基于电流电压特性的光伏智能管控研究.pdf

52上海电气技术2023,16(2)基于电流电压特性的光伏智能管控研究焦斌宋昊李凤名胜利石油管理局新能源开发中心山东东营257000摘要：对光伏电池电流电压特性进行了数学分析，并对故障状态下的电流电压曲线进行了分析。由此，基于电流电压特性研究光伏智能管控，提出故障诊断算法，并给出应用效果。关键词：电流；电压；光伏；管控；研究中图分类号：TM615+.2Abstract:The current-voltage characteristics of photovoltaic cell were mathematically analyzed,and thenthe analysis was performed on the current-voltage curve under fault state.Afterwards,the intelligentphotovoltaic management and control was investigated based on the current-voltage characteristics,the faultdiagnosis algorithm was put forward,and the application effect was demonstrated.Keywords:Current;Voltage;Photovoltaic;Management and Control;Research文献标志码：A文章编号：16 7 4-540 X(2023)02-052-06光照1光伏电池概述负电极光伏电池可以将太阳光中的光子转换为直流电流和电压，相关技术称为光伏技术。典型的硅光伏电池是一块薄晶片，由一层非常薄的磷掺杂硅（N型半导体)和顶部一层较厚的硼掺杂硅（P型半导体）组成，在这两种材料接触的电池顶部表面P-N结附近会产生电场。当太阳光照射到半导体表面时，电子被激发，并被吸引到N型半导体材料上，由此在N型半导体中积累更多的负电荷，在P型半导体中积累更多的正电荷，从而产生更高的电流，这就是光伏效应。硅光伏电池工作原理如图1所示。2数学分析光伏电池在本质上是一个P-N结，当有光照射时，由光伏效应产生电压，接入负载时形成回路。当光照恒定时，光伏电池的电流不改变，等效电路中光生电流源看作是一个恒流源。在工程上，光伏电池常用的模型为单二极管模型，等效电路如图2 所示。图2 中，Iph为太阳光产生的电流，Ds为二极管，IDs为流过二极管的电流，VDs为二极管两端电压，Rsh收稿时间：2 0 2 2-10第一作者简介：焦斌（198 8 一），男，本科，工程师，主要从事新能源开发运营工作正电极图1硅光伏电池工作原理+RVDsRshDsIph图2 单二极管模型等效电路为分流并联电阻，Is为通过分流并联电阻的电流，R。为电阻，V为电压。当环境温度与光照强度不变时，太阳光产生的电流Iph保持不变，可以看作恒流+V2023,16(2)源。由此，电路可以看作一个恒流源、一个正向二极管、一个分流电阻的并联形式。光伏电池输出电流I的表达式为：I=Iph-Ips-Ish=Iph-IDs-(V+IR,)/Rsh流过二极管电流IDs的表达式为：q(V+IR,)IDs=I(eF-1)=I.ekqVD式中：I。为二极管饱和电流q为单位电荷，值为1.6X10-19C;K为玻尔兹曼常数，值为0.8 6 X10-4eV/K;T为热力学温度；n为二极管理想因子，一般取12,理想二极管取1。将式(2)代人式（1)，可以得到光伏电池模型的电流电压关系式，为：q(V+IRI=Iph-I.eKr太阳光产生的电流Ip受到太阳辐照度G与热力学温度T的影响，关系式为：Iph=GIser+K,(T-T)J/1 000式中：Iscr为短路电流；K为环境温度影响因子；T为环境温度参考值。二极管饱和电流I。的表达式为：I。=Ir s (（+-)式中：Irs为二极管反向饱和电流；Eg为二极管带隙能量。光伏阵列通常由若干个光伏电池经过串并联后组成。假设一个光伏阵列每一串有M个光伏电池，有N串光伏电池串并联，那么M个光伏电池的输出电压Vsm为：Vsm=MVN串光伏电池的输出电流Ism为：Ism=NI将式（4)、式(6）、式（7)代人式（3），可得光伏阵列的电流电压关系式为：（Ism=NIph-NI。eMNKTNV,-ImR.MsmR.hGNsmser+K;(T-T,)J-NI。e1000NV-IsmRsMsm1Reh由式(9)可以看出，光伏阵列的输出特性受热力上海电气技术学温度T、太阳辐照度G的影响较大。