一種光伏組件老化和短路故障在線診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏組件故障診斷方法，尤其涉及一種光伏組件老化和短路故障 在線診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于太陽(yáng)能的取之不竭和無(wú)污染等特性，光伏發(fā)電的應(yīng)用呈現(xiàn)出高速發(fā)展的態(tài) 勢(shì)。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及維護(hù)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，及時(shí)、可靠的故障預(yù) 警能夠避免火災(zāi)、設(shè)備損毀等重大事故，并提高光伏電站的運(yùn)行壽命及經(jīng)濟(jì)效益。目前大部 分光伏電站都采用人工巡檢維護(hù)，逐塊檢測(cè)光伏組件電氣參數(shù)來(lái)判斷是否正常。但是光伙 組件多安裝在高處或野外惡劣環(huán)境中，工作電壓達(dá)到上百伏，人工維護(hù)既費(fèi)時(shí)，又危險(xiǎn)。所 W光伏組件的在線故障診斷顯得日益重要。
[0003] 在光伏組件的故障診斷研究中，故障的征兆和故障類型之間存在非常復(fù)雜的非線 性對(duì)應(yīng)關(guān)系，該使得無(wú)法建立一個(gè)合適的故障診斷數(shù)學(xué)模型。其中，光伏組件的故障可W分 為短路和異常老化。在不同的工作狀態(tài)下，光伏組件的輸出呈現(xiàn)出不同的變化。為了便于 故障診斷方法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)觀察和研究，確定了四個(gè)輸出參數(shù)，即最大功率點(diǎn)電流Im、最大 功率點(diǎn)電壓Vm、短路電流和開(kāi)路電壓V。。作為光伏組件故障診斷的依據(jù)。
[0004] 國(guó)內(nèi)外有很多針對(duì)光伏組件的故障診斷方法，主要有紅外圖像分析法、多傳感器 檢測(cè)法、對(duì)地電容測(cè)量法和時(shí)域反射分析法等。紅外圖像分析法根據(jù)光伏組件在正常與故 障時(shí)工作溫度不同的原理，通過(guò)分析拍攝到紅外圖像判斷故障類型；多傳感器檢測(cè)法通過(guò) 分析傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)判斷故障類型；對(duì)地電容測(cè)量法通過(guò)測(cè)量串聯(lián)光伏電路的對(duì)地電容 值判斷出斷路的位置；時(shí)域反射分析法通過(guò)向串聯(lián)光伏電路注入一個(gè)脈沖，分析返回的信 號(hào)形狀和延遲時(shí)間判斷故障類型。上述紅外圖像分析法和多傳感器檢測(cè)法可W在線檢測(cè)， 但對(duì)于大規(guī)模的光伏系統(tǒng)而言，該兩種方法的主要限制是需要很多的紅外攝像儀和傳感 器，會(huì)進(jìn)一步增加光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本；對(duì)地電容測(cè)量法和時(shí)域反射分析法只能離線進(jìn)行 檢測(cè)，同時(shí)只適用于串聯(lián)光伏電路，對(duì)于測(cè)量設(shè)備的精度要求也很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，能夠準(zhǔn)確地對(duì) 光伏組件的運(yùn)行故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，極大地提高了光伏組件故障診斷的準(zhǔn)確性，確保光伏 組件安全、可靠地運(yùn)行。
[0006] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案： 一種光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：包括W下步驟： A;采集光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)； B;計(jì)算最大功率點(diǎn)電流和短路電流的比值； C;根據(jù)短路電流值計(jì)算得到光照強(qiáng)度值； D;計(jì)算故障因子K用于區(qū)分光伏組件的故障類型； E;根據(jù)得到的故障類型，利用相應(yīng)的方法判斷其故障程度； F;將診斷結(jié)果通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中也。
[0007]所述A步驟中的需要采集的光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)分別為；最大功率點(diǎn)電流 (Im)、最大功率點(diǎn)電壓（Vm)、短路電流（IJ、開(kāi)路電壓（VJ。
[000引所述B步驟中計(jì)算得到的Im/I,。比值，當(dāng)其值小于0.85時(shí)，判斷組件存在嚴(yán)重 老化故障，執(zhí)行步驟E，否則執(zhí)行步驟C。
[000引所述C步驟中使用短路電流估算得到光照強(qiáng)度值a,即a=Iw/Uef*l000,其 中為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下組件的短路電流值，根據(jù)得到的照度值選擇標(biāo)準(zhǔn)K值范圍。
[0010] 所述D步驟中的故障因子K定義為，根據(jù)此故障因子可W區(qū)分組件所 處的狀態(tài)：正常、短路W及異常老化。實(shí)際計(jì)算得到的K值大于標(biāo)準(zhǔn)K值范圍上限時(shí)，判斷 組件存在嚴(yán)重短路故障；實(shí)際計(jì)算得到的K值小于標(biāo)準(zhǔn)范圍下限時(shí)，判斷組件存在輕微老 化故障：實(shí)際計(jì)算得到的K值在標(biāo)準(zhǔn)K值范圍內(nèi)時(shí)，判斷組件正常工作或存在輕微短路故 障。
[0011] 所述E步驟中，如果診斷結(jié)果為短路故障，則使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法輔助判斷短路故 障程度；如果診斷結(jié)果為異常老化故障，則執(zhí)行步驟F。
