CN111711414B - 一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置，属于太阳能光伏发电技术领域,采用包括光伏阵列、采样模块、CPU模块、PWM驱动模块、Boost升压模块、输出模块、以及负载/逆变器模块的实现系统；方法包括：采样模块采集当前光伏阵列的输出电流和输出电压值，CPU模块以及PWM驱动模块计算最大功率点电压值，并且控制Boost升压模块，使系统输出功率达到最大；CPU模块检测系统是否出现故障，并且将结果送入输出模块。本发明采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值等实现方法，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；通过计算出的串联电阻、温度、短路电流、开路电压以及最大功率点的电压值，判断是否出现故障以及故障类型。
Description
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置。
背景技术
光伏电站使用寿命一般为25年，其安全性和可靠性的重要程度远大于其经济性。随着光伏电站的规模越来越大，由几十至上百MW级，光伏电站经常会发生各种灾害及故障，如何确保光伏电站的安全运行，在第一时间自动发现并排除火灾隐患，实现自动识别事故风险，防止或减少火灾危害，提高系统发电效率，已成为行业当务之急。引起火灾发生的原因包括：光伏热斑引起光伏组件的异常发热、光伏组件接线盒工艺问题、光伏组件内部并联防反二极管失效发热、直流段接线处氧化引起电阻增大而发热、感应雷电波形成的浪涌冲击等。
光伏系统故障是导致灾变发生的主要原因，因此需要在未料灾变发生之前排除可能发生的故障隐患，故障引起的系统各项参数指标的变化是灾变预测的依据，以便实现在灾变发生前提前预知。国内外一般采用的故障诊断方法包括：电流检测法、I-V曲线测量法、监控系统法、智能检测法、红外图像分析法、数学模型法等。从目前市场产品来看，光伏电站一般都在逆变器中自带监控系统装置，可以进行远程监控，目的是观察发电量状况；但无法发现故障隐患，只有在故障已经很严重时，才能发现系统异常，达不到预测灾变的目的。另外无人机搭载热成像仪热斑检测系统已在一些光伏电站中使用，但只能监测已经发展到严重程度的热斑，尚未实现智能化；而电流检测法、I-V曲线测量法、智能检测法目前产品应用上还很有限。无法应用的主要原因是技术还不是很成熟。
如何对光伏电站进行故障检测成为非常重要的问题，目前尚缺乏成熟有效的技术支持，因此需要结合各种方法的优缺点，采用智能优化方案，提出更有效的故障检测方法。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置。
本发明的技术方案是：
一种具有最大功率的光伏电站故障检测系统，包括：
光伏阵列、采样模块、CPU模块、PWM驱动模块、Boost升压模块、输出模块、以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述CPU模块输入端连接，所述CPU模块输出端与所述PWM驱动模块输入端以及所述输出模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接。
所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给CPU模块。
所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接。
所述CPU模块采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；通过计算出的温度、短路电流、开路电压以及最大功率点的电压值，判断是否出现故障以及故障类型。具体包括如下步骤：
步骤1：计算不变参数Rs、k0
(1)根据包括串联电阻Rs的伏安特性曲线方程：
式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，Iph为光生电流，Rs为串联电阻。
(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率Pmax0、最大工作电压Upm0、最大工作电流Ipm0、开路电压Uoc0、短路电流Isc0的值。
(3)根据在最大功率点处，
令Ipv＝Iph+I0，
则：
其中参数
T0为标准状态下的温度值。
(4)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：
联立公式(2)，推导出只有一个未知数Ipv的一维方程：
(5)方程(3)中只有一个未知数Ipv＝Iph+I0，根据Iph和I0的取值范围，确定出Ipv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，得出Ipv的值。
(6)令
则求出：
(7)则求出：
步骤2：计算当前短路电流Isc、开路电压Uoc和温度值
