CN1053502C - 故障检测方法、故障检测装置及使用该装置的发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是精确地检测故障的光电转换元件，而不管其安装位置如何，并通告相应的信息。上述目的可由具有由多个并联太阳能电池串构成的太阳能电池组的发电系统来达到，其中每个电池串是由多个串联的太阳能电池模件构成的。该系统包括用于检测太阳能电池串中电参数的电参数检测单元，用于相互比较检测电参数的比较单元，及基于比较结果警告故障的警告单元。

Description

故障检测方法、故障检测装置及使用该装置的发电系统

本发明涉及光电转换元件中的故障检测方法，故障检测装置及使用它的一个系统，更具体地，涉及不使用作为标准的光电转换元件的故障检测方法及装置，以及使用它的发电系统。

与使用矿物燃料产生CO₂等的散发引起的地球变热及由核发电厂事故及放射性废料引起的放射性污染相关联地，地球环境及能源问题急剧地成为头等重要的事情。在此情况下，使用入射光的太阳能电池作为光电转换元件被广泛地期待为一种取之不尽的清洁能源。使用这种太阳能电池的太阳能发电系统具有各种型号及规模，其范围从几个W到几千KW，例如具有设计为使用蓄电池能存储太阳能电池的发电能量的系统，及设计为使用DC-AC变流器将太阳能电池的能量输出提供给商用系统的系统。

图13表示作为本发明对比例的一个系统。在该太阳能发电系统中，太阳能电池组1是由四个并联的太阳能电池串11，12，13及14所组成，每个电池串是由多个串联的太阳能电池模件组成的。太阳能电池组1的输出输送到电力转换单元2，该单元包括一个控制单元，用于执行最大输出控制，及供电给负载3。在此情况下，负载3是一个电力系统(例如上述商用系统)。一种从太阳能电池提供电能给电力系统的系统被专称为系统互连系统，它是使用太阳能电池作为通用能源的最优系统形式之一。

通常，这种类型的太阳能发电系统包括各种保护单元，用于防止电击等。但是在开发检测太阳能电池模件中的故障方面还未作出许多努力。作为这样一种故障检测方法，使用了以下的传统方法。在该方法中，如使用了一种昂贵的日射强度计及功率检测单元来计算太阳能电池组的转换效率，并当转换效率低于标准值时确定出太阳能电池组的故障。

在上述传统的检测太阳能电池模件中故障的方法中，用于转换效率的标准值是固定的，但不能根据太阳能电池模件的安装地点的气候、安装状态等适当的调整。这就是，因为太阳能电池具有光谱或温度依赖性，转换效率会显著地变化。此外，尤其在非晶硅材料作成的太阳能电池中，光电转换元件本身经受着光致变质。这种变坏状态主要依赖于环境因素，如太阳能照射量及温度。因此在考虑这些因素，每个太阳能电池的特性等时，获得精确的标准值是非常困难的。

作为精确确定标准值的一个手段，仅能得到在安装地点设立测量点及在相应区域或安装地点检验发电特性的措施。但是，这需要巨大的开支及时间。为了解决这个问题，可与太阳能电池组无关地设立标准模件。但是，安装一个不用于发电的太阳能电池是不合理的。此外，如果由于系统故障等的影响使标准模件损坏，则不会留下能获得精确标准值的装置。此外，在用于发电的太阳能电池组及用作标准值的模件之间会产生测量误差。

在上述方法中，是基于标准值确定整个太阳能电池组是否有故障。因此，即使确定出故障，需要麻烦的操作来发现太阳能电池组中的特定故障部分。为此理由，将需费很多时间及劳力来修理太阳能电池组或更换模件。

本发明是考虑上述情况作出的，其目的在于提供一种故障检测方法，一种故障检测装置，及使用它的发电系统，它能精确地检测太阳能电池组中的故障，而不管其安装位置如何，并发出故障的警告。

为了达到上述目的，根据本发明提出了一种故障检测方法，它包括：检测不小于两个光电参数相互比较的步骤，将检测到的参数相互比较的步骤，及根据比较结果在所述光电转换元件中检测出故障部分的步骤。

