CN114640304B - 一种基于i-v曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于I‑V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，属于光伏发电技术领域。该故障诊断方法首先获取光伏组件的I‑V输出特性曲线数据，然后对I‑V输出特性曲线数据进行平滑去噪处理以消除异常数据值，对于平滑去噪后的I‑V曲线，以光伏组件开路电压点为直线的一个起点，另一点为任一组平滑去噪后I‑V数据作直线，得到检测直线簇，通过判断I‑V数据与检测直线的位置关系诊断电流失配故障。本发明利用光伏组件I‑V曲线可以简单准确地诊断出电流失配故障，适用于具备光伏组件I‑V扫描功能的光伏系统，为光伏组件的故障诊断和运维提供便利，有利于提高光伏系统的可靠性。

Description

一种基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法

技术领域

本发明涉及光伏组件故障诊断方法，具体是涉及一种基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，属于光伏发电技术领域。

背景技术

理论上，光伏组件的使用寿命为20至25年，但是由于光伏组件安装在室外环境中，持续暴露在恶劣的环境条件下，各种故障问题日益凸显，严重影响其寿命。光伏组件的故障不仅会使得整个组件的发电效率下降，更有甚者会引发一系列安全问题。其中电流失配类型的故障会使得光伏组件的输出电流降低，I-V特性曲线出现拐点，严重影响了光伏组件的输出功率。光伏组件的常见的电流失配故障有阴影，热斑，玻璃碎裂，电流失配故障的发生会使得光伏组件的温度升高，若这些故障得不到及时清除，会直接影响光伏系统的正常发电，甚至会导致火灾等毁灭性灾害的发生。实现光伏组件电流失配故障的在线诊断，不仅可直接降低人工维护的成本，同时能够提高光伏系统的发电效率，预防由故障引起的严重后果，对于提高光伏系统的可靠性具有重要的意义。

文献“A proposed graphical electrical signatures supervision method tostudy PV module failures”.《Solar Energy》，2015，116：247-256.(“一种研究光伏组件故障的图形电特性监控方法”，《Solar Energy》，2015年第116卷247页-256页)提出一种通过对I-V曲线求导，以求导后I-V曲线在图形上的负峰值点判断光伏组件旁路二极管导通的数量，但是对于离散的I-V数据导数的计算会存在较大的偏差。

中国发明专利文献《一种基于曲线扫描的光伏组件故障诊断方法》(CN108336969A)提出一种通过理论I-V曲线计算与电子负载测试I-V曲线对比的方法诊断光伏组件故障，但是该方法理论曲线的计算依赖于模型的精度，且很难实现大规模光伏系统的在线故障诊断。

中国发明专利文献《基于外特性电气参数的光伏组件故障诊断方法》(CN105954616A)提出一种通过神经网络和数据融合的方法诊断光伏组件的短路、等效串联电阻异常老化和等效并联电阻异常老化的方法，该方法依赖于神经网络的模型，算法难度大。

中国发明专利文献《一种基于决策树模型的光伏组件故障诊断方法》(CN105846780A)给出一种通过决策树模型诊断光伏组件阴影和异常老化故障，但是该方法需要大量的数据训练决策树模型，诊断精确度依赖于决策树模型的精度。

综上所述，现有技术中还存在着以下问题：

1、离散的I-V曲线数据，不利于数据处理，影响诊断结果；

2、光伏组件的建模复杂，且故障诊断结果依赖于模型精度；

3、需要大量训练数据，算法实现难度大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，具体的，提供一种基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，能够简单便捷地诊断出光伏组件的电流失配故障，及时告警并清除故障，提高光伏系统运行的安全性和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，该故障诊断方法涉及的光伏组件为光伏组串中的一个，所述光伏组串由s个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由三个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括p个光伏电池单元和一个旁路二极管，p个光伏电池单元串联后与旁路二极管反并联；

所述基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，先通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组件的I-V输出特性曲线上的电压-电流数据，得到m组数据，然后对该m组数据按照电压值从大到小依次进行排序，得到排序后的m组数据，将排序后的m组数据写成一个集合F1，F1＝[(U₀，I₀)，(U₁，I₁)，...(U_i，I_i)，...，(U_m-1，I_m-1)]，其中，U_i为排序电压，I_i为与排序电压U_i对应的排序电流，i为排序序号，i＝0，1...m-1；

在集合F1的m组数据中，U₀＝V_OC，I₀＝0且U_m-1＝0，I_m-1＝I_SC，V_OC为光伏组件的开路电压，I_SC为光伏组件的短路电流；

步骤2，令集合F1中的m个排序电压U_i的值保持不变，对集合F1中的m个排序电流I_i进行N轮平滑去噪处理，其中N为正整数，具体如下：

定义步骤1得到的排序电流I_i为0轮平滑去噪排序电流，并改写为I_0i，定义经过j轮平滑去噪处理后得到的排序电流为j轮平滑去噪排序电流I_ji，其中，j＝1，2…N，i＝0，1…m-1；

