馬 進(jìn)，王 闖

(中廣核新能源遼寧分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

光伏發(fā)電在全球范圍內(nèi)正在大幅增長(zhǎng)，原因是具有足夠的支持技術(shù)，并能帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，光伏發(fā)電目前是最有希望的可持續(xù)能源。隨著能源需求的增長(zhǎng)，光伏發(fā)電裝置越來(lái)越受到重視，大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)由大量的太陽(yáng)能組件相互連接。一個(gè)組件的故障最終會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。大型光伏電站需要采取主動(dòng)監(jiān)測(cè)的方式來(lái)檢測(cè)早期故障，以便在重大破壞發(fā)生之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救。

目前大型光伏電站中，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多內(nèi)置逆變器，以防止電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)異常，并監(jiān)測(cè)光伏系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。但是，很難檢測(cè)到組串級(jí)中的故障。在大多數(shù)情況下，逆變器級(jí)的過(guò)電流保護(hù)裝置無(wú)法檢測(cè)到直流側(cè)的故障，由于過(guò)電流裝置所檢測(cè)到的電流數(shù)值較低。即使在逆變器級(jí)檢測(cè)到故障，也很難在光伏系統(tǒng)中確定故障位置。通常線路故障是由陣列中兩點(diǎn)之間的意外短路造成的，主要是由于進(jìn)水、動(dòng)物咀嚼、機(jī)械損壞或直流接線盒腐蝕等原因。存在于單個(gè)組串或兩個(gè)組串之間的故障，即線路故障，線路故障可分為串內(nèi)或串間故障。筆者主要研究串內(nèi)線路故障，串內(nèi)線路故障如果長(zhǎng)時(shí)間不被發(fā)現(xiàn)，這些故障會(huì)擴(kuò)大并損壞光伏系統(tǒng)組件。因此，通過(guò)監(jiān)控光伏系統(tǒng)的故障，提供早期故障預(yù)警對(duì)維持正常運(yùn)行至關(guān)重要，有利于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。光伏監(jiān)測(cè)級(jí)別包括逆變器級(jí)、陣列級(jí)和組串級(jí)別。組串級(jí)監(jiān)測(cè)每個(gè)組串的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。在組串中的發(fā)電量減少時(shí)可能是診斷為故障，但這需要很長(zhǎng)的停機(jī)處理時(shí)間，可能會(huì)阻礙故障檢測(cè)響應(yīng)的及時(shí)性和有效性。快速故障檢測(cè)方法是監(jiān)測(cè)瞬時(shí)組串電流。特殊氣象條件下的瞬時(shí)光伏串電流監(jiān)測(cè)信息，很難確定組串是否正常工作。因此，有必要比較每個(gè)組串，找出哪一個(gè)組串出現(xiàn)異常。測(cè)量異常值的偏差可用于識(shí)別故障組串。

現(xiàn)階段組串故障診斷測(cè)方法主要有兩種：一種是基于過(guò)程歷史數(shù)據(jù)的方法；另一種是基于模型的方法。這個(gè)基于過(guò)程歷史數(shù)據(jù)的方法使用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)自對(duì)可用數(shù)據(jù)的分析，這些數(shù)據(jù)依賴于計(jì)算和機(jī)器人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、貝葉斯等學(xué)習(xí)方法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯。但是，基于過(guò)程歷史方法需要相關(guān)數(shù)據(jù)集的可用性支持，用于監(jiān)控光伏系統(tǒng)。另一方面，基于模型的方法比較測(cè)量值和信號(hào)分析計(jì)算后輸出警報(bào)信息。目前有幾種基于模型的故障診斷方法應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理方法主要基于波形信號(hào)；例如，時(shí)域反射計(jì)，擴(kuò)頻TDR和接地電容測(cè)量，用于檢測(cè)和定位有故障的光伏組件?；贗-V特性的檢測(cè)比較了實(shí)際與預(yù)期陣列I-V特性的電參數(shù)，利用參考和陣列的差異進(jìn)行功耗分析識(shí)別故障模塊和組串。這些方法都無(wú)法識(shí)別故障的類型和位置。在故障診斷中采用模塊級(jí)監(jiān)測(cè)，在每個(gè)光伏組件上安裝無(wú)線自供電的傳感器，并比較測(cè)量值和估計(jì)值基于MPPT算法的最大串功率?；谀K的多用途傳感器配備電壓、電流、輻照度、溫度和連續(xù)監(jiān)測(cè)，用于通過(guò)分析其估計(jì)值來(lái)檢測(cè)光伏陣列中的故障以及實(shí)際效率。盡管通過(guò)比較估計(jì)參數(shù)和測(cè)量參數(shù)檢測(cè)故障可能是有效的，這些故障檢測(cè)方法可能會(huì)受到各種限制，如無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位故障，缺乏自動(dòng)化的故障診斷方法，需要大量傳感器，因此成本高昂。所以，計(jì)劃引入一種采用兩段式故障檢測(cè)的優(yōu)化電壓傳感器，此算法仍然需要在光伏電池串，但在大規(guī)模陣列中很難應(yīng)用。許多大型光伏系統(tǒng)通常將串電纜組合在一起，并通過(guò)背面的電纜穿過(guò)模塊安裝電纜管道，這樣容易發(fā)生線路故障，如圖1所示。此外，光伏系統(tǒng)缺乏保護(hù)可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，如圖2所示。

