CN110401413B - 一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法，在s×r的光伏阵列中，将第一个电压传感器的正端连接到第一列第一个节点，负端连接到第二列的第二个节点；第二个电压传感器的正端连接到第一列第二个节点，负端连接到第二列第三个节点；依此类推，直到第(s‑1)个电压传感器的正端连接到第一列的第(s‑1)个节点，负端连接到第二列的第一个节点。故障下电压传感器的示数跟正常工作时的电压传感器的示数不同，根据电压传感器的示数可以判断故障的类型和位置。本发明使用电压传感器数量较少；模块化结构，连接方式简单，故障检测和定位计算量较少；对于光伏阵列中单个光伏板故障，同列中不同光伏板故障以及不同列中不同光伏板故障均具有检测功能。

Description

一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法，属于新能源领域中的故障检测技术。

背景技术

太阳能发电技术可以将可再生太阳能源源不断地转化为电能，汇集到微电网中，进而有效地缓解能源危机问题。近年来随着太阳能转换技术的突破以及政府对新能源发展的激励政策，光伏发电规模发展十分迅速。据国家能源局统计数据显示，我国2017年光伏发电累计装机达到130.25GW。

但光伏系统由于其面积大、接地近、线路串并联复杂以及长期处于户外天气等因素，使得光伏阵列容易出现故障，既降低了光伏发电机的输出功率，也同时给故障检修工作人员带来很大的排查困难，因此光伏阵列的故障检测技术非常关键。

已有文献中的光伏阵列检测技术主要依赖于历史数据和人工智能等算法(参数辨识算法，故障特征量提取算法等)对故障点进行检测，但该类算法的前提是所需要的历史数据是通过电压传感器采集的。图1～图3为已有文献(“胡义华，陈昊，徐瑞东，李瑞.基于最优传感器配置的光伏阵列故障诊断[J].中国电机工程学报，2011，31(33)：19-30.”和“唐萁，朱永强，郝嘉诚.基于传感器最优布置的光伏阵列阴影诊断与定位[J].太阳能学报，2018，39(02)：513-519.”)中提到的电压传感器放置方式，详细说明如下。图1中为每个光伏板配置一个电压传感器，总共需要N＝sr个电压传感器，虽然该方法能够有效地检测每个光伏板的电压状况，但较多的电压传感器增加了硬件成本。类似地，图2中的电压传感器放置方式为，将各个平行的节点两两之间用电压传感器连接起来，总共需要N＝(s-1)(r-1)个电压传感器，其数目也相对较多，同时需要指出，该种放置方式只能检测出某个光伏板出现故障，对于多个光伏板故障检测能力不足，例如相邻的平行两个光伏板同时出现故障时，其电压传感器示数跟正常状态是一样的，从而导致检测失灵。图3中的检测方式为，在每个组串中除了首尾两个光伏板外，其余的(s-2)个光伏板各配置一个电压传感器，总共需要N＝(s-2)r个电压传感器，对比可见该种方式并未有突出优势。图4中的检测方式为，利用节点权值法，设计了电压传感器放置方式，总共需要N＝s(r-1)/2个电压传感器，虽然其使用电压传感器数目较少，但是其连接方式错综复杂，故障检测计算量也十分复杂，图4仅给出了4*4光伏方阵中电压传感器的连接方式，更大规模的光伏阵列中的电压传感器连接方式更加复杂，计算量更加复杂。图5利用单刀多掷开关，其使用电压传感器数目为N＝sr/4，虽然该方法使用较少的电压传感器，但是其不能在线检测，并且可靠性也较差。由此说明大规模的光伏系统所需电压传感器的成本和检测的精度是矛盾的，因此既能够降低电压传感器的数量并且能够有效地保证检测精度是值得研究的。

本发明针对光伏系统中光伏板的故障问题，提出一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测技术，既能保证使用较少的电压传感器数量并且连接方式非常简单，计算量少；同时又能保证对于光伏阵列中单个光伏板故障，同列光伏板内不同光伏板故障，不同列光伏板内不同光伏板故障的情况均具有检测功能。

