石凱 李光明 吳甫 熊熹

摘 要：隨著中國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏發(fā)電量逐年增加，能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，但各光伏電站的運(yùn)行質(zhì)量參差不齊，光伏發(fā)電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量和故障處理效率直接影響了光伏電站的發(fā)電效率、平準(zhǔn)化度電成本及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。總結(jié)了光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件、匯流箱、逆變器在運(yùn)行過(guò)程中常出現(xiàn)的故障問(wèn)題，分析了產(chǎn)生故障的原因，并提出處理或預(yù)防故障的措施，旨在提高光伏電站安全穩(wěn)定運(yùn)行質(zhì)量，保障光伏電站經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏組件；匯流箱；逆變器；設(shè)備故障；故障原因；處理措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

為解決當(dāng)前能源短缺和環(huán)境問(wèn)題，大力發(fā)展可再生能源來(lái)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)已是世界各國(guó)的共同目標(biāo)，其中，光伏發(fā)電作為一種“零排放、安全可靠、無(wú)污染、不受資源分布或地域限制”的可再生能源利用方式被廣泛推廣和應(yīng)用。早在1998年，Schmidt教授就預(yù)言：光伏發(fā)電將在2030年或2050年成為全球主導(dǎo)能源[1]。根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（IRENA）發(fā)布的《2022世界能源轉(zhuǎn)型展望》中的數(shù)據(jù)：截至2021年底，全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)0.926 TW，其發(fā)電量占各類(lèi)能源總發(fā)電量的3.4%，未來(lái)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模仍將保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，平均每年增加0.45 TW；預(yù)計(jì)到2050年，全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將超過(guò)14 TW，屆時(shí)其發(fā)電量占比將提升至29%[2]。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2021年版）》報(bào)告數(shù)據(jù)：截至2021年底，中國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量為0.307 TW，其發(fā)電量占全國(guó)各類(lèi)能源總發(fā)電量的3.9%，地面（或分布式）光伏電站的初始全部投資、年運(yùn)維成本、1200 h平均發(fā)電成本分別降至4.15元/W（或3.74元/W）、0.045元/W（或0.051元/W）、0.31元/kWh（或0.28元/kWh）[3]。到2050年，中國(guó)可再生能源將有望成為能源結(jié)構(gòu)主體，在能源消費(fèi)中的占比將超過(guò)60%，可再生能源發(fā)電量占各類(lèi)能源總發(fā)電量的比例將達(dá)到85%以上[4]；而光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到2.696 TW（平均每年增加0.082 TW），發(fā)電量將占全國(guó)各類(lèi)能源總發(fā)電量的28.35%，年運(yùn)維成本也將降至0.04元/W以下。

上述數(shù)據(jù)表明：光伏發(fā)電已成為發(fā)展最快的可再生能源利用方式之一，進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率，降低光伏電站建設(shè)投資和運(yùn)行成本已成為保障光伏電站高質(zhì)量運(yùn)行的關(guān)鍵。具體措施包括：1）可通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)、智能運(yùn)維、優(yōu)化系統(tǒng)控制策略等方法提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率[5]；2）需及時(shí)準(zhǔn)確地掌握光伏設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)存在安全隱患的設(shè)備能預(yù)警，對(duì)故障設(shè)備能及時(shí)作出診斷、識(shí)別和定位，并及時(shí)進(jìn)行檢修和維護(hù)，以提高設(shè)備在線運(yùn)行率和運(yùn)行效率[6]；此外，通過(guò)專(zhuān)題培訓(xùn)、技術(shù)研討等方式不斷提升運(yùn)維維護(hù)人員技術(shù)水平，保障設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能及時(shí)處理?；诖耍疚膶?duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件、匯流箱、逆變器等設(shè)備常見(jiàn)故障的原因進(jìn)行了分析，并提出解決措施，以期為光伏電站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)提供參考，提高光伏電站的運(yùn)維質(zhì)量。

1? 光伏組件故障原因及處理措施

1.1? 故障原因分析

光伏組件常見(jiàn)故障主要有：老化、隱裂、燒毀、熱斑、變形等。

1）光伏組件老化是指光伏組件受光照、氣溫、濕度等氣候因素影響出現(xiàn)的太陽(yáng)電池少子壽命降低、玻璃和EVA膠透光率和導(dǎo)熱性減弱、機(jī)械強(qiáng)度降低、抗PID性能減弱、旁路二極管和接線盒老化等現(xiàn)象[7]，其使光伏組件接收的太陽(yáng)輻照量降低、串聯(lián)電阻增大、工作溫度升高，進(jìn)而導(dǎo)致光伏組件輸出功率逐漸衰減。氣候變化越激烈，光伏組件的老化程度越明顯，其性能衰減也越嚴(yán)重。

2）光伏組件隱裂是指太陽(yáng)電池在受到機(jī)械力或熱應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的肉眼難以發(fā)現(xiàn)的隱形裂紋，隱裂會(huì)造成太陽(yáng)電池?cái)嗥鄸?，輕則導(dǎo)致部分太陽(yáng)電池失效、短路電流和輸出電流變小、光伏組件輸出功率降低，重則燒壞光伏組件。在光伏組件生產(chǎn)、裝卸、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等過(guò)程中均會(huì)出現(xiàn)光伏組件隱裂[8]。