以0轮平滑去噪排序电流I_0i为起点，按照j＝1，2…N的顺序依次对前一轮平滑去噪处理后的电流进行平滑去噪处理，j轮平滑去噪排序电流I_ji的赋值规则如下：

(1)当排序序号i＝1至m-2时，

若满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则I_ji＝I_(j-1)i；

若不满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则

(2)当排序序号i＝0时，则I_j0＝I₀；

(3)当排序序号i＝m-1时，则I_j(m-1)＝I_m-1；

N轮平滑去噪处理完成后，得到m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni，将该m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni赋值到集合F1中，并将赋值后的集合F1记为集合F2，F2＝[(U_{s_0}，I_{s_0})，(U_{s_1}，I_{s_1})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}I_{s_m-1})]，其中，I_{s_i}为平滑去噪电流，U_{s_i}为与平滑去噪电流I_{s_i}对应的平滑去噪电压，U_{s_i}＝U_i，I_{s_i}＝I_Ni，i＝0，1...m-1；

步骤3，根据步骤2得到的集合F2中的m组数据，以平滑去噪电压U_{s_i}为横轴，以平滑去噪电流I_{s_i}为纵轴，在平面坐标系中找到与m组数据对应的数据点，并连接成为一条I-V曲线；

步骤4，在集合F2中截取[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]的部分组成另外一个集合F3，F3＝[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_t}，I_{s_t})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]，其中，U_{s_t}为阶段平滑去噪电压，U_{s_t}＝U_{s_i}，I_{s_t}为与阶段平滑去噪电压U_{s_t}对应的阶段平滑去噪电流，t＝2，3，...，m-1；

在平面坐标系上，以(U_{s_0}，I_{s_0})对应的数据点为起点，以集合F3中的每一组数据对应的数据点为终点作直线，共得到m-2条直线，记m-2条直线中的任意一条直线为直线L_t，t＝2，3，...，m-1，直线L_t的斜率k_t和截距b_t计算式为：

b_t＝I_{s_0}-k_tU_{s_0}

将直线L_t的起点电压U_{s_0}和终点电压U_{s_t}定义为直线L_t的比较区间，记为区间[U_{s_t}，U_{s_0}]；

步骤5，按照t＝2，3，...，m-1的顺序，逐个将I-V曲线上区间[U_{s_t}，U_{s_0}]的数据点与直线L_t进行比较，并验证该数据点是否满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t：

若在验证过程中，出现了满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组件存在电流失配；

若m-2条直线L_t均验证结束，未出现任何一个满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，确认该光伏组件不存在电流失配。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、可简单准确的判断光伏组件的电流失配故障；

2、不依赖模型和环境参数，经济便捷；

3、可实时在线诊断电流失配故障，为运维人员提供告警，有助于增加系统的发电收益；

4、可实际应用于具有光伏组件I-V扫描功能的光伏阵列，提高光伏系统的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中光伏组件结构示意图；

图2为本发明光伏组件电流失配故障诊断方法的流程图；

图3为光伏组件I-V曲线存在异常点的I-V曲线图；

图4为光伏组件平滑去噪处理后的I-V曲线图；

图5为光伏组件存在电流失配故障的I-V曲线图；

图6为光伏组件不存在电流失配故障时本发明光伏组件电流失配故障诊断方法步骤4-5的示意图；

图7为光伏组件不存在电流失配故障时本发明光伏组件电流失配故障诊断方法步骤4-5的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明实施例中光伏组件结构示意图，由图1可见，该故障诊断方法涉及的光伏组件为光伏组串中的一个，所述光伏组串由s个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由三个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括p个光伏电池单元和一个旁路二极管，p个光伏电池单元串联后与旁路二极管反并联。

在本实施例中，p＝20。

图2为本发明光伏组件电流失配故障诊断方法的流程图。由该图可见，本发明所述基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，先通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组件的I-V输出特性曲线上的电压-电流数据，得到m组数据，然后对该m组数据按照电压值从大到小依次进行排序，得到排序后的m组数据，将排序后的m组数据写成一个集合F1，F1＝[(U₀，I₀)，(U₁，I₁)，...(U_i，I_i)，...，(U_m-1，I_m-1)]，其中，U_i为排序电压，I_i为与排序电压U_i对应的排序电流，i为排序序号，i＝0，1…m-1；

