伏發(fā)電并網(wǎng)運行規(guī)模的增大，光伏電站的優(yōu)化、改善和運行成本等問題嚴(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)過壓、過流、功率管短路和開路等故障。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關(guān)鍵組件故障都會使得整個光伏電站停機(jī)甚至損壞設(shè)備，較長的停機(jī)時間會降低電站的發(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)的正常運行3。

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，及時檢測光伏電站設(shè)備故障，有助于光伏電站穩(wěn)定高效運行，方便在光伏電站設(shè)備發(fā)生故障之初采取相應(yīng)的對策。通過對光伏電站設(shè)備的運行情況進(jìn)行在線監(jiān)測，及時分析處理故障征兆，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)人員工作的開展。因此研究光伏電站設(shè)備故障檢測及診斷方法，以實現(xiàn)光伏電站的穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運行，對于促進(jìn)我國光伏發(fā)電的規(guī)模化發(fā)展，具有極其重要的意義。

光伏電站設(shè)備故障檢測與診斷研究現(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)逆變器是整個光伏電站的核心部件。其中光伏陣列的成本可占到整個光伏電站建設(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光伏電站的總建設(shè)費用比例不高，但它卻與電站的正常運行息息相關(guān)。光伏電站在運營過程中有三種常見的故障類型，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603。

目前光伏陣列的故障檢測方法主要有紅外圖像檢測法、電信號檢測法、事件相關(guān)檢測法和基于傳感器檢測法。]根據(jù)正常與故障的光伏電池組件在工作時存在一定溫差，在光伏陣列前架設(shè)紅外成像儀，通過紅外圖像處理提取故障特征來識別故障電池組件。電信號檢測法，采用時域反射法(TimeDomain Reflectometry，通過向光伏電池組件中注入高頻信號，然后根據(jù)反射信號的不同變化來進(jìn)行光伏陣列的故障檢測與定位。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)模型對光伏陣列故障進(jìn)行診斷。在基于傳感器的檢測方法當(dāng)中，利用圖論的思想，將光伏組件之間的連線等效為權(quán)值邊，提出覆蓋每一個權(quán)值邊的最優(yōu)傳感器配置的光伏陣列故障檢測方法，通過改變陣列的工作電壓使得陣列工作在不同的電壓區(qū)域來檢測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，對光伏陣列熱斑故障進(jìn)行了檢測和定位2。

上述方法不同程度的存在一定的缺點和不足:紅外圖像檢測法存在檢測精度不高，設(shè)備費用大等缺點;基于電信號的檢測方法也有自身的局限性，例如:時域反射法通過高頻信號注入法進(jìn)行光伏陣列的故障檢測，此方法需要系統(tǒng)停止工作的情況下檢測，難以做到在線監(jiān)測，且對設(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現(xiàn)的。在基于傳感器檢測方法中，基于CTCT結(jié)構(gòu)的故障檢測方法所用傳感器數(shù)量較多，檢測結(jié)構(gòu)難以在大規(guī)模光伏陣列應(yīng)用中推廣;而電壓掃描法檢測存在影響光伏陣列正常工作的缺點。

光伏電站設(shè)備故障分析從能量轉(zhuǎn)換的過程來說，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)備在運行過程中出現(xiàn)的常見故障及其相應(yīng)的檢測方法，如表2-1所示2。

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

光伏陣列故障分析光伏陣列是光伏系統(tǒng)中的重要組成部分，其成本可占到整個系統(tǒng)的40%左右。光伏陣列的故障主要有以下四種:熱斑現(xiàn)象、因光伏電池組件老化導(dǎo)致光伏陣列失配現(xiàn)象、因接線盒錯誤導(dǎo)致的光伏電池組件開路或短路、光伏電池組件的碎裂。

因組件老化導(dǎo)致陣列失配現(xiàn)象由于光伏陣列的工作環(huán)境一般是戈壁荒漠等惡劣環(huán)境，歷經(jīng)風(fēng)吹日曬和晝夜溫差很大的考驗，在使用一定時間后，光伏電池板會出現(xiàn)功率下降，與其他電池板的輸出特性不匹配，從而導(dǎo)致光伏陣列失配現(xiàn)象的發(fā)生2。

熱斑現(xiàn)象造成熱斑現(xiàn)象的主要原因是某些光伏電池長期受到陰影影響，致使其輸出電流小于正常工作的光伏電池的輸出電流。據(jù)KLU定律，被遮擋的光伏電池板會成為串聯(lián)支路中的負(fù)載，并且兩端帶負(fù)電壓。光伏電池本身具有一定的串聯(lián)電阻，當(dāng)成為負(fù)載之后，流過的電流會在光伏電池板中產(chǎn)生熱量，熱量累積可使溫度最高達(dá)200攝氏度，這樣高的溫度會損壞光伏電池板的物理結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的永久損壞。

組件短路與開路組件短路相當(dāng)于該支路缺少了一個輸出功率的光伏組件，而組件開路相當(dāng)于連接線斷開。兩種故障一般是因為接線盒中接觸點虛焊或者是連接線錯誤導(dǎo)致的，出現(xiàn)這種情況一般人為的因素居多。

光伏電池組件的碎裂光伏電池在生產(chǎn)的過程中，在表面密封一層透明保護(hù)膜，用以保護(hù)光伏電池薄膜，而且還不影響太陽光照的吸收。如果密封合格，光伏電池組件能用20年左右。然而由于制造過程中的一些問題，保護(hù)膜并非萬無一失，可能存在裂痕，這樣水和空氣會腐蝕電池薄膜，即光伏電池組件的碎裂問題。在出現(xiàn)碎裂之后，光伏電池組件的老化速度將大大加快。

當(dāng)前的統(tǒng)計和研究表明，以上幾種故障之中，發(fā)生概率最高，產(chǎn)生危害最大的是熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象能嚴(yán)重地破壞光伏電池組件，可能會使組件焊點熔化、封裝材料破壞，甚至?xí)拐麄€組件失效。據(jù)國外權(quán)威統(tǒng)計，熱斑效應(yīng)使光伏電池組件的實際使用壽命至少減少10%。

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

1)傳感器的布置

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

2)剔除環(huán)境因素的影響

環(huán)境對電池組件輸出伏安特性有很大影響。通過電壓、電流測量法，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)行故障判斷的時候，還要剔除環(huán)境因素的影響?？梢圆扇r間追蹤法來剔除可能對故障判斷產(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的不同方位、天氣的變換而變化的，因此隨著時間的改變，疑似故障的電流、電壓檢測信號會趨于正常。對于在一個時間段輸出電壓和電流偏低的疑似故障組，采用時間追蹤法來進(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小時一次(從口出到口落，根據(jù)不同的地理位置，設(shè)定時間間隔不同)，對于疑似故障，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、電流信號恢復(fù)正常，則解除對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，每一個小組所包含的電池組件越少，則檢測準(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、檢測準(zhǔn)確度、檢測快速性等兒個因素，一般把3電池組件作為一個小組。

太陽能光伏電站是國內(nèi)外重點發(fā)展的綠色能源裝備。光伏陣列是光伏電站的核心部件。光伏陣列的在線檢測是光伏電站實現(xiàn)實時監(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檢測方法。新型檢測法包括電壓電流檢測初篩法及電池組件參數(shù)估算法。電壓電流檢測法可以實現(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)實驗驗證表明，該故障檢測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檢測法的準(zhǔn)確性在90%以上。