风光互补发电系统中的故障诊断和防护技术研究.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 54 风光互补发电系统中的故障诊断和防护技术研究 胡 路 江西省水投能源发展有限公司，江西 南昌 330000 摘要：摘要：本文全面系统地探讨了风光互补发电系统的基本概念和结构，深入分析了该系统的常见故障以及诊断方法，并对如何通过有效的防护策略减少故障发生提出了创新性的建议。首先，文章阐述了光伏发电和风电发电的基本原理和构成，为理解这两种系统提供了理论基础。接着，我们详细讨论了风光互补发电系统中可能出现的常见故障，包括光伏电池、逆变器、风力发电机和控制系统的故障，并提供了相应的诊断方法。最后，我们提出了针对这些故障的防护策略，通过科学合理的防护措施，可大大降低风光互补发电系统的故障率，提高系统运行的稳定性和效率。关键词：关键词：光伏发电；风力发电；故障诊断；防护策略；系统稳定性 中图分类号：中图分类号：TM61 随着环境问题的日益突出和化石能源的逐渐枯竭，如何有效开发和利用可再生能源成为了全球的重要议题。在这个背景下，光伏发电和风电发电作为两种主要的可再生能源，得到了广泛的关注和研究。然而，尽管这两种发电方式在节约能源、减少碳排放等方面具有显著优势，但在实际应用中，由于各种原因，它们的稳定性和效率并不能满足预期。其中，故障的发生是影响风光互补发电系统性能的重要因素。为了解决这一问题，需要深入了解风光互补发电系统的基本概念和结构，掌握常见的故障及其诊断方法，并研究有效的防护策略，以提高系统的稳定性和效率。本文的目的是系统地阐述风光互补发电系统的基本知识，分析其常见的故障及诊断方法，并提出防护策略。希望这些内容能为进一步优化风光互补发电系统，降低故障率，提高发电效率提供一些参考和启示。1 风光互补发电系统的基本概念及结构 风光互补发电系统是一种集光伏发电和风电发电于一体的复合型发电系统。利用该系统，可以实现日夜和四季的全天候发电，提高发电效率，进一步节约能源，降低碳排放。系统主要由光伏电池、风力发电机、控制系统、储电装置和逆变器等部分构成。1.1 光伏发电系统的基本原理和构成 光伏发电是一种直接将太阳能转化为电能的发电方式。它的工作过程主要通过光伏效应实现，即半导体材料在光照下产生电压，从而形成电流。1.1.1 光伏电池的工作原理 光伏电池是光伏发电系统中的核心部分。其主要原理是利用光伏效应，即在光的照射下，半导体材料的能带结构发生变化，产生电子-空穴对，形成光生电流。具体来说，当光照射到光伏电池时，电池内部的半导体材料会吸收光子，使得价带上的电子获得能量跃迁到导带上，形成自由电子和空穴，通过外部电路连接，就可以得到电流。1.1.2 光伏发电系统的主要构成部分 光伏发电系统主要由光伏电池、控制器、逆变器、电池和负载等部分构成。其中，光伏电池是系统的核心，用于将太阳能转化为直流电。控制器则主要负责对电池的充放电进行管理，保护电池不受过充或过放的损害。逆变器的作用是将直流电转化为交流电，以供电网或负载使用。而电池则用于存储光伏电池在光照下产生的多余电能，供光照不足时使用。1.2 风力发电系统的基本原理和构成 风力发电是利用风能驱动风力发电机旋转，进而通过发电机将机械能转化为电能的过程。它是一种清洁、可再生的能源，具有对环境影响小、能源取之不尽、用之不竭的优点。1.2.1 风力发电机的工作原理 风力发电机的工作原理是风力驱动风轮旋转，通过齿轮箱将低速旋转转换为高速旋转，再通过发电机将机械能转化为电能。简单来说，风能通过风轮转化为机械能，再通过发电机转化为电能。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 55 1.2.2 风力发电系统的主要构成部分 风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、发电机、控制系统、塔筒、基础、变电设备等组成。风轮的作用是接收风能，驱动发电机旋转。齿轮箱的作用是将风轮的低速旋转转化为发电机所需的高速旋转。而发电机则是将机械能转化为电能的设备。控制系统负责系统的运行管理和故障诊断，保证系统的稳定运行。塔筒作为支撑结构，将风轮提升到一定高度，接收更强的风力。基础则负责承载整个风电设备的重量。变电设备主要包括变压器、电力电缆等，负责将发电机产生的电能送到用户或电网。