CN102565663B - 一种光伏阵列故障诊断的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏阵列故障诊断的方法，光伏阵列为M×N，每串有M个电池板以及P个电压传感器，P＜M/L；当某串电压传感器测量值不在预设范围内时，判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否发生故障，如果是，数据采集系统将故障电池板对应的编号发送至上位机；如果否，判断属于第r个和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否发生故障，如果是，系统将故障电池板对应的编号发送至上位机；上位机接收并将编号显示给操作者；操作者根据编号，更换电池板；本方法通过特殊的连接方式在保证检测分辨度的基础上减少了传感器的数量，降低了故障诊断系统的成本；并且通过数据采集系统和上位机实现了对光伏阵列进行在线检测。

Description

一种光伏阵列故障诊断的方法

技术领域

本发明涉及光伏阵列故障诊断技术领域，特别涉及用于光伏阵列故障诊断的传感器连接方式以及故障诊断的方法。

背景技术

目前，光伏阵列的故障检测方法主要有红外图像检测法、电信号检测法和基于传感器的故障诊断方法。正常工作与非正常工作的太阳能电池板之间存在一定的温差，红外图像检测法利用被测物体的温度特性进行检测^[1]。电信号检测法，例如：高频信号注入法^[2]原理是往光伏电池板中注入高频信号，然后检测它的反射信号，根据反射信号的不同变化来进行光伏阵列的故障检测和定位。基于传感器的故障诊断方法以及对此作出的各种改进，在一定程度上实现在线的故障诊断与定位^[3]。

发明人在实现本发明的过程中发现现有技术中至少存在以下的缺点和不足：

红外图像检测法存在检测精度不高，设备费用较大，实时性较差等缺点；基于电信号的检测方法也有自身的局限性，例如：高频信号注入法进行光伏阵列的故障检测和定位，但此方法不具有实时性，并且对设备要求较高，诊断的精度有限；基于传感器的故障检测方法存在所用传感器较多、检测精度比较低、检测结构在大规模光伏阵列应用中难以推广等缺点。

参考文献如下：

[1]王培珍，光伏阵列故障状态的识别研究，[博士学位论文]；合肥工业大学，2005；

[2]Takumi Takashima，Junji Yamaguchi，Kenji Otani.Experimental Studies of FaultLocation in PV Module Strings[J]；Solar Energy Materials and Solar Cells，2009，vol.93，p1079-1082；

[3]Ze Cheng，Dan Zhong，Baolin Li，Yanli Liu.Research on Fault Detection of PVArray Based on Data Fusion and Fuzzy Mathematics[J]；Power and EnergyEngineering Conference，2011。

发明内容

本发明提供了一种光伏阵列故障诊断的方法，本方法实现了较高的检测精度，可以对光伏阵列进行实时的在线检测，在大规模光伏阵列应用中推广，详见下文描述：

一种光伏阵列故障诊断的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)光伏阵列为M×N，N为阵列的串数，每串有M个电池板，每串电池板上有P个电压传感器，其中，P＜M/L，L为故障定位的分辨度；

(2)数据采集系统实时采集所有所述电压传感器的测量值；

(3)所述数据采集系统根据所述测量值判断每串电压传感器的测量值是否在预设范围内，如果是，执行步骤(8)；如果否，执行步骤(4)；

(4)判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(5)，其中，r为每串电池板上电压传感器的编号；

(5)判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤(6)；如果否，执行步骤(8)；

(6)所述数据采集系统将故障电池板对应的编号发送至上位机；

(7)所述上位机接收所述编号，并将所述编号显示给操作者；所述操作者根据所述编号，更换电池板；

(8)流程结束。

所述电压传感器的测量值具体为：

第一串电压传感器的测量值分别为V₁₁，V₁₂，....V_1(p-1)，V_1p；第二串电压传感器的测量值分别为V₂₁，V₂₂，....V_2(p-1)，V_2p；以此类推，第N串电压传感器的测量值分别为V_n1，V_n2，....V_n(p-1)，V_np。

所述判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

假设第h串第k个光伏电池板故障，

V_hr＜V_ij，其中0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

V_hs＞V_ij，其中0＜s≤p且s≠r，0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

所述判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

假设第h串第k个光伏电池板故障，

V_hr＜V_ij且V_h(r+1)＜V_ij，其中0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

V_hs＞V_ij，其中0＜s≤p且s≠r且s≠r+1，0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

所述方法还包括：

在每串电池板上串联一个电流传感器，如果I_i＜I_j，其中0＜j＜N且j≠i，则确定第i串电池板中有故障发生。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

