馮 鍇 林培杰 俞金玲 陳志聰 程樹(shù)英

結(jié)合電壓閾值和最右端功率峰值點(diǎn)的光伏陣列故障檢測(cè)與定位

馮 鍇 林培杰 俞金玲 陳志聰 程樹(shù)英

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 350108）

光伏陣列故障會(huì)影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率和生命周期，甚至造成火災(zāi)等嚴(yán)重事故，因此光伏陣列故障檢測(cè)和定位至關(guān)重要。本文利用光伏陣列及模塊的最右端功率峰值（RPP）處的電壓結(jié)合優(yōu)化的電壓傳感器布置方案實(shí)現(xiàn)對(duì)組串內(nèi)短路故障、開(kāi)路故障和局部陰影的檢測(cè)與定位，并根據(jù)陣列電壓歸一化后的結(jié)果進(jìn)一步對(duì)短路故障進(jìn)行程度判斷。該方法的特點(diǎn)是獨(dú)立于氣象參數(shù)，并使用較少數(shù)量的傳感器實(shí)現(xiàn)故障的組串級(jí)別定位。通過(guò)一個(gè)10×5的仿真模型和一個(gè)6×3的實(shí)際光伏陣列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性。

光伏陣列；故障檢測(cè)；故障定位；最右端功率峰值（RPP）

0 引言

近年來(lái)，太陽(yáng)能作為清潔能源得到廣泛應(yīng)用，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的安裝也越來(lái)越普及。然而安裝在室外惡劣環(huán)境下的光伏陣列，易受到各種環(huán)境因素的影響而發(fā)生各種故障，例如開(kāi)路故障、短路故障、接地故障、直流電弧故障、局部陰影等[1-3]。文獻(xiàn)[4]分析了光伏電源的故障特性和影響因素。故障的檢測(cè)和定位對(duì)于光伏系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要，近年來(lái)學(xué)者們?cè)谠擃I(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)的研究，采用統(tǒng)計(jì)差異測(cè)量技術(shù)，如陣列損耗差和瞬時(shí)功率比[5]、交流功率輸出差[6]及電壓功率比差異[7]，還有基于動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī) 整[8]、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模糊推理法[9]等。為了更好地區(qū)分局部陰影情況（partial shade conditions, PSCs）與電氣故障，文獻(xiàn)[10]提出使用最右端功率峰值（rightmost power peak, RPP）電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)短路/接地故障的檢測(cè)，將其與局部陰影區(qū)分開(kāi)來(lái)，但是無(wú)法檢測(cè)短路/接地故障的失配水平，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)光伏陣列故障的定位。一些研究提出了基于電壓和電流測(cè)量的方法，來(lái)定位陣列中故障區(qū)域，但并未識(shí)別故障類(lèi)型[11-13]。文獻(xiàn)[14]提出了一種根據(jù)電壓全局分塊逼近法來(lái)定位故障。文獻(xiàn)[15]提出了一種電壓傳感器布置方案，能夠有效識(shí)別陰影故障和電氣故障，并在短路和接地故障時(shí)定位到故障模塊、開(kāi)路故障時(shí)定位到組串。文獻(xiàn)[16]根據(jù)光伏陣列電壓、電流等信號(hào)，采用基于高斯過(guò)程的方法實(shí)現(xiàn)了故障定位。

本文分析光伏陣列和組件在短路故障、開(kāi)路故障和局部陰影下的RPP工作特性，設(shè)計(jì)一種優(yōu)化的電壓傳感器布置方案。通過(guò)采集光伏陣列和每個(gè)組串第一個(gè)光伏模塊的RPP電壓，結(jié)合閾值判斷，進(jìn)行組串內(nèi)短路故障、開(kāi)路故障和局部陰影的檢測(cè)和組串級(jí)別定位，同時(shí)通過(guò)將陣列電壓歸一化實(shí)現(xiàn)組串內(nèi)短路故障程度的判斷。相比于采集光伏陣列和組串首尾兩個(gè)光伏模塊電壓的方案[15]，可進(jìn)一步減少傳感器數(shù)量，降低成本。

