一种基于模型参数的光伏组串热斑故障程度估算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于模型参数的光伏组串热斑故障程度估算方法，利用电池片内部参数与I

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型参数的光伏组串热斑故障程度估算方法

：
[0001]本专利技术涉及一种模型参数估算光伏组串热斑故障程度的方法，属于光伏发电领域。

技术介绍
：
[0002]近年来，随着人们对能源危机意识的日益清晰，光伏发电作为一种新能源发电技术迅速发展。在这种趋势下，我国的光伏产业不断扩大，装机容量也大幅增加。然而恶劣的运行环境使得系统中光伏组件的故障频发，严重影响了系统的安全运行和发电收益。
[0003]其中，热斑故障在光伏发电系统中普遍存在。在光伏系统并网运行期间，当光伏组件中的太阳电池受到阴影遮挡而发生失配处于反偏状态时，其作为负载会消耗功率而产生大量的热，这会造成失配太阳电池的温度升高发生损坏形成热斑，而且具有火灾隐患。因此，通过诊断热斑故障来减少热斑现象的发生具有很强的经济效益和社会效益。
[0004]对于热斑故障的检测方法主要有：1)红外图像法，该方法能够能够直观的反映被测物体的温度特性，但需要依赖精密的检测仪器，成本较高；2)基于输出特性曲线的故障诊断方法：根据输出特性曲线的斜率及凹凸性诊断热斑，但是由于未结合电池片内部参数，只能确定是否发生热斑故障，无法定量分析热斑的故障程度；3)多传感器检测法，该方法能够采集一些电气参数进行故障诊断和故障组件定位，但成本较高。
[0005]本专利技术提供了一种光伏组串热斑故障程度估算方法，利用电池片内部参数与特性曲线中最大功率点的位置，不仅能判别热斑故障类型，还能计算处于热斑状态下电池片的发热功率，以判断是否采取维护措施，对于电站的运维工作具有较强的指导意义。