本发明提供了一种光伏阵列故障诊断的方法，在本发明提供的电池板与电压传感器的结构基础上，减少了所用电压传感器的数量，降低了故障诊断系统的成本；保证了较高检测分辨度；并且通过数据采集系统和上位机实现了对光伏阵列进行实时在线检测，可以应用到大规模光伏阵列中，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为本发明提供的通用光伏阵列的串并联(SP)结构的示意图；

图2为本发明提供的M×N光伏阵列检测结构的示意图；

图3为本发明提供的8×4光伏阵列检测结构的示意图；

图4为本发明提供的一种光伏阵列故障诊断的方法。

其中，图1、图2和图3中双箭头代表太阳辐照，二极管代表一个光伏电池板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了实现较高的检测精度，对光伏阵列进行实时的在线检测，在大规模光伏阵列应用中推广，参见图1、图2和图3，本发明实施例提供了一种光伏阵列故障诊断的方法，详见下文描述：

在实际光伏电站应用中，为了获得较大的输出电流和输出电压，需要将光伏电池板以一定的连接方式连接起来使用。常见的连接方式有：串联方式、并联方式、串并联方式、全连接方式和桥式连接方式，应用中使用的绝大多数连接方式为串并联方式。为了克服现有一些检测方法的不足，对发生故障的电池板进行快速而准确的定位，本发明实施例采取如下的技术方案：

参见图1，本发明实施例中的电池板连接方式为串并联连接方式，这是基于向实际光伏电站推广的考虑。而在检测结构中所使用的电压传感器内阻可认为无穷大，所以对整个光伏阵列的影响可以忽略不计。

101：光伏阵列为M×N，每串有M个电池板，每串电池板上有P个电压传感器，其中，P＜M/L，L为故障定位的分辨度；

其中，假设故障的分辨精度可达到L个电池板，一般的检测结构，需要M/L个电压传感器。本发明实施例中的电压传感器的数量为P＜M/L，即存在电压传感器的交叉，可节省电压传感器的数量，这个优点随着M的增大变得更加明显。

第一串电压传感器的测量值分别为V₁₁，V₁₂，....V_1(p-1)，V_1p；第二串电压传感器的测量值分别为V₂₁，V₂₂，....V_2(p-1)，V_2p；以此类推，第N串电压传感器的测量值分别为V_n1，V_n2，....V_n(p-1)，V_np。当某串中某个电池板发生故障时，此串电压传感器的测量值会与其它串的电压传感器的测量值发生偏差，通过对这些偏差值的大小以及正负的分析，可以判断出故障电池板的位置所在。

102：数据采集系统实时采集所有电压传感器的测量值；

对于图2中的M×N的检测结构，每串有p个电压传感器，将所有电压传感器的测量值采集到数据采集系统。由于每串电池板是并联在一起的，所以当某一串上电池板发生故障后，会造成某些电压传感器测量值降低，其他电压传感器测量值会升高。基于此，对各个测量值进行比较处理，进而判断有无故障以及进行故障定位。

103：数据采集系统根据测量值判断每串电压传感器的测量值是否在预设范围内，如果是，执行步骤108；如果否，执行步骤104；

当判断结果为否时，表明某一串或某几串中的电池板存在故障，需要对这一串中的M个电池板进行检测，来确定故障电池板的具体位置。

其中，预设范围的取值需要根据所选光伏电池板的参数以及阵列的规模来确定，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

104：判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤106；如果否，执行步骤105，其中，r为每串电池板上电压传感器的编号；

其中，判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

假设第h串第k个光伏电池板故障，

V_hr＜V_ij，其中0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

V_hs＞V_ij，其中0＜s≤p且s≠r，0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

即除了第h串电池板的电压传感器，其他电压传感器的测量值是相同的，这样，通过对各电压传感器测量值的分析比较，则可定位发生故障的光伏电池板。

105：判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤106；如果否，执行步骤108；

其中，判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

V_hr＜V_ij且V_h(r+1)＜V_ij，其中0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

V_hs＞V_ij，其中0＜s≤p且s≠r且s≠r+1，0＜i≤N且i≠h，0＜j≤p

即，除了第h串电池板的电压传感器，其他电压传感器的的测量值是相同的，这样，通过对各电压传感器测量值的分析比较，则可定位发生故障的光伏电池板。

106：数据采集系统将故障电池板对应的编号发送至上位机；

其中，数据采集系统将故障电路板对应的编号通过无线或有线的方式发送至上位机，例如：采用RS485的传输方式等，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。

其中，具体实现时，数据采集系统可选用高精度的单片机或者FPGA来进行电压传感器的测量值的采集与处理。

107：上位机接收编号，并将编号显示给操作者；操作者根据编号，更换电池板；

其中，具体实现时，上位机上可用MFC或者Labview编制友好的人机界面，进而提示监控室的操作者故障的发生及定位，以便工程人员及时更换故障的电池板，防止事故的发生。

