基于光伏組串I- V特性的并聯(lián)失配檢測

劉慶超，王樹堯，楊　雨（.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州30030；.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000）

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基于光伏組串I- V特性的并聯(lián)失配檢測

劉慶超1，王樹堯2，楊雨1
（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆哈密839000）

摘要：在光伏電站檢測中，針對由于現(xiàn)場功率測試誤差，導(dǎo)致的并聯(lián)失配分析結(jié)果與實際情況偏差過大的問題，提出了基于組串I-V特性疊加的分析方法，大幅提高了分析的準(zhǔn)確性；并將該方法應(yīng)用于在線監(jiān)測，在此基礎(chǔ)上提出了一種故障判別和并聯(lián)失配優(yōu)化的有效方法，提高電站的管理水平。

關(guān)鍵詞：光伏檢測；并聯(lián)失配；I-V特性；在線分析

0　引言

近年來，我國光伏發(fā)電得到了飛速發(fā)展，然而在產(chǎn)業(yè)欣欣向榮的背后，是生產(chǎn)廠家的魚龍混雜和設(shè)備質(zhì)量的不可控，目前全國光伏電站不斷顯現(xiàn)組件熱斑、隱裂、串/并聯(lián)失配、逆變器效率低下等問題，質(zhì)量問題堪憂。因此開展光伏現(xiàn)場檢測，不但能使業(yè)主了解電站運行狀況，采取有效的優(yōu)化措施，還能對問題設(shè)備及時追責(zé)，避免損失，對光伏電站質(zhì)量控制具有重要意義。

并聯(lián)失配損失是光伏檢測的一項必備測試，它是指組串并聯(lián)到匯流箱時，由于各組串電壓不一致造成的匯流箱功率損失的現(xiàn)象[1]。對并聯(lián)失配的分析建立在對光伏組串或方陣的功率測試基礎(chǔ)之上。然而，由于現(xiàn)場測試輻照度、溫度、云遮擋、測試設(shè)備精度、修正公式準(zhǔn)確度等多方面影響，功率測試存在一定的誤差不可避免[2]。而在現(xiàn)有并聯(lián)失配的分析方法中，由于在組串和匯流箱兩級均采用實測值進行分析，其誤差的積累，對只有1%～2%的并聯(lián)失配結(jié)果而言，影響可能是致命的。該測試環(huán)節(jié)的另一種處理方法是用“組串電壓一致性分析”來代替“并聯(lián)失配損失分析”[3，4]，通過分析組串間的電壓差異，對問題給與一定的解釋，避免直接計算損失值，但該種方法沒有涉及到業(yè)主最關(guān)心的電量損失，對問題的描述含混不清。

本文提出一種基于光伏組串I-V特性的并聯(lián)失配分析方法，通過組串I-V特性曲線疊加，求取匯流箱的最大功率，避免了在組串和匯流箱兩級均采用實測值引起的誤差放大效果，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性；將上述思路應(yīng)用于在線監(jiān)測，使在線的并聯(lián)失配分析成為可能，并為在線故障診斷和并聯(lián)失配優(yōu)化提供了新手段。

1　現(xiàn)行并聯(lián)失配測試方法問題分析

現(xiàn)行分析組串到匯流箱并聯(lián)失配的方法為：

式中 Δloss—并聯(lián)失配損失，%；

n——匯流箱中的組串?dāng)?shù)量，條；

PCi—組串i的最大STC功率，W；

PH—匯流箱的最大STC功率，W。此方法在理論上具有可行性，然而在實際運用中往往難以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，原因如下：

（1）由于匯流箱功率較大，缺乏能夠直接測量其功率的測試設(shè)備，現(xiàn)場往往通過直接測量其工作電壓、工作電流，來求取修正功率。這種方法假設(shè)匯流箱已經(jīng)工作于最佳工作點，然而在運行中，該工作點實際還包含了匯流箱到逆變器的并聯(lián)失配，以及MPPT的偏離損失，導(dǎo)致測得功率偏小，失配損失偏大；另外此方法測得結(jié)果與其他測試環(huán)節(jié)存在交叉重疊，重復(fù)計入了MPPT偏離損失和逆變器級的并聯(lián)失配，不利于電站效率的分析。