发明内容

本发明旨在提出一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测技术，能够使用较少数量的电压传感器，并且能够保证对于光伏阵列中单个光伏板故障，同列光伏板内不同光伏板故障，不同列光伏板内不同光伏板故障的情况均具有准确的检测精度。

本发明具体技术方案步骤如下：一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法，述的光伏阵列系统是由s×r个光伏板组成，s≥2，r为偶数；其中，r列光伏板中列与列之间并联，每列中s个光伏板串联，每两个光伏板串联之间为一个节点，共形成(s-1)个节点；其电压传感器配置方式为：首先不重复地将相邻两列光伏板分为一个单元，r列光伏板共分为r/2个单元。各单元内电压传感器配置方式均为：第一个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第一个节点，负端连接到第二列光伏板的第二个节点；第二个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第二个节点，负端连接到第二列光伏板的第三个节点；依此类推，直到第(s-1)个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第(s-1)个节点，负端连接到第二列光伏板的第一个节点。由于故障下电压传感器的示数跟正常工作时的电压传感器的示数不同，根据电压传感器的示数可以判断故障的类型和位置，实现光伏阵列系统的故障检测。

进一步地，该系统中使用的电压传感器数目为：

进一步地，各单元的电压传感器示数互不影响，每个单元中电压传感器的示数等于正端的电势减去负端的电势，即V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1；其中，V_i表示第i个电压传感器示数，U_1，i表示单元内第1列第i个节点的电势，U_2，i+1表示单元内第2列第i+1个节点的电势，V_s-1表示第s-1个电压传感器示数，U_1，s-1表示单元内第1列第s-1个节点的电势，U_2，1表示单元内第2列第1个节点的电势。则：

(1)光伏阵列处于正常工作时，

各电压传感器的示数为

其中V_dc表示光伏阵列系统出口电压。

(2)当第m(m＝1，2)列第j(j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

(3)当第m(m＝1，2)列第j和第k(j≠k，k，j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，第k个节点的电势等于第k-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

(4)当第m列中第j(j＝1，2，3......，s-1)个光伏板和第(3-m)列中第k(k＝1，2，3......，s-1)个光伏板同时故障时，第m列各节点电势为：

第(3-m)列各节点电势为：

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

与现有技术相比，本发明的优点有：

(1)本发明使用的电压传感器数目比已有文献中的方法使用的数目少，且可靠性高。

(2)本发明使用的电压传感器放置方式比较简单，故障检测计算量少，布线简单，可模块化拓展。

(3)本发明对于单个光伏板故障和多个光伏板故障均具有检测功能。

附图说明

图1为已有文献中N＝sr的电压传感器配置方式；

图2为已有文献中N＝(s-1)(r-1)的电压传感器配置方式；

图3为已有文献中N＝s(r-2)的电压传感器配置方式；

图4为已有文献中N＝s(r-1)/2的电压传感器配置方式；

图5为已有文献中N＝sr/4的电压传感器配置方式；

图6为本发明所提N＝(s-1)r/2的电压传感器配置方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

一种基于电压传感器配置的光伏阵列系统故障检测方法，所述的光伏阵列系统如图6所示，是由s×r个光伏板组成，s≥2，r为偶数，其中，r列光伏板中列与列之间并联，每列中s个光伏板串联，形成(s-1)个节点；其电压传感器配置方式为：首先不重复地将相邻两列光伏板分为一个单元，r列光伏板共分为r/2个单元。各单元内电压传感器配置方式均为：第一个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第一个节点，负端连接到第二列光伏板的第二个节点；第二个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第二个节点，负端连接到第二列光伏板的第三个节点；依此类推，直到第(s-1)个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第(s-1)个节点，负端连接到第二列光伏板的第一个节点。在串联的光伏板中，当各光伏板正常工作时，各光伏板的端口电压基本相等，其值为V₁₁＝V₂₁＝…V_s1＝V_dc/s。由于其受热斑、遮挡、短路等故障会使得其输出功率和电流下降，为了避免某个光伏板故障后影响其他串联光伏板的工作，厂家通常会在光伏板正负极并联一个续流二极管，使得在某个光伏板故障下，整个组串仍能够继续工作。但是故障光伏板由于续流二极管导通后，其端口电压基本为零，因此其端口电压信号能够反映出其是否处于健康运行状态，例如当第3行第1列的光伏板P₃₁发生故障后(如图2所示)，其端口电压V₃₁＝0V，其他光伏板端口电压为V₁₁＝V₂₁＝V₄₁＝…V_s1＝V_dc/(s-1)，因此通过上述方式能够有效及时地发出报警信号，从而判断故障的类型和位置，缩小工作人员检查范围。

