羅強(qiáng)

摘要：由于光伏陣列常年曝露在戶外，受多變環(huán)境（如雷雨天氣、熱循環(huán)、濕度、紫外線輻射、陰影等）影響，容易出現(xiàn)局部材料老化、裂紋、熱斑、開(kāi)路或者短路等各種故障，影響其使用壽命。同時(shí)，故障導(dǎo)致發(fā)電量大量損失，組件發(fā)生不可逆損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)。通常，光伏陣列在直流側(cè)裝有過(guò)電流保護(hù)設(shè)備（overcurrentprotectiondevices，OCPD）和接地故障保護(hù)設(shè)備（groundfaultdetectioninterrupters，GFDI），這些保護(hù)設(shè)備的故障電流閾值通常設(shè)置為短路電流的2.1倍。然而，當(dāng)發(fā)生輕、中度故障或故障發(fā)生在低輻照度情況下時(shí)，傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備因最大功率點(diǎn)跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）和過(guò)低的故障電流無(wú)法及時(shí)動(dòng)作。因此，建立有效的光伏陣列故障診斷及智能運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是亟待解決的問(wèn)題之一。

關(guān)鍵詞：光伏陣列;光伏組件;狀態(tài)檢測(cè)

引言

根據(jù)目前光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和成本降低，依據(jù)“關(guān)于2018年光伏發(fā)電項(xiàng)目政策的通知”，降低了光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，同時(shí)取消了普通光伏電站建設(shè)指標(biāo)，加快了光伏并網(wǎng)電站平價(jià)上網(wǎng)進(jìn)度，基于以上原因根據(jù)建設(shè)規(guī)模，光伏組件采購(gòu)價(jià)格勢(shì)必會(huì)在原有基礎(chǔ)上再降低，光伏組件質(zhì)量問(wèn)題將面臨巨大的挑戰(zhàn)，如何提高光伏組件生產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高組件出廠良品率將成為光伏組件市場(chǎng)中制勝的法寶。

1光伏陣列故障類(lèi)型及其特性

1.1光伏系統(tǒng)

典型的光伏系統(tǒng)由光伏陣列、直流匯流箱、逆變器及保護(hù)設(shè)備組成。每塊光伏模組由串聯(lián)的光伏電池片和并聯(lián)在電池片兩側(cè)的旁路二極管組成，旁路二極管是為防止電池片因熱斑效應(yīng)燒毀。

1.2光伏陣列故障類(lèi)型及其特性

光伏陣列中常見(jiàn)的故障有線間故障、接地故障、開(kāi)路故障、遮陰故障、異常老化等。本文通過(guò)規(guī)模為5×10的光伏系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)故障進(jìn)行介紹。

部分遮陰指光伏陣列的某些模組被云層、樹(shù)木或建筑物遮擋，導(dǎo)致陣列輸出功率受損的情況。光伏模組通過(guò)安裝旁路二極管來(lái)傳導(dǎo)非遮陰模組的電流以防止出現(xiàn)熱斑。

開(kāi)路故障指光伏陣列中的某一串線路存在斷開(kāi)點(diǎn)，導(dǎo)致故障串沒(méi)有電流回路，使其進(jìn)入開(kāi)路狀態(tài)，不產(chǎn)生能量。此時(shí)光伏陣列的總輸出功率由其他正常串提供。

線間故障指光伏陣列中，某兩個(gè)不同電位點(diǎn)發(fā)生意外連接，部分光伏模組被短路，導(dǎo)致陣列的輸出功率受損。因此稱(chēng)之為線-線失配90%故障（簡(jiǎn)稱(chēng)LL-90%）;F4故障處為兩個(gè)光伏串間發(fā)生短路，有2塊模組被短路，因此稱(chēng)其為線-線失配20%故障（簡(jiǎn)稱(chēng)LL-20%）;同理，F(xiàn)5故障為線-線失配10%故障（簡(jiǎn)稱(chēng)LL-10%），失配比越大表明線間故障越嚴(yán)重。接地故障是線間故障的一種特殊情況，指的是輸電線同設(shè)備接地導(dǎo)體或者地面意外接觸，產(chǎn)生低電阻回路的不良情況。

2重點(diǎn)分析問(wèn)題

2.1隱裂

隱裂就是一些肉眼不可見(jiàn)的細(xì)微破裂，晶體硅電池片由于其自身的結(jié)構(gòu)特性，容易破裂，可以說(shuō)是一種常見(jiàn)的自身缺陷，電池片產(chǎn)生的電流主要靠表面主柵和細(xì)柵收集和導(dǎo)出，隱裂可能導(dǎo)致細(xì)柵斷裂從而影響電流有效的輸送至主柵，導(dǎo)致電池片部分失效，還可能造成碎片、熱斑等，引起組件的功率衰減。

EL（Electroluminescence，電致發(fā)光）是一種太陽(yáng)能電池或組件的內(nèi)部缺陷檢測(cè)設(shè)備，是簡(jiǎn)單有效的檢測(cè)隱裂的方法。利用晶體硅的電致發(fā)光原理，通過(guò)高分辨率的紅外相機(jī)拍攝組件的近紅外圖像，獲取并判定組件的缺陷。具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、結(jié)果直觀形象等優(yōu)點(diǎn)。

