一種在線直觀檢測(cè)光伏板故障的簡(jiǎn)易方法

海 濤，李俊杰，時(shí) 雨，劉振語(yǔ)，張茜雯

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，南寧530004）

0 引 言

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于安裝環(huán)境復(fù)雜、陰影遮擋、組件老化等原因?qū)е铝斯夥嚵懈黝惞收项l發(fā)，這些故障使光伏板中單體電池之間或光伏板之間發(fā)生開(kāi)路或短路，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)效率降低，同時(shí)使光伏板使用壽命縮短，增加了發(fā)電成本［1］。對(duì)于成規(guī)模的光伏陣列，由于光伏板數(shù)量較大，陣列中出現(xiàn)故障光伏板的概率也隨之增加。同時(shí)部分光伏板安裝位置也比較特殊不便于人工直接檢測(cè)［2］。常見(jiàn)的光伏系統(tǒng)故障診斷方法有基于電路結(jié)構(gòu)法、電氣測(cè)量法、智能檢測(cè)法和紅外圖像分析法等，這些方法都有其優(yōu)點(diǎn)但也存在一定局限性，比如安裝成本高或是無(wú)法確定故障具體位置等［3］。本文根據(jù)發(fā)光二極管的工作特性，設(shè)計(jì)了一種直觀可視、電路構(gòu)成簡(jiǎn)單、成本低的故障檢測(cè)方法，該方法可以準(zhǔn)確、快速地定位出光伏陣列故障位置，而且對(duì)工作條件要求不高。

1 故障檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

1.1 功能設(shè)計(jì)

光伏板出廠前通常都反接了旁路二極管進(jìn)行保護(hù)，其原理為在光伏板兩端反接旁路二極管，發(fā)生遮擋時(shí)光伏電池兩端負(fù)壓達(dá)到旁路二極管導(dǎo)通電壓后，受遮擋部分的光伏電池被短路，防止物理結(jié)構(gòu)被損壞，并避免光伏板因熱斑效應(yīng)斷路而造成的大部分功率損失，但無(wú)法定位出故障點(diǎn)位置［4］。

本文的故障檢測(cè)方法為在光伏板反接旁路二極管的基礎(chǔ)上，在光伏板兩端并聯(lián)不同顏色的發(fā)光二極管，根據(jù)發(fā)光二極管的顏色組合來(lái)直觀檢測(cè)光伏板的故障位置及工作狀態(tài)［5］。當(dāng)陣列中某塊光伏板正常工作時(shí)，與其正接的綠色發(fā)光二極管發(fā)光；光伏板發(fā)生故障損壞（斷路）時(shí)，與其正接的綠燈不發(fā)光，與其反接的紅色發(fā)光二極管發(fā)光；光伏板發(fā)生軟故障時(shí)，即陣列串聯(lián)電路的輸出電流小于故障光伏板的光生電流時(shí)，綠色發(fā)光二極管發(fā)光，但其亮度與光伏板正常工作時(shí)相比較暗；黃色發(fā)光二極管亮表示某一光伏板串聯(lián)回路中，在光伏板均正常工作時(shí)無(wú)其他電路連接故障，系統(tǒng)正常工作。故障檢測(cè)電路預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能如表1 所示。表中數(shù)字“1”表示發(fā)光二極管正常發(fā)光；“0”表示發(fā)光二極管熄滅；“1 -”表示發(fā)光二極管亮度較暗，處于軟故障狀態(tài)。

