基于仿真模型的光伏組串故障分析方法

郭婷婷，武永鑫

(1. 天津科技大學(xué)理學(xué)院，天津 300457；2. 中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100040)

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)中數(shù)量最多的發(fā)電單元．在運(yùn)輸、安裝和使用過程中由于多種原因會造成組件故障．如果故障組件長期存在于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，不但會降低系統(tǒng)整體的發(fā)電效率，還會形成安全隱患[1-2]．因此，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行壽命，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全，避免火災(zāi)、設(shè)備損毀等事故，就需要對光伏組件故障及時(shí)診斷．

目前，光伏組件故障檢測主要采用手工檢測和在線檢測法[3-4]．手工檢測法需要對光伏組件進(jìn)行逐塊檢測獲取故障診斷所需數(shù)據(jù)，工作量大，檢測周期較長．在線檢測則需要在每塊光伏組件上添加電流傳感器和電壓監(jiān)控裝置收集數(shù)據(jù)，通過分析采集到的電流和電壓數(shù)據(jù)對光伏組件的故障類型進(jìn)行判斷，由于在線監(jiān)測法需要安裝眾多的傳感器，在一定程度上增大了檢測的成本和復(fù)雜性．光伏組串由多個(gè)組件串聯(lián)而成，如果組串中存在故障組件，則整個(gè)組串的伏安輸出特性會發(fā)生變化．對于大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，對光伏組串進(jìn)行檢測不但可以發(fā)現(xiàn)組件故障，還可以進(jìn)一步降低檢測工作量，縮短檢測周期．近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于光伏組件或光伏陣列伏安輸出特性的故障分析[5-8]，關(guān)于如何通過光伏組串輸出特性分析故障類型的研究較少．伴隨著集成電流和電壓監(jiān)控裝置的組串式逆變器的飛速發(fā)展，未來組串檢測技術(shù)將成為趨勢．

本文使用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建了光伏組串仿真模型，對不同故障類型下的光伏組串伏安(I-V)輸出曲線進(jìn)行了仿真．在理論模擬和實(shí)驗(yàn)測試的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析不同故障情況下組串輸出特性的變化規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)檢測

用于不同故障類型下伏安輸出數(shù)據(jù)采集的光伏組串由18塊功率為320 W 的組件串聯(lián)而成，所使用組件的詳細(xì)參數(shù)為：最大輸出功率(Pm)320 W，開路電壓(Uoc)46.78 V，最大功率點(diǎn)電壓(Upm)38.46 V，短路電流(Isc)8.98 A，最大功率點(diǎn)電流(Ipm)8.32 A，組件效率16.48%．

使用意大利HT 公司生產(chǎn)的IV400 型I-V測試儀對光伏組串進(jìn)行檢測，該設(shè)備可以獲得被測組件在測試及標(biāo)準(zhǔn)條件(STC)下的開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、最大功率點(diǎn)電壓(Upm)、最大功率點(diǎn)電流(Ipm)、最大輸出功率(Pm)、填充因子(FF)、組件溫度及組串的伏安特性曲線等數(shù)據(jù)，詳細(xì)的測試設(shè)備參數(shù)為：電壓測量范圍5.0～999.9 V，電流測量范圍0.1～15 A，功率測量范圍50～9 999 W，輻照強(qiáng)度測量精度±1.0%，工作溫度0～40 ℃，采樣精度±1.0%．

2 光伏組串模型

光伏組串模型以組件模型為基礎(chǔ)，首先對組件進(jìn)行建模．光伏組件是由多個(gè)光伏電池片串并聯(lián)而成，光伏電池本身為一個(gè)PN結(jié)，其特性與二極管類似[9]，光伏電池等效電路如圖1所示．光伏電池等效數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Iph為光伏電池的光生電流；Id為流經(jīng)二極管D的電流；Ish為光伏電池的輸出電流；G 為積灰后組件所能接受到的太陽輻照度；Gref為清潔組件接收到的太陽輻照度，為1 000 W/m2；Rsh為并聯(lián)電阻；Rs為串聯(lián)電阻；R0為負(fù)載電阻；I0為二極管反向飽和電流；Isc為短路電流；U為光伏電池的輸出電壓；Ud為二極管兩端電壓；q為單位電荷，1.6×10-19C；T為太陽能電池溫度；k 為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；A0為二極管因子；Ut為熱電壓，室溫下為25.9 mV．

圖1 光伏電池等效電路圖 Fig. 1 Equivalent circuit of solar cell

由公式(6)獲得的m 個(gè)光伏電池串聯(lián)所構(gòu)成的組件的輸出電流與電壓之間的關(guān)系式為

式中：Umodule為光伏組件輸出電壓；Imodule為光伏組件輸出電流．使用Matlab/Simulink 軟件，根據(jù)式(7)構(gòu)建的光伏組件仿真模型如圖2所示．