圖1 光伏組件后面的布線場(chǎng)景顯示了捆綁在一起的一組電纜

圖2 由于故障導(dǎo)致的直流接線盒故障

筆者提出了一種對(duì)組內(nèi)線路故障的自動(dòng)檢測(cè)與定位系統(tǒng)的方法。故障檢測(cè)的基礎(chǔ)是產(chǎn)生故障指示信號(hào)，稱為“殘差”，通過(guò)組串電流測(cè)量值計(jì)算。該方法通過(guò)建立一個(gè)分析模型來(lái)預(yù)測(cè)線路故障發(fā)生的精確位置，該模型以故障電流水平、輻照度和光伏組件參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)，將故障位置建模。文中還對(duì)所提出的方法進(jìn)行了擴(kuò)展，使之適用于任意串?dāng)?shù)和任意組串的陣列，詳細(xì)的演示如何使用相同的故障位置預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)任意大小陣列的故障位置。特別是，建立了某一光伏陣列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障定位預(yù)測(cè)模型，筆者提出了基于陣列尺寸的直接比例乘法器，允許對(duì)任意陣列尺寸使用相同的故障定位預(yù)測(cè)模型的方法。

1 光伏系統(tǒng)說(shuō)明

1.1 典型光伏系統(tǒng)配置

典型的光伏系統(tǒng)包括光伏陣列、匯流箱、逆變器和其他系統(tǒng)組成，如圖3所示。陣列由串聯(lián)和并聯(lián)的光伏組件組成，以獲得所需的電壓、電流和功率。在小型光伏系統(tǒng)中，組串通常直接連接到逆變器。相反，在大型光伏系統(tǒng)中，串接器通過(guò)匯流箱與逆變器相連。圖3所示的光伏陣列示意圖包括并聯(lián)的N串，每個(gè)串包括串聯(lián)的m個(gè)組件。每個(gè)組串產(chǎn)生的電壓是m×V，其中V是每個(gè)組件上的電壓，在陣列上產(chǎn)生的電流是n×I，其中I是通過(guò)每個(gè)組串的電流。由于陣列的結(jié)構(gòu)，組串中的每個(gè)組件流過(guò)相同的電流，并且陣列中的每個(gè)組串有相同的電壓。對(duì)于給定的陣列，總輸出功率(Pout)可以計(jì)算為(m×V)×(n×I)。本文假設(shè)存在組串級(jí)電流監(jiān)測(cè)。組串電流測(cè)量值表示為L(zhǎng)i,i∈[1,n)，其中下標(biāo)“i”表示第i串測(cè)量值。這個(gè)陣列電流和電壓分別表示為Iα和Vα。

圖3 光伏系統(tǒng)的典型配置

1.2 光伏陣列保護(hù)要求

圖3中的OCPD和GFPD表示過(guò)流保護(hù)裝置以及接地故障保護(hù)裝置。OCPD已連接為了保護(hù)陣列不受過(guò)電流故障的影響，GFPD用于防止接地故障。連接這些保護(hù)裝置的目的是保護(hù)光伏系統(tǒng)中的電纜和電氣設(shè)備。特別是大型光伏電站中的OCPD一般都與逆變器或匯流箱相連，數(shù)百根串接在一起。有大量組串聯(lián)接到一個(gè)OCPD，特殊情況下的小故障電流，有一些相對(duì)較小的不匹配的組串內(nèi)線路故障可能仍然未被檢測(cè)到。因此，在大型光伏系統(tǒng)中，很難識(shí)別和定位線路故障。