3）光伏組件燒毀[9]：當(dāng)出現(xiàn)太陽(yáng)電池主柵線、匯流條、焊帶等的接觸面積較小或虛焊，引出線與插接頭壓接不緊實(shí)，引出線與接線盒焊接不實(shí)或接觸面積過(guò)小，以及各環(huán)節(jié)造成的光伏組件隱裂等情況時(shí)，均會(huì)使光伏組件出現(xiàn)電阻過(guò)大的現(xiàn)象，導(dǎo)致太陽(yáng)電池發(fā)熱明顯，從而燒毀光伏組件；接線盒二極管擊穿短路或斷路、光伏組件接線頭虛接、長(zhǎng)期局部遮擋等，也會(huì)使光伏組件局部發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龤Ч夥M件。

4）光伏組件熱斑：因虛焊、太陽(yáng)電池破裂、接線盒故障、正面或背板受損、背板散熱不均勻、PID效應(yīng)等造成內(nèi)部缺陷，因鳥(niǎo)糞、灰塵、植被、建筑物、光伏陣列等形成的物體遮擋，以及施工時(shí)光伏組件混裝、光伏組串極性接反等均會(huì)造成光伏組件局部溫度過(guò)高，從而形成熱斑[10]，導(dǎo)致太陽(yáng)電池間電流匹配性變差，光伏組件輸出功率減小明顯，老化速度加快。

5）光伏組件變形：當(dāng)光伏組件內(nèi)部強(qiáng)化性能不足，在光伏組件運(yùn)輸搬運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)不規(guī)范操作與堆放或受到機(jī)械外力，以及在安裝過(guò)程中出現(xiàn)安裝不規(guī)范等情況時(shí)，都會(huì)造成光伏組件變形。光伏組件變形會(huì)增加上述4類(lèi)故障發(fā)生的幾率。

1.2? 故障處理措施

針對(duì)光伏組件常出現(xiàn)的5類(lèi)故障，在不同的階段應(yīng)采取不同的措施進(jìn)行控制或解決：

1）生產(chǎn)階段：制定嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和管理體系，明確崗位責(zé)任制；嚴(yán)把原材料關(guān)，禁止選用殘次品；規(guī)范管理，分解生產(chǎn)工序，制定各工序的操作規(guī)范、質(zhì)量控制要點(diǎn)和質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)，每道工序完工后，質(zhì)檢合格后方可進(jìn)入下道工序；健全生產(chǎn)記錄，詳細(xì)記錄各工序責(zé)任人、質(zhì)檢數(shù)據(jù)等。通過(guò)上述措施來(lái)降低或消除生產(chǎn)階段帶來(lái)的光伏組件故障隱患。

2）存儲(chǔ)、運(yùn)輸或倒運(yùn)階段：光伏組件堆放場(chǎng)地需平整，防風(fēng)、水、火等防災(zāi)措施齊全，包裝完好，堆放整齊；采用叉車(chē)或采用防止光伏組件擠壓的專(zhuān)用吊具裝卸光伏組件；運(yùn)輸或倒運(yùn)過(guò)程中固定牢靠、避免顛簸或激烈振動(dòng)。避免光伏組件因被“壓、靠、撞、擠”等出現(xiàn)變形、隱裂等故障。

3）安裝階段：規(guī)范安裝流程，禁止手持光伏組件短邊搬運(yùn)光伏組件、拉拽光伏組件引出線、踩踏或刮傷光伏組件正面和背面、硬物支撐或頂壓光伏組件背板、撕裂安裝孔、使邊框變形等，光伏組件與支架接觸良好，安裝螺栓緊固到位，各受力點(diǎn)受力均勻，以避免損傷光伏組件機(jī)械性能和光電性能；采用6 mm2軟銅線跨接光伏組件后再與支架連接，利用10 mm2軟銅線將支架和匯流箱與主接地網(wǎng)連接，在匯流箱內(nèi)安裝浪涌保護(hù)裝置并采用“V”型接線，以降低雷擊對(duì)光伏組件的損壞[11]。

4）運(yùn)行階段：定期清潔光伏組件正面的污垢和灰塵和清理光伏組件背面的雜草或樹(shù)木，避免光伏組件長(zhǎng)期帶“熱斑”運(yùn)行。清潔光伏組件時(shí)嚴(yán)禁使用具有腐蝕性的清洗劑，清潔工具應(yīng)輕便，不宜使用會(huì)刮傷或壓損光伏組件的工具。定期檢查光伏組件外觀，對(duì)出現(xiàn)玻璃面碎裂、接線盒燒壞、邊框變形嚴(yán)重、玻璃面和背板變色嚴(yán)重等問(wèn)題的光伏組件應(yīng)及時(shí)更換；定期檢查光伏組件電性能和接地狀況，對(duì)出現(xiàn)接地異常、非遮擋下電流異?；虬l(fā)熱嚴(yán)重的光伏組件，應(yīng)及時(shí)排除故障或更換光伏組件。