在集合F1的m组数据中，U₀＝V_OC，I₀＝0且U_m-1＝0，I_m-1＝I_SC，V_OC为光伏组件的开路电压，I_SC为光伏组件的短路电流；

步骤2，令集合F1中的m个排序电压U_i的值保持不变，对集合F1中的m个排序电流I_i进行N轮平滑去噪处理，其中N为正整数，具体如下：

定义步骤1得到的排序电流I_i为0轮平滑去噪排序电流，并改写为I_0i，定义经过j轮平滑去噪处理后得到的排序电流为j轮平滑去噪排序电流I_ji，其中，j＝1，2…N，i＝0，1…m-1；

以0轮平滑去噪排序电流I_0i为起点，按照j＝1，2…N的顺序依次对前一轮平滑去噪处理后的电流进行平滑去噪处理，j轮平滑去噪排序电流I_ji的赋值规则如下：

(1)当排序序号i＝1至m-2时，

若满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则I_ji＝I_(j-1)i；

若不满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则

(2)当排序序号i＝0时，则I_j0＝I₀；

(3)当排序序号i＝m-1时，则I_j(m-1)＝I_m-1；

N轮平滑去噪处理完成后，得到m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni，将该m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni赋值到集合F1中，并将赋值后的集合F1记为集合F2，F2＝[(U_{s_0}，I_{s_0})，(U_{s_1}，I_{s_1})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}I_{s_m-1})]，其中，I_{s_i}为平滑去噪电流，U_{s_i}为与平滑去噪电流I_{s_i}对应的平滑去噪电压，U_{s_i}＝U_i，I_{s_i}＝I_Ni，i＝0，1…m-1。

图3为I-V曲线存在异常点的I-V曲线图，横坐标轴为光伏组件的电压，纵坐标轴为光伏组件的电流，由优化器获取的I-V数据可能存在数据的异常抖动，如异常的上凸点或下凹点，使用原始数据会影响故障诊断结果，因此需要对光伏组件I-V曲线中的异常值进行平滑去噪处理。

图4为光伏组件平滑去噪处理后的I-V曲线图，横坐标轴为光伏组件的电压，纵坐标轴为光伏组件的电流，针对图3中出现的光伏组件I-V曲线中的异常值，对其进行N轮平滑去噪处理，由图4可见，经过N轮平滑去噪处理后，可以消除I-V曲线上的异常值，得到较平滑的I-V曲线。本实施例中平滑去噪处理轮数N＝3。

步骤3，根据步骤2得到的集合F2中的m组数据，以平滑去噪电压U_{s_i}为横轴，以平滑去噪电流I_{s_i}为纵轴，在平面坐标系中找到与m组数据对应的数据点，并连接成为一条I-V曲线。

步骤4，在集合F2中截取[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]的部分组成另外一个集合F3，F3＝[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_t}，I_{s_t})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]，其中，U_{s_t}为阶段平滑去噪电压，U_{s_t}＝U_{s_i}，I_{s_t}为与阶段平滑去噪电压U_{s_t}对应的阶段平滑去噪电流，t＝2，3，...，m-1；

在平面坐标系上，以(U_{s_0}，I_{s_0})对应的数据点为起点，以集合F3中的每一组数据对应的数据点为终点作直线，共得到m-2条直线，记m-2条直线中的任意一条直线为直线L_t，t＝2，3，...，m-1，直线L_t的斜率k_t和截距b_t计算式为：

b_t＝I_{s_0}-k_tU_{s_0}

将直线L_t的起点电压U_{s_0}和终点电压U_{s_t}定义为直线L_t的比较区间，记为区间[U_{s_t}，U_{s_0}]。

图6、图7中给出了I-V曲线和m-2条直线L_t。

步骤5，按照t＝2，3，...，m-1的顺序，逐个将I-V曲线上区间[U_{s_t}，U_{s_0}]的数据点与直线L_t进行比较，并验证该数据点是否满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t：

若在验证过程中，出现了满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组件存在电流失配；

若m-2条直线L_t均验证结束，未出现任何一个满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，确认该光伏组件不存在电流失配。

图5为光伏组件存在电流失配故障的I-V曲线图，当光伏组件中存在阴影遮挡、热斑、玻璃碎裂故障时，光伏组件发生电流失配故障，较正常光伏组件I-V曲线而言，电流失配光伏组件的I-V曲线出现下凹点特征，凹凸性发生改变。

图6为光伏组件不存在电流失配故障时本发明光伏组件电流失配故障诊断方法步骤4-5的示意图，其中横坐标轴为光伏组件的电压，纵坐标轴为光伏组件的电流，由图6可见，当经过直线L_m-1的检测后，即经过m-2条直线的检测，该光伏组件的I-V曲线上仍不存在满足电流失配条件的数据点，该光伏组件不存在电流失配故障。

