CN107483012B

CN107483012B - 基于电压电流的光伏阵列故障检测装置与方法

Info

Publication number: CN107483012B
Application number: CN201710858052.6A
Authority: CN
Inventors: 杨恢东; 彭炳荣; 宋香荣; 李俊魁; 张翠媛; 王菁; 陈玉玲; 夏锦辉; 陈加润
Original assignee: Jinan university shaoguan institute; Jinan University
Current assignee: Jinan university shaoguan institute; Jinan University
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2023-05-23
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107483012A

Abstract

本发明为基于电压电流的光伏阵列故障检测装置与方法，其中装置包括至少一个主机与多个从机，光伏组件的每条串联支路上设有一个电流传感器和多个电压传感器，每条串联支路上的光伏组件以检测分辨率为单位被分为若干组，相邻四组光伏组件构成最小电压检测模型；在每个最小电压检测模型设置三个电压传感器和一个继电器以检测四组光伏组件串联后两端的电压；设置在每条串联支路上的电压传感器通过所述从机连接至所述主机，继电器的控制端与所述从机连接；设置在每条串联支路上的电流传感器与所述主机连接。本发明采用电压传感器复用技术，在复用处设置继电器，避免了检测盲区，简化了计算过程，能够用较少的传感器检测出故障位置。

Description

基于电压电流的光伏阵列故障检测装置与方法

技术领域

本发明涉及光伏阵列故障检测的研究领域，具体为基于电压电流的光伏阵列故障检测装置与方法。

背景技术

光伏电池单体的端电压较低，不符合电力利用的要求，需要将光伏电池单体通过串并联的方式连接，同时加以封装，构成光伏电站的基本个体，即光伏组件。光伏组件在本文中等同于光伏电池板。光伏组件的端电压从5V到40V不等，功率也从20W到300W不等，但是输出电流和功率还是无法满足光伏发电的需要，这时就需要将参数相同的光伏组件继续通过串并联方式组合在一起，组成光伏阵列。

目前，光伏阵列的故障检测方法主要有：基于神经网络的故障诊断方法、基于红外图像分析的故障诊断方法、基于数学模型法故障诊断、时域反射分析法、对地电容测量法和基于电压电流法。其中基于电压电流的方法是所有方法中最直接、最简单有效的方法。

基于电压电流的检测方法利用电流传感器及电压传感器对光伏组件进行故障定位。现在的光伏电站主要采用SP结构，如图1所示，光伏组件先进行串联，然后各个串联支路再并联，从而构成SP结构，接着接入汇流箱。

现有的电压电流故障检测技术至少存在以下的缺点和不足：有一类故障检测技术不存在盲区，能过检测故障位置，但所用的传感器较多；还有一类故障检测技术是把传感器进行复用，却产生了检测盲区，如果只有一个光伏组件发生故障能够很好检测出来，如果有两个或者两个以上光伏组件发生故障，就会产生较大的检测盲区，需要人工排查，实用性不高；再有一类故障检测技术，所使用的传感器很少，又能很好的定位故障点，但是算法极其复杂，要建立一个庞大的故障数据库，大大增加了***复杂程度，实用性低。

例如，在2012年7月11日公开的中国发明专利申请CN102565663A中，所采用的光伏阵列故障诊断方法针对SP型光伏阵列结构，在每串电池板上设置若干个电压传感器和一个电流传感器，每个电压传感器并联在多个电池板之间，从而以较少的电压传感器及电流传感器来对光伏阵列的故障进行定位。该发明专利基于传感器复用的技术，容易产生检测盲区，虽然降低了成本，但是故障定位的精度不高，人工排查的工作量较大，实用性并不高。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供基于电压电流的光伏阵列故障检测装置与方法，采用电压传感器复用技术，并在复用处设置继电器，避免了检测盲区，同时简化了计算过程，能够用较少的传感器检测出故障光伏组件的位置。

本发明基于电压电流的光伏阵列故障检测装置采用以下技术方案：基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，光伏阵列采用SP结构，光伏阵列故障检测装置包括至少一个主机与多个从机，光伏组件的每条串联支路上设有一个电流传感器和多个电压传感器，每条串联支路上的光伏组件以检测分辨率为单位被分为若干组，相邻四组光伏组件构成最小电压检测模型；

在每个最小电压检测模型设置三个电压传感器和一个继电器，其中第一电压传感器连接在最小电压检测模型的第一组光伏组件和第二组光伏组件串联后的两端，第二电压传感器连接在最小电压检测模型的第二组光伏组件和第三组光伏组件串联后的两端，第三电压传感器用于测量最小电压检测模块的电压值，继电器位于第二电压传感器与第二组光伏组件、第三组光伏组件之间，通过控制继电器的开关以使第二电压传感器分别测量第三组光伏组件两端的电压、第二组光伏组件与第三组光伏组件串联后两端的电压；