2 风光互补发电系统的常见故障及诊断方法 风光互补发电系统作为一种新型的可再生能源发电方式，其稳定性和效率在一定程度上受到了各种故障的影响。因此，深入了解这些故障及其诊断方法，对于提高系统的运行稳定性和效率具有重要意义。2.1 光伏发电系统的常见故障及其诊断 光伏发电系统的故障主要集中在光伏电池和逆变器两个环节。这两部分的故障会直接影响到整个系统的发电效率和稳定性。2.1.1 光伏电池的常见故障和诊断 光伏电池是光伏发电系统中的核心部分，其稳定性直接影响到整个系统的发电效率。光伏电池的常见故障主要有热斑效应、电池片断裂、功率降低等。热斑效应是由于电池片局部阻抗增大，使得电流通过这部分区域时产生的热量增多，导致电池片温度升高，严重时可能造成电池片烧毁。诊断这类故障主要通过红外热像仪检测电池片的温度分布，发现温度异常升高的区域，即可确定存在热斑效应。电池片断裂是由于安装、运输等原因造成电池片物理损伤。诊断方法主要是通过电性能测试，如果发现电池组件的开路电压、短路电流、最大功率点等电性能参数发生明显变化，即可判断电池片可能存在断裂。功率降低则可能是由于电池片老化、污染等原因导致。诊断这类故障主要是通过对比电池组件在标准测试条件下的输出功率与名义功率，如果发现实际输出功率低于名义功率的 80%，则可以判断电池组件存在功率降低的问题。2.1.2 逆变器的常见故障和诊断 逆变器是将直流电转换为交流电的关键设备。常见的故障主要有开路故障、短路故障、逆变器过热等。开路故障是由于逆变器内部电路断开，使得电流无法正常流过，导致逆变器停止工作。诊断这类故障主要是通过检测逆变器的输出电流，如果发现输出电流为 0，则可以确定逆变器存在开路故障。短路故障是由于逆变器内部电路短路，导致电流迅速增大，可能会造成设备损坏。诊断这类故障主要是通过检测逆变器的输出电流和电压，如果发现电流迅速增大，而电压迅速降低，则可以判断逆变器存在短路故障。逆变器过热是由于逆变器工作过程中产生的热量过大，散热不足，导致内部温度过高，可能会影响设备的稳定性和寿命。诊断这类故障主要是通过检测逆变器的外壳温度，如果发现温度过高，则可以判断逆变器存在过热问题。2.2 风电发电系统的常见故障及其诊断 风电发电系统的主要故障通常出现在风力发电机和控制系统两个环节。这两部分的故障会严重影响到风电发电系统的稳定性和效率。2.2.1 风力发电机的常见故障和诊断 风力发电机是风力发电系统的核心设备，其稳定性直接影响到整个系统的发电效率。风力发电机的常见故障主要包括发电机轴承磨损、风轮叶片破损、发电机过热等。发电机轴承磨损是由于长时间运行、负载过大等原因导致的。诊断这类故障主要是通过测量发电机的振动频率，如果发现振动频率超过了正常范围，则可以判断发电机轴承存在磨损。风轮叶片破损是由于风速过大、材料老化等原因导致的。诊断这类故障主要是通过定期进行风轮叶片的视觉检查，如果发现叶片有裂纹、缺口等破损痕迹，则可以确定风轮叶片存在破损。发电机过热是由于发电机运行过程中产生的热量过大，散热不足，导致内部温度过高。诊断这类故障主要是通过测量发电机的外壳温度，如果发现温度过高，则可以确定发电机存在过热问题。2.2.2 控制系统的常见故障和诊断 控制系统是风电发电系统中用于控制和管理整个系统运行的关键设备。其常见的故障主要有传感器故中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 56 障、控制器故障、通讯故障等。传感器故障是由于传感器老化、损坏等原因导致的。诊断这类故障主要是通过检查传感器的输出信号，如果发现信号异常，则可以判断传感器存在故障。控制器故障则可能是由于控制器内部电路、软件等问题导致的。诊断这类故障主要是通过观察控制器的运行状态，如果发现控制器无法正常工作，则可以判断控制器存在故障。通讯故障则主要是由于通讯线路、通讯设备等问题导致的。诊断这类故障主要是通过检查通讯设备的工作状态和通讯线路的连接状态，如果发现存在问题，则可以确定存在通讯故障。3 风光互补发电系统的防护技术与策略 针对风光互补发电系统中的常见故障，通过研究和实施一系列的防护策略和技术，可以大大降低故障发生的几率，提高系统的稳定性和运行效率。3.1 光伏发电系统的防护策略 对于光伏发电系统，其防护策略主要集中在光伏电池和逆变器这两个核心环节，旨在预防热斑效应、电池片断裂、降低功率等常见故障的发生。3.1.1 光伏电池的防护策略 光伏电池是光伏发电系统的核心部分，其性能的好坏直接影响到整个系统的发电效率。