此外，提供了一种故障检测装置，它包括：不小于两个光电转换元件；电参数检测装置，用于检测所述各光电转换元件中的电参数；及比较装置，用以相互比较检测到的电参数及根据比较结果检测出故障。

再者，还提供了一种发电系统，它包括至少两个光电转换元件；电力转换装置，用以转换来自所述光电转换元件的电力及与所述电力转换装置相连接的负载，该系统还包括：比较装置，用于通过电参数检测装置检测所述光电转换元件中的电参数，及相互比较这些检测到的值，由此检测出故障。

根据本发明，电参数例如为电流值，利用作为电流检测装置的电流传感器在系统工作时来检测太阳能电池组中的太阳能电池串或分组中的电流。如果任何太阳能电池串或分组作为光电转换元件具有相对低的输出，则可确定为故障，并产生出警告或类似信号。此外，将上述电参数的偏差率相互进行比较。如果任何太阳能电池，太阳脂电池串或分组呈现相对大的偏差率，则可确定出故障，并产生出警告或类似信号。这种确定是利用部分太阳能电池组进行的，利用相互比较电参数可对每个安装地点确定出精确标准值。因此，可精确地检测出太阳能电池，太阳能电池串或分组中的故障部分。

此外，因为能以太阳能电池串或分组为单元确定其故障，所以能快速地确定太阳能电池组中的故障部分。其效果在使用非晶类太阳能电池或树脂封装的太阳能电池模件的系统中尤为显著，这些太阳能电池或组件曝露在阳光下会变质。

此外，在设计用于记录电参数，计算记录电参数的偏差率，及相互比较偏差率的一个系统中，计算长时间周期上输出的偏差作为偏差率，并将这些偏差率相互地比较。因此，可在早的阶段检测出故障电池串，并能快速地检测出故障。

图1是表示根据本发明的发电系统的方框图；

图2是表示图1中系统操作的流程图；

图3是表示根据本发明另一发电系统的方框图；

图4是表示图3中系统操作的流程图；

图5是表示根据本发明又一发电系统的方框图；

图6是表示图5中系统操作的流程图；

图7是表示根据本发明另一发电系统的方框图；

图8是表示图7中系统操作的流程图；

图9是表示根据本发明又一发电系统的方框图；

图10是表示图9中系统操作的流程图；

图11A及11B是表示数据例的图，用以说明本发明每个实施例的工作；

图12是表示另一数据例的图，用于说明本发明的工作；及

图13是用于与本发明对比的一个太阳能发电系统的方框图。

以下将参照附图对本发明作详细描述。

图1表示使用了根据本发明故障检测装置的一个电力发生系统。参照图1，一个太阳能电池组1包括并联连接的太阳能电池串(串联支路)11至14，每个太阳能电池串由多个串联连接的太阳能电池模件(以下简称模件)组成。作为太阳能电池模件，优先使用作光电转换单元的非晶硅(包括小晶体)，多晶硅，或结晶硅材料作的模件。串联连接的太阳能电池模件的数目可被适当地调整到能获得用于太阳能发电系统中所需的电压。通常，在日本，这个数目最好在用于家用的具有3KW输出的系统中被调整到获得200V；而在具有10KW或更大的大型系统中约调整到300至350V。

并联连接的太阳能电池串的数目必须至少为二或更多，以便能达到本发明之目的。最好是使用几个到几百个并联支路。即，在本发明中，用于故障的标准值根据太阳能电池串或分组中的电流参数或变化率动态地改变。因此，如果电池串或分组的数目小时，就难以设置恰当的标准值。这就使得难于进行精确的故障检测。为此原因，并联电路的数目最好为三或更大，更可取的是五或更大。当电池串或分组的数目增大时，就能更精确地检测故障。但是，比较的次数大为增加以致需要麻烦的程序，除非设计另外的比较方法才行。此外，装置的成本也增高。为此原因，电池串或分组的数目最好设为100或更小，更可取的是30或更小。电力转换单元2