圖2 光伏組件仿真模型示意圖 Fig. 2 Simulation model of PV module

將18塊光伏組件模型進(jìn)行串聯(lián)構(gòu)成組串模型，組串模型示意圖如圖3所示．使用組串模型進(jìn)行仿真時(shí)，需要將實(shí)際光伏組件的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流等參數(shù)輸入進(jìn)模型，以實(shí)現(xiàn)光伏組件伏安輸出特性仿真．模型可以根據(jù)輸入的太陽輻照度模擬出整個(gè)光伏組串的伏安特性曲線．

圖3 光伏組串連接模型示意圖 Fig. 3 Connection of PV module strings

3 光伏組串故障仿真與分析

光伏組串存在的故障類型眾多，本文重點(diǎn)針對常見的灰塵沉積、陰影遮擋、組件衰減等故障進(jìn)行研究分析．

灰塵沉積會造成光伏組件接收到的太陽輻照度降低，從而導(dǎo)致組串輸出電流下降．積灰組件短路電流按照式(8)計(jì)算．

式中：I′sc為積灰后組件短路電流；α為短路電流溫度系數(shù)；ΔT 為溫度變化值；G 為積灰后組件所能接受到的太陽輻照度；Gref為清潔組件接收到的太陽輻照度，為1 000 W/m2．

圖4 為積灰影響下組串模擬和實(shí)測的伏安特性輸出曲線，此時(shí)I′sc＝8.64 A，根據(jù)式(8)獲得的積灰后光伏組件所能獲得的太陽輻照度為962 W/m2．

通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的模擬擬合可知，當(dāng)光伏組串模型中組件接收到的太陽輻照度為962 W/m2時(shí)，模擬曲線與實(shí)測曲線能夠?qū)崿F(xiàn)較好的擬合．積灰主要影響組串的短路電流，而對于開路電壓的影響較小．

圖5 為局部陰影遮擋情況下通過實(shí)測和模擬獲得的光伏組串伏安特性曲線．

圖4 積灰影響下光伏組串模擬和實(shí)測伏安特性曲線 Fig. 4 Impact of dust deposition on the I-V characteristic curve of PV module strings

從圖5 中可以看出，當(dāng)組串中存在被遮擋的組件時(shí)，其伏安特性曲線表現(xiàn)為多階梯狀．局部陰影遮擋情況光伏組串的伏安特性曲線可看作多個(gè)不同太陽輻照度下伏安特性曲線的結(jié)合[10]．出現(xiàn)這種多階梯狀曲線的原因是為了防止陰影造成組件出現(xiàn)熱斑等故障，每個(gè)光伏組件會并聯(lián)一個(gè)旁路二極管．當(dāng)組串中有部分組件被遮擋時(shí)，旁路二級管兩端會形成正偏壓，此時(shí)旁路二級管導(dǎo)通，被遮擋組件被旁路，未被遮擋的光伏組件能正常輸出電流．在檢測過程中，伏安特性曲線測試設(shè)備被作為負(fù)載接入電路，通過調(diào)節(jié)電阻值獲取光伏組件伏安特性輸出數(shù)據(jù)．隨著測試設(shè)備阻值持續(xù)增大，被遮擋組件旁路二級管兩端的正偏壓逐漸降低，此時(shí)旁路二級管關(guān)閉被遮擋的光伏組件輸出電流，因此出現(xiàn)了多階梯狀曲線．

陰影遮擋情況下光伏組串的輸出電流與電壓之間關(guān)系可用式(9)表示．

式中：Uarrany為光伏組串的輸出電壓，Iarrany為光伏組串輸出電流，N1和N2分別為被遮擋的光伏組件數(shù)．

由式(8)計(jì)算獲得圖5 中階梯狀臺階上下的太陽輻照度分別為920 W/m2和820 W/m2．選取A、B 兩點(diǎn)，其電壓和電流分別為(0 V，8.32 A)和(355 V，7.52 A)，將A 與B 的參數(shù)代入式(9)計(jì)算獲得的 N2≈9.34，這里選取整數(shù)N2＝9．

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，使用模型對實(shí)測曲線進(jìn)行擬合，當(dāng)光伏組串模型中9 塊組件的太陽輻照度設(shè)置為920 W/m2，其余9 塊組件接收的太陽輻照度設(shè)置為820 W/m2時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了很好的擬合．

圖5 存在陰影遮擋的光伏組串實(shí)測與模擬伏安特性曲線 Fig. 5 Simulated and measured I-V characteristic curves of PV module strings under partial shading condition

功率衰減是光伏組件不可忽視的問題，組件的功率衰減理論上可歸結(jié)為兩種原因造成，分別為串聯(lián)電阻的上升及并聯(lián)電阻的降低[11-13]．因此，可以通過改變組件模型的串并聯(lián)電阻阻值模擬組件功率衰減情況．

