CN108627732A - 一种基于交叉电压检测的光伏电池板故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交叉电压检测的光伏电池板故障诊断方法。针对光伏系统电池板短路故障、开路故障和遮荫故障及传统的电气测量光伏电池板的故障方法，本发明通过光伏系统电池板在最大功率点的工作特性，结合其电压电流曲线，提出了一种交叉电压检测方法和改进交叉电压检测方法。该方法能够有效完成对光伏系统电池板的短路故障、开路故障和遮荫故障的诊断和故障定位。本发明提出的交叉电压检测方法，对比传统电气测量方法，能够减少一半的电压表，本发明提出的改进的交叉电压检测方法，可以大大减少电压表和电流表的数量，降低成本；本发明提出的故障诊断方法可以扩展运用到其他电力系统设备的故障检测，具有广泛的工程应用价值。

Description

一种基于交叉电压检测的光伏电池板故障诊断方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统故障检测领域，尤其是一种光伏电池板热斑故障检测方法。

背景技术

太阳能作为一种可再生、无污染的新能源，越来越受到人们的重视，每年光伏电站的装机容量增长迅速。随着光伏产业的快速发展，光伏电站工作状态的自动监控和故障诊断成为维护电站正常工作的首要任务。而光伏电站的运行与每一块光伏阵列的工作状态息息相关。当光伏组件发生局部遮阴或组件老化时，产生的热斑效应会使光伏转换受到影响，如果不能及时发现，情况严重时会造成光伏电池的永久性损坏，影响光伏电站的安全运行及经济效益。

为了保障光伏系统的安全运行，光伏热斑效应保护与检测方法主要有：1)并联二极管法，该方法主要是通过旁路二极管将被遮挡的光伏组件进行短路，防止光伏组件因发热被烧毁，该方法可以一定程度上延长光伏电池板的寿命，但不能避免热斑效应的发生；2)多传感器检测法，通过设计检测结构，采集一些电气参数进行故障诊断和故障组件定位，该方法安装复杂，成本高；3)电气测量法，该方法利用故障状态下光伏阵列的电流、电压的变化，并建立相应的故障检测模型或规则库，进行光伏故障诊断。该方法的主要难点是需要考虑温度、光照和风速等外界环境的变化，诊断模型的建立困难，而诊断模型直接影响了故障检测精度和效率；4)红外图像法，红外图像能够直观的反映被测物体的温度特性，现已被广泛应用于工业、建筑和电力监控等领域的故障检测。根据不同工作状态下的光伏组件存在明显温差的特征，光伏系统中通过对红外图像的处理与分析，可以提取可能的热斑现象故障区域及区域的特征信息，从而能够实现对光伏电池单体工作状态正常与否进行识别。

光伏系统一般由几块光伏组件进行串并联构成。因此，要对一个光伏系统进行故障诊断，最简单的方法就是对其中的每一块光伏组件安装一个电压或电流传感器进行实时监测，通过分析监测数据判断光伏组件是否发生了故障。对于大规模的光伏电站，这种方法显然是不可行的，因为它增加了系统成本和安装难度。

基于电气测量法是最简单的方法，其中最普遍的一种方法是对PV系统的I-V曲线进行测量，比较测量得到的曲线和理论曲线就能够判断光伏系统是否发生了故障。如中国专利申请号CN201510049056.0公开了一种基于云平台的各个支路电压电流光伏故障诊断系统；中国专利申请号CN201510038794.5公开了一种基于理论计算和数据分析的光伏故障诊断系统和诊断方法。利用电气测量法可以通过对光伏阵列的输出电压和电流的对比对故障组件的类型和位置进行快速精准定位。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于交叉电压检测光伏电池板故障诊断方法。通过对光伏电池板模型各个部分的电压和电流监测并在MPPT工作的情况下，通过比较检测到的电流确定发生故障的支路，然后通过比较检测到的电压确定发生故障的具体位置。本发明提的一种基于交叉电压检测光伏电池板故障诊断方法，包括以下步骤：