表1 光伏板工作狀態(tài)表

1.2 發(fā)光二極管限流電阻參數(shù)選型

發(fā)光二極管需串聯(lián)限流電阻以免其過(guò)熱損壞，限流電阻本身也會(huì)產(chǎn)生功耗，同時(shí)也需考慮發(fā)光二極管的亮度［6］。因此在發(fā)光二極管電路分別串入4 個(gè)不同阻值的限流電阻作對(duì)比試驗(yàn)來(lái)選擇合適的電阻，以24 V直流開(kāi)關(guān)電源模擬光伏板輸出電壓，在晴天室內(nèi)光照度為478 lx的光照環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果從節(jié)能、使用壽命、發(fā)光二極管明暗度等方面來(lái)選擇限流電阻大小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表中R表示發(fā)光二極管串聯(lián)的限流電阻大??；I表示流經(jīng)發(fā)光二極管的工作電流；Upn為發(fā)光二極管工作時(shí)的結(jié)電壓；P為限流電阻和發(fā)光二極管消耗的功率之和。因?yàn)榘l(fā)光二極管為電流控制型器件，由圖1 可知，發(fā)光二極管導(dǎo)通后電流變化大，流過(guò)電流的大小表征發(fā)光二極管的亮度強(qiáng)弱。由表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，流經(jīng)發(fā)光二極管的電流較大時(shí)，雖然亮度增強(qiáng)但電路功耗也變大，因此在發(fā)光二極管的亮度不影響觀測(cè)時(shí)也應(yīng)兼顧電路的功率損耗。結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)物效果（見(jiàn)圖2），限流電阻選擇12 kΩ（2 mA）較合適。

表2 電阻選型及功率消耗

圖1 發(fā)光二極管正向伏安特性曲線

圖2 串聯(lián)不同電阻時(shí)發(fā)光二極管效果圖

選擇發(fā)光二極管限流電阻時(shí)，需避免只以亮度的強(qiáng)弱為標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)光二極管過(guò)亮則功率損耗較大，過(guò)弱又不利于觀測(cè)，因此應(yīng)綜合考慮電流大小、電路功耗和檢測(cè)環(huán)境的光照度等因素的影響。同時(shí)，在光伏電站實(shí)際運(yùn)用中，也要根據(jù)光伏板不同的輸出電壓，從節(jié)能環(huán)保、使用壽命和檢測(cè)環(huán)境等角度出發(fā)，因地制宜，合理選擇。

2 原理說(shuō)明

利用發(fā)光二極管的正向?qū)ㄌ匦院蜔艄庵甘拘Ч?，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)光伏陣列中故障光伏板的位置；采用二極管正向?qū)ㄌ匦詫?duì)故障光伏板進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)發(fā)生故障損壞組件物理結(jié)構(gòu)，故障光伏板兩端反向電壓達(dá)到旁路二極管開(kāi)啟電壓時(shí)二極管導(dǎo)通，大部分電流從二極管流過(guò)，只有極微小部分從光伏板流過(guò)，避免了光伏組件發(fā)熱溫度過(guò)高而造成損壞［6］。

圖3 光伏板故障檢測(cè)電路圖

如圖3 所示，以常見(jiàn)的光伏陣列SP 連接結(jié)構(gòu)為例。每一塊光伏板均正接綠色發(fā)光二極管和反接紅色發(fā)光二極管，為避免發(fā)光二極管過(guò)流損壞，R1～R5阻值均為限流電阻，其中R4為可調(diào)電阻，R6阻值根據(jù)光伏板的最大功率電流來(lái)確定，不同的光伏板需選擇不同的R6阻值。以光伏電站常用的輸出功率為300 W的光伏板為例，其最大功率電流為8.4 A，為使紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，R6的兩端電壓8.4V需大于紅色發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓，據(jù)此可確定R6的值。也可用3 個(gè)二極管串聯(lián)代替電阻R6［7］。光伏板的工作狀態(tài)分以下幾種情況討論。

（1）組件正常工作情況時(shí)，旁路二極管D 處于反偏壓狀態(tài)未開(kāi)啟［8］，3 塊光伏板并聯(lián)的發(fā)光二極管均發(fā)綠光，紅燈不發(fā)光。當(dāng)太陽(yáng)光照由弱變強(qiáng)時(shí)，若綠燈亮度變強(qiáng)，說(shuō)明該光伏板無(wú)隱性故障。

（2）當(dāng)光伏板②由于被遮擋等原因產(chǎn)生失配現(xiàn)象或者調(diào)節(jié)R4使電路外接負(fù)載較大，但其旁路二極管D未開(kāi)啟時(shí)，光伏組件工作在軟故障狀態(tài)，此時(shí)綠色燈亮度變?nèi)?，紅燈未發(fā)光。這種情況下電路中也可不需并聯(lián)紅色發(fā)光二極管，借助綠燈的明暗度對(duì)比來(lái)判斷光伏板存在隱患故障［9］。

