簡介
隨著全球經濟的快速發展，人們對於各種形式的能源需求也越來越大。如今，世界正面臨著三大能源危機:一是對化石燃料的過分依賴，並且在化石燃料的生產和消耗的過程中對環境產生了巨大的污染和破壞;二是人類己經消耗了大概一半不可再生的化石燃料;三是己探明的化石燃料儲備遠遠不能滿足人們對於能源的巨大需求。尋找和研究新型能源是當今社會的研究熱點之一 。
光伏電站設備故障檢測的意義
隨著光伏發電技術的進步和光伏發電併網運行規模的增大，光伏電站的最佳化、改善和運行成本等問題嚴重製約了光伏發電的發展。其中光伏陣列由於占地面積大、分布廣泛，容易出現光伏電池組件“裂片”、“線路老化”和“熱斑現象”等故障，併網逆變器則容易出現過壓、過流、功率管短路和開路等故障。這些嚴重影響到光伏電池組件的壽命和光伏電站的安全穩定運行。特別是，大型併網逆變器承擔著向電網饋送電能的重任，其主電路中任意一個關鍵組件故障都會使得整個光伏電站停機甚至損壞設備，較長的停機時間會降低電站的發電收益。光伏電站的這些故障，嚴重影響到光伏發電系統的正常運行 。
為了防止因故障造成更嚴重的事故，降低電站的收益損失，及時檢測光伏電站設備故障，有助於光伏電站穩定高效運行，方便在光伏電站設備發生故障之初採取相應的對策。通過對光伏電站設備的運行情況進行線上監測，及時分析處理故障徵兆，確定設備故障發生的原因和位置，也有利於光伏電站維護人員工作的開展。因此研究光伏電站設備故障檢測及診斷方法，以實現光伏電站的穩定、可靠、經濟運行，對於促進我國光伏發電的規模化發展，具有極其重要的意義。
光伏電站設備故障檢測與診斷研究現狀
光伏電站組成設備眾多，主要包括光伏陣列、直流匯流箱、光伏併網逆變器、交流配電櫃以升壓變壓器等設備。在眾多的設備當中，光伏陣列和光伏併網逆變器是整個光伏電站的核心部件。其中光伏陣列的成本可占到整個光伏電站建設成本的40%-50%，且當光伏陣列出現故障後，使得光伏陣列輸出功率下降，加速組件損壞，甚至引起火災。而光伏逆變器雖然占整個光伏電站的總建設費用比例不高，但它卻與電站的正常運行息息相關。光伏電站在運營過程中有三種常見的故障類型，即逆變器故障、交流輸配電側故障和直流輸配電側故障等，其中逆變器出現故障的次數比例達到60 。
目前光伏陣列的故障檢測方法主要有紅外圖像檢測法、電信號檢測法、事件相關檢測法和基於感測器檢測法。]根據正常與故障的光伏電池組件在工作時存在一定溫差，在光伏陣列前架設紅外成像儀，通過紅外圖像處理提取故障特徵來識別故障電池組件。電信號檢測法，採用時域反射法(TimeDomain Reflectometry，通過向光伏電池組件中注入高頻信號，然後根據反射信號的不同變化來進行光伏陣列的故障檢測與定位。在基於事件相關法中，利用PSIM軟體建立3KW的光伏陣列仿真模型，通過提取不同故障情況下的特徵，利用可拓法的相關函式模型對光伏陣列故障進行診斷。在基於感測器的檢測方法當中，利用圖論的思想，將光伏組件之間的連線等效為權值邊，提出覆蓋每一個權值邊的最優感測器配置的光伏陣列故障檢測方法，通過改變陣列的工作電壓使得陣列工作在不同的電壓區域來檢測光伏電池是否存在故障。改進光伏陣列的結構，並結合數據融合理論，對光伏陣列熱斑故障進行了檢測和定位 。
上述方法不同程度的存在一定的缺點和不足:紅外圖像檢測法存在檢測精度不高，設備費用大等缺點;基於電信號的檢測方法也有自身的局限性，例如:時域反射法通過高頻信號注入法進行光伏陣列的故障檢測，此方法需要系統停止工作的情況下檢測，難以做到線上監測，且對設備要求高，診斷精度有限;基於可拓法的光伏陣列故障診斷需要多種故障情況下陣列的輸出數據，這在大規模的光伏陣列情況下幾乎是不可能實現的。在基於感測器檢測方法中，基於CTCT結構的故障檢測方法所用感測器數量較多，檢測結構難以在大規模光伏陣列套用中推廣;而電壓掃描法檢測存在影響光伏陣列正常工作的缺點。
光伏電站設備故障分析
光伏電站故障檢測從能量轉換的過程來說，大型光伏電站一般由直流系統(光伏陣列)、逆變系統和併網系統構成。而光伏電站的基本設備除了光伏陣列、光伏逆變器、升壓變壓器等能量轉換部件之外，還包括直流匯流箱、直流配電櫃、交流配電櫃等一系列電氣設備。分析了上述設備在運行過程中出現的常見故障及其相應的檢測方法，如表2-1所示 。