S1：确定系统的辨识度L，为每相邻两个电压传感器之间间隔的光伏组件的数目(N为偶数时，L≤N/2；N为奇数时，L≤(N+1)/2)；

S2：对于一个M*N的SP结构的光伏阵列，可以用公式计算出所使用的传感器数目；

S3：按照步骤2的计算结果布置电流表和电压表的位置；

S4：搭建检测系统完成，使得各个传感器正常工作；

S5：测得各支路的电流为I1～IM，以及支路中的组件电压Uij；

S6：光伏阵列故障支路以及故障类型判定。光伏系统故障一般有短路故障、开路故障和遮荫故障三种情况。其中，短路故障是某条支路中光伏电池模块被短路，开路故障是光伏电池模块中有块被断开，遮荫故障是光伏模块有块被不明物体遮挡。在光伏阵列结合MPPT算法的情况下，即光伏阵列工作能够稳定高效地工作在最大功率点时，若发生短路故障，作为电流源的光伏电池数目的减少会导致输出电流的减少，且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路的电流也会出现暂时的为负的情况；若发生开路故障，故障支路的输出电流将会出现近似于零的情况，但是由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；若发生遮荫情况，故障支路的输出电流也将减少。因此可以得出，在每条支路的串联组件数相同时，支路是否故障可以通过支路间输出电流的大小来判断，并通过对电流是否出现近似于零、小于零等情况来判定故障；

S7：故障支路中故障位置的判定。根据基尔霍夫电流定理，故障支路中正常工作的光伏组件的输出电流会因为与故障组件串联而减少，而流过二极管和电阻的电流增大会使正常的光伏组件的输出电压升高，因此在对检测到的支路电压进行分析时，当N为偶数时，检测的组件个数为N/2个，若其输出电压大于U/2，(其中U为光伏阵列输出电压)，则故障不在这N/2个组件中，若电压小于U/2，则故障点在这N/2个组件之中；当N为奇数时，检测的组件个数为(N+1)/2个，同理可以通过电压之间的比较准确的找到故障点位置。

进一步，所述S2中计算电压和电流传感器的数目，包括以下步骤：

S21：对于基本交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S211：对于M*N光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为每条支路一个共M个；

S212：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式1计算；

S22：对于改进交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S221：对于M*N个光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为一个，然后可以通过一个电子选择开关接到每条支路上；

S222：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式2计算；

进一步，所述S3中电压表的放置位置具体方法为：

S31：对于基本交叉电压检测法。对于电流表，每条支路一个，对于电压表，从每条支路的起点光伏元件开始，每个电压表两端有S个光伏元件；

S32：对于改进交叉电压检测方法。检测系统共有一支电流表，通过选择开关可以接到每条支路上；共有N/2L个电压表，和基本交叉电压检测方法一样，从支路起点光伏元件开始，每隔S个光伏元件引出一条线，然后各个支路相同位置引出的线接到一个选择开关上去。整个电池板等价于只有一条支路，然后按照基本交叉电压检测法布置电压表的位置。可以通过各个选择开关测得每条支路对应位置的电压。

进一步，所述步骤S6光伏阵列故障支路以及故障类型判定，包括以下具体步骤：

S61：提取异常支路电压电流数据；

S62：若故障为开路故障，即相当于故障支路串联了一个无穷大电阻，电流会出现接近于0的情况，然而由于系统中有MPPT算法控制器，在开路故障的情况下，由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；

S63：若故障为短路故障，就是由于某个或某几个光伏组件被短接了，相当于阵列的光伏电池将减少，使得支路中的电流减小从而导致了输出功率的降低，并且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路的电流也会出现暂时的为负的情况。

S64：若故障为发生局部遮荫情况，即部分光伏组件受到的光照强度不一样，使得相应的光伏组件的最大功率点产生变化，并出现输出电流一定程度的减小的情况；

进一步，所述步骤S7故障支路中故障位置的判定，包括以下具体步骤：

S71：根据步骤S6确定故障类型；

S72：若故障为开路故障，假设判断支路一为故障支路，且故障类型为开路故障。光伏阵列发生开路故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，可以减少发生故障后系统的功率的损失。若U11>U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第三个光伏组件；

