基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究.pdf

2023.6大 电 机 技 术基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究王丙辛1,李向阳1,聂 明1,刘 冰1,杨国清2,孙 航2(1.中煤西安设计工程有限责任公司,西安 710000;2.西安理工大学电气工程学院,西安 710048)摘 要 光伏组件作为光伏系统中最重要的组成部分,当个别光伏组件发生热斑故障时,会对整个光伏系统运行产生较大影响。本文通过建立光伏组件在不同工况下发生热斑故障的环境,依据光伏组件的交流小信号阻抗特性,提出一种基于频域特性研究热斑故障电气特性的方法,对检测不同工况的热斑故障进行电气特性变化分析。该方法通过将一定频率范围的高频正弦信号注入产生热斑故障的光伏组件,分析光伏组件的阻抗频幅特性,结合实验测试与仿真验证光伏组件的电气特征。研究结果表明,在偏置电压为短路电压时,热斑故障在电气特性上会导致电阻下降和并联电容略有增加,在最大功率点电压偏置时,电阻和并联电容均有增加。光伏组件在 MPPT 偏置电压下发生热斑故障时,光伏组件的并联电容与并联电阻跟随故障面积的增大而逐渐增大,当产生 10%电池片面积的热斑故障时,并联电阻增加约 2.8 倍,并联电容增加约 1.4 倍;当产生 90%电池片面积的热斑故障时,并联电阻增加约 7.9 倍,并联电容增加约 3.5 倍。关键词 光伏组件;热斑故障;多频信号;阻抗频幅特性;电气特性中图分类号 TM615 文献标志码 A 文章编号 1000-3983(2023)06-0077-08Study on Electrical Characteristics of Photovoltaic Modules with Hot Spot FaultsWANG Bingxin1,LI Xiangyang1,NIE Ming1,LIU Bing1,YANG Guoqing2,SUN Hang2(1.China Coal Xian Design Engineering Co.,Ltd.,Xian 710000,China;2.School of Electrical Engineering,Xian University of Technology,Xian 710048,China)Abstract:As the most important component of a PV system,when a hot spot fault occurs in anindividual PV module,it will have a significant impact on the operation of the whole PV system.Thispaper proposes a method to study the electrical characteristics of hot spot faults based on frequencydomain characteristics by establishing the environment in which hot spot faults occur in PV modulesunder different operating conditions and analyzing the changes in electrical characteristics for detectinghot spot faults under different operating conditions based on the AC small signal impedancecharacteristicsofPVmodules.Themethodanalyzestheimpedancefrequencyamplitudecharacteristics of the PV module by injecting high-frequency sinusoidal signals in a certain frequencyrange into the PV module generating the hot spot fault and verifies the electrical characteristics of thePV module by combining experimental tests and simulations.The results show that the hot spot faultcauses a drop in resistance and a slight increase in shunt capacitance in the electrical characteristicswhen the bias voltage is a short circuit