大型光伏電站的建設費用是一筆龐大的開支，使得光伏發電的成本居高不下。在光伏電站的投入運行前的階段，可以通過採用高轉換效率的光伏電池、高效率的逆變器和MPPT控制策略來實現降低成本。在光伏電站投入運行以後，對設備進行故障檢測與診斷，能夠更有效的提高系統運行的穩定性以及降低光伏發電的成本費用。在眾多的設備當中，光伏陣列和光伏併網逆變器是整個光伏電站的核心部件，與電站的正常運行息息相關，同時也是比較容易出現故障的環節
光伏陣列故障分析
光伏陣列是光伏系統中的重要組成部分，其成本可占到整個系統的40%左右。光伏陣列的故障主要有以下四種:熱斑現象、因光伏電池組件老化導致光伏陣列失配現象、因接線盒錯誤導致的光伏電池組件開路或短路、光伏電池組件的碎裂。
因組件老化導致陣列失配現象
由於光伏陣列的工作環境一般是戈壁荒漠等惡劣環境，歷經風吹日曬和晝夜溫差很大的考驗，在使用一定時間後，光伏電池板會出現功率下降，與其他電池板的輸出特性不匹配，從而導致光伏陣列失配現象的發生 。
熱斑現象
造成熱斑現象的主要原因是某些光伏電池長期受到陰影影響，致使其輸出電流小於正常工作的光伏電池的輸出電流。據KLU定律，被遮擋的光伏電池板會成為串聯支路中的負載，並且兩端帶負電壓。光伏電池本身具有一定的串聯電阻，當成為負載之後，流過的電流會在光伏電池板中產生熱量，熱量累積可使溫度最高達200攝氏度，這樣高的溫度會損壞光伏電池板的物理結構，並導致不可逆轉的永久損壞。
組件短路與開路
組件短路相當於該支路缺少了一個輸出功率的光伏組件，而組件開路相當於連線線斷開。兩種故障一般是因為接線盒中接觸點虛焊或者是連線線錯誤導致的，出現這種情況一般人為的因素居多。
光伏電池組件的碎裂
光伏電池在生產的過程中，在表面密封一層透明保護膜，用以保護光伏電池薄膜，而且還不影響太陽光照的吸收。如果密封合格，光伏電池組件能用20年左右。然而由於製造過程中的一些問題，保護膜並非萬無一失，可能存在裂痕，這樣水和空氣會腐蝕電池薄膜，即光伏電池組件的碎裂問題。在出現碎裂之後，光伏電池組件的老化速度將大大加快。
當前的統計和研究表明，以上幾種故障之中，發生機率最高，產生危害最大的是熱斑現象。熱斑現象能嚴重地破壞光伏電池組件，可能會使組件焊點熔化、封裝材料破壞，甚至會使整個組件失效。據國外權威統計，熱斑效應使光伏電池組件的實際使用壽命至少減少10%。
新型電壓、電流檢測法
電壓電流檢測法的設計是光伏陣列輸出性能原理。新型電壓電流檢測法檢測目標為並串型光伏陣列。並串型光伏電池陣列具有對陰影敏感度低的優點，適合大面積使用。
1)感測器的布置
光伏陣列共有n個並聯支路串聯而成，每個並聯支路上面並聯了若干個光伏電池，這些電池被平均分為了m組。每一條並聯支路上放置一個電壓感測器，測量該並聯支路的輸出電壓U。每一條並聯支路上的每個小組放置一個電流感測器，測量流經該小組的電流。
2)剔除環境因素的影響
環境對電池組件輸出伏安特性有很大影響。通過電壓、電流測量法，可以較容易的找到電流輸出異常的電池組件，但卻很難區分環境因素造成的電壓電流變化和真正故障引發的電壓電流變化。因此在進行故障判斷的時候，還要剔除環境因素的影響。可以採取時間追蹤法來剔除可能對故障判斷產生干擾的環境因素。
一般而言，遮蔽等環境因素是隨著一天中太陽的不同方位、天氣的變換而變化的，因此隨著時間的改變，疑似故障的電流、電壓檢測信號會趨於正常。對於在一個時間段輸出電壓和電流偏低的疑似故障組，採用時間追蹤法來進行最終判斷。數據採集分析的頻率一般設定為每2小時一次(從口出到口落，根據不同的地理位置，設定時間間隔不同)，對於疑似故障，如果在3次數據採集分析中，該電池小組輸出的電壓、電流信號都偏低，則判斷為電池小組故障;如果該電池小組輸出的電壓、電流信號恢復正常，則解除對該電池小組故障的懷疑。
3)光伏陣列分組數量與故障判斷精確度的關係
光伏陣列分組時，每一個小組所包含的電池組件越少，則檢測準確度越高。但是，所使用的電流感測器也越多，整體成本也越高。綜合成本、檢測準確度、檢測快速性等兒個因素，一般把3電池組件作為一個小組。
太陽能光伏電站是國內外重點發展的綠色能源裝備。光伏陣列是光伏電站的核心部件。光伏陣列的線上檢測是光伏電站實現實時監控的重要條件。在分析光伏組件性能原理的基礎上，提出了一種新型光伏陣列故障線上檢測方法。新型檢測法包括電壓電流檢測初篩法及電池組件參數估算法。電壓電流檢測法可以實現故障組件被定位在小範圍內，而電池組件參數估算法則可以根據光伏組件的光照強度和溫度估算出光伏組件的性能參數，進而準確定位故障組件。經實驗驗證表明，該故障檢測方法可以快速較精確的找到故障光伏電池組件，新型光伏陣列故障線上檢測法的準確性在90%以上。