S73：若故障为短路故障；假设判断支路一为故障支路，且故障类型为短路故障。光伏阵列发生短路故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U12>U/2，U11<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第一个光伏组件；

S74：若故障为局部遮荫情况，光伏阵列发生遮荫故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U11<U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件在传感器1和传感器2都检测到的光伏组件中，即故障组件为第二个光伏组件。

本发明的优点在于：其一，提供了一种基于交叉电压检测和一种改进交叉电压检测的光伏电池板故障诊断方法，能够有效的实现故障的诊断，并诊断出具体的故障类型；其二，在确定故障类型之后，可以根据光伏理论进一步确定故障位置；其三，采用了交叉测量的方法定位故障点，对于基本交叉检测方法减少了一半电压传感器的数量，而对于改进交叉电压检测方法，只需要一只电流表和一条支路上的电压表数量即可，大大减少了电压表和电流表的数量。进一步降低了成本；其四，提出的故障诊断方法可以扩展运用到其他电力系统设备的故障检测，具有广泛的工程应用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为基于交叉电压检测光伏电池板故障诊断方法流程图；

图2为故障类型和故障位置确定流程图；

图3为基于SP结构的故障诊断系统示意图；

图4为SP结构交叉测量方法的光伏阵列电压和电流传感器布置示意图；

图5为SP结构改进交叉测量方法的光伏阵列电压和电流传感器布置示意图；

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的描述。

图1为基于交叉电压检测光伏电池板故障诊断方法流程图，图2为故障类型和故障位置确定流程图；图3为基于SP结构的故障诊断系统示意图；图4为SP结构光伏阵列电压和电流传感器布置示意图；图5为SP结构改进交叉测量方法的光伏阵列电压和电流传感器布置示意图。如图所示：本发明提供的一种光伏电池板故障检测方法，包括以下步骤：

S1：确定系统的辨识度L，为每相邻两个电压传感器之间间隔的光伏组件的数目(N为偶数时，L≤N/2；N为奇数时，L≤(N+1)/2)；

S2：对于一个M*N的SP结构的光伏阵列，可以用公式计算出所使用的传感器数目；

S3：按照步骤2的计算结果布置电流表和电压表的位置；

S4：搭建检测系统完成，使得各个传感器正常工作；

S5：测得各支路的电流为I1～IM，以及支路中的组件电压Uij；

S6：光伏阵列故障支路以及故障类型判定。光伏系统故障一般有短路故障、开路故障和遮荫故障三种情况。其中，短路故障是某条支路中光伏电池模块被短路，开路故障是光伏电池模块中有块被断开，遮荫故障是光伏模块有块被不明物体遮挡。在光伏阵列结合MPPT算法的情况下，即光伏阵列工作能够稳定高效地工作在最大功率点时，若发生短路故障，作为电流源的光伏电池数目的减少会导致输出电流的减少，且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路的电流也会出现暂时的为负的情况；若发生开路故障，故障支路的输出电流将会出现近似于零的情况，但是由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；若发生遮荫情况，故障支路的输出电流也将减少。因此可以得出，在每条支路的串联组件数相同时，支路是否故障可以通过支路间输出电流的大小来判断，并通过对电流是否出现近似于零、小于零等情况来判定故障；

S7：故障支路中故障位置的判定。根据基尔霍夫电流定理，故障支路中正常工作的光伏组件的输出电流会因为与故障组件串联而减少，而流过二极管和电阻的电流增大会使正常的光伏组件的输出电压升高，因此在对检测到的支路电压进行分析时，当N为偶数时，检测的组件个数为N/2个，若其输出电压大于U/2，(其中U为光伏阵列输出电压)，则故障不在这N/2个组件中，若电压小于U/2，则故障点在这N/2个组件之中；当N为奇数时，检测的组件个数为(N+1)/2个，同理可以通过电压之间的比较准确的找到故障点位置。

进一步，所述S2中计算电压和电流传感器的数目，包括以下步骤：

S21：对于基本交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S211：对于M*N个光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为每条支路一个共M个；

S212：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式1计算；

S＝N/2L×M (1)