设置在每条串联支路上的电压传感器通过所述从机连接至所述主机，继电器的控制端与所述从机连接；设置在每条串联支路上的电流传感器与所述主机连接。

在一个优选的方案中，在每条串联支路上，最后一个最小电压检测模型的第三电压传感器为用于检测整条串联支路电压的电压传感器，其余最小电压检测模块的第三电压传感器设置在该最小电压检测模块的两端。

在一个优选的方案中，所述继电器的常闭触点A与第一组光伏组件和第二组光伏组件的串联节点连接，继电器的常开触点C与第二组光伏组件和第三组光伏组件的串联节点连接，继电器的常闭触点B与第二电压传感器连接。

在一个优选的方案中，所述光伏阵列故障检测装置还包括GSM模块和服务端，所述主机通过GSM模块与服务端连接。

本发明光伏阵列故障检测方法基于上述的光伏阵列故障检测装置，包括以下步骤：

S1、故障发生后，服务端发送电压和电流的参考值给主机，该参考值是此时正常工作下各最小电压检测模型应有的电压U_参和正常工作下支路上的电流I_参；

S2、主机接收到电压和电流的参考值，先自行判断所有支路中哪些支路的电流小于I_参，以定位到故障支路，然后主机通过广播故障的从机号，从机接收到广播信息后，无故障从机不响应，故障从机响应；

S3、主机传输电压和电流的参考值、总电压给故障从机，故障从机接收到电压和电流参考值以及总电压后，先计算得到最后一个最小电压检测模型的电压，再判断所有最小电压检测模型中哪个或哪几个的电压小于主机所发送过来的电压参考值，从而找出故障支路上发生故障的最小电压检测模型；

S4、计算发生故障的最小电压检测模型内各组光伏组件的电压，通过对比U_参/4与故障的最小电压检测模型内各组光伏组件的电压对发生故障的光伏组件进行定位。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、结合了电压传感器复用技术和继电器，在故障检测过程中使用的电压传感器数量较少，能很好的检测故障位置，不会存在检测盲区。在分辨率为X的情况下，本发明与一个电压传感器检测X个光伏组件的传统方法相比，在电压传感器的使用数量上至少减少了33.33％。

2、每串光伏阵列的电压传感器、电流传感器及继电器的放置方式基本相同，具有可复制性，在大型电站易于扩展。

3、采用单片机和GPRS技术，对传感器和继电器所采集的光伏阵列故障信息进行处理及传输，一方面可以在发现阵列异常后，自动启动故障定位，完成故障的查找，并及时回馈给管理人员。

4、可实时准确地获取各个太阳能电池板的数据信息，对后续数据积累和分析具有重要作用，且能有效的减少电站的能耗，实现节能减排。

附图说明

图1是常用的光伏阵列串并联(SP)结构的示意图；

图2是分辨率为2实施例的最小电压电流检测模型结构示意图；

图3是本发明故障检测装置的拓扑图；

图4是多个主从机的连接关系示意图；

图5为主机的电路原理图；

图6为从机的电路原理图；

图7是对第一条支路的故障进行检测的示意图；

图8是本发明提供的检测故障流程图；

图9是主机判断故障支路的流程图；

图10是故障支路定位故障光伏组件的流程图；

图11是对全部支路的故障进行检测的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

太阳能光伏阵列支路故障判定原理：在光伏发电***中具有MPPT功能，光伏阵列工作在最大功率状态下，若发生短路故障，相当于阵列的光伏电池将减少，也会导致输出电流的减小；若发生开路故障，故障支路输出的电流将为零；若发生热斑现象，则是由于其中某些电池成为负载消耗其他电池的输出功率引起，那么故障支路的输出电流也将减小。由此可以得出，当某条支路的输出电流小于其他支路的输出电流时，可以判定此支路发生故障。故障支路中故障点的判定原理：由于故障支路的输出电流减小，对于正常的光伏组件，其输出的电流也就减小了，根据光伏电池的等效电路我们可以得知，光伏电池流过二极管和旁路电阻的电流将增大，这使得无故障的光伏电池电压升高。因此对故障检测就集中到了对光伏阵列的电压、电流检测。