1 光伏陣列故障下最右端功率峰值特性

光伏陣列在故障程度輕微或照度較低時(shí)，在系統(tǒng)的最大功率跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）作用下，會(huì)快速改變故障電流的方向和數(shù)值，導(dǎo)致傳統(tǒng)保護(hù)裝置失效。為了說(shuō)明最大功率點(diǎn)（maximum power point, MPP）對(duì)故障檢測(cè)的影響，本文用Matlab/Simulink搭建了10×5的光伏陣列（共5串光伏串，每串有10個(gè)模塊），其拓?fù)淙鐖D1所示，圖中設(shè)置了光伏陣列直流端常見(jiàn)的幾種故障：F1為故障程度1/10的組串內(nèi)短路故障，F(xiàn)2為故障程度2/10的組串內(nèi)短路故障，F(xiàn)3為開(kāi)路一串的開(kāi)路故障，F(xiàn)4為陰影故障1，F(xiàn)5為陰影故障2。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（standard test condition, STC）下各類(lèi)故障光伏陣列的-曲線如圖2所示。

圖1 10×5光伏陣列拓補(bǔ)

圖2 STC下各類(lèi)故障光伏陣列的P-V曲線

1.1 短路故障

發(fā)生短路故障的時(shí)候，MPPT技術(shù)會(huì)使故障陣列重新工作在最大功率點(diǎn)，由圖2可知此時(shí)故障陣列MPP電壓MPP_FA將小于故障發(fā)生前正常情況下陣列的MPP電壓MPP_NA。

F1故障下光伏陣列和故障串的-曲線如圖3所示，故障串的MPP為圖中A點(diǎn)位置，電壓為161.730 8V。MPPT作用下，整個(gè)光伏陣列工作在其MPP即B點(diǎn)處，電壓為172.810 7V。根據(jù)基爾霍夫定律（KVL），故障串電壓會(huì)被拉至點(diǎn)C，電壓與B點(diǎn)一致。平均到每個(gè)模塊即故障串中的正常光伏模塊輸出電壓大于正常組串中模塊的輸出電壓。若短路發(fā)生在該模塊上，則該模塊電壓為零。

圖3 F1故障下光伏陣列和故障串的I-V曲線

1.2 開(kāi)路故障

光伏陣列發(fā)生F3開(kāi)路故障時(shí)，相當(dāng)于光伏陣列由10×5陣列變成了10×4的陣列結(jié)構(gòu)，陣列電流下降1/5。此時(shí)其他正常組串的光伏模塊繼續(xù)工作在正常的情況下，如圖2所示，MPP_FA與MPP_NA相等。

1.3 局部陰影

為了說(shuō)明局部陰影對(duì)故障診斷的影響，陣列中設(shè)置了F4和F5兩種不同照度類(lèi)型的局部陰影。假設(shè)陰影模塊受到的光照強(qiáng)度是均勻的，局部陰影故障串模塊的照度見(jiàn)表1，表中未列出的模塊照度均為1 000W/m2。兩種故障的-曲線如圖2所示，此時(shí)正常情況下的MPP電壓為179.711 9V，局部陰影下的曲線具有多個(gè)峰值，MPP為曲線的全局峰值（global power peak, GPP）。從MPP來(lái)看，F(xiàn)4的MPP電壓為181.558 1V，F(xiàn)5的MPP電壓為172.394 8V，F(xiàn)4的MPP_FA＞MPP_NA，而F5的MPP_FA＜MPP_NA，所以MPP電壓不能作為檢測(cè)局部陰影的依據(jù)。但是從RPP處的電壓來(lái)看，F(xiàn)5的RPP_FA數(shù)值為182.971 8V，要大于MPP_NA，從圖2可知F4故障的RPP與GPP重合，因此RPP處的電壓可以作為檢測(cè)局部陰影故障的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 局部陰影故障串各模塊照度 單位: W/m2