在图1所示的故障检测装置中，由太阳能电池组1输出的电力传送给电力转换单元2。电力转换单元2将来自太阳能电池的DC电能转换成AC电能或者调节DC电压或DC电流。电力转换单元2可包括一个控制系统，用于将每个太阳能电池的工作点保持在最大输出上。虽然这个单元不是本发明的组成部件，但该单元通常使用在几个KW级的系统中，以便有效地利用太阳能电池的输出。附加地或取代于该电力转换单元，该系统可设计成直接地使用二次电池。电力转换单元2的输出被负载3消耗。负载3

负载3包括动力驱动装置、例如一个电动机、光源、例如电灯，或热源、例如激光器。特别是，空调器或类似电器可作为室内负载31的例子。另外，蓄电池如二次镍-氢电池、二次锂电池、或二次锂离子电池、商用系统31，或它们的组合可用作负载3。电参数检测单元41，42，43，44，91，92，93及94

电参数检测单元41，42，43及44分别与太阳能电池串11至14相连接。在此情况下，电参数可包括电压，电功率，或电流。最好使用电流检测单元，因为使用电流检测甚至在系统工作时也能作测量。作为检测电参数的检测单元，尤其是电流检测单元，可以使用：采用电流测量标准电阻及霍耳元件或类似元件的电流传感器。在检测电流时，被检测电流值转换成电压，例如10A的电流被转换成100mV的电压，该电压被输出并传送到比较单元5。在此情况下，如果传送到比较单元5的距离长，则电压值可以经由光缆利用数字传输或采用PWM脉冲光的模拟量传输来传送。利用这种传输方法，可以消除噪音的影响，因此检测信号能被传送到远方位置上。

如果电压检测单元91，92，93及94用作电参数检测单元，由于电压值可直接用作参数，将会使系统的布置简化。

当电压检测单元91，92，93及94被用作电参数检测单元，则每个用作检测的光电转换单元只发射小量光(10mW/cm²或更小)的情况下便可更好地进行检测。比较单元5

比较单元5使被传送的检测值相互进行比较。如果一个有故障的太阳能电池串具有相对低的输出，即一个太阳能电池串具有偏离正常太阳能电池串组的值，则比较单元5就确定出该太阳能电池串出了故障，并将输出信号送到一个警告单元6。此外，比较单元5最好设计成暂时存储被传送数据及相互比较这些数据。利用这种布置，不使用专门的电池串作为标准值。因此，对于每个均具有随时间连续变化的输出特性的太阳能电池来说这种布置是特别有效的。为了这种应用目的，单片微计算机是非常适合的。但是，比较单元5也可仅使用模拟电路构成。如果该单元仅是使用模拟电路构成，例如，所有输入值都记录在一个采样/保持电路中，及将这些值分别输入到一个由运算放大器作的模拟量比较器，以便相互比较。应指出，这些比较值可利用模拟开关作转换。在此方法中，需使用复杂的电路。因此，仅是第一输入值可简单地用于标准值。在此情况下，输入值可被依次地相互比较，该电路可被大大地简化。假定在该方法中，第一输入值代表故障，甚至在此情况下，如果接着的输入值代表正常状态，则比较单元的确定值移到正的一方，允许确定非故障/故障状态。

作为比较单元5的工作方式，可使用：具有额定值的比较方式，它能被相对容易地实现；或采用标准偏移或指数分布的方式，该方式能作到故降的精确检测。警告单元6

作为警告单元6，可使用液晶显示器如TFT或FLC显示器，7段LED，用于个人电脑的显示器，或能作字符显示的类似显示器。这就是，该单元能清晰的显示发生故障的专门地点。

图3表示另一种适用于本发明的太阳能发电系统的故障检测装置。该装置还包括一个记录单元7，用于将数据记录一个长的时期，并可使用这种数据用于维护、检测等，及一个数据算术运算单元8。利用该记录单元7及算术运算单元8，可依次处理来自电参数检测单元41，42，43及44的数据。这就使操作者能更快地发现故障的太阳能电池串。记录单元7