[0012] 采集光伏組件處于正常狀態(tài)時(shí)的四個(gè)輸出參數(shù)Im、Vm、及V。。；WIm、和Vm/ V。。作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量；WVm和V。。作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量。
[001引構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用采集到的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練，直到達(dá)到滿意的精 度為止。
[0014] 所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)3層前饋網(wǎng)絡(luò)；輸入層有3個(gè)單元，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)變量； 隱層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10個(gè)；輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2個(gè)，分別為光伏組件處于正常狀態(tài)時(shí) 的最大功率點(diǎn)電壓和開(kāi)路電壓。
[0015] 所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層傳遞函數(shù)是tansigO,輸出層傳遞函數(shù)是purelinO， 訓(xùn)練函數(shù)為trainlm。
[0016] 當(dāng)光伏組件處于短路故障時(shí)，采集得到實(shí)際輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì) 算就可W得到光伏組件處于正常狀態(tài)時(shí)應(yīng)有的最大功率點(diǎn)電壓和開(kāi)路電壓值，與實(shí)際輸出 電壓值進(jìn)行比較就可W判斷組件的短路程度。
[0017] 得到診斷結(jié)果后，通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中也，有故障發(fā)生再進(jìn)行報(bào)警處理。
[001引本發(fā)明能夠W光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)；最大功率點(diǎn)電流（Im)、最大功率點(diǎn)電壓 (Vm)、短路電流（IJ和開(kāi)路電壓（VJ作為組件故障診斷的依據(jù)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和填充 因子FF判斷相應(yīng)類型的故障程度，極大地提高光伏組件故障診斷的準(zhǔn)確率，確保光伏組件 安全可靠地運(yùn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明的流程圖； 圖2為在線故障診斷系統(tǒng)示意圖； 圖3為所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020] 如圖1所示，本發(fā)明所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法包括W下步 驟： A;采集光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)； B;計(jì)算最大功率點(diǎn)電流和短路電流的比值； C;根據(jù)短路電流值計(jì)算得到光照強(qiáng)度值； D;計(jì)算故障因子K用于區(qū)分光伏組件的故障類型； E;根據(jù)得到的故障類型，利用相應(yīng)的方法判斷其故障程度； F;將診斷結(jié)果通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中也。
[0021] 本發(fā)明中，需要采集的光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)分別為；最大功率點(diǎn)電流dm)、最 大功率點(diǎn)電壓（Vm)、短路電流（IJ和開(kāi)路電壓（VJ。如圖2所示在光伏組件直流輸出端 安裝一塊功率優(yōu)化器，可得到所需要采集的四個(gè)輸出參數(shù)。
[002引當(dāng)Im/ 值小于0.85時(shí)，可W直接判斷得到組件處于嚴(yán)重異常老化狀態(tài)，執(zhí)行 步驟E，否則執(zhí)行步驟C。
[0023] 根據(jù)實(shí)際測(cè)量得到的短路電流值計(jì)算得到光照強(qiáng)度值，用于選擇標(biāo)準(zhǔn)K值范 圍。
[0024] 定義故障因子K即Im/(Vw-Vm)。當(dāng)K值大于對(duì)應(yīng)照度區(qū)間內(nèi)正常值時(shí)，組件處于 短路故障；當(dāng)小于正常值時(shí)，組件處于異常老化故障?？蒞通過(guò)計(jì)算故障因子來(lái)區(qū)分組件的 故障類型。
[00巧]為了獲取組件在正常工作狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)K值范圍，建立光伏組件的等效數(shù)學(xué)模 型。
[0026] 根據(jù)光伏組件的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際組件的數(shù)據(jù)手冊(cè)如表1所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：包括以下步驟： A :采集光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)； B :計(jì)算最大功率點(diǎn)電流Im和短路電流Is。的比值； C :根據(jù)短路電流值計(jì)算得到光照強(qiáng)度值a ; D :計(jì)算故障因子K用于區(qū)分光伏組件的故障類型； E :根據(jù)得到的故障類型，利用相應(yīng)的方法判斷其故障程度； F :將診斷結(jié)果通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：所述 A步驟中需要采集的光伏組件的四個(gè)輸出參數(shù)分別為：最大功率點(diǎn)電流（I m)、最大功率點(diǎn)電 壓（Vm)、短路電流（Is。)、開(kāi)路電壓（VJ。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：根據(jù) 所述B步驟中計(jì)算得到的Im / Is。比值，當(dāng)其值小于0. 85時(shí)，診斷出光伏組件存在嚴(yán)重老 化故障，執(zhí)行步驟E，否則執(zhí)行步驟C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：所述C 步驟中光照強(qiáng)度值a通過(guò)公式a = Is。/ Israrf*1000來(lái)估算，其中Isc^f為光伏組件在標(biāo)準(zhǔn) 測(cè)試條件（1000W / m2,25°C)下的短路電流值，其值可以通過(guò)查詢光伏組件規(guī)格書獲取，根 據(jù)估算得到的a值在表1中獲取k最大、k最小值，例如計(jì)算得到a值為525W / m2,則取值k最 + =0. 2684, k 最大=0. 3143。 表1K值范圍