技术实现思路
：
[0006]一种基于模型参数的光伏组串热斑故障程度估算方法，其特征在于：利用P
‑
V特性曲线确定全局最大功率点判断光伏单元的工作状态，对光伏单元的热斑故障类型进行判别，根据不同热斑类型结合电池参数计算出光伏组串的热斑严重程度，其具体步骤如下：
[0007]步骤一：获取光伏组串的I
‑
V特性曲线和P
‑
V特性曲线，解析获得组串内部参数，利用五参数变化特征和曲线变化特性及电气参数来确定该故障为热斑故障；再确定波峰的个数k及全局最大功率点(U
mpp
，I
mpp
)，并定出当前组串工作点即全局最大功率点时的电压位于I
‑
V特性曲线的第n峰；
[0008]步骤二：通过全局最大功率点的位置，判别光伏单元的热斑故障类型，其具体步骤如下：
[0009]S1.第1,2,3
…
n
‑
1类单元中太阳电池均表现为正向特性，不损耗功率，不存在热斑故障；
[0010]S2.由于第n类光伏单元未被旁路二极管短路，当第n类单元的故障电池光生电流I
ph_(n)
＞I
mpp
时，故障电池表现为正向特性，不损耗功率，不存在热斑故障；当I
mpp
>I
ph_(n)
，故障电池呈现反向特性，成为负载消耗电能，形成热斑故障，判断该热斑故障为最大功率点热
斑；
[0011]S3.若组件最大功率点电压不处于第k峰，即k＞n时，由于当前组件的工作点电流I
mpp
大于第n+1,n+2
…
k
‑
1,k类光伏单元的短路电流，导致这类光伏单元均被旁路二极管短路，此时这类光伏单元整体输出电压为零；因此，这类热斑故障光伏单元的M
i
片正常电池需输出正向电压，表现为正向输出特性；M
hot(i)
片故障电池需输出反向电压，表现为反向输出特性，且输出电压绝对值与M
i
片正常电池输出电压相等。因此，M
hot(i)
片故障电池由电源转变为负载，形成热斑故障，判断该热斑故障为旁路二极管短路热斑；
[0012]步骤三：基于步骤二所述的判别方法，判别第i类光伏单元存在的光伏单元热斑故障类型，确定该类光伏单元的工作点电流，当光伏单元存在旁路二极管短路热斑故障时，其工作点电流为该类光伏单元的短路电流I
sc(i)
；当光伏单元存在最大功率点热斑故障时，其工作点电流为最大功率点电流I
mpp
；跟据各类光伏单元中不同的热斑故障类型，将工作点电流及提取出的故障电池的模型参数带入功率计算方法中，将所有热斑故障损耗的功率相加得到光伏组串热斑损耗功率P
loss
，P
loss
绝对值值越大说明该光伏组串的故障电池消耗电能越多，其转化的热能也随之增大，热斑程度越严重，由此可以估算出光伏组串的热斑故障程度。
[0013]光伏组串热斑损耗功率P
loss
作为特征量来评估热斑程度，其计算方法如下：
[0014]①
根据太阳电池单二极管等效电路模型和KCL定律可得太阳电池电流输出特性为：
[0015][0016]其中，I
ph
为光生电流，I
d
为通过二极管的电流，R
s
为串联电阻，R
sh
为并联电阻；
[0017]②
当光伏组串出现热斑故障时，故障电池作为负载消耗电能，此时该电池的二极管表现为反向输出特性,二极管工作在第二象限且电压大于U
br
，其输出电流数值等于反向饱和电流I
o
，此时太阳电池输出特性可表示为：
[0018][0019]③
太阳电池输出电流I大于其光生电流I
ph
时，其输出电压为负，表现为反向输出特性，且伏安特性曲线近似为一条直线，由于R
s
＜＜R
sh
，I
o
＜＜I
ph
，式(2)可表示为：
[0020]U＝I
ph
R
sh
‑
IR
sh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]④
由式(3)可求得太阳电池作为负载时消耗的功率为：
[0022]P＝I
·
I
ph
R
sh
‑
I2R
sh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]⑤
当第i类光伏单元存在旁路二极管短路热斑故障时，此时工作点电流为该光伏单元短路电流I
sc(i)
，利用式(4)可计算每类旁路二极管短路光伏单元的负载输出功率P
loss(i)
为：
[0024]P
loss(i)
＝I
sc(i)
I
ph_(i)
M
hot(i)
R
sh_(i)
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型参数的光伏组串热斑故障程度估算方法，其特征在于：利用P
‑
V特性曲线确定全局最大功率点判断光伏单元的工作状态，对光伏单元的热斑故障类型进行判别，根据不同热斑类型结合电池参数计算出光伏组串的热斑严重程度，其具体步骤如下：步骤一：获取光伏组串的I
‑
V特性曲线和P
‑
V特性曲线，解析获得组串内部参数，利用五参数变化特征和曲线变化特性及电气参数来确定该故障为热斑故障；再确定波峰的个数k及全局最大功率点(U
mpp
，I
mpp
)，并定出当前组串工作点即全局最大功率点时的电压位于I
‑
V特性曲线的第n峰；步骤二：通过全局最大功率点的位置，判别光伏单元的热斑故障类型，其具体步骤如下：S1.第1,2,3
…
n
‑
1类单元中太阳电池均表现为正向特性，不损耗功率，不存在热斑故障；S2.由于第n类光伏单元未被旁路二极管短路，当第n类单元的故障电池光生电流I
ph_(n)
＞I
mpp
时，故障电池表现为正向特性，不损耗功率，不存在热斑故障；当I
mpp
>I
ph_(n)
，故障电池呈现反向特性，成为负载消耗电能，形成热斑故障，判断该热斑故障为最大功率点热斑；S3.若组件最大功率点电压不处于第k峰，即k＞n时，由于当前组件的工作点电流I
mpp
大于第n+1,n+2
…
k
‑
1,k类光伏单元的短路电流，导致这类光伏单元均被旁路二极管短路，此时这类光伏单元整体输出电压为零；因此，这类热斑故障光伏单元的M
i
片正常电池需输出正向电压，表现为正向输出特性；M
hot(i)
片故障电池需输出反向电压，表现为反向输出特性，且输出电压绝对值与M
i
片正常电池输出电压相等。因此，M
hot(i)
片故障电池由电源转变为负载，形成热斑故障，判断该热斑故障为旁路二极管短路热斑；步骤三：基于步骤二所述的判别方法，判别第i类光伏单元存在的光伏单元热斑故障类型，确定该类光伏单元的工作点电流，当光伏单元存在旁路二极管短路热斑故障时，其工作点电流为该类光伏单元的短路电流I
sc(i)
；当光伏单元存在最大功率点热斑故障时，其工作点电流为最大功率点电流I
mpp
；跟据各类光伏单元中不同的热斑故障类型，将工作点电流及提取出的故障电池的模型参数带入功率计算方法中，将所有热斑故障损耗的功率相加得到光伏组串热斑损耗功率P
loss
，P
loss
绝对值值越大说明该光伏组串的故障电池消耗电能越多，其转化的热能也随之增大，热斑程度越严重，由此可以估算出光伏组串的热斑故障程度。2.根据权利要求1所述的热斑程度估算方法，采用光伏组串热斑损耗功率P
loss
作为特征量来评估热斑程度，其计算方法如下：
①
根据太阳电池单二极管等效电路模型和KCL定律可得太阳电池电流输出特性为：其中，I
ph
为光生电流，I
d
为通过二极管的电流，R
s
为串联电阻，R
sh
为并联电阻；
②
当光伏组串出现热...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭倩，沈敏翔，卫东，何云霄，高剑，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：