[发明专利]包含故障判别的光伏阵列电压与电流传感器的优化布设方法

说明书

本发明公开了一种包含故障判别的光伏阵列电压与电流传感器的优化布设方法，针对串并联光伏阵列连接结构特点，使用“交错式”布设每一串联支路的电压传感器，依据采集数据计算电压均值，数值偏差等特征量，分组判别组件短路和遮阴热斑故障；使用“间隔式”布设光伏阵列电流传感器，依据采集数据计算各组电流特征值，结合电压传感器判别结果，分组判别组件开路故障，从而利用有限的传感器采集数据并结合电路结构特征完成对光伏阵列运行状态的监测与常见故障的定位识别，在确保监测精度的条件下，减少传感器的使用数量，降低系统投资成本。

技术领域

本发明涉及一种光伏阵列的电压、电流传感器优化布设方法与故障实时判别技术，属于光伏阵列运维监控技术领域。

背景技术

光伏发电作为太阳能利用的重要手段之一，近年来取得了快速发展，而光伏组件实时监控作为光伏发电日常运维的基本环节，对确保光伏系统稳定运行具有重要意义。

工程实践中，组成光伏阵列的部分光伏组件可能受制造工艺缺陷，储藏运输不当等因素影响，当其在较为恶劣的室外环境运行一段时间后，容易出现表面裂纹，气孔渗入等现象，从而导致光伏组件中的部分晶体损坏，产生各种结构故障。除此之外，状态良好的光伏组件也会由于受到遮挡导致局部无法工作，使得被遮挡部分成为电路负载，消耗功率而发热，并可能伴随出现局部过热而烧坏的热斑损坏区域，严重的热斑现象会破坏光伏组件的封装材料，甚至影响整个光伏电站的安全。为及时发现光伏阵列中的异常状况，确保电站运行的高效与安全，必须实时监测光伏阵列工作状态，而最能够直观地描述其工作状态的特征参数便是其输出电压和电流，故在光伏阵列中安装电压、电流的传感器，并依据采集数据进行可能的故障判别是非常必要的。具体来讲，上述老化，热斑等现象可能引起的常见故障包括：(Ⅰ)短路故障，相当于光伏阵列中的组件数量减少，此时输出的电流减小，局部电压可能为零。(Ⅱ)开路故障，相当于某支路断开，此时故障支路输出的电流为零。(Ⅲ)热斑故障，相当于部分光伏组件成为负载，消耗阵列有功功率，此时输出电流减小，但在其完全损坏并断路前不会出现零电压值。(Ⅳ)遮阴故障，相当于热斑故障的初始表现阶段，此时组件输出的电流、电压下降。

对于上述故障，目前常见监测手段有非电信号采集分析法和电信号采集分析法，包括：(Ⅰ)红外图像检测法：使用红外成像仪对光伏组件温度进行实时采集，将获得的红外图像进行分割处理，判别各区域实际温度，此方法重点关注热斑故障，省去了大量的U/I采集环节，但缺点在于对于开短路故障适应性差，高分辨率的红外成像仪价格昂贵，极端气象条件耐受度较差，投资成本大且难以维护，另外由于红外数据为图像形式，因而进行计算机分析时其判断精确度很大程度依赖于图像识别算法，普适度较差。(Ⅱ)高频信号注入法：上世纪八十年代日本学者提出将高频信号注入光伏阵列，通过比较高频信号反射波的不同特征来诊断故障，其可以较快判别开短路故障，但热斑故障区别效果较差，且高频信号注入系统复杂，可操作性低，实时性差。(Ⅲ)全传感器检测法：即在每个光伏组件上均加装一个电压，电流传感器进行数值采集，此方法优点是精确性最高，故障判别能力最强，但传感器数量最多，设备冗余，成本较高。(Ⅳ)部分传感器检测法：先对光伏阵列排布进行了修改，将光伏组件先并联后串联，形成全连接形式，并在阵列中分层布设电压/电流传感器，采集数据后逐步递进判别，缩小可疑区域，直至最后确定故障点。此方法一定程度减少了传感器使用数量，但其改变了原有的光伏组件排布方式，应用时有一定局限性，且不能准确分辨同层内的光伏组件开短路故障，精确性有待提高。(Ⅴ)对地电容测量法：其对串联光伏阵列的对地电容值进行测量，从而判断出断路的位置，实现对光伏阵列隐性断路的定位。但此方法需要停工检测和现场操作，不能实时监测，实用性不高。

综上所述，如何做到可靠，高效地进行传感器排布，实时地精准判别故障点，提升监控系统可靠性，降低投资成本，成为亟待解决的问题。

发明内容