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：所述 D步驟中的故障因子K的計(jì)算公式為K=Im / (Vtrc-Vm),當(dāng)計(jì)算得到的K值大于時(shí)，診斷 出光伏組件存在嚴(yán)重短路故障；當(dāng)計(jì)算得到的K值小于k 4/>時(shí)，診斷出光伏組件存在輕微老 化故障：當(dāng)計(jì)算得到的K值在k4/>至范圍內(nèi)時(shí)，診斷出光伏組件正?；虼嬖谳p微短路故 障。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：所述E 步驟中，如果診斷出光伏組件存在嚴(yán)重短路故障或輕微短路故障，則使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 輔助判斷短路故障程度；如果診斷出光伏組件存在嚴(yán)重老化故障或輕微老化故障，則執(zhí)行 步驟F。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：采集 多組光伏組件處于正常工作狀態(tài)時(shí)的四個(gè)參數(shù)I m、Vm、Is。及V。。作為訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)；以Im、I s。 和Vm / V。。作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量；以Vm和V。。作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出向量，構(gòu)建BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；所構(gòu)建的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)3層前饋網(wǎng)絡(luò)，輸入層有3個(gè)單元，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)變 量I m、Is。和Vm / V。。，隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為10個(gè)，輸出層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為2個(gè)，分別SVm 和V。。，這兩個(gè)變量分別代表光伏組件處于正常狀態(tài)時(shí)的最大功率點(diǎn)電壓和開(kāi)路電壓；利用 采集到的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)地其進(jìn)行訓(xùn)練，直到訓(xùn)練輸出數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差小于Ie-5為止； 所述的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱層傳遞函數(shù)是tansigO，輸出層傳遞函數(shù)是purelinO，訓(xùn)練函數(shù) 為 trainlm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：當(dāng)光 伏組件存在嚴(yán)重短路故障或輕微短路故障時(shí)，將步驟A中采集到的四個(gè)參數(shù)輸入訓(xùn)練好的 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)笪獲得iF常狀杰時(shí)光伏纟日件的最大功率點(diǎn)電壓V m和開(kāi)路電壓值V。。，再根據(jù) 公式：計(jì)算短路個(gè)數(shù)。式中，sn為光伏組件中電池短 路的塊數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件老化和短路故障在線診斷方法，其特征在于：所述F 步驟中將通過(guò)步驟E得到的診斷結(jié)果通過(guò)GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行故障報(bào)警。
【專利摘要】本發(fā)明適用于光伏發(fā)電電源技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種光伏組件老化和短路故障在線診斷方法；通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到的4個(gè)光伏組件輸出參數(shù)，包括最大功率點(diǎn)電流Im、最大功率點(diǎn)電壓Vm、短路電流Isc和開(kāi)路電壓Voc，利用故障因子K判斷獲取光伏組件的工作狀態(tài)：正常、短路以及老化。當(dāng)光伏組件存在短路故障時(shí)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助判斷短路的電池塊數(shù)；最后將珍斷結(jié)果通過(guò)GPRS傳送到監(jiān)控中心，如果出現(xiàn)故障，則發(fā)出警報(bào)，避免故障對(duì)于光伏組件產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，延長(zhǎng)光伏組件的使用壽命。
【IPC分類】H02S50-10
【公開(kāi)號(hào)】CN104767482
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410001273
【發(fā)明人】王元章, 李智華, 吳春華, 黃建明
【申請(qǐng)人】上海巖芯電子科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2014年1月2日