作为记录单元7，可使用磁记录介质，如简易盒式磁盘(floppy disk)或半导体存储器。算术运算单元8

作为算术运算单元8，使用微计算机是适合的。实际上，为了方便的缘故，记录单元、算术运算单元8等可与警告单元6及比较单元5结合成一体，如图3中所示。信息传送单元61

作为信息传送单元61，可使用无线的或有线的信息传送单元在集中控制下传送及通行基于故障检测的数据。使用在作为传输线的电话线中的有调制解调器。图9仅示出信息传送单元61。但是，信息传送单元61也可用作警告单元。校正单元81

在本发明中，最好光线能均匀地入射到各个待比较的电池串或组上。但，如果事先知道，由于一定的安装条件光线是以预定的光量率入射到各个电池串或组上时，别在比较操作前，来自电池串或组的待比较的输出值可用校正单元81加以校正。控制单元82

控制单元82是由单片微计算机或类似装置构成的。控制单元82将基于来自比较单元5的数据进行断接控制，用以使与检测出故障的电池串相连接的电力转换单元从另外的电力转换单元上断开。实施例1

本发明将结合实施例在以下被详细的描述。

在此实施例中，作为太阳能电池模件，使用了USSC公司出品的非晶型太阳能电池模件(标称输出：22W)。形成了具有输出电压大约为200V的十个太阳能电池串。每串是由14个非晶型太阳能电池组件串联构成的。来自这些太阳能电池串的电线将延伸到屋内。这些电线并联连接以形成具有3KW输出的太阳能电池组。如图1所示，这个太阳能电池组的输出被连接到电力转换单元2。作为电力转换单元2，使用了Nihon Denchi K.K.(日本电气株式会社)出品的一种系统互连逆变器(商标名Line Back)。电力转换单元2的输出连接到作为负载3的电力系统，由此形成了具有图3所示结构的系统互连系统。

根据太阳能电池串的数目使用了十个霍耳元件作的电流传感器(由U-RD公司出品，商标名：HCS-20-SC-A-2.5)，用以检测各个太阳能电池串中的电池串电流。这种电流传感器用于在不切割电线的情况下检测电流并将其转换成电压值。使用在该实施例中的每个传感器将1A的电流转换成0.2V的电压。这些电流检测元件被布置在室内的电池串电线上。来自这些元件的输出将被输入到个人计算机，该计算机同时用作经由A/D转换器的比较单元及警告单元。数据暂时地被个人计算机记录。太阳能电池串电流中的最大电流被定义成100，来自其余太阳能电池串的输出电流与该最大电流比较。作为用以比较的电流值，由于以下的原因，使用每天从10点钟到14点钟内每小时所检测的电流值的平均值。因为通常在这个时间区段，太阳光均匀地照射的电池屏上，故能更精确地使太阳能电池串相互比较。

图11A表示从各个电池串检测的上述电流测量值的初始测量数据。类似地，图11B表示上述测量一年后得到的各电流串的测量数据。参照图11A及11B，其纵座标轴表示相对电流值；其横座标轴代表太阳能电池串号码。比较这些数据可作出决定。参照图11A，太阳能电池串NO.4被选作标准。参照图11B，太阳能电池串NO.8被选作标准。为上所述，根据本发明不需使用专设的标准电池串。在测量数据中具有相当好的相对电流值的太阳能电池串被识别为一个组，可适当地从这个组中选出一个标准电池串。该标准电池串的输出可用作标准值。此外，来自太阳能电池串的输出的平均值也可被用作标准值。

参照图11B，可明显看出，在太阳能电池串NO.2及NO.7中其输出值出现下降。这种状态可被检测出来，并能产生出警告。然后系统的管理人员可采用适当措施，诸如根据这些输出下降及警告而更换太阳能电池串。对于每种系统(太阳能电池产品)可适当地确定用于确定出这种输出下降的标准值。尤其是，因为许多太阳能电池在制造过程中具有大约10％的输出偏差量，一个下降值、如降低约20％可考虑为标准值。

从该实施例的描述可清楚看到，本发明的特征在于：用于确定太阳能电池串是否已有故障的判据是随着系统的安装位置动态地变化的。由于这个特征，可以精确地检测故障电池串，而不管其安装位置及损坏状态为何。上述实施例代表了其中使用非晶态太阳能电池模件的情况。但是，甚至使用结晶的太阳能电池模件来代替非晶态太阳能电池模件时也能获得与上述相同的效果。该实施例1的操作如图2的流程图中所示。实施例2