voltage and an increase in both resistance and shuntcapacitance when the MPPT voltage is biased.When a hot spot fault occurs in a PV module at MPPTbias voltage,the shunt capacitance and shunt resistance of the PV module gradually increase with thefault area,with the shunt resistance increasing by about 2.8 times and the shunt capacitanceincreasing by about 1.4 times when a hot spot fault of 10%of the cell area is generated.When a hotspot fault of 90%of the cell area is generated,the shunt resistance increases by about 7.9 times andthe shunt capacitance increases by about 3.5 times.Key words:photovoltaic modules;hot spot failure;multifrequency signal;impedance frequencyamplitude characteristics;electrical characteristics基金项目:国家自然科学基金(71004801-1893)77基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.60 前言光伏组件在长时间使用情况下,各种故障会造成组件功率的损失及可靠性下降。例如热斑、玻璃碎裂、二极管短路、局部阴影等,其中最普遍的是由光伏组件功率的非正常运行引起的热斑问题,热斑问题会导致部分电池片温度过高,更有甚者会威胁整个光伏并网。为了能够准确的研究光伏组件检测热斑故障的方法,需要了解光伏组件在发生热斑故障时的电气特性变化,有诸多学者做了很多工作,主要分为基于光伏组件 I-V 电气特性的研究分析与光伏组件阻抗频域动态特性的研究分析。为研究 I-V 特性在光伏组件发生故障时的电气特性变化,文献1提出一种基于光伏组件发生热斑故障时 I-V 电气特性的研究,根据光伏组件发生热斑时电流与电压等电气特性变化进行分析。文献2和3分析了光伏组件失配下 I-V 电气特性变化的原因,测试不同故障类型光伏组件的 I-V 电气特性。文献4提出了一种利用光伏组件 I-V 特性的方法,可在产生不同面积热斑故障时对光伏组件的电气特性进行分析。文献5提出一种基于光伏 I-V电气特性对光伏阵列的健康状况进行分析的方法。文献6和7在考虑环境与光照等因素的情况下,利用测量光伏阵列的 I-V 特性电气参数值对故障进行检测和分类。文献8针对在高效晶体硅光伏模块中,内部电容可能导致 I-V 测量中的强烈滞后效应,提出了一种用于高电容光伏组件测量的参数设置优化方法。基于频域动态特性的研究分析主要是对光伏组件的各类动态特性及参数变化进行分析,文献9研究了考虑电容和反向特性的光伏电池模型,根据无光照情况采用参数拟合方法进行了建模,但是在有光照情况模型精度较低;文献10给出了综合光伏电池制造商提供的数据表与不同工况下的实际输出特性提取光伏电池模型参数的方法。文献11依据光伏组件交流模型,在分析其交流小信号下阻抗特性的基础上,提出一种基于高频注入法的光伏系统接地故障时研究电气特性的方法。文献12 14根据光伏组件频域特性进行直流电弧故障检测,根据频域特性变化进行故障定位。文献15提出一种通过对光伏组件求取 电 气 特 征 参 数 进 行 故 障 识 别 的 方 法。文献16提出了利用仿真模型和试验测试平台,定量分析模型参数对太阳能电池输出特性的影响和小信号阻抗特性的影响。文献17分析了不同热斑类型的漏电流随温度的变化趋势,验证了热斑对组件电性能的影响。文献18建立了光伏电池反向 Bishop 子电路模型,分析了光伏组件模型各个参数对光伏电池电气特性的影响。文献19提出了一种利用交流参数表征来检测一系列光伏电池热斑故障的检测方法,得出了热斑故障会导致并联电容及并联电阻增加的结论。文献20提出了一种通过测量阻抗谱研究太阳能电池的电流参数的方法,研究发现电容会随着温度升高而增加。结合上述参考文献中对于光伏组件电气特性的分析,为了更精确的检测光伏组件的热斑故障,本文针对光伏组件在产生热斑故障时的频域特性变化,通过对发生热斑故障的光伏组件加载 20Hz 5MHz 的多频信号,利用光伏组件的交流小信号模型分析产生热斑故障的光伏组件阻抗频幅曲线并且根据曲线所得的电气参数进行电气特性分析,达到利用阻抗频域特性研究光伏组件在产生热斑故障时的电气特性的目的。