光伏系統(tǒng)還包括旁路二極管和阻塞二極管。旁路二極管用于光伏組件保護(hù)，防止反向電流從良好組件流向故障光伏組件。阻塞二極管的用途與旁路二極管不同，它是管防止從正常組串到故障組串的反饋電流。然而，旁路二極管和阻塞二極管不能替代故障電流保護(hù)。在故障期間，反向電流可能被阻塞二極管完全切斷，這可能導(dǎo)致OCPD失去適當(dāng)中斷故障的能力。

1.3 光伏陣列中的線路故障

線路故障是任意的，可以發(fā)生在任意兩點(diǎn)之間在光伏陣列中。根據(jù)單串或多串故障，線路故障分為串內(nèi)故障(如圖3中的故障F1、F2和F3)或串間故障(如圖3中的故障F4)。與故障串相關(guān)的電流和電壓相對(duì)于無(wú)故障串的偏移量可用于檢測(cè)故障發(fā)生并確定位置。然而，故障串的電流主要取決于模塊失配(位置失配)的數(shù)量、模塊電壓和故障阻抗。根據(jù)“位置不匹配”原理，故障位置定義為旁路模塊的數(shù)量。例如，圖3中標(biāo)記的故障F1、F2和F3分別對(duì)應(yīng)于25%、50%和75%的位置不匹配(假設(shè)一個(gè)字符串中有4個(gè)模塊)。

筆者的目的是檢測(cè)和定位光伏陣列中的串內(nèi)線路故障(如F1、F2和F3)。本文不考慮串間故障(F4)，但該方法可以擴(kuò)展到串間故障的檢測(cè)。串內(nèi)線路故障可使串內(nèi)電流降至不足以使任何保護(hù)裝置跳閘的水平。因此，提出的系統(tǒng)方法必須首先檢測(cè)出串內(nèi)線路故障的發(fā)生。其次，識(shí)別出有故障的組串。最后，在發(fā)生故障的組串中找到位置。在這種方法中，所需的信息是串電流(Ii)和太陽(yáng)輻射(G)。

2 提出的故障檢測(cè)和定位

本節(jié)總結(jié)了建議的故障檢測(cè)和定位方法。所提出的總體方法，如圖4所示。

提出的光伏陣列故障診斷策略分兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。在第1階段，檢測(cè)到故障，然后在第2階段精確定位故障。

圖4 提出的故障檢測(cè)和定位程序流程

2.1 故障檢測(cè)

故障檢測(cè)的目的是識(shí)別光伏陣列運(yùn)行中的異常。檢測(cè)故障發(fā)生的方法是生成殘差的故障指示信號(hào)。由串電流控制測(cè)量預(yù)先確定的閾值。為了建立基于殘差的故障檢測(cè)方法，我們將第i串的串電流測(cè)量值表示為Ii，陣列電流表示為Iα。因此，Iα可以寫(xiě)成：

(1)

提出的故障檢測(cè)程序以下步驟：

步驟1：計(jì)算串電流的平均值：

(2)

步驟2：計(jì)算每個(gè)組串的剩余值

對(duì)于每個(gè)組串，剩余電流可以計(jì)算為：

(3)

步驟3：基于殘差估計(jì)的故障檢測(cè)

|γi|>εTh→組串中存在ith故障

(4)

εTh=sup‖γi‖2在沒(méi)有故障的情況下。

|?i∈[1,n]|

(5)

圖5 基于殘差產(chǎn)生的故障檢測(cè)系統(tǒng)概述

圖6 4×4的電流與故障定位特性實(shí)例在組串1的不同位置出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)組