結(jié)合在短路和開(kāi)路故障中，雖然使用的是GPP處的電壓來(lái)判斷故障類(lèi)型，但由于這些故障的-曲線都只有一個(gè)峰值，所以其GPP和RPP是重合的。因此統(tǒng)一將RPP處的電壓作為判斷故障類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)，下文中統(tǒng)一采用RPP電壓進(jìn)行分析。

在不同溫度、照度下對(duì)故障進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4和圖5所示，其中圖4為溫度25℃，照度變化范圍為[100W/m2, 1 200W/m2]、步長(zhǎng)為50的仿真結(jié)果，圖5為照度1 000W/m2，溫度變化范圍為[0℃, 40℃]、步長(zhǎng)為5的仿真結(jié)果，圖中數(shù)據(jù)分布與文中結(jié)論一致，驗(yàn)證了在不同溫度和照度下檢測(cè)故障的有效性。

圖4 溫度為25℃不同照度下的仿真結(jié)果

圖5 照度為1 000W/m2不同溫度下的仿真結(jié)果

1.4 短路故障程度判斷

實(shí)驗(yàn)陣列中設(shè)置了F1和F2兩種失配程度的短路故障，并在不同的溫度和照度下做了多組實(shí)驗(yàn)，歸一化前F1和F2的故障陣列數(shù)據(jù)如圖6所示。從圖中可以看出這兩種故障的電壓有一部分是重合在一起的，因此利用RPP處的電壓無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同程度短路故障的區(qū)分。為了將這兩種故障數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，用正常情況下陣列的RPP數(shù)據(jù)將故障數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。具體的歸一化公式為

圖6 歸一化前F1和F2的故障陣列數(shù)據(jù)

歸一化后的數(shù)據(jù)如圖7所示。F1和F2兩種不同程度的短路故障可以明顯分為上下兩簇，即可以在歸一化后的電壓上設(shè)置閾值將兩種故障區(qū)分開(kāi)來(lái)。短路故障光伏陣列的工作電壓歸一化后的區(qū) 間為

式中：NF為光伏陣列中故障模塊的數(shù)量；NS為光伏串中的光伏模塊個(gè)數(shù)。F1的電壓區(qū)間為[0.9, 1]，F(xiàn)2的電壓區(qū)間為[0.8, 0.9]，實(shí)驗(yàn)陣列中的F1和F2電壓歸一化數(shù)據(jù)完全落在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，驗(yàn)證了區(qū)間的有效性。因此當(dāng)故障陣列的電壓歸一化后的數(shù)據(jù)符合式（3）時(shí)，當(dāng)前陣列的故障程度為NF/NS。

2 優(yōu)化的電壓傳感器布置和故障定位方法

就10×5實(shí)驗(yàn)陣列而言，一共設(shè)置了6個(gè)電壓傳感器，當(dāng)光伏陣列工作在正常情況下時(shí)，光伏陣列工作在RPP，此時(shí)光伏陣列中的每一個(gè)模塊都工作在RPP處，有1=2=3=4=5，而陣列的輸出電壓PVA可以表示為1×10。

2.1 短路故障

當(dāng)光伏陣列工作處于F1情況下，故障串第一個(gè)模塊的電壓1的電壓曲線與非故障串第一個(gè)模塊的電壓2的電壓曲線及陣列電壓PVA曲線如圖8所示，3、4、5因與2工作狀態(tài)一致，這里就不再放電壓曲線圖。短路前，1和2重合，都工作在RPP處，短路后，由于MPPT的作用此時(shí)陣列重新工作在當(dāng)前狀態(tài)的RPP處，從圖中可以看出陣列電壓下降最后穩(wěn)定在173.854V，此時(shí)的1上升至19.315 8V，2下降至17.385 4V。2下降的原因是，根據(jù)KVL，正常串的電壓大小等于PVA/S，PVA下降導(dǎo)致2下降。故障前PVA記錄為MPP_NA，故障后PVA記錄為RPP_FA，將陣列電壓按式（1）歸一化結(jié)果為0.957 8。根據(jù)式（3）可知，此時(shí)光伏陣列中的故障模塊數(shù)量為1。由此可以判斷出短路模塊位于第一串的第10塊，即定位出了短路故障的位置。