1 光伏组件交流模型当正常电池串中只有少数表现不佳的电池(例如单片电池产生严重阴影)时,施加的电池串电流倾向于反向偏置受损的电池。图 1 说明了光伏电池串中的阴影电池变为反向偏置。图 1 含有阴影电池的反向电压偏置PV1 和 PV2 处于正常照明状态,而 PV3 处于着色状态。如 PV3 的 I-V 图所示,对电池进行着色会使电特性沿电流轴下移,从而使最大功率点电流降低。在此示例中,串电流(Istring)稳定为大于 PV3 短路电流的电流,导致其电压反向偏置。因为电压是负的,且电流是流动的,所以阴影电池吸收能量而不是提供能量。如果电池消耗大量功率,所产生的热量会显著增加局部电池温度,这会损坏光伏组件。光伏组件主要是由光伏电池串并联构成。为了研究光伏组件的阻抗特性,需要参考组件的集成电路元件建立模型。光伏组件动态电路模型如图 2 所示,包括光生电流 Iph、p-n 结势垒电容 CT、二极管、扩散电容 CD、动态电阻 Rd、引线电感 Ls、串联电阻 Rs、并联电872023.6大 电 机 技 术阻 Rsh等。图 2 光伏组件的动态电路模型势垒电容 CT不能忽略,可表示为:CT=Cj01-Ud/Ubi(1)式中,Cj0为零偏置电压势垒电容,F;Ud为 p-n结偏置电压,V;Ubi为接触电势差,V。由于光伏组件的偏置电压在工作时,高于最大功率点电压,扩散电容 CD远大于 CT,可表示为:CD=IdUt(2)式中,为少数载流子寿命,s;Id为二极管电流,A;为二极管品质因数;Ut为热电压,V。动态电阻 Rd是一种与静态工作点有关的非线性电阻,通过线性化处理可以得到如下结果:Rd=dUddIdUtId(3)引线电感 Ls可表示为:Ls=Li,DC+Li,AC+LextLi,DC=lcb8Li,AC=2aLi,DC=lcb4afLext=2 10-7lcbln2lcba()-1(4)式中,Ls是由直流电感 Li,DC、交流内部电感 Li,AC及外部电感 Lext组成,H;为磁导率,H/m;lcb为线缆长度,m;为集肤深度,m;a 为电缆半径,m;为电导率,S/m;f 为工作频率,Hz。当进行分析时,光生电流源、二极管可忽略,并用并联电阻 Rp、并联电容 Cp等效更换。光伏组件交流小信号等效电路的模型如图 3 所示,其中等效后角频率 处的阻抗可以表示为:Z()=Rs+Rp(RpCp)2+1+j Ls-R2pCp(RpCp)2+1(5)图 3 交流小信号等效电路模型由光伏组件的交流小信号等效电路模型与公式(5)在多频特性下的电气特性可得光伏组件阻抗随频率变化的频率特性如图 4 所示。图 4 光伏组件频幅特性曲线为了分析频域特性的动态参数,可以根据电气特性进行分析。可以设定输出阻抗为 Z=R+jX,在频幅特性曲线的谐振点处虚部 X=0,此时幅频特性的阻抗值 Z=R,如式(6)所示:R=Rs+LsRp(R2pC2p+1)R4pC3p+Ls(R2pC2p+1)(6)通常情况下,分式的数值很小,可以看作 R 由Rs主导,因此 Rs值的提取可以采用频域特性的谐振点幅值。根据低频段幅值,可以提取串联电阻 Rp值,如97基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.6式(7)所示:R=Rs+Rp(7)在幅频特性曲线的中频段,阻抗的幅值主要是由Cp决定,如式(8)所示:Cp=1RpR-Rp-RsRs-R(8)在上述参数提取基础上,在幅频特性曲线高频段,相位等于 90时,由电感 Ls决定幅值,如式(9)所示:Ls=X-CpRp(Rs-R)(9)根据公式(7)(9)计算图 4 中各频域段对应电气参数,其中 X 为频率对应幅值低频段电阻 Rs+Rp为 8.6,由中频段的阻抗幅值得到 Cp为 4.3F,通过高频段阻抗幅值计算得到 Ls为 1.9H。2 光伏组件阻抗频域特性仿真分析首先建立了正常光伏组件在不同偏置电压下的阻抗频域特性仿真模型,模拟无故障光伏组件在加载短路电压偏置、最大功率点电压偏置及开路电压偏置的测试条件,仿真模拟结果如图 5 所示。图 5 正常光伏组件不同偏置电压仿真变化曲线由图 5 可以得出,在 0V 电压仿真情况下,由公式(7)(9)计算各电气参数值,得到 Rp为 38.2,Rs为 2.2,Cp为 0.7F;8.4V 偏置电压时,计算各电气参数可得 Rp为 7.6,Rs为 1.0,Cp为4.3F。正常组件在不同偏置电压下其频域特性会发生变化,幅频特性曲线会产生相应偏移,主要在低频段出现幅值逐渐降低的情况,当偏置电压达到开路电压时,低频段的幅值将变为最低点,此时根据各频域段阻抗计算可得,Rp为 0.4,Rs为 0.1,Cp不能确定。相频特性曲线主要在中、高频段受到影响,随着偏置电压由短路电压变为最大功率点电压及开路电压时,相位在中、低频段将明显降低。其次建立了故障组件在不同偏置电压下的阻抗频域特性的仿真模型,仿真模拟结果如图 6 所示。