(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u1，电流值i1；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u2，电流值i2；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述CPU模块。
(2)代入到上述的伏安曲线方程(1)中，推导出只有一个未知数Isc的一维方程，采用二分法求解出Isc的值，从而得出当前温度T以及开路电压Uoc的值。
步骤3：计算最大功率点电压值Upm和电流值Ipm
(1)推导出只有一个未知数Ipm的一维方程：
(2)根据Isc/2<Ipm<Isc，采用二分法求解此方程，则得出最大功率点电流Ipm的值，再根据公式：
则计算出最大功率点电压值Upm。
步骤4：将计算得出的最大功率点电压值Upm转换成相应占空比的值，赋值给所述PWM驱动模块。
步骤5：对光伏电站进行故障检测
(1)通过当前的电流和电压值、上述计算出的串联电阻Rs、温度T、最大功率点的电压upm以及电流Ipm等值，判断是否出现故障以及故障类型。检测的故障类型包括：开路、短路、虚阴影遮挡、实阴影遮挡、老化、隐裂或碎片、光伏热斑。
(2)在系统正常情况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为用于检测的标准值。
(3)在当前状况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为待检测值。
(4)比较待检测值与标准值的误差，超出指定阈值时，认为系统出现异常。
步骤6：将上述所述CPU模块的检测结果送入所述输出模块，用于显示光伏电站故障诊断结果。
有益效果：
本发明的一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置与现有技术相比，具有如下优势：
(1)采用的伏安特性方程中，包含了串联电阻Rs，并且计算出了串联电阻Rs的值，采用系统计算出的Rs的值、温度值T、最大功率点电压和电流值区分各种故障类型。
(2)只需要检测两次电流和电压值，不需要检测温度和照度值，就可以通过计算得出系统当前的所有参数值，以及最大功率点电压值；而各种扰动法则需要多次检测电流和电压值，寻找最大功率点。
(3)数值算法都采用了易于实现的二分法进行运算。
附图说明
图1为本发明一种具有最大功率的光伏电站故障检测系统结构示意图；
图2为本发明一种具有最大功率的光伏电站故障检测系统的流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
实施实例1
如图1所示，一种具有最大功率的光伏电站故障检测系统，包括：
光伏阵列、采样模块、CPU模块、PWM驱动模块、Boost升压模块以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述CPU模块输入端连接，所述CPU模块输出端与所述PWM驱动模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接。
所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给CPU模块。
所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接。
如图2所示，所述CPU模块采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；通过计算出的温度、短路电流、开路电压以及最大功率点的电压值，判断是否出现故障以及故障类型。具体包括如下步骤：
步骤1：计算不变参数Rs、k0
(1)根据包括串联电阻Rs的伏安特性曲线方程：
式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，Iph为光生电流，Rs为串联电阻。
(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率Pmax0、最大工作电压Upm0、最大工作电流Ipm0、开路电压Uoc0、短路电流Isc0的值。
(3)根据在最大功率点处，
令Ipv＝Iph+I0，
则：
其中参数
T0为标准状态下的温度值。
(4)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：
联立公式(2)，推导出只有一个未知数Ipv的一维方程：
(5)方程(3)中只有一个未知数Ipv＝Iph+I0，根据Iph和I0的取值范围，确定出Ipv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，可以得出Ipv的值。
(6)令
则求出：
(7)则求出：
步骤2：计算当前短路电流Isc、开路电压Uoc和温度值
(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u1，电流值i1；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u2，电流值i2；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述CPU模块。