恒温度变光照条件下与恒光照变温度条件下光伏阵列电流电压曲线与功率电压曲线如图3图6 所示。(1)-1(2)V+IR,1R.hIsmR1753600W/m-800 W/m-1 000W/m2-1200W/m-1400W/m(3)图3恒温度变光照条件下光伏阵列电流电压曲线(4)15(5)202530-35图4恒光照变温度条件下光伏阵列电流电压曲线P-V Curvewith Different Irradiance600 W/m(6)-800 W/m-1 000W/m-1200W/m(7)-1400W/m(8)smTKT(9)电压电压电压图5恒温度变光照条件下光伏阵列功率电压曲线光伏阵列功率电压曲线上的峰值点所对应的电压值随外界条件的变化左右移动。使光伏阵列的输出电压与实时功率峰值点所对应的电压值保持一54上海电气技术2023,16(2)8F15720一25一30.-35图6 恒光照变温度条件下光伏阵列功率电压曲线致，即最大功率点跟踪策略。由于失效状态下的光伏电池常处于反偏状态，因此根据毕晓普模型，得出光伏电池反偏下的输出特性方程为：U+R,II=Iph-Ia-RshU+R,IU+R,Im一aR.hId=I。33expq(U+R,I)nkT式中:a为与雪崩击穿相关的电流因数;m为二极管雪崩击穿因数；Vbreak为P-N结击穿电压。3故障状态下电流电压曲线分析3.1热斑选取遮挡和非遮挡型热斑组件，进行电流电压特性测试，结果如图7 所示。由图7 可知，遮挡型热斑组件受到遮挡旁路二极管导通影响，电流电压特性曲线出现平坦的阶梯；非遮挡型热斑组件因为电池单元漏电流较正常电池单元大，电流电压特性曲线在复合后呈现出折线形阶梯。由此可见，通过热斑组件电流电压特性曲线的阶梯段特征，能够诊断出光伏组件是否存在热斑故障。3.2短路发生短路故障时，光伏组件输出电压降低。因此，对模拟的输出电压与测量的输出电压进行比较，可以判断是否发生短路故障。引人变量，为：=(Vc-V)/uc式中：V为模拟开路电压；V为实测开路电压；uoc为光伏组件中单体的平均开路电压。如果大于1，那么可以确定发生了短路故障。000632100电压图7#热斑组件电流电压特性测试结果3.3衰减率预判断结合测试得到的瞬时太阳辐照度和光伏组件温度，对电流电压扫描测试结果进行修正，修正后单个光伏组件的最大功率为2 53.16 W，与出厂标定2 55W相比，衰减0.7 2%。光伏组件衰减率预判断结果如图8 所示。12一实测电流电压曲线标准电流电压曲线Vbreak(10)(11)(12)正常非遮挡型热斑组件遮挡型热斑组件51015202533035电压/V76 00010标准功率电压曲线864200100200300400500600700800900电压/V图8 光伏组件衰减率预判断结果3.4比例积分微分衰减判段根据以往测试经验，光伏组件比例积分微分衰减后，呈现最大功率点、填充因子显著下降的特点，而开路电压和短路电流变化较小，一般情况下较难发现。通过对比逆变器扫描得到的电流电压曲线与标称曲线的差异，可以及时发现光伏组件比例积分微分衰减，从而采取预防和处理措施。光伏组件比例积分微分衰减判断结果如图9所示。4逆变器扫描分析4.1#扫描具体要求扫描时间要求如下：为了减小扫描过程辐照变化对电流电压曲线平滑度的影响，扫描时间尽量缩短，要求单点扫描时间为5ms，单个组串扫描时间在3 s 以内。扫描间隔要求如下：为了充分反映最大功率点500040003000楼M/2000100002023,16(2)8.07.06.05.0正常组件电流电压曲线比例积分微分衰减组件电流电压曲线4.0填充因子47.1%3.0比例积分微分严重衰减组件电流电压曲线2.01.000图9光伏组件比例积分微分衰减判断结果附近变化情况，要求采用变步长扫描方式。4.2数据采集功能要求接收启动扫描指令，下发至逆变器，并支持上传扫描结果至监控系统，可以实现逆变器级启动扫描。在没有连接网管的情况下，支持通过网络设置扫描期间的电流误差值，支持广播启动子阵扫描，支持启动指定逆变器执行扫描。支持导出一个子阵的扫描数据。提供外置工具，解析扫描数据，并识别问题，排序输出。4.3监控系统功能要求支持电站级别启动扫描，扫描指令串行发送至数据采集系统，指令间隔时间可由后台配置，默认为30s。启动扫描前，先设置扫描期间的电流误差值。支持从数据采集系统获取扫描数据。光伏组件日期时刻2021-09-1611:152021-09-1611:102021-09-1611:05逆变器导出数据样例如图10 所示，功率点需要根据电压和电流相乘计算得到，其它数据均可以由原始数据提取得到。