如图2所示为本实施例检测分辨率为2的最小电压检测模型，对于大的模型可以顺延扩展，并且不局限于检测分辨率为2的情况。Va检测8块光伏组件的总电压，Vc检测前四块光伏组件的电压，继电器A、B端闭合，C端断开时，Vf检测第3、4、5、6块光伏组件的电压，继电器B、C端闭合，A端断开时，Vf检测第5、6块光伏组件的电压；继电器的常开触点C连接在第二组光伏组件与第三组光伏组件的串联节点(即图2中第4、5块光伏组件连接处)，常闭触点B连接在Vf电压传感器，常闭触点A第一组光伏组件与第二组光伏组件的串联节点(即图2中第2、3块光伏组件连接处)。在正常情况下，继电器A、B端常闭，当故障发生时，首先测得Va、Vc、Vf的电压，此时Vf的电压为V_旧f然后继电器打开，B端与C端闭合，A端与B端断开，重新测量Vf的电压，此时Vf的电压为V_新f。令第1、2块光伏组件电压和为U₁₂，第3、4块光伏组件电压和为U₃₄，第5、6块光伏组件电压和为U₅₆，第7、8块光伏组件电压和为U₇₈，所以有：

U₁₂＝V_c－U₃₄；

U₃₄＝V_旧f－U₅₆；

U₅₆＝V_新f－V_旧f；

U₇₈＝V_a－V_c－U₅₆；

所以经过该检测方法，能够检测到U₁₂、U₃₄、U₅₆、U₇₈的电压，从而避免了检测盲区。并且不需要太多的传感器。

将上述最小电压检测模型应用到本发明的故障检测装置中，拓扑结构如图3所示，故障检测装置包括GSM模块和至少一个主机，主机采用单片机并通过GSM模块与服务端通信，每个单片机主机有多个(如8个)单片机从机，主机与多个从机之间通过RS485通信，如图4。光伏组件的每条串联支路上设有一个电流传感器，每条串联支路上的光伏组件以检测分辨率x为单位被分为若干组，相邻四组光伏组件构成最小电压检测模型；对最小电压检测模型设置三个电压传感器和一个继电器，其中第一电压传感器连接在最小电压检测模型的第一组光伏组件和第二组光伏组件串联后的两端，第二电压传感器连接在最小电压检测模型的第二组光伏组件和第三组光伏组件串联后的两端，第三电压传感器用于测量最小电压检测模块的电压值，继电器的第一触点(常闭触点)与第一组光伏组件和第二组光伏组件的串联节点连接，继电器的第二触点(常开触点)与第二组光伏组件和第三组光伏组件的串联节点连接，继电器的第三触点(常闭触点)与第二电压传感器连接，从而整体上继电器位于第二电压传感器与第二组光伏组件、第三组光伏组件之间，通过控制继电器的开关以使第二电压传感器测量第三组光伏组件两端的电压、第二组光伏组件与第三组光伏组件串联后两端的电压。在整条串联支路上，最后一个最小电压检测模型的第三电压传感器为用于检测整条串联支路电压的电压传感器，其余最小电压检测模块的第三电压传感器设置在该最小电压检测模块的两端，对于SP结构的光伏阵列，每条支路上的总电压相等，则只需要一个电压传感器测得阵列的总电压，该总电压由主机测得，从而每条支路上的最后一个最小电压检测模型的第三电压传感器将不需要安装。一个最小电压检测模型里一般有4x个光伏组件，最后一个最小电压检测模型里包含的光伏组件数量可以是4x个，也可以是4x-1或4x+1个，等等。

在图3中，每个主机配备一个模数转换器ADC0809以处理多条串联支路上电流传感器所检测的电流(一条支路有24个光伏组件，分辨率为2)，配备一块显示屏LCD1602用于显示操作进程；每个从机配备3个继电器对一条串联支路进行控制，配备一块显示屏LCD1602用于显示操作进程，配备8个霍尔电压传感器。当检测分辨率为2的时候，在一个主机配备8个从机的情况下，可以检测192块光伏组件；当有20个这种主从结构的检测装置可以检测3840块光伏组件，每块组件功率为250W时即可构成一个1MW左右的个光伏发电站。

主机采用STC12C5A60S2单片机，每个从机均采用12C5A60S2微处理器。GSM模块在本***的开发中主要实现通过GPRS与服务端建立TCP/IP连接，数据信息的实时采集与故障信息的传输。对于GSM/GPRS无线通信模块的选取，本***采用内嵌TCP/IP协议栈的SIM800模块，主机通过AT指令对SIM800模块进行控制。该模块非常适合于数据的远程无线传输，12C5A60S2微处理器通过AT指令对SIM800模块进行操作控制。