在该实施例中，一个系统包括构成太阳能电池组的分组，以取代上述实施例中的太阳能电池串。即为，电流是以分组为单元进行检测的，每个分组包括与上述实施例相同数目的太阳能电池模件。利用从具有相同结构的分组测得的电流的比较可以检测出故障的分组，并产生出故障警告。

实际上，使用这种布置，检测故障的精确度稍许有些变差，因为由一个传感器监测的模件数目增大了，但是显然能够测得与上述实施例类似的故障。如果故障检测是以这种方式以分组为单位进行的，则根据本发明的故障检测装置可被容易地安装，甚至是在100KW或更大的大规模太阳能发电系统中。实施例3

在实施例3中，实现了如图3所示的布置。利用连接12个由USSC公司出品的屋顶安装式非晶型太阳能电池组件(标称输出：22W)彼此串联形成了具有180V电压的太阳能电池串，再由58个这样的太阳能电池串并联形成了一个太阳能电池组。使用电流测量电阻(0.01Ω)来检测电池串电流。该检测值被输入到一个记录器(由YOKOGAWA电气公司出品，商标名：HR2300)记录器的输出经由一个GPIB总线被存入个人计算机，这些数据被记录在磁光盘中。如上所述，在该实施例中，记录单元7，算术运算单元8，比较单元5及警告单元6是由个人计算机及磁光盘构成的，并形成了如图3所示的整体形式。

图12是表示由对电池串进行180天的检测所获得的相对比较结果的相对特性曲线。在该实施例中，确定了每个电池串的非故障/故障状态，并使用了计算测量点上这些相对特性曲线斜率的斜率计算方法来检测出故障，也即计算电池串电流的偏差率。

参照图12，用“好”来表示具有斜率为0的非故障电池串，而故障电池串呈现输出逐渐下降的负斜率，用“坏”来表示它。由本发明人作出的研究可以知道，太阳能电池串变质产生的偏差值小于在同样环境中太阳能电池组件特性的偏差值(约±10％)。因此利用上述斜率方法检验基于每个电池串的相对特性曲线，则在相应斜率变成负的时间点，即图12中由“F”表示的时间点上可以检测出故障的电池串，并可产生出警告。更具体地，如果在目前测量输出值前十天测量的相对输出值大于目前值30％至50％时，则可确定出该相应的电池串很快将损坏。如果将仅相差一天的电池串电流进行相互比较，因为电池模件特性偏差值(约±10％)如上所述是大的，则在一定时间点以前不会产生警告，在该时间点上特性变质已发展到一定程度，如在图12中用“H”表示该时间点。当如在该实施例中进行长时期数据监测时，可以更快地检测出故障，相应的测量可以快地进行。此外，尤其是在树脂封装的太阳能电池模件中，因为电流下降值连续地改变，可预测出故障的太阳能电池模件，以便作维修及检查。

如上所述，在本发明中设置了记录单元及算术运算单元来检测数据及进行电参数的算术运算，以便获得偏移率。如果利用相互比较这些偏移率检测出一个故障，则能很快地产生出警告。此外，因为记录了电参数的检测数据，使用这些数据可以发现出故障的原因。

该实施例3的操作表示在图4的流程图中。实施例4

图5表示实施例4。

利用电压检测单元9，即使用检测单元91至94取代实施例1中用作电参数检测单元的电流检测单元来检测电池串11至14的电压值。作为负载3，设置了一个商用系统31及一个户内负载32。该实施例的布置除去上述点以外与实施例1的相同。当使用电压检测单元9时，必须在确认光量小、即10mW/cm²以后才能进行测量。此外，为了消除由于随负载变化引起的电压变化产生的误差，最好是在电路开路状态时进行测量。

由于上述布置，本发明可用相对简单的装置结构来实现。

实施例4的操作表示在图6的流程图中。实施例5

图7表示实施例5。该实施例的布置除去太阳能电池组分为两组外，均与实施例1中的相同。这两个太阳能电池组设置在入射光量不同的位置上，及利用一个校正单元对各个组的电流检测值数据进行校正。因此，这些数据能相互进行比较。

