一種在線直觀檢測光伏板故障的簡易方法

海 濤，李俊杰，時 雨，劉振語，張茜雯

（廣西大學電氣工程學院，南寧530004）

0 引 言

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際運行過程中，由于安裝環(huán)境復雜、陰影遮擋、組件老化等原因導致了光伏陣列各類故障頻發(fā)，這些故障使光伏板中單體電池之間或光伏板之間發(fā)生開路或短路，最終導致整個系統(tǒng)效率降低，同時使光伏板使用壽命縮短，增加了發(fā)電成本［1］。對于成規(guī)模的光伏陣列，由于光伏板數量較大，陣列中出現故障光伏板的概率也隨之增加。同時部分光伏板安裝位置也比較特殊不便于人工直接檢測［2］。常見的光伏系統(tǒng)故障診斷方法有基于電路結構法、電氣測量法、智能檢測法和紅外圖像分析法等，這些方法都有其優(yōu)點但也存在一定局限性，比如安裝成本高或是無法確定故障具體位置等［3］。本文根據發(fā)光二極管的工作特性，設計了一種直觀可視、電路構成簡單、成本低的故障檢測方法，該方法可以準確、快速地定位出光伏陣列故障位置，而且對工作條件要求不高。

1 故障檢測電路設計

1.1 功能設計

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

本文的故障檢測方法為在光伏板反接旁路二極管的基礎上，在光伏板兩端并聯不同顏色的發(fā)光二極管，根據發(fā)光二極管的顏色組合來直觀檢測光伏板的故障位置及工作狀態(tài)［5］。當陣列中某塊光伏板正常工作時，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，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，即陣列串聯電路的輸出電流小于故障光伏板的光生電流時，綠色發(fā)光二極管發(fā)光，但其亮度與光伏板正常工作時相比較暗；黃色發(fā)光二極管亮表示某一光伏板串聯回路中，在光伏板均正常工作時無其他電路連接故障，系統(tǒng)正常工作。故障檢測電路預計實現的功能如表1 所示。表中數字“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選型

發(fā)光二極管需串聯限流電阻以免其過熱損壞，限流電阻本身也會產生功耗，同時也需考慮發(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 個不同阻值的限流電阻作對比試驗來選擇合適的電阻，以24 V直流開關電源模擬光伏板輸出電壓，在晴天室內光照度為478 lx的光照環(huán)境下進行實驗，根據實驗結果從節(jié)能、使用壽命、發(fā)光二極管明暗度等方面來選擇限流電阻大小，實驗數據見表2。表中R表示發(fā)光二極管串聯的限流電阻大小；I表示流經發(fā)光二極管的工作電流；Upn為發(fā)光二極管工作時的結電壓；P為限流電阻和發(fā)光二極管消耗的功率之和。因為發(fā)光二極管為電流控制型器件，由圖1 可知，發(fā)光二極管導通后電流變化大，流過電流的大小表征發(fā)光二極管的亮度強弱。由表2 實驗數據分析可知，流經發(fā)光二極管的電流較大時，雖然亮度增強但電路功耗也變大，因此在發(fā)光二極管的亮度不影響觀測時也應兼顧電路的功率損耗。結合實驗實物效果（見圖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 串聯不同電阻時發(fā)光二極管效果圖

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

2 原理說明

利用發(fā)光二極管的正向導通特性和燈光指示效果，可以及時發(fā)現光伏陣列中故障光伏板的位置；采用二極管正向導通特性對故障光伏板進行保護，當發(fā)生故障損壞組件物理結構，故障光伏板兩端反向電壓達到旁路二極管開啟電壓時二極管導通，大部分電流從二極管流過，只有極微小部分從光伏板流過，避免了光伏組件發(fā)熱溫度過高而造成損壞［6］。

圖3 光伏板故障檢測電路圖

如圖3 所示，以常見的光伏陣列SP 連接結構為例。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)光二極管過流損壞，R1～R5阻值均為限流電阻，其中R4為可調電阻，R6阻值根據光伏板的最大功率電流來確定，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)光二極管的導通電壓，據此可確定R6的值。也可用3 個二極管串聯代替電阻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，旁路二極管D 處于反偏壓狀態(tài)未開啟［8］，3 塊光伏板并聯的發(fā)光二極管均發(fā)綠光，紅燈不發(fā)光。當太陽光照由弱變強時，若綠燈亮度變強，說明該光伏板無隱性故障。

（2）當光伏板②由于被遮擋等原因產生失配現象或者調節(jié)R4使電路外接負載較大，但其旁路二極管D未開啟時，光伏組件工作在軟故障狀態(tài)，此時綠色燈亮度變弱，紅燈未發(fā)光。這種情況下電路中也可不需并聯紅色發(fā)光二極管，借助綠燈的明暗度對比來判斷光伏板存在隱患故障［9］。

（3）當故障較嚴重致使光伏板兩端的反偏壓達到旁路二極管D 的開啟電壓后，光伏板串聯支路電流中，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過熱損壞，此時A 點的電位高于B點電位，綠燈熄滅，組件②反接的發(fā)光二極管導通紅燈亮，指示光伏板發(fā)生故障。

3 熱斑測試實驗驗證

為驗證本文故障檢測方法的有效性，采用3 塊型號為JJ-50D50W的多晶太陽能電池板為實驗對象，每塊電池板有36 片單體電池，該光伏板的特性參數如下：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熱斑效應顯著［11］。因此實驗以單片光伏電池被遮擋面積為變量模擬光伏板熱斑故障，觀測旁路二極管電路紅綠燈工作狀態(tài)，測試光伏板最大輸出電壓Um和最大輸出電流Im的變化［12］。

當光伏單體電池未被遮擋時，光伏板并聯的綠色發(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，當光伏單體電池的遮擋面積小于48%時，反接旁路二極管未開啟，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，此時綠色發(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］。當遮擋面積接近于48%時，如圖5 所示，反接旁路二極管在其導通臨界點左側時，光伏板的輸出電壓接近其開路電壓［16］。當遮擋面積大于48%時，反接旁路二極管D 正向導通，綠燈熄滅，紅色發(fā)光二極管發(fā)光，說明該光伏板出現故障，輸出功率下降明顯，此時該串電池片被短路，旁路后整個光伏板的Um下降了1/3 左右，Im變?yōu)槲幢徽趽蹼姵氐恼９ぷ麟娏鳎罱K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。因此該故障檢測方法能有效地檢測出光伏組件的故障位置并通過紅綠發(fā)光二極管直觀地指示出來，提高了工作人員故障巡檢效率并起到了一定的保護作用。

圖4 Pmp衰減比例與單片電池遮擋面積的關系

圖5 STC下Um 和Im 與單片電池遮擋面積的關系

4 結 語

針對目前光伏陣列故障巡檢效率不高，巡檢周期長，部分故障檢測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上，引入不同顏色的發(fā)光二極管來指示光伏板的工作狀態(tài)并在故障發(fā)生后準確定位故障點。經熱斑故障測試實驗結果表明，單片光伏電池遮擋面積達48%時為組件旁路二極管開啟的臨界點，旁路二極管未開啟前，綠色發(fā)光二極管正常發(fā)光或亮度較弱，表示光伏板無故障或存在軟故障；旁路二極管開啟后紅色發(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象，應及時檢修。該故障檢測方法減少了光伏板功率的進一步損耗并報告故障位置，并且可以在線檢測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手段，有效提高了光伏陣列的故障巡檢效率。