CN113206639B - 一种光伏组件常见故障的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件常见故障的检测方法，包括如下步骤：S1、获取当前时刻电流电压均值I_avg,V_avg，计算各汇流箱组串电流离散率σ_i；S2、查找汇流箱组串电流离散率超过μ的汇流箱，执行S3；S3、检测各组串电流I_i,j获得故障组串索引，执行S4；S4、开路与短路故障判定，基于S3故障组串索引，根据该组串下各组件的电流与电压特征判定开路或断路故障，执行S5；S5、阴影遮挡判定，当判定当前采集时间组件受阴影遮挡，则执行S6；S6、软硬性阴影遮挡判定。本发明可在光伏阵列中起到实时检测各组件电压电流变化并及时定位故障组件与原因，节省大量人力成本的同时也保证光伏系统的高效稳定运行。

Description

一种光伏组件常见故障的检测方法

技术领域

本发明涉及故障检测技术领域，特别是涉及一种光伏组件常见故障的检测方法。

背景技术

能源是经济发展的基础，现能源消耗以传统能源为主，随着传统能源存储量逐渐消耗，造成了环境污染与生态平衡的破坏。太阳能凭借自身的可再生性，分布范围广泛、储备丰富，以及对环境零污染的特性成为理想的替代能源；其中太阳能转化为电能是一种直接且高效的形式，这种形式就是光伏发电技术。

光伏电站中利用光伏电池进行太阳能与电能的转换，电池单体以一定的连接方式形成光伏组件，光伏组件相互连接组成光伏阵列，形成光伏电站，光伏电站经过逆变并网将得到的电能并网发电。但光伏组件暴露在户外恶劣的环境条件下可能导致不同类型的故障持续发生。常见的故障有线路开路、短路、阴影遮挡，其中阴影遮挡最为常见。大量的光伏组件一旦出现了故障难以具体定位，且长时间的故障会降低组件使用寿命，加快老化，降低输出效率，严重时引发安全问题。为确保光伏发电系统高效、安全地运行，必须引入故障检测以保护光伏组件，通过对光伏组件的工况进行实时监测，以便知晓光伏组件是否出现故障。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明目的是提供一种光伏组件常见故障的检测方法，基于光伏阵列各组件串配有电流采集器，各光伏板配有电压采集器，通过在一定的采集时间内收集各光伏板的电压电流数据，对数据做处理，以检测各光伏组件是否存在故障以及其故障类型。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案如下：本发明提供一种光伏组件

第i个汇流箱下第j个组串电流值，N_branch为每个汇流箱下组串数；S2、查找汇流箱组串电流离散率超过μ的汇流箱；若存在σ_i>μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并执行S3的S31步骤；若不存在，则执行S3的S32步骤；S3、检测汇流箱组串电流I_i,j,i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch]；S31、若I_i,j/I_avg大于阈值Thr1，则判定汇流箱组串为可疑故障组串，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，并执行S4，对该可疑故障组串下组件的电压进行分析，判断是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型；S32、若不存在I_i,j/I_avg>Thr1，则判定当前时刻无故障组件，检测结束；S4、开路与短路故障判定；根据组件开路时无电压电流，短路时电流降低、电压为0的特征来判定是否属于开路或短路这两种故障，若非开路与短路，则执行S5；S5、阴影遮挡判定；若采集时间内存在组件电压异常，即：

n∈[1,N_{panelperbranch}],ε∈[0,0.3]，且出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；S6、软硬性阴影判定；由于硬性阴影在时间上连续，若存在光伏组件在采集时间以及接下来的T(T∈[1,3])段采集时间内电压连续保持异常，则判定组件处于硬性阴影遮挡；否则，将该组件纳为软性阴影遮挡。

在一些实施例中，所述基于当前时刻电流均值I_avg计算各汇流箱电流离散率σ_i；当存在σ_i>μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]时，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并检测疑似故障汇流箱下组串电流，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，数量不限于一个，每个可疑故障组串对应一个故障汇流箱索引和一个组串索引作为标识，进一步对该可疑故障组串上的光伏组件电压进行分析，判断组件是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型。

在一些实施例中，所述步骤S1中，当前时刻电流均值I_avg的获取是基于当前时刻光伏阵列所有子串电流按一定顺序排列，取中段数据求均值，该中段数据取第round(N_bin*N_branch/3)～round(2*N_bin*N_branch/3)；类似地，V_avg的获取是基于当前时刻所有光伏组件电压按照一定顺序排序，取中段数据求均值，该中段数据是round(N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)～round(2*N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)，N_bin表示汇流箱数量，N_{panelperbranch}是单个组串下组件个数。