S22：对于改进交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S221：对于M*N个光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为一个，然后可以通过一个电子选择开关接到每条支路上；

S222：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式2计算；

S＝N/2L (2)

进一步，所述S3中电压表的放置位置具体方法为：

S31:对于基本交叉电压检测法。对于电流表，每条支路一个，对于电压表，从每条支路的起点光伏元件开始，每个电压表两端有S个光伏元件；

S32：对于改进交叉电压检测方法。检测系统共有一支电流表，通过选择开关可以接到每条支路上；共有N/2L个电压表，和基本交叉电压检测方法一样，从支路起点光伏元件开始，每隔S个光伏元件引出一条线，然后各个支路相同位置引出的线接到一个选择开关上去。整个电池板等价于只有一条支路，然后按照基本交叉电压检测法布置电压表的位置。可以通过各个选择开关测得每条支路对应位置的电压。

进一步，所述步骤S6光伏阵列故障支路以及故障类型判定，包括以下具体步骤：

S61：提取异常支路电压电流数据；

S62：若故障为开路故障，即相当于故障支路串联了一个无穷大电阻，电流会出现接近于0的情况，然而由于系统中有MPPT算法控制器，在开路故障的情况下，由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；

S63：若故障为短路故障，就是由于某个或某几个光伏组件被短接了，相当于阵列的光伏电池将减少，使得支路中的电流减小从而导致了输出功率的降低，并且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路电流也会出现暂时为负的情况。

S64：若故障为发生局部遮荫情况，即部分光伏组件受到的光照强度不一样，使得相应的光伏组件的最大功率点产生变化，并出现输出电流一定程度的减小的情况；

进一步，所述步骤S7故障支路中故障位置的判定，包括以下具体步骤：

S71：根据步骤S6确定故障类型；

S72：若故障为开路故障，假设判断支路一为故障支路，且故障类型为开路故障。光伏阵列发生开路故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，可以减少发生故障后系统的功率的损失。若U11>U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第三个光伏组件；

S73：若故障为短路故障；假设判断支路一为故障支路，且故障类型为短路故障。光伏阵列发生短路故障后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U12>U/2，U11<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第一个光伏组件。

S74：若故障为局部遮荫情况，光伏阵列发生遮荫故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U11<U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件在传感器1和传感器2都检测到的光伏组件中，即故障组件为第二个光伏组件。

本实施例将交叉测量方法提出了一种基于交叉电压检测以及改进交叉电压检测的光伏电池板故障诊断方法，不仅能有效的进行光伏电池板故障的类型诊断，并给出故障的具体位置，而且可以降低故障诊断成本，从而促进光伏发电系统安全有效运行。

以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于交叉电压检测光伏电池板故障诊断方法：包括以下步骤：

S1：确定系统的辨识度L，为每相邻两个电压传感器之间间隔的光伏组件的数目(N为偶数时，L≤N/2；N为奇数时，L≤(N+1)/2)；

S2：对于一个M*N的SP结构的光伏阵列，可以用公式计算出所使用的传感器数目；

S3：按照步骤2的计算结果布置电流表和电压表的位置；

S4：搭建检测系统完成，使得各个传感器正常工作；

S5：测得各支路的电流为I1～IM，以及支路中的组件电压Uij；

S6：光伏阵列故障支路以及故障类型判定。光伏系统故障一般有短路故障、开路故障和遮荫故障三种情况。其中，短路故障是某条支路中光伏电池模块被短路，开路故障是光伏电池模块中有块被断开，遮荫故障是光伏模块有块被不明物体遮挡。在光伏阵列结合MPPT算法的情况下，即光伏阵列工作能够稳定高效地工作在最大功率点时，若发生短路故障，作为电流源的光伏电池数目的减少会导致输出电流的减少，且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路的电流也会出现暂时的为负的情况；若发生开路故障，故障支路的输出电流将会出现近似于零的情况，但是由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；若发生遮荫情况，故障支路的输出电流也将减少。因此可以得出，在每条支路的串联组件数相同时，支路是否故障可以通过支路间输出电流的大小来判断，并通过对电流是否出现近似于零、小于零等情况来判定故障；