主机的电路如图5所示，晶振Y1的晶振频率为11.0592M，为单片机12C5A60S2及触发器HD74LS74提供时钟信号；按键S1闭合后，使电容C1短路为单片机12C5A60S2提供复位信号；D1为电源信号指示灯，D2为第一通信串口的接收信号指示灯，D3为第一通信串口的发送信号指示灯，D4为第二通信串口的接收信号指示灯，D5为第二通信串口的发送信号指示灯。模数转换器ADC0809的IN0到IN7端口连接8个电流传感器，VR(+)与VR(-)用于设置参考电压为5V，START端与ALE端连接12C5A60S2的P3.2端，EOC连接单片机的P3.3端，OE连接单片机的P3.6端，CLOCK由HD74LS74提供，ADD-A、ADD-B、ADD-C分别由单片机的P1.5、P1.6、P1.7提供通道选择信号，D0到D7为单片机的P2口提供特定通道下的测量结果。触发器HD74LS74从单片机的XTAL2提取时钟信号，经过分频输出CLOCK，为模数转换器ADC0809提供时钟信号。RS485接口通讯芯片MAX485的RO端连接单片机的RXD端，DI端连接单片机的TXD端，P1.0同时连接RE端与DE端，控制MAX485是接收数据模式或发送数据模式，A端和B端输出差分信号；MAX485将DI端输入的TTL电平转化为485电平进行长距离传输，或者将接收到的485电平转化为TTL电平通过RO端输出。液晶显示屏LCD1602的EN连接单片机的P3.5，RS连接单片机的P3.4，实现数据写入控制；DB0到DB7由单片机的P0口提供数据。单片机的P1.1口连接一个电压传感器用于测量支路总电压，P3.0与P3.1为第一通信串口，借助MAX485实现多机远距离通信，P1.2与P1.3作为第二通信串口，借助GSM模块实现与服务端的远距离无线通信。

从机的电路如图6所示，晶振Y1的晶振频率为11.0592M，为单片机12C5A60S2及触发器HD74LS74提供时钟信号。按键S1闭合，使电容C1短路，为单片机12C5A60S2提供复位信号。D1为电源信号指示灯；D2为第一通信串口的接收信号指示灯，D3为第一通信串口的发送信号指示灯。模数转换器ADC0809的IN0到IN7端口连接8个电压传感器；VR(+)与VR(-)设置参考电压为5V；START端与ALE端连接单片机的P3.2端，EOC连接单片机的P3.3端；OE连接单片机的P3.6端；CLOCK由触发器HD74LS74提供；ADD-A、ADD-B、ADD-C分别由单片机的P1.5、P1.6、P1.7提供通道选择信号；D0到D7为单片机的P2口提供特定通道下的测量结果。触发器HD74LS74从单片机的XTAL2提取时钟信号，经过分频输出CLOCK，为ADC0809提供时钟信号。RS485接口通讯芯片MAX485的RO端连接单片机的RXD端，DI端连接单片机的TXD端，P1.0同时连接RE端与DE端，控制MAX485是接收数据模式或发送数据模式，A端和B端输出差分信号；MAX485将DI端输入的TTL电平转化为485电平进行长距离传输，或者将接收到的485电平转化为TTL电平通过RO端输出。液晶显示器LCD1602的EN连接单片机的P3.5，RS连接单片机的P3.4，实现数据写入控制；DB0到DB7由单片机的P0口提供数据。单片机的P3.0与P3.1作为第一通信串口，借助MAX485实现多机远距离通信。

本***针对汇流箱层级，一个汇流箱配备1个主机和8个从机，主机与从机之间借助RS485通过总线型方式通信。在整个光伏电站不止一个这样的主从结构，因此要给每个主机编号，然后在此基础上给每个从机编号。如图8-10，故障检测方法的步骤，主要如下：

1、故障发生后，服务端发送电压和电流的参考值给主机，该参考值是此时正常工作下8个光伏组件(检测分辨率为2时的最小电压检测模型)应有的电压U_参和正常工作下支路上的电流I_参。U_参实质为正常支路上对应的最小电压检测模型的电压值。

2、主机接收到电压和电流的参考值，先自行判断所有支路中哪些支路的电流小于I_参，以定位到故障支路，然后主机通过RS485广播故障的从机号，从机接收到广播信息后，无故障从机不响应，故障从机通过RS485响应。

3、主机传输电压和电流的参考值、总电压Vout给故障从机，故障从机接收到电压和电流参考值以及总电压后，先计算得到最后一个最小电压检测模型的电压，再判断所有最小电压检测模型中，哪个或哪几个的电压小于主机所发送过来的电压参考值U_参(即正常支路上对应的最小电压检测模型的电压值)，从而找出故障支路上发生故障的最小电压检测模型。