圖8 F1故障下的電壓曲線

圖9為F2短路故障下的PVA、1和2曲線。由圖中數(shù)據(jù)可算出故障模塊數(shù)量是2，2所在的光伏串是正常串，1所在的光伏串是故障串，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障串短路故障的定位。

圖9 F2故障下的電壓曲線

2.2 開(kāi)路故障

故障F3下PVA、1與2曲線如圖10所示。陣列的電壓PVA在故障前后保持不變，故障串對(duì)應(yīng)的模塊電壓1的示數(shù)為21.5V，為模塊的開(kāi)路電壓，正常串中2為17.931 4V，為正常工作電壓。

圖10 F3故障下的電壓曲線

2.3 局部陰影

為了更好地說(shuō)明局部陰影下模塊的輸出電壓特征，采用-特性曲線進(jìn)行說(shuō)明。F4情況下，故障串中的陰影模塊和正常模塊及正常組串中的模塊-曲線如圖11所示。

圖11 F4故障下的模塊的I-V曲線

由圖11可知，故障串中的非陰影模塊與正常串中模塊的-曲線重合，而陰影模塊的-曲線明顯低于正常模塊。故障光伏串的輸出電流受到陰影模塊輸出電流的限制，故障串的輸出電流與最小照度模塊的輸出電流保持一致，從而導(dǎo)致電壓的不同。圖中模塊工作電壓分別標(biāo)記為A1、A2和A3。根據(jù)KVL可得

由式（4）可得A1＜A2＜A3。由此可以判斷局部陰影故障下的故障串位置。當(dāng)（=1, 2,…,P）串的第一個(gè)模塊電壓大于或小于PVA/S（正常串中模塊的電壓）時(shí)，該光伏組串為陰影故障串。

3 整體方法

本方法可以通過(guò)結(jié)合MPPT過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)可能發(fā)生故障時(shí)，功率將發(fā)生變化，此時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)逆變器進(jìn)行功率跟蹤[17-18]。獲取功率變動(dòng)前1s的陣列電壓均值作為RPP_NA，功率穩(wěn)定后1s的陣列電壓均值為RPP_FA，模塊電壓同樣用均值表示，然后進(jìn)入故障檢測(cè)與定位流程，整體方案流程如圖12所示。

考慮到實(shí)際系統(tǒng)可能造成的誤差，如果RPP_NA與RPP_FA之間的電壓偏差|D|小于設(shè)定的閾值e，則可以視為RPP_NA與RPP_FA相等，其中e設(shè)定為0×RPP_NA[19]，0為電壓波動(dòng)系數(shù)。根據(jù)第一部分仿真數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)際可知，局部陰影RPP_FA并沒(méi)有超過(guò)該閾值，因此先將局部陰影和開(kāi)路故障歸為一種情況，即：①|(zhì)RPP_FA-RPP_NA|≤e，則陣列發(fā)生開(kāi)路故障或局部陰影；②|RPP_FA-RPP_NA|＞e，則陣列發(fā)生短路故障，將RPP_FA代入式（1）和式（3）即可判斷短路故障程度。

圖12 整體方案流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用一個(gè)1.8kW的實(shí)驗(yàn)室屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)檢驗(yàn)該方法。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖13所示，該陣列為6×3的光伏陣列，光伏模塊STC下的參數(shù)為：MPP= 17.5V，MPP=5.71A，MPP=100W，OC=21.5V，SC= 6.03A。本實(shí)驗(yàn)中的0、1、2分別設(shè)置為5%、5%、10%。