108：流程结束。

进一步地，为了更加精确的定位故障电池板，本发明实施例优选在每一串电池板上串联一个电流传感器，如果I_i＜I_j，其中0＜j＜N且j≠i，则确定第i串电池板中有故障发生。电流传感器内阻极小，故对光伏阵列的影响也可忽略不计。

下面以一个具体的实验来验证本发明实施例提供的一种光伏阵列故障诊断的方法的可行性，详见下文描述：

参见图3，分析一个8×4的电压传感器的检测结构，在每一串光伏电池板上串联了一个电流传感器，如果I_i＜I_j，其中0＜j＜5且j≠i，则确定第i串光伏电池板中有故障发生。然后可根据电压传感器的值来定位故障，有以下四种情况：

上述四种情况的故障定位结果分别为：(1)第i串3、4电池板中发生故障；或(2)第i串1、2电池板中发生故障；或(3)第i串7、8电池板中发生故障；或(4)第i串5、6电池板中发生故障。

综上所述，本发明实施例提供了一种光伏阵列故障诊断的方法，在本发明实施例提供的电池板与电压传感器的结构基础上，减少了所用电压传感器的数量，降低了故障诊断系统的成本，保证了较高检测分辨度；并且通过数据采集系统和上位机实现了对光伏阵列进行实时在线检测，可以应用到大规模光伏阵列中，满足了实际应用中的多种需要。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光伏阵列故障诊断的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）光伏阵列为M×N，N为阵列的串数，每串有M个电池板，M个电池板中，每3L个电池板为一组，每组分别并联两个电压传感器，并联位置为：第一个电池板与第2L个电池板之间，第L+1个电池板与第3L电池板之间，每串共并联P个电压传感器，其中L为故障定位的分辨度，P<M/L；

（2）数据采集系统实时采集所有所述电压传感器的测量值；

（3）所述数据采集系统根据所述测量值判断每串电压传感器的测量值是否在预设范围内，如果是，执行步骤（8）；如果否，执行步骤（4）；

（4）判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤（6）；如果否，执行步骤（5），其中，r为每串电池板上电压传感器的编号；

（5）判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板，如果是，执行步骤（6）；如果否，执行步骤（8）；

（6）所述数据采集系统将故障电池板对应的编号发送至上位机；

（7）所述上位机接收所述编号，并将所述编号显示给操作者；所述操作者根据所述编号，更换电池板；

（8）流程结束。

2.根据权利要求1所述的一种光伏阵列故障诊断的方法，其特征在于，所述电压传感器的测量值具体为：

第一串电压传感器的测量值分别为V₁₁，V₁₂，….V_1(p-1)，V_1p；第二串电压传感器的测量值分别为V₂₁，V₂₂，….V_2(p-1)，V_2p；以此类推，第N串电压传感器的测量值分别为V_n1，V_n2，….V_n(p-1)，V_np。

3.根据权利要求1所述的一种光伏阵列故障诊断的方法，其特征在于，所述判断只属于第r个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

假设第h串第k个光伏电池板故障，

V_hr<V_ij,其中0<i≤N且i≠h,0<j≤p

V_hs>V_ij,其中0<s≤p且s≠r,0<i≤N且i≠h,0<j≤p；

其中，第r个电压传感器是第h串的任意一个电压传感器，0<r≤p；

k是第r个电压传感器并联的任意一块电池板；

s是第h串的电压传感器编号，第s个电压传感器是第h串中除了第r个电压传感器以外的任意一个电压传感器，0<s≤p且s≠r。

4.根据权利要求1所述的一种光伏阵列故障诊断的方法，其特征在于，所述判断属于第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的电池板是否是故障电池板具体为：

假设第h串第k个光伏电池板故障，

V_hr<V_ij且V_h(r+1)<V_ij,其中0<i≤N且i≠h,0<j≤p

V_hs>V_ij,其中0<s≤p且s≠r且s≠r+1,0<i≤N且i≠h,0<j≤p；

其中，第r个电压传感器是第h串的任意一个电压传感器，0<r≤p；

k是第r个电压传感器和第r+1个电压传感器测量范围内的任意一块电池板；

s是第h串的电压传感器编号，第s个电压传感器是第h串中除了第r个电压传感器以外的任意一个电压传感器，0<s≤p且s≠r。

5.根据权利要求1所述的一种光伏阵列故障诊断的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在每串电池板上串联一个电流传感器，如果I_i<I_j，其中0<j<N且j≠i，则确定第i串电池板中有故障发生。

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