4、计算发生故障的最小电压检测模型内各组光伏组件的电压，通过对比U_参/4与故障的最小电压检测模型内各组光伏组件的电压对发生故障的光伏组件进行定位。

例如，在图7所示例子中，先计算Ui＝Vout－Va－Vb，再判断Va、Vb、Ui中哪个或哪几个电压小于U_参，然后判断Va、Vb、Ui中的故障电压下的每两个组件的电压，最后把判断结果通过RS485传给主机，主机接收后通过GSM模块的GPRS功能把故障判断结果传给服务端。

本发明配备到每一个汇流箱处，当光伏电站发生故障时，逆变器先定位发生故障的汇流箱，然后打开主机检测全部串联支路的电流值，定位到哪一条支路或哪几条支路发生故障，然后每个故障支路的从机开始检测各支路电压，同时主机也负责检测Vout。又因为SP结构的光伏阵列是先通过串联后再并联的，所以可以知道每一串联支路的总电压值是相等的且为Vout。

在检测分辨率为2的情况下，通过之前的最小电压检测模型原理可以计算得到每隔两个组件之间的电压值。对于第一条支路而言，如图7所示：现假设第一条支路发生故障，先判断Va、Vb、Ui中哪个或哪几个电压小于U_参，其中Ui＝Vout－Va－Vb。假设判断得到Va故障，则开始计算出Va对应的8个光伏组件中每2个组件的电压，即U₁₂、U₃₄、U₅₆、U₇₈的电压，再与(U_参/4)比较，找出电压比(U_参/4)小的组件，则判定为故障组件。

另外，因为主机检测得到了Vout电压值，从而可以知道8条串联支路的总电压值，这也是8条支路的第17号到24号组件不用检测Ui的电压值的原因，因为有Ui＝Vout－Va－Vb，如图11，图11可以表明最后一个最小电压检测模型省去了第三个电压传感器，以及主机负责检测Vout。

由于故障支路的输出电流减小，对于正常的光伏组件，其输出的电流也就减小了，根据光伏电池的等效电路我们可以得知，光伏电池流过二极管和旁路电阻的电流将增大，这使得无故障的光伏电池的电压升高；所以发生故障的组件的电压将会下降，没有发生故障的组件的电压将会升高；发生故障的支路电流将下降，没发生故障的支路电流将保持正常。因此，通过本文提出的故障检测方法能够很好定位故障源。

本发明不局限于检测精度为2的光伏组件，适用于不同精度的光伏组件故障检测，并适用于单个组件层面的检测，即对一块光伏组件内部的光伏单体进行检测。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，光伏阵列采用SP结构，其特征在于，光伏阵列故障检测装置包括至少一个主机与多个从机，光伏组件的每条串联支路上设有一个电流传感器和多个电压传感器，每条串联支路上的光伏组件以检测分辨率为单位被分为若干组，相邻四组光伏组件构成最小电压检测模型；

设置在每条串联支路上的电压传感器通过所述从机连接至所述主机，继电器的控制端与所述从机连接；设置在每条串联支路上的电流传感器与所述主机连接；

在每条串联支路上，最后一个最小电压检测模型的第三电压传感器为用于检测整条串联支路电压的电压传感器，其余最小电压检测模块的第三电压传感器设置在该最小电压检测模块的两端；

所述主机与从机之间通过RS485通信。

2.根据权利要求1所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，其特征在于，所述继电器的常闭触点A与第一组光伏组件和第二组光伏组件的串联节点连接，继电器的常开触点C与第二组光伏组件和第三组光伏组件的串联节点连接，继电器的常闭触点B与第二电压传感器连接。

3.根据权利要求1所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，其特征在于，所述主机配备模数转换器，设置在每条串联支路上的电流传感器通过模数转换器与所述主机连接。

4.根据权利要求1所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，其特征在于，所述从机配备模数转换器，设置在每条串联支路上的电压传感器以及继电器的控制端通过模数转换器与所述从机连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测装置，其特征在于，所述光伏阵列故障检测装置还包括GSM模块和服务端，所述主机通过GSM模块与服务端连接。

6.基于电压电流的光伏阵列故障检测方法，其特征在于，所述光伏阵列故障检测方法基于权利要求5所述的光伏阵列故障检测装置，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，主机通过RS485广播故障的从机号，从机接收到广播信息后，无故障从机不响应，故障从机通过RS485响应。

8.根据权利要求6所述的基于电压电流的光伏阵列故障检测方法，其特征在于，所述光伏阵列故障检测装置的检测分辨率为2，将U_参/4与故障的最小电压检测模型内各组光伏组件的电压对发生故障的光伏组件进行定位。