图 6 故障组件不同偏置电压仿真变化曲线由图 6 频幅曲线各频域段阻抗参数可计算得到,在 0V 电压仿真情况下 Rp为 21.2,Rs为 1.2,Cp为 1.9F;8.4V 偏置电压时 Rp为 60.1,Rs为1.9,Cp为 14.8F,开路电压偏置情况下 Rp为0.5,Rs为 0.2,Cp为 630F。最后建立了产生不同面积热斑故障的光伏组件仿真模型,得到仿真结果如图 7 所示。图 7 不同故障面积情况下仿真变化曲线由图 7 仿真结果可知,随光伏组件产生的热斑故障面积增加,在低频段幅频曲线由于并联电阻增加逐渐上移,幅频曲线中频段由于并联电容增加左移,相频曲线中频段由于并联电容作用产生相应变化。082023.6大 电 机 技 术3 实验验证3.1 实验条件制备为了验证本文提出的基于频域特性的光伏组件热斑故障电气特性研究方法,需要对光伏组件在发生热斑故障时的阻抗频域特性变化进行探讨。在对发生热斑故障情况下的频域特性进行分析之前,需考虑在无光照情况下,光伏组件所加载的偏置电压大小对光伏组件阻抗频域特性的影响。为进行不同情景下光伏组件阻抗频域特性的研究,建立了光伏组件在产生热斑故障情况下的电气特性研究平台。通过实验平台分析了光伏组件不同偏置电压下产生热斑故障时电气特性的变化及在直流偏置电压为最大功率点电压时光伏组件产生不同面积热斑故障电气特性变化的对比试验。在本实验中,测试使用的光伏组件参数见表 1。表 1 光伏组件参数组件参数数值最大功率 Pmax/W20开路电压 Voc/V9.6最大功率点电压 Vmp/V8.4短路电流 Isc/A2.16最大功率点电流 Imp/A2.08首先通过分别遮蔽光伏组件电池片的10%90%面积,建立光伏组件产生不同面积热斑故障的实验情况,具体实验条件采用户外光照条件。图 8 为实验测试平台,通过阻抗分析仪对光伏组件不同程度的热斑故障进行阻抗的电气频域特性记录分析。图 8 光伏组件实验测试平台3.2 实验结果分析为了研究光伏组件在无故障及热斑故障情况下加载不同偏置电压的电气特性变化情况,首先模拟了正常光伏组件分别在直流偏置电压为 0V(短路情况)、8.4V(最大功率点电压)还有 9.6V(开路电压)的情况,结果如图 9 所示。从图 9 中可以观察到,正常组件的频域特性随偏置电压的增加在不断变化。幅频特性曲线随偏置电压增加,低频段幅值逐渐降低,并在偏置电压为开路电压时最低。相频特性曲线主要变化在中、高频段,偏置电压从短路电压变为最大功率点电压及开路电压时,相位在中、高频段明显降低。再分别模拟了热斑故障组件不同偏置电压的实验环境,结果如图 10 所示。将图 9 和图 10 进行对比,可以观察到偏置电压保持在 0V(短路情况)时,热斑故障会导致阻抗特性产生变化,主要表现为幅频曲线阻抗低频区幅值降低,曲线下移;电压保持在 8.4V(最大功率点电压)时,热斑故障会导致在阻抗特性频幅曲线上表现为幅频曲线阻抗低频区幅值增加,曲线上移,中频区曲线左移;电压保持在 9.6V(开路电压)时,热斑故障在阻抗特性频幅曲线上由于电阻增加过小,表现为曲线基本无变化。图 9 正常光伏组件不同偏置电压的频幅特性曲线18基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.6图 10 故障光伏组件不同偏置电压的频幅特性曲线 利用公式(7)(9)进行参数计算,得到电气特征参数结果见表 2。表 2 不同偏置电压电气特征参数偏置电压/V(Rs+Rp)/Cp/F正常故障正常故障040.522.310.721.908.48.6261.904.2814.869.60.530.76-625.42从表 2 可知,当加载的偏置电压保持在 0V,即短路情况时,热斑故障在电气特性上会导致并联电阻下降和并联电容略有增加当加载的偏置电压保持在 8.4V,即最大功率点电压时,热斑故障在电气特性上表现为会导致电阻显著增加,并联电容增加。当加载的偏置电压保持在 9.6V,即开路电压时,热斑故障在电气特性上表现为会导致电阻略有增加,并联电容在故障前无法计算电容值。通过分别遮蔽光伏组件电池片 10%90%面积,建立光伏组件产生不同面积的热斑故障的实验条件,分别利用阻抗分析仪进行检测。频域特性的测试结果如图 11 所示,给出了随热斑故障面积变化的无光照情况下,在偏置电压为最大功率点电压时的频域特性曲线。图 11 不同面积热斑故障光伏组件频幅特性曲线由图 11 可知,光伏组件在产生热斑故障后的电气特性变化主要体现在 Rs+Rp的值明显增加,即幅频特性曲线低频区域明显上升。在正常光伏组件的幅频特性曲线中,幅频特性在 600Hz 由电阻性变为电容性,在光伏组件产生热斑故障的幅频特性曲线中,幅频特性由电阻性变化为电容性的频率点减小到300Hz,相频特性曲线低频率段对应的相位为 0,随着遮蔽面积的增加,低频区域阻抗增加变化逐渐加剧,表明在低频段频幅特性主要表现为电阻性。在中频段频幅特性主要表现呈容性,幅频特性曲线表现为向左移动,在电气特性上表现为 Cp值明显增加,相频特性曲线表现为 100Hz 5kHz 向左偏移,5kHz 1MHz 向右偏移,相位接近于-90。