故障檢測(cè)方法的通用框圖如圖5所示。對(duì)于每個(gè)組串，殘差γi故障信號(hào)通過(guò)公式(1)-(5)得出。例如，圖6表示4×4陣列在串1的各個(gè)模塊位置(Li)、i∈[1,4]處伴隨串內(nèi)故障的串電流。對(duì)于每個(gè)故障位置(Li)，串1的相應(yīng)電流幅值(Li)正在變化。故障位置的增加導(dǎo)致(Li)值的減小，從而提高了殘差信號(hào)的靈敏度。如圖6所示，僅在串1中可以看到電流大小的變化，而其余串電流保持不變，這表明串內(nèi)故障僅影響對(duì)應(yīng)串的電流輸出。每個(gè)故障位置代表繞過(guò)一個(gè)光伏組件，導(dǎo)致該組件的電壓損失。由于故障串與其他非故障串并聯(lián)，因此串1中模塊的電壓將增加，以保持所有串的電壓相同。還可以觀察到，串1中的電流大小表示負(fù)值，這是由于從正常串流向故障串以保持每個(gè)字符串的電壓相等的反饋電流造成的。

圖6中顯示了不同故障位置的串1中的大量電流變化，而串2、3、4中的電流仍然不受影響。

2.2 故障定位

如果，γi>εTh,i∈[1,n]那么我們的下一個(gè)目標(biāo)是估計(jì)第i個(gè)組串中故障發(fā)生的可能位置。預(yù)計(jì)故障位置、輻照度、串中模塊數(shù)量、陣列中串的數(shù)量和溫度共同控制通過(guò)故障串的故障電流(Li)水平。因此，可以肯定地說(shuō)，用于估計(jì)組串內(nèi)故障位置的表達(dá)式可以用以下函數(shù)形式表示：

(6)

(7)

我們的目標(biāo)是得到一個(gè)回歸函數(shù)f(G,Ii)，這樣一旦發(fā)生故障，就可以估計(jì)出串內(nèi)故障的精確位置。對(duì)于函數(shù)f(G,Ii)的推導(dǎo)，G的范圍取400W/m2到1 000W/m2。為了得到等式(7)的回歸函數(shù)，通過(guò)使用在MATLAB中開(kāi)發(fā)的仿真模型進(jìn)行的一系列仿真，獲得了Li-G-Ii之間的三維數(shù)據(jù)集。在MATLAB中實(shí)現(xiàn)了4×4、6×3、15×4等多種陣列結(jié)構(gòu)。圖7示出了為15×4配置獲得的數(shù)據(jù)集。通過(guò)對(duì)各種故障位置(介于1和15之間)和太陽(yáng)輻照度(介于400W/m2和1 000W/m2之間，以100W/m2為步幅)組合以及相應(yīng)的串(故障)電流水平進(jìn)行模擬掃描，獲得數(shù)據(jù)集。

為了根據(jù)式(7)獲得(Li)，使用MATLAB的多項(xiàng)式曲面擬合函數(shù)將數(shù)據(jù)集擬合到回歸模型中，以獲得以下形式的回歸表達(dá)式：

(8)

使用模擬生成的數(shù)據(jù)集，我們估計(jì)參數(shù)(C1到C9)的值。選擇3次擬合來(lái)估計(jì)多項(xiàng)式的系數(shù)，該多項(xiàng)式在最小二乘意義上擬合一組數(shù)據(jù)。對(duì)于與圖7對(duì)應(yīng)的15×4陣列配置，發(fā)現(xiàn)3次擬合是最合適的。

圖7 顯示串電流與故障位置和15×4陣列的輻照度水平

3 結(jié)論

光伏系統(tǒng)故障檢測(cè)與定位算法是基于殘差生成和回歸系數(shù)提取的。結(jié)果成功地證明了所提出的成功檢測(cè)和定位串內(nèi)線路故障的方法，也適用于在大型太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)中。這個(gè)方法使用殘差的異常值檢測(cè)門檻。閾值邊界之外的任何異常值都表示一個(gè)故障。一旦檢測(cè)到故障，故障定位算法就可以預(yù)估出組串中的故障位置。故障定位算法使用僅需要輻照度的基于回歸的表達(dá)式弦電流的大小。理論模擬對(duì)研究進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了本方法的可行性。此外，故障定位方法已對(duì)任何大小的數(shù)組進(jìn)行了泛化和驗(yàn)證。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，組串級(jí)監(jiān)控可以顯著提高光伏電站直流側(cè)的發(fā)現(xiàn)故障的能力?，F(xiàn)有的保護(hù)裝置主要是為了保護(hù)逆變器和直流側(cè)火災(zāi)用，補(bǔ)充現(xiàn)有保護(hù)設(shè)備光伏故障的檢測(cè)和定位，最終有利于光伏組件的壽命。