在一些实施例中，所述步骤S2中，当不存在汇流箱电流离散率σ_i>μ时，仍需要检测所有组串电流是否为可疑组串；若仍未检测到故障组串，则判定当前时刻无故障组件。

在一些实施例中，所述步骤S3中，若I_i,j/I_avg>Thr1，判定该组串为可疑故障组串，并将可疑故障汇流箱索引i与组串索引j一一对应地存入指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx中；其中Thr1表征组串电流I_i,j偏离I_avg的程度，Thr1∈[0,1]，偏离程度越大，其值越小。

在一些实施例中，所述步骤S4中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，先对可疑故障汇流箱中故障组串上的N_{panelperbranch}个组件进行电压分析，进行组件开路与短路的故障判定；然后进行阴影遮挡判定；若组件开路时则无电压电流，所在组串无电流；若组件短路时则组件两端电压为0。

在一些实施例中，所述步骤S5中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，某段采集时间内存在组件电压异常，异常指

其中i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch],n∈[1,N_{panelperbranch}],ε∈[0,0.3]，ε表示电压波动幅度；出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；其中Thr2表征电压出现异常的次数占总采集次数的比重，Thr2≥0.3。

在一些实施例中，所述步骤S6的软硬性阴影判定中，根据硬性阴影在时间上连续，若存在光伏组件在采集时间内电压连续保持异常，暂判定组件处于硬性阴影遮挡，接下来的T,T∈[1,3]段采集时间，该组件仍处于连续的电压异常，则将该组件纳为硬性阴影遮挡；否则，将该组件纳为软性阴影遮挡。

本发明的有益效果如下：本发明的故障检测方法通过对收集的光伏板电压电流数据进行分析与处理，实时且准确定位到故障组件并判断常见故障类型，可起到提醒现场工作人员及时排除故障的作用，避免发电损耗，保证光伏阵列高效稳定的运行。

附图说明

图1为本发明实施例的基于电压电流采集器检测光伏组件故障流程图；

图2为本发明实施例的基于串并联的光伏阵列结构示意图；

图3为本发明实施例的光伏组件子串电流与电压采集器布置图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

为了使本发明实施例所需要解决的技术问题、技术方案及方案优势更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，而不用于限定本发明。

基于光伏阵列已安装电压采集器与电流采集器，针对光伏组件常见的三种故障，尤其是阴影遮挡，本发明所述方法对光伏组件电压电流数据实时检测，有效地检测常见故障。

本发明提供了一种光伏组件常见故障的检测方法。基于串并联的光伏阵列结构，光伏阵列上布置多个电压电流采集器，通过处理一定采集时间内采集的电压电流数据，实现组件的故障定位与故障类型判决。

本发明实施例所述故障检测方法，其检测流程如图1所示，包括如下步骤：

S1、获取当前时刻电流电压均值I_avg,V_avg，并计算各汇流箱组串电流离散率σ_i：

其中I_i,j表示第i个汇流箱下第j个组串电流值，N_branch为每个汇流箱下组串数；

S2、查找汇流箱组串电流离散率超过μ的汇流箱；

若存在σ_i>μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并执行S3的S31步骤；

若不存在，则执行S3的S32步骤；

S3、检测汇流箱组串电流I_i,j,i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch]；

S31、若I_i,j/I_avg大于阈值Thr1，则判定汇流箱组串为可疑故障组串，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，并执行S4，对该可疑故障组串下组件的电压进行分析，判断是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型；

S32、若不存在I_i,j/I_avg>Thr1，则判定当前时刻无故障组件，检测结束；

S4、开路与短路故障判定；根据组件开路时无电压电流，短路时电流降低、电压为0的特征来判定是否属于开路或短路这两种故障，若非开路与短路，则执行S5；

S5、阴影遮挡判定；若采集时间内存在组件电压异常，即：

n∈[1,N_{panelperbranch}],ε∈[0,0.3]，且出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；

否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；

S6、软硬性阴影判定；由于硬性阴影在时间上连续，若存在光伏组件在采集时间以及接下来的T(T∈[1,3])段采集时间内电压连续保持异常，则判定组件处于硬性阴影遮挡；

否则，将该组件纳为软性阴影遮挡。

本发明实施例的基于串并联的光伏阵列结构示意如图2所示。

本发明实施例的光伏组件子串电流与电压采集器布置如图3所示。

具体地，所述基于当前时刻电流均值I_avg计算各汇流箱电流离散率σ_i；当存在σ_i>μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]时，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并检测疑似故障汇流箱下组串电流，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，数量不限于一个，每个可疑故障组串对应一个故障汇流箱索引和一个组串索引作为标识，进一步对该可疑故障组串上的光伏组件电压进行分析，判断组件是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型。

