基于仿真模型的光伏組串故障分析方法

郭婷婷，武永鑫

(1. 天津科技大學理學院，天津 300457；2. 中國大唐集團科學技術研究院有限公司，北京 100040)

光伏組件是光伏發電系統中數量最多的發電單元．在運輸、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電系統中，不但會降低系統整體的發電效率，還會形成安全隱患[1-2]．因此，為了提高光伏發電系統運行壽命，保障系統運行安全，避免火災、設備損毀等事故，就需要對光伏組件故障及時診斷．

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行逐塊檢測獲取故障診斷所需數據，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控裝置收集數據，通過分析采集到的電流和電壓數據對光伏組件的故障類型進行判斷，由于在線監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雜性．光伏組串由多個組件串聯而成，如果組串中存在故障組件，則整個組串的伏安輸出特性會發生變化．對于大規模光伏發電系統而言，對光伏組串進行檢測不但可以發現組件故障，還可以進一步降低檢測工作量，縮短檢測周期．近年來，國內外學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控裝置的組串式逆變器的飛速發展，未來組串檢測技術將成為趨勢．

本文使用Matlab/Simulink軟件構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)輸出曲線進行了仿真．在理論模擬和實驗測試的基礎上，詳細分析不同故障情況下組串輸出特性的變化規律．

1 實驗檢測

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

使用意大利HT 公司生產的IV400 型I-V測試儀對光伏組串進行檢測，該設備可以獲得被測組件在測試及標準條件(STC)下的開路電壓(Uoc)、短路電流(Isc)、最大功率點電壓(Upm)、最大功率點電流(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據，詳細的測試設備參數為：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，首先對組件進行建模．光伏組件是由多個光伏電池片串并聯而成，光伏電池本身為一個PN結，其特性與二極管類似[9]，光伏電池等效電路如圖1所示．光伏電池等效數學模型如下：

式中：Iph為光伏電池的光生電流；Id為流經二極管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為并聯電阻；Rs為串聯電阻；R0為負載電阻；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，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 個光伏電池串聯所構成的組件的輸出電流與電壓之間的關系式為

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，根據式(7)構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塊光伏組件模型進行串聯構成組串模型，組串模型示意圖如圖3所示．使用組串模型進行仿真時，需要將實際光伏組件的開路電壓、短路電流、最大功率點電壓、最大功率點電流等參數輸入進模型，以實現光伏組件伏安輸出特性仿真．模型可以根據輸入的太陽輻照度模擬出整個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，本文重點針對常見的灰塵沉積、陰影遮擋、組件衰減等故障進行研究分析．

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

式中：I′sc為積灰后組件短路電流；α為短路電流溫度系數；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測的伏安特性輸出曲線，此時I′sc＝8.64 A，根據式(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．

通過對實測數據的模擬擬合可知，當光伏組串模型中組件接收到的太陽輻照度為962 W/m2時，模擬曲線與實測曲線能夠實現較好的擬合．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，當組串中存在被遮擋的組件時，其伏安特性曲線表現為多階梯狀．局部陰影遮擋情況光伏組串的伏安特性曲線可看作多個不同太陽輻照度下伏安特性曲線的結合[10]．出現這種多階梯狀曲線的原因是為了防止陰影造成組件出現熱斑等故障，每個光伏組件會并聯一個旁路二極管．當組串中有部分組件被遮擋時，旁路二級管兩端會形成正偏壓，此時旁路二級管導通，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備被作為負載接入電路，通過調節電阻值獲取光伏組件伏安特性輸出數據．隨著測試設備阻值持續增大，被遮擋組件旁路二級管兩端的正偏壓逐漸降低，此時旁路二級管關閉被遮擋的光伏組件輸出電流，因此出現了多階梯狀曲線．

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．

由式(8)計算獲得圖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，其電壓和電流分別為(0 V，8.32 A)和(355 V，7.52 A)，將A 與B 的參數代入式(9)計算獲得的 N2≈9.34，這里選取整數N2＝9．

根據計算結果，使用模型對實測曲線進行擬合，當光伏組串模型中9 塊組件的太陽輻照度設置為920 W/m2，其余9 塊組件接收的太陽輻照度設置為820 W/m2時，模擬結果與實測數據實現了很好的擬合．

圖5 存在陰影遮擋的光伏組串實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為兩種原因造成，分別為串聯電阻的上升及并聯電阻的降低[11-13]．因此，可以通過改變組件模型的串并聯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偏移．串聯電阻Rs_module和并聯電阻Rsh_module的變化可由式(10)和(11)計算[3]．

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

圖6 為串聯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．根據式(8)與式(10)的計算結果，將太陽輻照度設置為900 W/m2，光伏組串整體串聯電阻增加0.67 Ω 時，模擬曲線與實測曲線能夠實現很好的擬合．

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

光伏組件在發電過程中，有一部分損失是由于內部漏電流而造成的，理論上可以歸結為組件并聯電阻的影響[14]．一般情況下光伏組件并聯電阻很大，只有并聯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測結果．由圖7 可知，光伏組件并聯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．根據式(8)和式(11)的計算結果，將模型的光伏組串并聯電阻減小116.64 Ω，組串模型中9 片組件太陽輻照度設定為975 W/m2，另外9片設置為920 W/m2時，模擬結果與實驗測試結果能夠較好地擬合．

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

根據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，其短路電流將出現下降的情況．因此在分析組串故障時，可首先對組串整體的開路電壓和短路電流進行分析．

根據以上模擬與實驗結果，對不同故障類型下光伏組串伏安特性曲線的輸出特性進行歸納總結，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，表現在伏安特性曲線1 的位置的變化．當組串中存在由于串聯電阻升高而造成的組件功率衰減時，其在2 處的斜率會發生明顯的變化．當組串中存在由于并聯電阻下降造成的功率衰減時，其曲線3 處的斜率會發生變化．

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 語

本文提出了一種光伏組串故障診斷方法，以實測獲取的灰塵沉積、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據為基礎，使用Matlab/Simulink 軟件構建了光伏組串故障仿真模型，并使用該模型對實測數據進行了仿真分析．結果表明，所構建的模型能夠較為準確仿真出不同故障情況下光伏組串的伏安特性曲線，并能夠實現對故障產生原因的分析．所提出的方法對于光伏發電系統運行和維護具有一定的參考價值．由于光伏組件受到環境等多種因素的影響，導致故障類型具有多樣和復雜性，因此所提出的故障診斷方法還需進一步的改進和優化．