（2）由于在測試組串、匯流箱過程中采用了不同的測試設(shè)備，測試過程中往往難以保證精度的匹配，即使二者精度相同，誤差的正負特性也必然存在一定差異，進而對失配結(jié)果的分析產(chǎn)生一定的負面影響。

（3）計及現(xiàn)場測試誤差，組串和匯流箱兩級均采用實測數(shù)據(jù)，則并聯(lián)失配損失可表示為：

或

式中 Δ′loss—考慮測試誤差的并聯(lián)失配損失，%；

δC—各組串測量誤差，%；

δ′C—所有組串平均加權(quán)誤差，%；

δH—匯流箱的測量誤差，%。

對上式做進一步變換：

結(jié)合式（1），并考慮到PH≈∑PC、1+δ′C≈1，得到：

由于現(xiàn)場光照強度、光照波動、溫度、設(shè)備精度、修正公式準(zhǔn)確度等條件的限制，功率的測量誤差可達1% ～2%；而目前國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定組串并聯(lián)失配損失最高不超過2%，也就是說，Δloss、δ′C、δH屬于同一數(shù)量級，用該方法分析并聯(lián)失配損失將導(dǎo)致極大的誤差，甚至?xí)礤e誤的結(jié)果。

2　基于組串I-V特性的并聯(lián)失配分析

2.1方法說明及可行性分析

光伏組串并聯(lián)失配產(chǎn)生的根本原因在于，由于各組串的P-V特性中，最大功率點對應(yīng)的電壓不同，并聯(lián)后無法同時工作于最佳工作點，從而導(dǎo)致了匯流箱最大功率小于各組串最大功率之和，如圖1所示。

本文從并聯(lián)失配產(chǎn)生的機理出發(fā)，將匯流箱中所有組串的P-V特性曲線以電壓軸為參考軸（組串并聯(lián)電壓相等）進行疊加，得到匯流箱P-V特性曲線，如圖1 中PV3。該方法通過理論計算，避免了在測試匯流箱功率過程中，再次引入誤差，在該方法下，匯流箱的最大功率可表示為：

式中 PHmax—匯流箱最大功率，W；

wi—匯流箱最大功率點處各組串并聯(lián)失配系數(shù)，

計及現(xiàn)場測試誤差，則并聯(lián)失配損失可表示為：

式中w′i為考慮測量誤差后最佳工作點對應(yīng)的并聯(lián)失配系數(shù)。由于測量誤差較小，認為其不會改變匯流箱的最佳工作點，因此w′i≈wi。

另外，考慮到1+δCi≈1，得：

由此可見，本方法將各組串的P-V特性相疊加，通過理論計算的方式給出了匯流箱的功率，公式推導(dǎo)證明，其值能夠與組串測量誤差聯(lián)動，從而保證了并聯(lián)失配分析的準(zhǔn)確性。

2.2算例分析

針對某由4條組串組成的匯流箱進行并聯(lián)失配分析，假設(shè)現(xiàn)場測試過程中各次測試的誤差相對獨立，其值隨機生成，見表1。

表1　現(xiàn)場各環(huán)節(jié)測試誤差

分別采用現(xiàn)行的并聯(lián)失配算法和本文的分析方法進行分析，失配損失結(jié)果見表2，由本文算法疊加得到的匯流箱P-V曲線如圖2所示。

由計算結(jié)果可以看到，由于測試誤差的影響，現(xiàn)行方法分析結(jié)果與實際的并聯(lián)失配值偏差165%，結(jié)果不具有參考價值；而本文提出的算法仍能保持相當(dāng)高的精度，僅有-0.43%，具有實用價值。

表2　計算結(jié)果

3　基于I-V特性掃描的并聯(lián)失配在線分析

近年來，智能光伏電站在我國取得了快速發(fā)展，光伏發(fā)電作為一種新興的發(fā)電形式，理應(yīng)緊跟這一潮流[5，6]，盡可能地利用現(xiàn)有在線監(jiān)測系統(tǒng)中一切控制手段和分析方法，實現(xiàn)電站性能評估、優(yōu)化運維和故障診斷等功能。