所述步骤S1中，当前时刻电流均值I_avg的获取是基于当前时刻光伏阵列所有子串电流按一定顺序排列，取中段数据求均值，该中段数据取第round(N_bin*N_branch/3)～round(2*N_bin*N_branch/3)；类似地，V_avg的获取是基于当前时刻所有光伏组件电压按照一定顺序排序，取中段数据求均值，该中段数据是round(N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)～round(2*N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)，N_bin表示汇流箱数量，N_{panelperbranch}是单个组串下组件个数。

所述步骤S2中，当不存在汇流箱电流离散率σ_i>μ时，仍需要检测所有组串电流是否为可疑组串；若仍未检测到故障组串，则判定当前时刻无故障组件。

所述步骤S3中，若I_i,j/I_avg>Thr1，判定该组串为可疑故障组串，并将可疑故障汇流箱索引i与组串索引j一一对应地存入指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx中；其中Thr1表征组串电流I_i,j偏离I_avg的程度，Thr1∈[0,1]，偏离程度越大，其值越小。

所述步骤S4中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，先对可疑故障汇流箱中故障组串上的N_{panelperbranch}个组件进行电压分析，进行组件开路与短路的故障判定；然后进行阴影遮挡判定；若组件开路时则无电压电流，所在组串无电流；若组件短路时则组件两端电压为0。

所述步骤S5中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，采集时间内存在组件电压异常，且出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；其中采集时间由采集时间内的采集次数m和采集间隔时间n决定，一般m∈[3,6],n＝5；异常指

其中ε∈[0,0.3]，ε表示电压波动幅度，i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch],n∈[1,N_{panelperbranch}]；Thr2表征电压出现异常的次数占总采集次数的比重，Thr2≥0.3。

所述步骤S6的软硬性阴影判定中，根据硬性阴影在时间上连续，若存在光伏组件在采集时间内电压连续保持异常，暂判定组件处于硬性阴影遮挡，接下来的T,T∈[1,3]段采集时间，该组件仍处于连续的电压异常，则将该组件纳为硬性阴影遮挡；否则，将该组件纳为软性阴影遮挡。当软性阴影消失，热斑现象消失，组件温度逐渐恢复正常；若存在硬性阴影遮挡的组件，则提示工作人员及时巡查是否是组件裂化或受污物遮挡，提示工作人员及时采取措施消除阴影遮挡，避免组件过度发热导致更严重后果。现场工作人员都应及时巡查是否是组件裂化或受污物遮挡，及时采取措施消除阴影遮挡，避免热斑现象，造成严重后果；若是软性阴影，当遮挡物不再遮挡该光伏板，热斑现象便会消失，组件温度逐渐降低，频繁的软性阴影遮挡也应当引起重视。及时安排人员现场确认是否为组件裂化或污物附着，若有，及时处理避免组件过度发热导致更严重损坏。

为了确保漏检故障汇流箱，当汇流箱组串电流离散率在正常波动范围内时，此时汇流箱均视为正常的，同时会再次检测各支路电流是否在参考值范围内，只有当汇流箱检测正常与支路电流双重检测正常时，才会最终认为当前采集时刻下光伏组件无故障，光伏阵列处于正常工况。

将各组串电流与当前采集时间的电流均值求比值，一旦比值超过某一设定阈值Thr1，则认为该组串电流偏离电流均值较多，认为该子串下必存在光伏组件未处于正常工况。

由于短路故障也会出现组件电压异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，而在短路与阴影遮挡中发生误判，需先对组件进行短路故障判定，其短路组件特征是电压值为，且从检测到故障时刻开始，后续采集时间内均有类似的电压特征；

由于阴影遮挡是光伏阵列在室外最易发生的故障类型，一旦排除了组件开路与短路故障，组件电压仍处于异常，则考虑为阴影故障，但若组件的异常电压值与采集时间内的总采集次数比值不超过阈值Thr2，极有可能是轻度的阴影遮挡造成的；若超过阈值Thr2，此时应当引起注意，进行软硬性阴影遮挡的判定，考虑是否为较频繁的软性阴影遮挡或硬性阴影遮挡；

当光伏组件受软性阴影遮挡，被遮挡组件会暂时成为负载，消耗其他正常组件所产生的功率，开始发热，并在该组件上产生热斑现象，当软性阴影消失时，该组件恢复正常工作，热斑现象消失，温度逐渐降低；若是组件裂化或者污物遮挡等硬性阴影遮挡，组件一直处于发热负载消耗功率，会造成严重后果。因此当组件正频繁受到软性阴影或硬性阴影遮挡，都应及时排查并解决遮挡问题。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光伏组件常见故障的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、获取当前时刻电流电压均值I_avg,V_avg，并计算各汇流箱组串电流离散率σ_i：

