光伏發電組件在線監測與故障診斷系統研制

孫子敏

摘要：光伏發電組件是光伏發電系統實現光-電轉換的關鍵部件，其理論使用壽命可達20～25年，但受材質、工藝控制、氣候環境等因素影響，運行中的光伏組件不可避免地會出現一些性能異常或故障，若這些故障得不到及時發現與清除，將會直接對整套光伏發電系統的正常運行產生不良影響，嚴重時會導致火災等毀滅性災害事件。國內外學者針對光伏組件的故障診斷進行了廣泛研究，提出了紅外圖像分析法、多傳感器檢測法、對地電容測量法和時域反射分析法等多種方法。紅外圖像分析法和多傳感器檢測法可以實現在線檢測，但成本高、投資大;對地電容測量法和時域反射分析法只適用于離線應用。

關鍵詞：光伏組件;故障診斷;峰值功率;開路電壓

引言

光伏發電具有設計安裝容易、地域限制小、擴容性強、噪聲低以及壽命長等特點，日益成為新能源發電的主要形式之一。現階段，光伏發電系統中光伏組件所占投資比重仍較大，約占總造價40%左右。通常，光伏組件的設計壽命約為25年，然而由于其長期工作在比較惡劣的環境中，各種故障情況難以避免，使得實際使用壽命大為降低。一旦光伏組件發生運行故障，直接危害是損壞組件本身，降低發電效率。

1光伏發電組件基本認識

1.1光伏發電基本原理

光伏發電是利用半導體P-N結的光生伏特效應將光能直接轉變為電能。太陽光照在半導體P-N結上，形成新的空穴-電子對，在P-N結電場的作用下，空穴由N區流向P區，電子由P區流向N區，接通電路后就形成電流。

1.2光伏電池等效模型

半導體光生伏特效應的光電轉換過程具有復雜非線性特征，從內部等效參數與外部電氣特性兩方面對光伏電池進行了簡化描述。

2故障分析與規律綜合

光伏發電系統常工作在較惡劣的室外環境中，如沙漠、山頂或屋頂等，因此難免會發生各種故障，其中短路和異常老化是2種比較常見的故障。造成短路故障的原因有：由老化、振動、磨損導致的機械故障;暴露在紫外線和過電壓（雷電）下而產生的外殼老化及電弧毀壞了絕緣線路，造成絕緣失效;絕緣網格沒有對齊;在金屬平面上的介質涂層有空洞和污漬;在銅箔互連處有腐蝕現象存在;絕緣體與電池之間存在錯位;電池與金屬基板之間形成短路;安裝不規范導致電池之間的短路。短路故障通常會帶來災難性的后果，因為短路故障的存在使得電弧產生的可能性變大，同時可能使整個組件產生的功率都消耗在故障點，導致故障部分過熱而損壞。短路故障也會使得組件輸出功率下降，從而影響整個光伏系統的發電效率。導致組件異常老化的原因也有很多，主要有：乙烯醋酸乙烯共聚物（ethylene-vinylacetatecopolymer，EVA）材料的老化或玻璃和電池之間粘合劑失效，使組件表面顏色呈現黃褐色，導致電池透光率下降，發電效率降低;組件不同層之間粘合物的失效導致出現分層現象，這通常會發生在聚合物包裝與電池或電池與玻璃之間，分層現象的存在可能會導致當潮濕氣體侵入時，組件內部的金屬結構被腐蝕，組件內部電阻增加;EVA粘合劑只在一小塊區域內失效，因為化學反應使氣體發散，從而使這一區域形成氣泡，這會導致輸出功率的下降;在電池上一些微小的裂縫會增加內部電阻值，降低輸出功率;在室外運行的組件會因為溫度循環變化導致內部串聯電阻阻值升高。由于這些原因而導致組件輸出功率不可逆的大幅下降，產生異常老化故障，異常老化故障會導致光伏系統中運行的組件工作不匹配，嚴重影響光伏發電系統的輸出，致使不能輸出應有的功率。

3分布式在線監測系統設計

根據光伏發電系統規模的不同，實際應用的光伏組件數量從幾只到數百、數千只不等。采用傳統的集中式測控系統架構將面臨檢測線繁雜、安裝維護困難等問題。該文設計采用分布式網絡測控系統架構，每個光伏組件配置一臺終端監測單元，可在光伏組件出廠前安裝完成，構成智能化光伏組件。各光伏組件在應用現場可通過現場總線或無線自組織網絡方式與相應監控主站或數據中心建立數據連接。

3.1光伏組件輸出電壓/電流采樣電路

選用WHK-10LSP5穿心式霍爾電流互感器進行電流檢測，一次額定電流10A;傳感變送誤差<1%。選用WHV-05AS5霍爾電壓互感器進行電壓檢測;原、副邊額定比為5mA/2V;精度<0.5%。2種霍爾互感器均采用單5V電源供電，信號調理用運算放大器型號為LM258。

3.2光照強度檢測接口電路

選用BH1750FVI作為光照強度傳感器，探測范圍可擴展至0～100000lx，3.3V單電源供電，I2C數字接口。

3.3系統硬件設計

3.3.1選用STM32F103ZET6作為微控制器

STM32F103ZET6基于ARMCortex-M3內核，是一款32位的低功耗、高性能的微控制器。Cortex-M3采用Tail-Chaining中斷技術，其中斷處理完全基于硬件，實際應用中可減少70%的中斷，降低45%的代碼容量，具有應用廣、引腳多、功能強的特點。同時，Cortex-M3處理器采用ARMv7-M架構，是一個可綜合、高度可配置的處理器;它采用哈佛結構，選擇適合微控制器應用的三級流水線。性能可達1.25DMIPS/MHz，在具有32個物理中斷的標準處理器上能夠實現（0.13umMetro@50MHz），實現了0.06mW/MHz的突出能效比。

3.3.2光照強度傳感器

光照強度傳感器把采集的光照數據輸送到處理器。系統采用BH1750FVI作為光照強度傳感器。BH1750FVI是一種16位I2CBUS總線接口、不區分光源數字型環境光強度傳感器集成電路，能夠根據通過透光孔的光線強度變化調整輸出的電平信號。BH1750FVI分辨率高，擁有接近視覺靈敏度的、具有光譜靈敏度特性的感光元件，搭配相關內置電路后可以探測較大范圍（0lx～65535lx）的光強度變化。這種傳感器最大的優點在于內置模數轉換器，能將采集到的光強信號值轉換成對應亮度的數字值輸出，為后續數字信號的處理提供方便。BH1750的高集成度能夠省掉使用光敏電阻時的模數轉換電路，從而大大降低整體電路的復雜度。

BH1750FVI傳感器的工作原理。當高精度光敏二極管（接近人眼反應的）PD探測到外部光照之后，在集成運算放大器的作用下，將PD電流轉換成PD電壓，由模數轉換器轉換成16位數字數據，然后通過邏輯和I2C界面進行數據處理和存儲。OSC作為內部震蕩器用來提供內部邏輯時鐘，通過相應的指令操作即可讀取內部存儲的光照數據。

結語

光伏組件的運行狀態受環境氣候因素影響很大，難以直接利用標準條件下的性能參數為基準對運行中的光伏組件做出評價。該文選取光輻射強度及溫度為參變量，研究提出了基于峰值功率基準值估計及開路電壓基準值估計的光伏組件在線故障診斷方法及實現方案。該文方法具有安裝方便、成本低廉等優點，將有力提升常規光伏組件的智能化水平。

參考文獻

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