在高频段可以观察到,幅频特性曲线谐振点幅值有所降低,在电气特性上表现为 Rs值的降低;在幅频特性曲线 2MHz 频率下,曲线基本保持不变,在电气特性上表现为 Ls基本保持不变。所得实验结果与图 7 仿真结果相符合,与本文研究方法分析结果一致,可证本文采用方法具有可行性。282023.6大 电 机 技 术通过公式(7)(9)可得光伏组件特征参数,见表 3。表 3 不同热斑故障面积电气特征参数组件类型光伏组件特征参数Rp/Rs/Cp/FLs/H正常组件7.7540.8614.2751.90610%面积热斑21.7320.6985.8101.83530%面积热斑33.4560.7327.0321.73550%面积热斑43.2610.6749.3711.93770%面积热斑50.6730.68311.3271.69490%面积热斑61.2890.63214.8591.9433.3 参数分析为了进一步分析光伏组件在产生不同热斑故障面积下各电气特征参数的变化趋势,将表 3 各电气特征参数的变化趋势利用趋势图进行分析,结果如图 12所示。图 12 热斑故障光伏组件各参数变化曲线从图 12 中可知,热斑故障面积越大,对光伏组件组件的电气特性影响越大,具体表现为对并联电阻与并联电容影响很大,两者呈现随光伏组件热斑故障面积增加而逐渐增大的趋势,当光伏组件产生 10%电池面积大小的热斑故障时,并联电阻增加 13.97,与正常组件相比增大3 倍,而在光伏组件产生90%电池面积的热斑故障时,并联电阻增加 53.53,并联电阻增加为正常组件的 8.7 倍,并联电阻随热斑故障面积增加的过程中,并联电阻变化的幅度减缓。并联电容在产生 10%电池面积大小的热斑故障时,并联电容增加 1.54F,增加幅度约为正常组件的 1.36 倍,在产生 90%电池面积的热斑故障时,并联电容增加10.58F,增加幅度 明 显 变 大,约 为 正 常 组 件 的3.6 倍。结果表明在光伏组件产生热斑故障的面积逐渐增大时,电气特性参数变化表现为串联电阻与串联电感基本保持不变,并联电阻与并联电容会随着热斑故障面积增加而增大。4 结论本文基于光伏组件发生热斑故障时电气特性变化问题,展开对光伏组件的频域特性研究,结论如下:(1)根据光伏组件交流小信号模型,在产生热斑故障后,光伏组件的并联电容与并联电阻明显增加,并跟随故障面积逐渐增大,串联电阻与串联电感基本不变。(2)在短路电压情况下热斑故障在电气特性上会导致并联电阻下降和并联电容略有增加;在 MPPT 电压情况下,热斑故障在电气特性上表现为会导致电阻显著增加,并联电容增加;在开路电压情况下热斑故障在电气特性上表现为并联电阻下降不明显,并且并联电容无法计算。38基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.6(3)根据交流小信号模型下的等效输出阻抗公式进行仿真,输出的仿真结果与实验结果相符,验证了本文所提出的光伏组件电气特性研究方法的有效性。参 考 文 献1 刘恒,马铭遥,张志祥,等.热斑晶硅光伏组件I-V 曲线分析及特征模拟研究J.太阳能学报,2021,42(4):239-246.2 马铭遥,张志祥,刘恒,等.基于-特性分析的晶硅光伏组件故障诊断J.太阳能学报,2021,42(6):130-137.3 云平,张志祥,刘恒.基于-特性的多晶硅光伏组件故障及失效研究J.太阳能,2020,309(1):61-69.4 吴春华,周笛青,李智华,等.光伏组件热斑诊断及模糊优化控制方法J.中国电机工程学报,2013,33(36):50-61.5 丁坤,陈富东,翁帅,等.基于-特性灰色关联分析的光伏阵列健康状态评估J.电网技术,2021,45(8):3087-3095.6 Ma M,Zhang Z,Yun P,et al.Photovoltaic ModuleCurrent Mismatch Fault Diagnosis Based on-DataJ.IEEE Journal of Photovoltaics,2021,99:1-10.7 Joglekar A V,Hegde B.Online-Tracer forper string monitoring and maintenance of PV panelsC/IECON 2018-44th Annual Conference of theIEEE Industrial Electronics Society,IEEE,2018:1890-1894.8 Ghasemi M A,Ramyar A,Iman-Eini H.MPPTmethod for PV systems under partially shadedconditions by approximating-curve J.IEEE Transactions on industrial electronics,2017,65(5):3966-3975.9 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