S7：故障支路中故障位置的判定。根据基尔霍夫电流定理，故障支路中正常工作的光伏组件的输出电流会因为与故障组件串联而减少，而流过二极管和电阻的电流增大会使正常的光伏组件的输出电压升高，因此在对检测到的支路电压进行分析时，当N为偶数时，检测的组件个数为N/2个，若其输出电压大于U/2，(其中U为光伏阵列输出电压)，则故障不在这N/2个组件中，若电压小于U/2，则故障点在这N/2个组件之中；当N为奇数时，检测的组件个数为(N+1)/2个，同理可以通过电压之间的比较准确的找到故障点位置。

进一步，所述S2中计算电压和电流传感器的数目，包括以下步骤：

S21：对于基本交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S211：对于M*N个光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为每条支路一个共M个；

S212：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式1计算；

S＝N/2L×M (1)

S22：对于改进交叉电压检测方法，包括以下步骤：

S221：对于M*N个光伏组件构成的光伏电池板，即M条支路进行并联，每条支路由N个光伏组件串联组成。电流传感器的数目为一个，然后可以通过一个电子选择开关接到每条支路上；

S222：对于每条支路的电压传感器数目的确定，要根据系统检测要求的辨识度L来决定。对于每条支路N个光伏元件，则该支路所需要的电压传感器数目可由公式2计算；

S＝N/2L (2)

进一步，所述S3中电压表的放置位置具体方法为：

S31:对于基本交叉电压检测法。对于电流表，每条支路一个，对于电压表，从每条支路的起点光伏元件开始，每个电压表两端有S个光伏元件；

S32：对于改进交叉电压检测方法。检测系统共有一支电流表，通过选择开关可以接到每条支路上；共有N/2L个电压表，和基本交叉电压检测方法一样，从支路起点光伏元件开始，每隔S个光伏元件引出一条线，然后各个支路相同位置引出的线接到一个选择开关上去。整个电池板等价于只有一条支路，然后按照基本交叉电压检测法布置电压表的位置。可以通过各个选择开关测得每条支路对应位置的电压。

进一步，所述步骤S6光伏阵列故障支路以及故障类型判定，包括以下具体步骤：

S61：提取异常支路电压电流数据；

S62：若故障为开路故障，即相当于故障支路串联了一个无穷大电阻，电流会出现接近于0的情况，然而由于系统中有MPPT算法控制器，在开路故障的情况下，由于发生开路故障下支路中的其他组件的开路电压将大大超过其他支路的工作电压，使得出现开路故障的组件受到一个反向电压从而使得二极管导通，整个支路开始重新工作，但输出电流会相应减少；

S63：若故障为短路故障，就是由于某个或某几个光伏组件被短接了，相当于阵列的光伏电池将减少，使得支路中的电流减小从而导致了输出功率的降低，并且电流会由电压高的支路向电压低的支路流，短路的支路的电流也会出现暂时的为负的情况。

S64：若故障为发生局部遮荫情况，即部分光伏组件受到的光照强度不一样，使得相应的光伏组件的最大功率点产生变化，并出现输出电流一定程度的减小的情况；

进一步，所述步骤S7故障支路中故障位置的判定，包括以下具体步骤：

S71：根据步骤S6确定故障类型；

S72：若故障为开路故障，假设判断支路一为故障支路，且故障类型为开路故障。光伏阵列发生开路故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，可以减少发生故障后系统的功率的损失。若U11>U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第三个光伏组件；

S73：若故障为短路故障；假设判断支路一为故障支路，且故障类型为短路故障。光伏阵列发生短路故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U12>U/2，U11<U/2，因此可以确定故障组件的位置为支路一中的第一个光伏组件。

S74：若故障为局部遮荫情况，光伏阵列发生遮荫故障过后，通过改进型的MPPT依然可以稳定的工作在最大功率点处，进而减少发生故障后系统的功率的损失。且U11<U/2，U12<U/2，因此可以确定故障组件在传感器1和传感器2都检测到的光伏组件中，即故障组件为第二个光伏组件。