因此，对光伏电池的防护策略尤为重要。对于热斑效应，一种有效的防护策略是在设计和制造电池片的过程中，通过优化电池片的电阻分布，降低局部阻抗的可能性，从而减小热斑效应的发生。同时，可以定期使用红外热像仪对电池片进行检测，及时发现并处理存在热斑效应的区域。电池片断裂的防护策略主要是在运输和安装过程中注意保护，避免对电池片造成物理损伤。同时，可以定期进行电性能测试，及时发现并更换存在断裂的电池片。对于功率降低的问题，除了定期清洗电池片，减少污染的影响外，还可以通过优化电池片材料，提高其抗老化性能，以延长电池片的使用寿命。3.1.2 逆变器的防护策略 逆变器是光伏发电系统中的关键设备，其稳定性和性能直接影响到系统的发电效率。因此，对逆变器的防护策略也是十分关键的。对于开路故障，可以通过改进电路设计，提高其抗干扰性能，减少开路故障的发生。同时，可以定期检查逆变器的输出电流，及时发现并处理存在开路故障的逆变器。短路故障的防护策略主要是在电路设计时引入短路保护机制，避免短路故障导致设备损坏。同时，可以定期检查逆变器的输出电流和电压，及时发现并处理存在短路故障的逆变器。对于过热问题，可以通过改善设备的散热设计，提高散热效率，减少过热故障的发生。同时，应定期检查设备的运行温度，及时发现并处理存在过热问题的设备。3.2 风电发电系统的防护策略 风电发电系统的防护策略主要是针对风力发电机和控制系统的常见故障进行预防，包括轴承磨损、叶片破损、过热、传感器故障、控制器故障和通讯故障等。3.2.1 风力发电机的防护策略 风力发电机是风电发电系统的核心设备，其稳定性直接影响到整个系统的发电效率。因此，对风力发电机的防护策略尤为重要。对于轴承磨损的问题，可以通过改进轴承的设计和选材，提高其耐磨性，从而延长轴承的使用寿命。同时，可以定期对轴承进行维护，及时更换磨损严重的轴承，防止因轴承磨损导致的设备故障。叶片破损的防护策略主要是在叶片的设计和制造过程中，采用高强度、抗冲击的材料，以提高叶片的耐磨性和抗破损能力。同时，可以定期对叶片进行视觉检查，及时发现并修复或更换叶片。对于过热问题，可以通过改善设备的散热设计，提高散热效率，减少过热故障的发生。同时，应定期检查设备的运行温度，及时发现并处理存在过热问题的设备。3.2.2 控制系统的防护策略 控制系统是风电发电系统中的关键设备，其稳定性和性能直接影响到系统的发电效率。因此，对控制系统的防护策略也是十分关键的。对于传感器故障，可以通过定期对传感器进行校准和维护，提高其工作稳定性，减少故障的发生。同时，可以定期检查传感器的输出信号，及时发现并处中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 57 理存在故障的传感器。控制器故障的防护策略主要是通过提高控制器的抗干扰性能和稳定性，减少故障的发生。同时，可以定期检查控制器的工作状态，及时发现并处理存在故障的控制器。通讯故障的防护策略主要是通过改善通讯线路和设备的设计，提高其稳定性和抗干扰性能，减少故障的发生。同时，可以定期检查通讯线路的连接状态和通讯设备的工作状态，及时发现并处理存在通讯故障的设备。4 结论 本文深入研究了风光互补发电系统的基本概念和结构，通过详细分析系统中各个部件的工作原理，有助于对整个系统的运行机制有更深入的理解。同时，对系统中的常见故障及其诊断方法进行了全面梳理，为故障检测提供了理论支持。更重要的是，本文提出了一套针对风光互补发电系统的防护策略，旨在通过预防故障的发生，提高系统的稳定性和运行效率。这些防护策略不仅包括优化设备设计，提高设备的抗干扰性能和稳定性，还包括定期进行设备维护和检查，及时发现并处理存在的问题。在未来，随着风光互补发电技术的不断发展，对系统的防护技术也将更加复杂和高效。期待通过不断的研究和探索，能够进一步提高风光互补发电系统的可靠性，为可持续能源的发展做出更大的贡献。参考文献 1庞龙光,周靖仁,王树欢.先行先试当好样板:河北保定供电公司助力分布式光伏整县推进J.国家电网,2021(10):50-51.2李震,张思,任娴婷,等.基于数据驱动的线性聚类ARIMA 长 期 电 力 负 荷 预 测 J.科 学 技 术 与 工程,2020,20(16):6497-6504.3 崔红芬,汪春,叶季蕾,等.多接入点分布式光伏发电系统与配电网交互影响研究J.电力系统保护与控制,2018,43(10):91-97.