本发明系统中使用的传感器数目为：

与现有技术对比，如表1所示，本发明优点：(1)使用较少的电压传感器数量，减少硬件成本；(2)连接方式十分简单，故障检测计算量少，便于模块化拓展；(3)对于单个光伏板故障和多个光伏板故障均具有检测功能。

表1

本发明的基于电压传感器配置的光伏阵列系统故障检测方法中，各单元的电压传感器示数互不影响，每个单元中电压传感器的示数等于正端的电势减去负端的电势，即V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U1_，s-1-U_2，1；其中，V_i表示第i个电压传感器示数，U_1，i表示单元内第1列第i个节点的电势，U_2，i+1表示单元内第2列第i+1个节点的电势，V_s-1表示第s-1个电压传感器示数，U_1，s-1表示单元内第1列第s-1个节点的电势，U_2，1表示单元内第2列第1个节点的电势。则：

光伏阵列处于正常工作时，

各电压传感器的示数为

其中V_dc表示光伏阵列系统出口电压。

当第m(m＝1，2)列第j(j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

当第m(m＝1，2)列第j和第k(j≠k，k，j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，第k个节点的电势等于第k-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

当第m列中第j(j＝1，2，3......，s-1)个光伏板和第(3-m)列中第k(k＝1，2，3......，s-1)个光伏板故障时，第m列各节点电势为：

第(3-m)列各节点电势为：

1)。各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

下面通过具体的实施例对本发明的检测方法作进一步阐述。

由于r列光伏板被分成r/2个单元，每个单元内故障的光伏板只影响本单元内的电压传感器示数，而不影响其他单元的电压传感器示数。设4×4光伏板阵列，其中P_s，r为第s行第r列的光伏板，现在以第一个单元为例，介绍其故障检测原理。

实施1：单个光伏板故障的检测

当未出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₂₁出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₃₁出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₄₁出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₂₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₃₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₄₂出现故障时，各个电压传感器示数为