除逆变器导出数据外，还可以手动输人数据，此上海电气技术执行解析，根据逆变器提供的规则，列出电站各填充因子6 9.8%子阵疑似有问题组串的识别结果。扫描结果呈现时填充因子6 2.8%进行排序，问题最大的排在最前。支持结合太阳光辐照和热力学温度对电流电压曲线进行修正功能，能够进行衰减预判。5算法5.1数据算法涉及数据包括七部分。（1）修正条件。包括太阳辐照度、光伏组件温度。太阳辐照度为10 0 0 W/m，光伏组件温度为0.51551.522.5电压/V33.5表1环境检测仪数据环境温度/温度/3 276.8-3 276.83 276.825，可由系统配置。（2）扫描条件。包括测试时间、瞬时太阳辐照度、光伏组件温度、环境温度，由环境检测仪得到。（3）组串编号。包括子阵编号、逆变器编号、组串编号。（4）实测电流电压曲线参数。包括测试时间、填充因子、开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流，可由电流电压曲线得到。（5）光伏组件信息。包括光伏组件类型、标称填充因子、开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流、最大功率、电压温度系数、电流温度系数、串联数量，由手动输入，可由数据库获取，输人后保存在系统中。还包括光伏组件内阻，可以手动配置。（6）光伏组件运行信息。包括光伏组件安装年限，由手动输入。（7）其它数据。包括曲线修正因数，可以手动配置，默认值为0.0 0 2 2。环境检测仪数据见表1。瞬时太阳辐照度/(Wm-2)2.29242.68902.1881处不再列出。5.2组串子串故障判断组串中某个光伏组件的一个或以上组成元件损坏或遮挡，某个光伏组件的旁路二极管击穿或损坏，日太阳辐照度/(MJ m-2)7.5527.284.7.0356光伏组件损坏或组串开路，均可能表现为光伏组件一个或以上旁路二极管导通，对组串电压和功率的影响在1.5%以上。组串子串故障判断依据如图11所示。根据图填充因子初判85图11组串子串故障判断依据5.3电流电压曲线形状判断当光伏组件发生比例积分微分衰减时，电流电压曲线形状会发生比较大的变化，主要表现为并联电阻的变化。电流电压曲线形状判断如图12 所示，并联电阻在电流电压曲线中表征为电流电压曲线过电流轴交点切线的倒数。通过求切线斜率倒数的方法，可以得到每条电流电压曲线的并联电阻。并联电阻小于50 2 时，初步判断光伏组件发生比例积分微分衰减。并联电阻为50 40 0 Q时，结合电流电压曲线修正判断，当修正后的功率衰减高于正常范围10%以上时，初步判断光伏组件发生比例积分微分衰减。并联电阻大于40 0 时，初步判断光伏组件未发生比例积分微分衰减。上海电气技术第1个第2 个第3个47组串1电压（V）48组串1电流（A）49计算50组串2 电压（V）51组串2 电流（A）52计算53组串3电压（）54组串3电流（A）55计算56组串4电压（V）57组串4电流（A）58计算59组串5电压（V）60组串5电流（A）61计算62组串6 电压（V）63组串6 电流（A）64计算65组串1填充因子66组串2 填充因子67组串3填充因子68组串4填充因子69组串5填充因子70组串6 填充因子7172组串编号组串1/2/3/4/5/6 开路电压Voc73填充因子FF2023,16(2)第14个第15个第16 个第17 个754.9746.400.70522.481319.76754.9746.40.10.975.49671.761466.4749.6742.10.10.874.96593.68749.6742.100.5371.051237.6748744.50.10.474.8297.81451.6748744.500.20148.91306.4470原有值74原有值74原有值70原有值74原有值72原有值图10逆变器导出数据样例11,可以判断出大部分光伏组件故障，并且可控制误判率为5%左右。图11中的所有判据均为系统默认值，并且支持手动配置。最大功率点开路电压判断短路电流判断电压判断最大功率判断小于平均值1.5%以上小于平均值1.5%以上小于平均值小于平均值1.5%以内10%以内小于平均值1.5%以内5.4离散率计算逻辑全天有效时刻点各组串电流不大于0.3A时，设备离散率结果为异常。