借由MPPT的電壓掃描功能，并采用第2節(jié)中并聯(lián)失配的分析方法，可實現(xiàn)在線的并聯(lián)失配分析。對于采用集中式逆變器的光伏電站而言，MPPT一般位于整合于逆變器之中，其作用是，通過調(diào)節(jié)光伏方陣電壓，來改變其工作點，從而實現(xiàn)最大功率最終點追蹤的目的。

在日常運維中，可以充分利用MPPT電路的調(diào)壓能力，以逆變器為單位，定期進行方陣工作點的掃描。具體方法是：在某一光照條件較好的時段內(nèi)，利用MPPT調(diào)壓，從某一較低值開始，逐步提高方陣的工作電壓，直到整個方陣出力接近于零，同時記錄匯流箱內(nèi)母排電壓和各組串電流的變化情況，用以繪制組串的I-V特性曲線，隨后即可按照第2節(jié)所述方式分析組串到匯流箱的并聯(lián)失配損失。

在分析并聯(lián)失配的基礎(chǔ)上，還可以利用I-V或P-V特性，發(fā)現(xiàn)電站中工作電壓或開路電壓明顯偏低的組串，從而建議排查問題組件，或通過串間調(diào)換組件優(yōu)化并聯(lián)失配。相比于目前電站常用的，靠靜態(tài)比較各組串工作電流大小來猜測問題的方式，本方法結(jié)合了完整的I-V特性分析和并聯(lián)失配評估，對組串的信息掌握更加全面，有助于大幅提高運維效率。

4　結(jié)語

在光伏電站檢測中，針對由于現(xiàn)場測試誤差，導(dǎo)致的并聯(lián)失配分析結(jié)果與實際情況偏差過大的問題，本文提出了基于組串I-V特性疊加的分析方法：

（1）本方法將各組串的P-V特性相疊加，通過理論計算而非實測的方式給出了匯流箱的功率，公式推導(dǎo)和算例證明，其值能夠與組串測量誤差聯(lián)動，避免現(xiàn)有分析方法中組串和匯流箱兩級誤差導(dǎo)致的并聯(lián)失配分析結(jié)果偏差過大問題，保證了分析的準(zhǔn)確性。

（2）本方法基于對組串的動態(tài)掃描和疊加，適用于光伏在線監(jiān)測系統(tǒng)，有利于實現(xiàn)在線的并聯(lián)失配分析和問題診斷優(yōu)化，有利于提高電站的運行管理水平。

（3）本文主要介紹光伏組串到匯流箱的并聯(lián)失配分析方法，事實上，此方法同樣適用于組件—組串串聯(lián)失配、匯流箱—逆變器并聯(lián)失配的分析，并且能夠大幅提高分析的準(zhǔn)確性，具有良好的實用價值。

參考文獻：

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修回日期：2016-01-26

Parallel Mismatch Test Based on PV String’s I-V Characteristics

LIU Qing-chao1，WANG Shu-yao2，YANG Yu1
（1. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2. Xinjiang Huadian Kushui Wind Power Co.，Ltd，Hami 839000，China）

Abstract：In theprocess ofPV power plant test，to solve the problem of excessive deviation between the parallel mismatchtest result andthe actual situation，due to the measurement error，this paper proposes an analysis method based on I-V characteristicssuperposition，whichsubstantially improves the accuracy of the analysis. The method above makes it possibleto analyze parallel mismatchonline. And then an effective method of fault identification and parallel mismatch optimization isproposed，which is helpful to improving the management level of thePV power plant.

Key words：PV power plant test；parallel mismatch；I-V characteristics；online analysis

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：劉慶超（1983-），男，河北石家莊人，碩士，工程師，化學(xué)專責(zé)，研究方向：新能源規(guī)劃及光伏發(fā)電檢測。

中圖分類號：TM615

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0026-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.006