由此可看出，每个光伏板发生故障时，所对应的电压传感器示数各不相同，因此可以根据电压的示数反映出某个光伏板故障情况，例如，如果检测到各个电压传感器示数为

说明所有光伏板正常工作。如果检测到各个电压传感器示数为

说明是P₁₁光伏板发生故障情况，应对应发出警告信号，其他的也类似，不再赘述。

实施2：同列光伏板内两个光伏板发生故障的检测

当未出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁和P₂₁出现故障时，各电压传感器示数为

当P₁₁和P₃₁出现故障时，各电压传感器示数为

当P₁₁和P₄₁出现故障时，各电压传感器示数为

当P₂₁和P₃₁出现故障时，各电压传感器示数为V₁＝0V_dc，

当P₂₁和P₄₁出现故障时，各电压传感器示数为V₁＝0V_dc，

当P₃₁和P₄₁出现故障时，各电压传感器示数为V₁＝0V_dc，

当P₁₂和P₂₂出现故障时，各电压传感器示数为

V₂＝0V_dc，

当P₁₂和P₃₂出现故障时，各电压传感器示数为

V₂＝0V_dc，

当P₁₂和P₄₂出现故障时，各电压传感器示数为

当P₂₂和P₃₂出现故障时，各电压传感器示数为

当P₂₂和P₄₂出现故障时，各电压传感器示数为

当P₃₂和P₄₂出现故障时，各电压传感器示数为

由此可看出，每两个光伏板发生故障时，所对应的电压传感器示数各不相同，因此可以根据电压传感器示数反映出某个光伏板故障情况，例如，如果检测到各个电压传感器示数为

说明所有光伏板正常工作。如果检测到各个电压传感器示数为

说明是P₁₁和P₂₁光伏板发生故障情况，应对应发出警告信号，其他情况类似，不再赘述。

实施3：不同列光伏板内两个光伏板发生故障的检测

同单元内不同列两个光伏板发生故障的检测原理如下，由于情况繁多，只简单列几种：

当未出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁和P₁₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁和P₂₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁和P₃₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₁₁和P₄₂出现故障时，各个电压传感器示数为

当P₄₁和P₁₂出现故障时，各个电压传感器示数为V₁＝0V_dc，V₂＝0V_dc，

当P₄₁和P₂₂出现故障时，各个电压传感器示数为V₁＝0V_dc，V₂＝0V_dc，

当P₄₁和P₃₂出现故障时，各个电压传感器示数为

V₂＝0V_dc，

当P₄₁和P₄₂出现故障时，各个电压传感器示数为

类似地，如果检测到各个电压传感器示数为

说明是P₁₁和P₁₂光伏板发生故障情况，应对应发出警告信号，其他情况类似，不再赘述。

总结，本发明所述一种基于电压传感器配置的光伏阵列故障检测方法，能够有效检测出光伏阵列中单个光伏板故障，同列中不同光伏板故障以及不同列中不同光伏板故障情况，由于各子系统是电压检测是独立的，因此其他子系统也可类似检测出故障位置。

Claims (2)

1.一种基于电压传感器配置的光伏阵列系统故障检测方法，其特征在于，所述的光伏阵列系统是由s×r个光伏板组成，s≥2，r为偶数；其中，r列光伏板中列与列之间并联，每列中s个光伏板串联，每两个光伏板串联之间为一个节点，共形成(s-1)个节点；其电压传感器配置方式为：首先不重复地将相邻两列光伏板分为一个单元，r列光伏板共分为r/2个单元；各单元内电压传感器配置方式均为：第一个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第一个节点，负端连接到第二列光伏板的第二个节点；第二个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第二个节点，负端连接到第二列光伏板的第三个节点；依此类推，直到第(s-1)个电压传感器的正端连接到第一列光伏板的第(s-1)个节点，负端连接到第二列光伏板的第一个节点；由于故障下电压传感器的示数跟正常工作时的电压传感器的示数不同，根据电压传感器的示数可以判断故障的类型和位置，实现光伏阵列系统的故障检测；

各单元的电压传感器示数互不影响，每个单元中电压传感器的示数等于正端的电势减去负端的电势，即V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1；其中，V_i表示第i个电压传感器示数，U_1，i表示单元内第1列第i个节点的电势，U_2，i+1表示单元内第2列第i+1个节点的电势，V_s-1表示第s-1个电压传感器示数，U_1，s-1表示单元内第1列第s-1个节点的电势，U_2，1表示单元内第2列第1个节点的电势；则：

(1)光伏阵列处于正常工作时，

各电压传感器的示数为

其中V_dc表示光伏阵列系统出口电压；

(2)当第m(m＝1，2)列第j(j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1；

(3)当第m(m＝1，2)列第j和第k(j≠k，k，j＝1，2，3……，s)个光伏板故障时，第j个节点的电势等于第j-1个节点的电势，第k个节点的电势等于第k-1个节点的电势，则

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1；

(4)当第m列中第j(j＝1，2，3......，s-1)个光伏板和第(3-m)列中第k(k＝1，2，3......，s-1)个光伏板同时故障时，第m列各节点电势为：

第(3-m)列各节点电势为：

各电压传感器的示数为V_i＝U_1，i-U_2，i+1(i＝1，2，…s-2)，V_s-1＝U_1，s-1-U_2，1。

2.根据权利要求1所述的光伏阵列系统故障检测方法，其特征在于，该系统中使用的电压传感器数目为：

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