所有组串容量为0 时，设第6 3个第6 4个原有值733.2600.91.88.24927.384947.64964.784919.85733.2600.928.24927.384947.34907.054863.3728596.828.314564953.444.973.351991-194949.12728596.81.77.94714.724738.314704.344724.16725.8595.1284760.84724.73474L794701.48725.8595.11.88.24879.824899.724856.054869.39最大功率点电压V加量大功率点电流589577.3565.58.48.6589577.3565.58.48.5585.1573.7562.48.58.7585.1573.7562.48.18.2583.3571.38.18.3583.3571.3559.78.48.5图12电流电压曲线形状判断23.58.79.3218.55108.81计算值（电压*电流）23.511.7原有值8.68.8206.8102.96计算值（电压+电流）23.411.7原有值8.88.9208.26104.13计算值（电压*电流）23.411.7原有值8.49210.6105.3计算值（电压*电流）559.723.38.48.6200.3899.76计算值（电压*电流）23.311.6原有值8.79209.7104.4计算值（电压*电流）短路电流工se判断结果异常异常异常正常正常异常异常Rsh减小R.增大电压11.7原有值9.3原有值8.8原有值8.9原有值9原有值11.6原有值8.6原有值9原有值2023,16(2)备离散率结果为异常。容量为0 的组串不参与离散率分析。如果有效时刻点所有组串的最大组串功率不大于组串容量与功率阈值的乘积，那么该时刻点的采集数据不参与离散率分析。功率阈值目前设置为2 0%。有功功率为0 的有效时刻点不参与离散率分析。去除上述不参与离散率分析的时刻点后，对于剩余时刻点的数据，计算各个组串的平均归一化功率，计算设备的平均归一化功率，进而计算设备离散率。在系统中，设备离散率结果异常的填充红色，对应：设备所有组串容量为0；全天有效时刻点所有组串电流小于0.3A；设备通信异常，无数据上报或设备故障。未分析离散率的组串，填充灰色，对应：组串未接入，不进行分析；全天有效时刻点有功功率均为0；设备组串功率偏低，均小16014013512010080数6040200上海电气技术于离散率分析的功率阈值。组串离散率在2 0%以上，填充紫色，对应：设备组串容量配置存在问题；设备编号存在问题，与其它设备混淆，可以在数据对点后排查；个别支路存在故障或存在严重遮挡等。组串离散率为10%2 0%，填充黄色，对应个别支路功率明显偏低。组串离散率为5%10%，填充绿色，对应个别支路存在功率偏低情况。组串离散率为0 5%,填充蓝色，对应离散率正常。6故障诊断应用效果以实际光伏电站为例，某光伏电站进行电流电压曲线扫描分析，报组串开路问题。排查发现，组串由于某组件接头虚接，产生电流，长期漏电，导致接线烧坏，由此该组串长期处于未发电状态。该光伏电站故障统计共32 7 次，其中接头烧毁故障共出现15次，占比为4.6%，如图13所示。723257291711159电网掉电接头烧毁光伏板烧毁箱变开关跳闸变器通信故障光伏组件外力损坏图13光伏电站故障统计在实际检测过程中，电流电压曲线取决于组串的性能，技术人员对电流电压曲线进行分析，便能够得出光伏组件是否存在异常情况，进而采取相应的措施。基于电流电压特性进行光伏智能管控，识全率、准确率、重现率均在90%以上。在检测过程中，每个组串的扫描时间短于1S，并且支持在线操作，同时可以扫描超过2 0 0 个组串，扫描后能够自动生成分析报告。由此可见，基于电流电压特性进行光伏智能管控,不仅可以提高组串检测的效率，而且能够降低人工劳动强度，对降低光电站的运维成本也有重要价值。7结束语笔者以电压电流特性为基础，研究光伏智能管控，对故障状态下的电流电压曲线进行分析，进而提出故障诊断算法，并给出应用效果，为光伏行业的发展提供技术参考。参考文献1云平，刘恒，张志祥，等.晶硅光伏组件的IV特征分析及应用研究J.电源技术，2 0 19,43（10）：17 11-17 14.2何英蕾，付青，李湘峰，等.光伏阵列区域特性曲线拟合与预估算法研究J.电测与仪表，2 0 10，47（3）：2 4-2 7，51.3王炳国，侯伟杰，富豪，等.胜利油田滨海电网光伏接人规划研究J.上海电气技术，2 0 2 2,15（2)：14-19.4郭鹏，高佩忠，魏岳.光伏电站并网的影响及应对措施.上海电气技术，2 0 2 2,15（3)：1-4,9.5王一蒙，李玉玲，吴健儿，等.一种适用于单峰光伏曲线的MPPT方法J.机电工程，2 0 17，34（9）：10 6 0-10 6 4.(编辑：尔东)