光伏組件檢測技術(shù)

羅強

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、開路或者短路等各種故障，影響其使用壽命。同時，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)重時甚至引發(fā)火災(zāi)。通常，光伏陣列在直流側(cè)裝有過電流保護(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，傳統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備因最大功率點跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）和過低的故障電流無法及時動作。因此，建立有效的光伏陣列故障診斷及智能運行監(jiān)測系統(tǒng)是亟待解決的問題之一。

關(guān)鍵詞：光伏陣列;光伏組件;狀態(tài)檢測

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)電項目政策的通知”，降低了光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價，同時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，光伏組件采購價格勢必會在原有基礎(chǔ)上再降低，光伏組件質(zhì)量問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中制勝的法寶。

1光伏陣列故障類型及其特性

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光伏陣列故障類型及其特性

光伏陣列中常見的故障有線間故障、接地故障、開路故障、遮陰故障、異常老化等。本文通過規(guī)模為5×10的光伏系統(tǒng)對各類故障進(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。光伏模組通過安裝旁路二極管來傳導(dǎo)非遮陰模組的電流以防止出現(xiàn)熱斑。

開路故障指光伏陣列中的某一串線路存在斷開點，導(dǎo)致故障串沒有電流回路，使其進(jìn)入開路狀態(tài)，不產(chǎn)生能量。此時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，某兩個不同電位點發(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。因此稱之為線-線失配90%故障（簡稱LL-90%）;F4故障處為兩個光伏串間發(fā)生短路，有2塊模組被短路，因此稱其為線-線失配20%故障（簡稱LL-20%）;同理，F(xiàn)5故障為線-線失配10%故障（簡稱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重點分析問題

2.1隱裂

隱裂就是一些肉眼不可見的細(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，可以說是一種常見的自身缺陷，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）是一種太陽能電池或組件的內(nèi)部缺陷檢測設(shè)備，是簡單有效的檢測隱裂的方法。利用晶體硅的電致發(fā)光原理，通過高分辨率的紅外相機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、檢測速度快、結(jié)果直觀形象等優(yōu)點。

2.2PID效應(yīng)

又稱電勢誘導(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，在電場的作用下移動到電池表面。在漏電流的作用下，帶正電的載流子通過邊框流向地面。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)造類型不變，可以通過復(fù)雜、高成本的材料來限制這種危害。但在商業(yè)化成本競爭的壓力下，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。這種處置方案簡單便捷，效果顯著，但同時如果組件正極故障會導(dǎo)致短路，威脅電站運維安全，那么安裝負(fù)極接地監(jiān)測和分?jǐn)啾Ｗo(hù)系統(tǒng)尤為重要。

3光伏組件檢測技術(shù)

3.1在線計算監(jiān)測方法

光伏陣列熱斑在線計算監(jiān)測方法是利用在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)的計算方法來判斷組串是否存在熱斑。此類計算方法一般會有一個表征熱斑的參數(shù)，然后利用在線數(shù)據(jù)通過一系列算法得到該參數(shù)來判斷光伏陣列的運行狀態(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。該方法引入了一個用于反映輸出特性的等效串聯(lián)電阻概念，并簡化了等效電阻的計算模型。光伏組件發(fā)生熱斑故障時其等效串聯(lián)電阻會隨之發(fā)生較大的變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輻照度等其他因素對它的影響?；谶@個特性，通過在線獲取最大功率點電壓、最大功率點電流、輻照度、環(huán)境溫度等運行參數(shù)來計算等效電阻，并和預(yù)設(shè)的閥值進(jìn)行比較，來判斷光伏陣列是否發(fā)生熱斑故障。

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

3.2機器視覺檢測方法

機器視覺檢測技術(shù)主要依靠計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，并加以處理，最后用于實際檢測。在現(xiàn)場熱斑檢測中，一般將紅外熱成像裝置與清掃機器人或無人機合理搭配使用。與傳統(tǒng)檢測方法相比，機器視覺檢測技術(shù)具有速度快，效果好等優(yōu)勢。

3.3基于能量損失的診斷方法

首先，通過測量環(huán)境溫度和輻照度來估算理論輸出電壓、電流和功率，再計算理論值和實際值之間的差值，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）的故障檢測方法，通過將理論值與實際值的差值作為KNN的輸入，并結(jié)合指數(shù)加權(quán)移動平均（exponentialweightedmovingaverage，EWMA）算法自適應(yīng)生成KNN的故障閾值邊界，實現(xiàn)了對光伏陣列中不同失配比的線間故障、開路故障及部分遮陰的故障檢測。

結(jié)語

企業(yè)要在這光伏行業(yè)中生存就必須順應(yīng)市場變化，積極引進(jìn)國內(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，保證產(chǎn)品的質(zhì)量，必須充分利用這些檢測手段控制產(chǎn)品質(zhì)量，開發(fā)新方法，保證產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而推動整個光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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