（3）當(dāng)故障較嚴(yán)重致使光伏板兩端的反偏壓達(dá)到旁路二極管D 的開(kāi)啟電壓后，光伏板串聯(lián)支路電流中，大于組件②光生電流的部分被旁路二極管D 分流［10］，避免光伏板②過(guò)熱損壞，此時(shí)A 點(diǎn)的電位高于B點(diǎn)電位，綠燈熄滅，組件②反接的發(fā)光二極管導(dǎo)通紅燈亮，指示光伏板發(fā)生故障。

3 熱斑測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文故障檢測(cè)方法的有效性，采用3 塊型號(hào)為JJ-50D50W的多晶太陽(yáng)能電池板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，每塊電池板有36 片單體電池，該光伏板的特性參數(shù)如下：Pmp＝50 W，Isc＝ 3.03 A，Imp＝ 2.75 A，Uoc＝ 22.4 V，Ump＝18.2 V。

由局部陰影下光伏板的功率消耗特性知，光伏板在一塊單體光伏電池被遮擋時(shí)熱斑效應(yīng)顯著［11］。因此實(shí)驗(yàn)以單片光伏電池被遮擋面積為變量模擬光伏板熱斑故障，觀測(cè)旁路二極管電路紅綠燈工作狀態(tài)，測(cè)試光伏板最大輸出電壓Um和最大輸出電流Im的變化［12］。

當(dāng)光伏單體電池未被遮擋時(shí)，光伏板并聯(lián)的綠色發(fā)光二極管正常亮度發(fā)光，紅色發(fā)光二極管不發(fā)光。由圖4 和5 可知，當(dāng)光伏單體電池的遮擋面積小于48%時(shí)，反接旁路二極管未開(kāi)啟，光伏板的最大輸出功率和最大工作電流隨遮擋面積的增加呈線性下降趨勢(shì)，此時(shí)綠色發(fā)光二極管雖然也工作，但發(fā)光亮度逐漸降低，紅色發(fā)光二極管不發(fā)光，光伏板為軟故障狀態(tài)［13-15］。當(dāng)遮擋面積接近于48%時(shí)，如圖5 所示，反接旁路二極管在其導(dǎo)通臨界點(diǎn)左側(cè)時(shí)，光伏板的輸出電壓接近其開(kāi)路電壓［16］。當(dāng)遮擋面積大于48%時(shí)，反接旁路二極管D 正向?qū)ǎG燈熄滅，紅色發(fā)光二極管發(fā)光，說(shuō)明該光伏板出現(xiàn)故障，輸出功率下降明顯，此時(shí)該串電池片被短路，旁路后整個(gè)光伏板的Um下降了1/3 左右，Im變?yōu)槲幢徽趽蹼姵氐恼９ぷ麟娏?，最終功率衰減近1/3，紅色發(fā)光二極管發(fā)光指示該處光伏板存在故障隱患。因此該故障檢測(cè)方法能有效地檢測(cè)出光伏組件的故障位置并通過(guò)紅綠發(fā)光二極管直觀地指示出來(lái)，提高了工作人員故障巡檢效率并起到了一定的保護(hù)作用。

圖4 Pmp衰減比例與單片電池遮擋面積的關(guān)系

圖5 STC下Um 和Im 與單片電池遮擋面積的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前光伏陣列故障巡檢效率不高，巡檢周期長(zhǎng)，部分故障檢測(cè)方法成本高等不足之處，本文在光伏陣列為避免功率損失而反接二極管的基礎(chǔ)上，引入不同顏色的發(fā)光二極管來(lái)指示光伏板的工作狀態(tài)并在故障發(fā)生后準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。經(jīng)熱斑故障測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單片光伏電池遮擋面積達(dá)48%時(shí)為組件旁路二極管開(kāi)啟的臨界點(diǎn)，旁路二極管未開(kāi)啟前，綠色發(fā)光二極管正常發(fā)光或亮度較弱，表示光伏板無(wú)故障或存在軟故障；旁路二極管開(kāi)啟后紅色發(fā)光二極管發(fā)光，表示其所連接的光伏板存在故障或失配現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)檢修。該故障檢測(cè)方法減少了光伏板功率的進(jìn)一步損耗并報(bào)告故障位置，并且可以在線檢測(cè)而不影響其他光伏板的正常工作，在成本不增加的情況下為光伏電站提供了較好的檢測(cè)手段，有效提高了光伏陣列的故障巡檢效率。