图7为光伏组件存在电流失配故障时本发明光伏组件电流失配故障诊断方法步骤4-5的示意图，以阴影遮挡的光伏组件I-V曲线为例，通过检测直线的检测，对于直线L_a，在直线L_a的比较区间[U_{s_a}，U_{s_0}]内存在一点I-V曲线平滑去噪数据(U_{s_b}，I_{s_b})满足电流失配条件：

I_{s_b}＜k_aU_{s_b}+b_a；

该光伏组件存在电流失配。

Claims (1)

1.一种基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，该故障诊断方法涉及的光伏组件为光伏组串中的一个，所述光伏组串由s个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由三个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括p个光伏电池单元和一个旁路二极管，p个光伏电池单元串联后与旁路二极管反并联；

所述基于I-V曲线的光伏组件电流失配故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，先通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组件的I-V输出特性曲线上的电压-电流数据，得到m组数据，然后对该m组数据按照电压值从大到小依次进行排序，得到排序后的m组数据，将排序后的m组数据写成一个集合F1，F1＝[(U₀，I₀)，(U₁，I₁)，...(U_i，I_i)，...，(U_m-1，I_m-1)]，其中，U_i为排序电压，I_i为与排序电压U_i对应的排序电流，i为排序序号，i＝0，1...m-1；

在集合F1的m组数据中，U₀＝V_OC，I₀＝0且U_m-1＝0，I_m-1＝I_SC，V_OC为光伏组件的开路电压，I_SC为光伏组件的短路电流；

步骤2，令集合F1中的m个排序电压U_i的值保持不变，对集合F1中的m个排序电流I_i进行N轮平滑去噪处理，其中N为正整数，具体如下：

定义步骤1得到的排序电流I_i为0轮平滑去噪排序电流，并改写为I_0i，定义经过j轮平滑去噪处理后得到的排序电流为j轮平滑去噪排序电流I_ji，其中，j＝1，2…N，i＝0，1…m-1；

以0轮平滑去噪排序电流I_0i为起点，按照j＝1，2…N的顺序依次对前一轮平滑去噪处理后的电流进行平滑去噪处理，j轮平滑去噪排序电流I_ji的赋值规则如下：

(1)当排序序号i＝1至m-2时，

若满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则I_ji＝I_(j-1)i；

若不满足I_(j-1)(i-1)≤I_(j-1)i≤I_(j-1)(i+1)，则

(2)当排序序号i＝0时，则I_j0＝I₀；

(3)当排序序号i＝m-1时，则I_j(m-1)＝I_m-1；

N轮平滑去噪处理完成后，得到m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni，将该m个N轮平滑去噪排序电流I_Ni赋值到集合F1中，并将赋值后的集合F1记为集合F2，F2＝[(U_{s_0}，I_{s_0})，(U_{s_1}，I_{s_1})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]，其中，I_{s_i}为平滑去噪电流，U_{s_i}为与平滑去噪电流I_{s_i}对应的平滑去噪电压，U_{s_i}＝U_i，I_{s_i}＝I_Ni，i＝0，1…m-1；

步骤3，根据步骤2得到的集合F2中的m组数据，以平滑去噪电压U_{s_i}为横轴，以平滑去噪电流I_{s_i}为纵轴，在平面坐标系中找到与m组数据对应的数据点，并连接成为一条I-V曲线；

步骤4，在集合F2中截取[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_i}，I_{s_i})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]的部分组成另外一个集合F3，F3＝[(U_{s_2}，I_{s_2})，...(U_{s_t}，I_{s_t})，...，(U_{s_m-1}，I_{s_m-1})]，其中，U_{s_t}为阶段平滑去噪电压，U_{s_t}＝U_{s_i}，I_{s_t}为与阶段平滑去噪电压U_{s_t}对应的阶段平滑去噪电流，t＝2，3，...，m-1；

在平面坐标系上，以(U_{s_0}，I_{s_0})对应的数据点为起点，以集合F3中的每一组数据对应的数据点为终点作直线，共得到m-2条直线，记m-2条直线中的任意一条直线为直线L_t，t＝2，3，...，m-1，直线L_t的斜率k_t和截距b_t计算式为：

b_t＝I_{s_0}-k_tU_{s_0}

将直线L_t的起点电压U_{s_0}和终点电压U_{s_t}定义为直线L_t的比较区间，记为区间[U_{s_t}，U_{s_0}]；

步骤5，按照t＝2，3，...，m-1的顺序，逐个将I-V曲线上区间[U_{s_t}，U_{s_0}]的数据点与直线L_t进行比较，并验证该数据点是否满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t：

若在验证过程中，出现了满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组件存在电流失配；

若m-2条直线L_t均验证结束，未出现任何一个满足I_{s_t}＜k_tU_{s_t}+b_t的数据点，确认该光伏组件不存在电流失配。

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