其中I_i,j表示第i个汇流箱下第j个组串电流值，N_branch为每个汇流箱下组串数；

S2、查找汇流箱组串电流离散率超过μ的汇流箱；

若存在σ_i＞μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并执行S3的S31步骤；N_bin表示汇流箱数量；

若不存在，则执行S3的S32步骤；

S3、检测汇流箱组串电流I_i,j,i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch]；

S31、若I_i,j/I_avg大于或等于阈值Thr1，则判定汇流箱组串为可疑故障组串，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，每个可疑故障组串对应一个故障汇流箱索引和一个组串索引作为标识，并执行S4，对该可疑故障组串下组件的电压进行分析，判断是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型；

S32、若不存在I_i,j/I_avg≥Thr1，则判定当前时刻无故障组件，检测结束；

S4、开路与短路故障判定；根据组件开路时无电压电流，短路时电压为0的特征来判定是否属于开路或短路这两种故障，若非开路与短路，则执行S5；

S5、阴影遮挡判定；若采集时间内存在组件电压异常，即：

n∈[1,N_{panelperbranch}],ε∈[0,0.3]，且出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；V_i,j,n表示第i个汇流箱的第j个组串的第n个组件的电压；N_{panelperbranch}是组串下组件个数；

否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；

S6、软硬性阴影判定；由于硬性阴影在时间上连续，若存在光伏组件在采集时间以及接下来的T段采集时间内电压连续保持异常，T∈[1,3]，则判定组件处于硬性阴影遮挡；

否则，将该组件纳为软性阴影遮挡。

2.如权利要求1所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：基于当前时刻电流均值I_avg计算各汇流箱电流离散率σ_i；当存在σ_i＞μ,i∈[1,N_bin],μ∈[0.25,0.3]时，获得可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx，并检测疑似故障汇流箱下组串电流，获得可疑故障组串索引矩阵string_dx，数量不限于一个，每个可疑故障组串对应一个故障汇流箱索引和一个组串索引作为标识，进一步对该可疑故障组串上的光伏组件电压进行分析，判断组件是属于开路、短路或阴影遮挡哪种故障类型。

3.如权利要求1所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：所述步骤S1中，当前时刻电流均值I_avg的获取是基于当前时刻光伏阵列所有子串电流按一定顺序排列，取中段数据求均值，该中段数据取第round(N_bin*N_branch/3)～round(2*N_bin*N_branch/3)；类似地，V_avg的获取是基于当前时刻所有光伏组件电压按照一定顺序排序，取中段数据求均值，该中段数据是round(N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)～round(2*N_bin*N_branch*N_{panelperbranch}/3)。

4.如权利要求1所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：所述步骤S2中，当不存在汇流箱电流离散率σ_i＞μ时，仍需要检测所有组串电流是否为可疑组串；若仍未检测到故障组串，则判定当前时刻无故障组件。

5.如权利要求2所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：所述步骤S3中，若I_i,j/I_avg≥Thr1，判定该组串为可疑故障组串，并将可疑故障汇流箱索引i与组串索引j一一对应地存入指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx中；其中Thr1表征组串电流I_i,j偏离I_avg的程度，Thr1∈[0,1]，偏离程度越大，其值越小。

6.如权利要求5所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：所述步骤S4中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，先对可疑故障汇流箱中故障组串上的N_{panelperbranch}个组件进行电压分析，进行组件开路与短路的故障判定；然后进行阴影遮挡判定；若组件开路时则无电压电流，所在组串无电流；若组件短路时则组件两端电压为0。

7.如权利要求5所述的光伏组件常见故障检测方法，其特征在于：所述步骤S5中，基于指示可疑故障汇流箱索引矩阵bin_dx和指示可疑故障组串索引矩阵string_dx，采集时间内存在组件电压异常，且出现异常次数与采集时间内的总采集次数比值超过阈值Thr2，则判定存在阴影遮挡，并执行S6；否则，将该组件纳为疑似轻度阴影遮挡；其中采集时间由采集时间内的采集次数m和采集间隔时间决定，m∈[3,6]；异常指

其中ε∈[0,0.3]，ε表示电压波动幅度，i∈[1,N_bin],j∈[1,N_branch],n∈[1,N_{panelperbranch}]；Thr2表征电压出现异常的次数占总采集次数的比重，Thr2≥0.3。

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