当各个太阳能电池组被安装时，将各个太阳能电池组的电流检测值进行比较，在该结果值的基础上在校正单元中建立校正值。

利用这种布置，太阳能电池组可被安装在入射光量不同的同一位置的不同角度上。

实施例5的操作表示在图8的流程图中。实施例6

图9表示实施例6。

利用对每个电池串的每个电力转换单元来进行电力转换。然后分别用电参数检测单元41至44对结果值进行检测。利用比较单元5使各个电池串相互比较。

如果在电池串中发现了故障，控制单元82将停止该相应电池串的电力转换单元的工作。在此同时，利用信息传送单元61通过导线使相应的信息显示在远方的显示器上。由于这种布置，仅是一个故障电池串从发电系统中断开，并在同时，可产生关于故障的警告。

实施例6的操作表示在图10中。

如上所述，根据本发明可获得以下的效果。

(1)在每个安装地点可确定一个精确的标准值并随时间推移而更新，以使得作为光电转换元件的太阳能电池串及分组的故障部分能被精确地检测出来。尤其是在非晶态太阳能电池中，变坏的状态依赖于安装位置及使用历史而变化。因此，如果在本发明中确定非故障/故障状态的判据能根据变坏的状态改变，则可在考虑变坏状态的情况下检测出故障部分。类似地，本发明对于树脂封装的光电转换元件是有效的，因为每个元件的特性是随时间改变的。

(2)利用记录作为数据的电参数及校核记录数据随时间的变化，可以快速地产生出故障警告，并可利用信息传输单元实现多个电池串的集中控制。因此，在严重故障，如输出的极大下降发生前便能更换故障部分。此外，数据记录有助于对故障原因的全面搜索。

如以上已描述的，本发明对于一种发电系统的防护性维护是非常有效的，并对大型太阳能发电系统尤其有效。此外，这种警告单元可结合在电力转换单元的控制单元中，以使得当故障部分从其中切除后可仅使用非故障部分使系统工作。因此，系统的可靠性能被改善。

Claims (14)

1 一种发电系统，包括：

发电装置，其中多个光电转换元件位于一个并联电路中；

故障检测装置，具有检测装置，用于独立地检测所述并联电路中的光电转换元件的每一个的输出，及比较装置，用于通过将从由所述检测装置检测的多个输出值及输出值的平均值中选择一个值作为一个参考值，并将所述输出值的每一个与参考值相比较来检测出现故障的所述光电转换元件。

2 根据权利要求1所述的系统，其中所述光电转换元件是具有相互之间串联起来的多个太阳电池的元件。

3 根据权利要求1所述的系统，其中所述光电转换元件是具有非单晶半导体元件的元件。

4 根据权利要求3所述的系统，其中所述非单晶半导体元件是非晶半导体元件。

5 根据权利要求1所述的系统，其中所述输出值是电流值。

6 根据权利要求5所述的系统，其中当所述光电转换元件操作时，所述检测装置检测输出值。

7 根据权利要求1所述的系统，其中所述输出值是电压值。

8 根据权利要求7所述的系统，其中所述光电转换元件是用不超过10mW/cm²的光能量来照射的。

9 根据权利要求1所述的系统，其中所述发电装置与一个电子系统的负载相连。

10 根据权利要求1所述的系统，其中所述发电装置与一个电子蓄电池相连。

11 根据权利要求1所述的系统，其中所述比较装置包括一个单片微处理器。

12 根据权利要求1所述的系统，其中所述故障检测装置具有计算装置，用于计算从所述光电转换元件输出的电流的变化率，所述比较装置相对地比较由所述计算装置计算的变化率。

13 根据权利要求1所述的系统，其中所述故障检测装置具有存储装置，用于存储来自于所述检测装置的多个输出值，所述比较装置根据存储在所述存储装置中的所述输出值检测出现故障的光电转换元件。

14 根据权利要求1所述的系统，进一步包括一个警告装置，用于当所述故障检测装置检测到所述出现故障的光电转换元件时发出警告。

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