2.2PID效應(yīng)

又稱(chēng)電勢(shì)誘導(dǎo)衰減，是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料，電池片與其接地金屬邊框之間的高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移而造成組件性能衰減的現(xiàn)象。一般認(rèn)為PID效應(yīng)和組件材料構(gòu)成，環(huán)境溫濕度和電壓存在著密切聯(lián)系，高溫高濕的環(huán)境易使水汽通過(guò)密封硅膠活背板進(jìn)入組件與EVA產(chǎn)生反應(yīng)產(chǎn)生醋酸之后與玻璃中的堿反應(yīng)產(chǎn)生鈉離子，在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)到電池表面。在漏電流的作用下，帶正電的載流子通過(guò)邊框流向地面。光伏矩陣的組件邊框通常是接地的，造成單個(gè)組件和邊框之間形成偏壓，越靠近負(fù)極輸出端的組件承受的負(fù)偏壓越明顯。PID效應(yīng)對(duì)光伏電站發(fā)電量產(chǎn)生巨大影響，跟據(jù)其成因可以得出兩種處理方案，一是改變組件材料，二是改變組件接地方式。如果我們保持現(xiàn)有組件構(gòu)造類(lèi)型不變，可以通過(guò)復(fù)雜、高成本的材料來(lái)限制這種危害。但在商業(yè)化成本競(jìng)爭(zhēng)的壓力下，目前很難進(jìn)行推廣應(yīng)用。那么就從組件的負(fù)極直接接地方式考慮，防止負(fù)偏壓造成的漏電流形成。這種處置方案簡(jiǎn)單便捷，效果顯著，但同時(shí)如果組件正極故障會(huì)導(dǎo)致短路，威脅電站運(yùn)維安全，那么安裝負(fù)極接地監(jiān)測(cè)和分?jǐn)啾Ｗo(hù)系統(tǒng)尤為重要。

3光伏組件檢測(cè)技術(shù)

3.1在線計(jì)算監(jiān)測(cè)方法

光伏陣列熱斑在線計(jì)算監(jiān)測(cè)方法是利用在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)的計(jì)算方法來(lái)判斷組串是否存在熱斑。此類(lèi)計(jì)算方法一般會(huì)有一個(gè)表征熱斑的參數(shù)，然后利用在線數(shù)據(jù)通過(guò)一系列算法得到該參數(shù)來(lái)判斷光伏陣列的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而確定是否發(fā)生熱斑故障。

目前研究較多的是計(jì)算分析光伏組件等效串聯(lián)電阻的方法。該方法引入了一個(gè)用于反映輸出特性的等效串聯(lián)電阻概念，并簡(jiǎn)化了等效電阻的計(jì)算模型。光伏組件發(fā)生熱斑故障時(shí)其等效串聯(lián)電阻會(huì)隨之發(fā)生較大的變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輻照度等其他因素對(duì)它的影響?；谶@個(gè)特性，通過(guò)在線獲取最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流、輻照度、環(huán)境溫度等運(yùn)行參數(shù)來(lái)計(jì)算等效電阻，并和預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，來(lái)判斷光伏陣列是否發(fā)生熱斑故障。

在線計(jì)算監(jiān)測(cè)熱斑方法可以在光伏發(fā)電陣工作狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)需中斷發(fā)電。等效串聯(lián)電阻在線計(jì)算，需預(yù)先實(shí)驗(yàn)并設(shè)定熱斑故障閥值。不同種類(lèi)光伏組件等效串聯(lián)電阻不一樣，同一種類(lèi)光伏組件，在組合數(shù)量及組合方式不同時(shí)，其方陣或組件等效串聯(lián)電阻也不一樣。由于沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的電站都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能設(shè)定熱斑故障閥值。目前，在線計(jì)算監(jiān)測(cè)技術(shù)暫無(wú)實(shí)際應(yīng)用案例。

3.2機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)主要依靠計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，從客觀事物的圖像中提取信息，并加以處理，最后用于實(shí)際檢測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)熱斑檢測(cè)中，一般將紅外熱成像裝置與清掃機(jī)器人或無(wú)人機(jī)合理搭配使用。與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有速度快，效果好等優(yōu)勢(shì)。

3.3基于能量損失的診斷方法

首先，通過(guò)測(cè)量環(huán)境溫度和輻照度來(lái)估算理論輸出電壓、電流和功率，再計(jì)算理論值和實(shí)際值之間的差值，并將差值作為診斷算法的輸入數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)故障診斷。HarrouF.等人提出一種基于改進(jìn)K最鄰近算法（Knearestneighbor，KNN）的故障檢測(cè)方法，通過(guò)將理論值與實(shí)際值的差值作為KNN的輸入，并結(jié)合指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均（exponentialweightedmovingaverage，EWMA）算法自適應(yīng)生成KNN的故障閾值邊界，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光伏陣列中不同失配比的線間故障、開(kāi)路故障及部分遮陰的故障檢測(cè)。

結(jié)語(yǔ)

企業(yè)要在這光伏行業(yè)中生存就必須順應(yīng)市場(chǎng)變化，積極引進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和先進(jìn)的原材料，進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須充分利用這些檢測(cè)手段控制產(chǎn)品質(zhì)量，開(kāi)發(fā)新方法，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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