(2)代入到上述的伏安曲线方程(1)中，推导出只有一个未知数Isc的一维方程，采用二分法求解出Isc的值，从而得出当前温度T以及开路电压Uoc的值。
步骤3：计算最大功率点电压值Upm和电流值Ipm
(1)推导出只有一个未知数Ipm的一维方程：
(2)根据Isc/2<Ipm<Isc，采用二分法求解此方程，则得出最大功率点电流Ipm的值，再根据公式：
则计算出最大功率点电压值Upm。
步骤4：将计算得出的最大功率点电压值Upm转换成相应占空比的值，赋值给所述PWM驱动模块。
步骤5：对光伏电站进行故障检测
(1)通过当前的电流和电压值、上述计算出的串联电阻Rs、温度T、最大功率点的电压upm以及电流Ipm等值，判断是否出现故障以及故障类型。检测的故障类型包括：开路、短路、虚阴影遮挡、实阴影遮挡、老化、隐裂或碎片、光伏热斑。
(2)在系统正常情况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为用于检测的标准值。
(3)在当前状况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为待检测值。
(4)比较待检测值与标准值的误差，超出指定阈值时，认为系统出现异常。
步骤6：将上述所述CPU模块的检测结果送入所述输出模块，用于显示光伏电站故障诊断结果。
Claims (1)
1.一种具有最大功率的光伏电站故障检测装置，利用复杂的伏安特性方程和二分法实现，其特征在于：所述具有最大功率的光伏电站故障检测系统包括：光伏阵列、采样模块、CPU模块、PWM驱动模块、Boost升压模块、输出模块、以及负载/逆变器模块；所述采样模块的输入端与所述光伏阵列输出端连接，所述采样模块的输出端与所述CPU模块输入端连接，所述CPU模块输出端与所述PWM驱动模块输入端以及所述输出模块输入端连接，所述PWM驱动模块输出端与所述Boost升压模块输入端连接，所述Boost升压模块输出端与所述负载/逆变器模块输入端连接；
所述采样模块包括电压采样模块和电流采样模块，电压采样模块和电流采样模块分别与所述光伏阵列输出端连接，用于实时采集光伏阵列的输出电压和输出电流，并发送给CPU模块；
所述Boost升压模块包括MOSFET开关管，所述MOSFET开关管的输入端与所述PWM驱动模块的输出端连接；
所述CPU模块采用复杂的非线性伏安特性方程、电池板在标准状态下的参数值、两次采集电压和电流值，结合二分法进行数值计算，从而得出当前的短路电流、开路电压、温度以及最大功率点的电压和电流值；通过计算出的串联电阻、温度、短路电流、开路电压以及最大功率点的电压值，判断是否出现故障以及故障类型；具体包括如下步骤：
步骤1：计算不变参数Rs、k0
(1)根据包括串联电阻Rs的伏安特性曲线方程：
式中：U为电池板电压值，I为电池板电流值，T是电池板的绝对温度，Iph为光生电流，Rs为串联电阻；
(2)电池板的系统标定值：在标准日照和温度的条件下，最大输出功率Pmax0、最大工作电压Upm0、最大工作电流Ipm0、开路电压Uoc0、短路电流Isc0的值；
(3)根据在最大功率点处，
令Ipv＝Iph+I0，
则：
其中参数
T0为标准状态下的温度值；
(4)在标准状态下，将电池板参数值代入到上述的伏安曲线方程中，令：
联立公式(2)，推导出只有一个未知数Ipv的一维方程：
(5)方程(3)中只有一个未知数Ipv＝Iph+I0，根据Iph和I0的取值范围，确定出Ipv的最大值和最小值，采用二分法求解此方程，得出Ipv的值；
(6)令
则求出：
(7)则求出：
步骤2：计算当前短路电流Isc、开路电压Uoc和温度值
(1)根据所述采样模块检测当前的电流和电压值，得出电压值u1，电流值i1；改变所述PWM驱动模块占空比的值，根据所述采样模块再次检测电流和电压值，得出电压值u2，电流值i2；上述检测过程需要在极短的时间内完成，将得出的电流和电压值送入所述CPU模块；
(2)代入到上述的伏安曲线方程(1)中，推导出只有一个未知数Isc的一维方程，采用二分法求解出Isc的值，从而得出当前温度T以及开路电压Uoc的值；
步骤3：计算最大功率点电压值Upm和电流值Ipm
(1)推导出只有一个未知数Ipm的一维方程：
(2)根据Isc/2<Ipm<Isc，采用二分法求解此方程，则得出最大功率点电流Ipm的值，再根据公式：
则计算出最大功率点电压值Upm；
步骤4：将计算得出的最大功率点电压值Upm转换成相应占空比的值，赋值给所述PWM驱动模块；
步骤5：对光伏电站进行故障检测
(1)通过当前的电流和电压值，上述计算出的串联电阻Rs、温度T、开路电压Uoc、短路电流Isc、最大功率点的电压upm以及电流Ipm值，判断是否出现故障以及故障类型；检测的故障类型包括：开路、短路、虚阴影遮挡、实阴影遮挡、老化、隐裂或碎片、光伏热斑；
(2)在系统正常情况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为用于检测的标准值；
(3)在当前状况下，采用步骤1、步骤2、步骤3计算出串联电阻Rs、温度T、最大功率点电压、最大功率点电流参数值，以及当前的电压U和电流I值，做为待检测值；
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