阻值變化會造成光伏組件最大功率點(diǎn)偏移．串聯(lián)電阻Rs_module和并聯(lián)電阻Rsh_module的變化可由式(10)和(11)計(jì)算[3]．

式中：Umpp為光伏組件最大功率點(diǎn)處電壓；Impp為組件最大功率點(diǎn)處電流；ΔUmpp和ΔImpp分別為阻值變化后最大功率點(diǎn)處電壓和電流的變化量．

圖6 為串聯(lián)電阻值改變對光伏組串伏安特性曲線的影響．由圖6 可知，組串中某一組件串聯(lián)電阻阻值的增大會造成整體組串最大輸出功率下降，在伏安特性曲線上表現(xiàn)為開路電壓處斜率的下降，但是對組串整體的開路電壓和短路電流的影響并不明顯．根據(jù)式(8)與式(10)的計(jì)算結(jié)果，將太陽輻照度設(shè)置為900 W/m2，光伏組串整體串聯(lián)電阻增加0.67 Ω 時(shí)，模擬曲線與實(shí)測曲線能夠?qū)崿F(xiàn)很好的擬合．

圖6 串聯(lián)電阻增大對光伏組串伏安特性曲線影響的模擬和實(shí)測結(jié)果 Fig. 6 Simulated and measured results of impact of series resistance increasing on I-V characteristic curves of PV module strings

光伏組件在發(fā)電過程中，有一部分損失是由于內(nèi)部漏電流而造成的，理論上可以歸結(jié)為組件并聯(lián)電阻的影響[14]．一般情況下光伏組件并聯(lián)電阻很大，只有并聯(lián)電阻減小才會影響到組件的輸出特性．圖7 為組串中存在并聯(lián)電阻減小而造成的功率衰減組件的伏安特性曲線的模擬與實(shí)測結(jié)果．由圖7 可知，光伏組件并聯(lián)電阻的減小會造成組件最大輸出功率的下降，從而造成組件所在組串最大輸出功率的下降．而某一組件并聯(lián)電阻的減小并不影響整體光伏組串開路電壓和短路電流．根據(jù)式(8)和式(11)的計(jì)算結(jié)果，將模型的光伏組串并聯(lián)電阻減小116.64 Ω，組串模型中9 片組件太陽輻照度設(shè)定為975 W/m2，另外9片設(shè)置為920 W/m2時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果能夠較好地?cái)M合．

圖7 并聯(lián)電阻降低對組串伏安輸出特性的影響模擬和實(shí)測結(jié)果 Fig. 7 Impact of parallel resistance decreasing on I-V characteristic curves of PV module strings

根據(jù)以上的模擬分析可知，光伏組串中若存在灰塵沉積、陰影遮擋及光伏組件功率衰減等現(xiàn)象，其開路電壓基本不受影響．對于短路電流，如果組串中存在陰影遮擋或灰塵沉積組件，其短路電流將出現(xiàn)下降的情況．因此在分析組串故障時(shí)，可首先對組串整體的開路電壓和短路電流進(jìn)行分析．

根據(jù)以上模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對不同故障類型下光伏組串伏安特性曲線的輸出特性進(jìn)行歸納總結(jié)，故障類型分析如圖8 所示．通過對比多種情況下故障組串的伏安特性曲線(圖8)可知：在組串中存在積灰及陰影遮擋問題時(shí)，表現(xiàn)在伏安特性曲線1 的位置的變化．當(dāng)組串中存在由于串聯(lián)電阻升高而造成的組件功率衰減時(shí)，其在2 處的斜率會發(fā)生明顯的變化．當(dāng)組串中存在由于并聯(lián)電阻下降造成的功率衰減時(shí)，其曲線3 處的斜率會發(fā)生變化．

圖8 光伏組串伏安特性曲線故障分析圖 Fig. 8 Fault diagnosing diagram of I-V curve of PV module strings

4 結(jié) 語

本文提出了一種光伏組串故障診斷方法，以實(shí)測獲取的灰塵沉積、陰影遮擋和存在功率衰減組件等情況下光伏組串的伏安特性曲線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Matlab/Simulink 軟件構(gòu)建了光伏組串故障仿真模型，并使用該模型對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析．結(jié)果表明，所構(gòu)建的模型能夠較為準(zhǔn)確仿真出不同故障情況下光伏組串的伏安特性曲線，并能夠?qū)崿F(xiàn)對故障產(chǎn)生原因的分析．所提出的方法對于光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)具有一定的參考價(jià)值．由于光伏組件受到環(huán)境等多種因素的影響，導(dǎo)致故障類型具有多樣和復(fù)雜性，因此所提出的故障診斷方法還需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化．