圖13 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

4.1 短路故障

實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種不同失配程度的組串內(nèi)短路故障。獲得陣列電壓和模塊電壓波形分別如圖14和圖15所示，圖中功率變化點(diǎn)為A，穩(wěn)定點(diǎn)為B。則RPP_NA分別為106.40V和108.18V，RPP_FA分別為91.39V和79.10V，則|D|分別為15.01V和29.08V，計(jì)算得e分別為5.32V和5.41V。因此可得兩種情況下|D|均大于e，可判別陣列發(fā)生短路故障。根據(jù)式（1）算出nor分別為0.86和0.73，代入式（3）分別落在區(qū)間[0.83, 1]和[0.67, 0.83]內(nèi)，可知故障程度分別為1/6和2/6。根據(jù)模塊電壓，兩種情況下1均大于2和3，可判斷第一串發(fā)生了短路故障。

圖14 第一種失配程度短路故障電壓波形

圖15 第二種失配程度短路故障電壓波形

4.2 開(kāi)路故障

實(shí)驗(yàn)在光伏陣列的第一串設(shè)置了開(kāi)路故障，采集的電壓波形如圖16所示。

圖16 開(kāi)路故障電壓波形

由圖16中數(shù)據(jù)可知，|D|=0.87V，e=5.30V，|D|＜e，1.1×PVA_FA/6=19.29V，1＞1.1×PVA_FA/6，因此判斷第一串發(fā)生開(kāi)路故障。

4.3 局部陰影

分別模擬陰影在第一個(gè)組件和在非第一個(gè)組件下的故障，獲得電壓波形分別如圖17和圖18所示。圖17中|D|=2.31V，e=5.34V，|D|＜e且0.95×PVA_FA/6=17.27V，1＜0.95×PVA_FA/6，因此判斷第一串有局部陰影，且第一塊模塊是陰影模塊。圖18中|D|=0.04V，e=5.37V，|D|＜e，1.05×PVA_FA/6= 18.79V，1.1×PVA_FA/6=19.68V，1.05×PVA_FA/6＜1＜1.1×PVA_FA/6，因此判斷第一串有局部陰影，且第一塊模塊是非陰影模塊。

圖17 陰影在第一個(gè)組件的電壓波形

圖18 陰影在非第一個(gè)組件的電壓波形

5 結(jié)論

本文提出了一種檢測(cè)和定位光伏陣列故障的方法，通過(guò)電壓傳感器采集光伏陣列和每個(gè)光伏組串第一個(gè)模塊的最右端功率峰值點(diǎn)電壓，將故障后的光伏陣列電壓與發(fā)生故障前正常運(yùn)行的光伏陣列電壓比較，結(jié)合優(yōu)化的傳感器布置方案，判斷出故障類(lèi)型并定位到故障串，若發(fā)生組串內(nèi)短路故障，根據(jù)陣列電壓歸一化后結(jié)果來(lái)判斷出故障程度。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。本文提出的方法所需的電壓傳感器數(shù)量較少，一定程度上降低了故障識(shí)別和定位的復(fù)雜程度和成本。

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Photovoltaic array fault detection and location based on voltage threshold and rightmost power peak point

FENG Kai LIN Peijie YU Jinling CHEN Zhicong CHENG Shuying

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

The faults in photovoltaic (PV) array reduce the efficiency of power generation and the life cycle of the PV system, and even lead to serious disasters such as fire. Therefore, the detection and location the PV array fault is of significant importance. This paper uses the voltage at the rightmost power peak (RPP) of PV array and the first PV modules of each PV string to detect and locate short-circuit faults in PV string, open-circuit faults and partial shades. In addition, the PV array voltage is normalized to determine the degree of short-circuit faults. The proposed method is independent of meteorological parameters and the number of sensors is small. The simulation based on a 10×5 PV array and the experiment using a practical 6×3 PV array are conducted to verify the performance of the proposed approach. The results demonstrate the practicability of the method.

PV array; fault detection; fault location; rightmost power peak (RPP)

2021-02-03

2021-03-09

馮 鍇（1996—），男，河南省南陽(yáng)市人，碩士研究生，主要從事光伏陣列故障檢測(cè)和定位工作。