2? 匯流箱故障原因及處理措施

匯流箱常見(jiàn)故障主要有：通信故障、采樣故障、RS485回路燒毀故障等。

2.1? 通信故障及處理措施

匯流箱的通信常采用“菊花鏈”連接方式，由RS485通信線將一個(gè)光伏方陣內(nèi)的所有匯流箱串接至通信管理機(jī)（安裝在箱變內(nèi)），常出現(xiàn)整串RS485線上的匯流箱都不能正常通信，或單個(gè)匯流箱不能正常通信，或是匯流箱能正常通信但數(shù)據(jù)顯示異常等問(wèn)題。

2.1.1? 故障原因分析

從以下5個(gè)方面對(duì)通信故障原因進(jìn)行分析。

1）基本運(yùn)行參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤。包括從站地址、波特率（有效數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制載波速率）、通信模式、校驗(yàn)位等的設(shè)置錯(cuò)誤[12]，表現(xiàn)為通信管理機(jī)“有下發(fā)、無(wú)回復(fù)或無(wú)效回復(fù)”報(bào)文記錄。

2）通信電源模塊燒毀。匯流箱在運(yùn)行時(shí)會(huì)從逆變器端經(jīng)一次回路引入高頻干擾和操作過(guò)電壓干擾，模塊高壓輸入側(cè)短路，以及遭受雷擊均會(huì)造成通信電源模塊燒毀或模塊的部分元件損壞（例如模塊輸入側(cè)電容燒壞）[13]，表現(xiàn)為通信模塊無(wú)供電或供電電壓不穩(wěn)定，會(huì)使通信模塊信息傳輸時(shí)信號(hào)中斷或不穩(wěn)定，電壓過(guò)高時(shí)還會(huì)造成通信模塊燒毀。

3）通信模塊燒毀。一次回路引入的高頻干擾和過(guò)電壓耦合到通信模塊，會(huì)造成通信板溫度升高，甚至燒毀通信板，當(dāng)高頻干擾耦合到通信線上會(huì)導(dǎo)致通信模塊無(wú)法正確解析采集的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)丟幀或無(wú)法通信現(xiàn)象[14]；當(dāng)錯(cuò)把電源線接到通信接口上時(shí)，通電后會(huì)燒毀通信串口或通信板；通信信號(hào)（電流、電壓）在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的反射波會(huì)造成信號(hào)電平不穩(wěn)，若信號(hào)電平幅值超過(guò)RS485線端差模信號(hào)電平范圍（-7～12 V）時(shí)，則會(huì)燒毀485芯片[15]；強(qiáng)光照射下，匯流箱母排上產(chǎn)生的大電流對(duì)通信模塊會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致通信板輸出端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓出現(xiàn)線性增加，造成通信板發(fā)熱或燒毀[16]。

4）通信線路故障。RS485通信線接線端子接錯(cuò)或未插緊會(huì)造成通信管理機(jī)無(wú)法獲取采樣真實(shí)數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為通信開(kāi)關(guān)量指示燈不亮，無(wú)數(shù)據(jù)顯示，或顯示值為“0”，或顯示很大數(shù)值；通信線未可靠接地會(huì)造成通信線的抗電磁干擾能力下降，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定；通信線斷開(kāi)或短路會(huì)造成匯流箱通信中斷。

5）軟件程序故障。通信系統(tǒng)遭病毒入侵、系統(tǒng)軟件升級(jí)、非正常停機(jī)、參數(shù)被篡改等都有可能造成通信裝置的程序出現(xiàn)故障，出現(xiàn)通信中斷或異常（例如收發(fā)報(bào)文亂碼、不執(zhí)行命令等）。

造成上述故障的原因主要分為人為因素和環(huán)境因素兩類(lèi)，其中，人為因素體現(xiàn)在程序設(shè)置錯(cuò)誤、操作不規(guī)范、維護(hù)不及時(shí)等；環(huán)境因素主要有運(yùn)行環(huán)境惡劣、供電不良、電磁干擾、靜電破壞、雷電擊穿等。針對(duì)不同故障原因，采用不同的處理措施。

2.1.2? 故障處理措施

針對(duì)上述5種通信故障，分別提出以下處理措施。

1）基本運(yùn)行參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤導(dǎo)致的通信故障：先查看出現(xiàn)通信故障的是整串匯流箱還是個(gè)別匯流箱，若是整串匯流箱均出現(xiàn)通信故障，可能是通信管理機(jī)參數(shù)（波特率、校驗(yàn)位、停止位等）設(shè)置錯(cuò)誤，重設(shè)后即可恢復(fù)通信；若是個(gè)別匯流箱通信故障，進(jìn)入?yún)R流箱菜單欄，將通信地址、波特率和通信模式與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)設(shè)置有誤的參數(shù)進(jìn)行重設(shè)，重啟后即可恢復(fù)通信。若重啟后仍無(wú)法恢復(fù)通信，則需進(jìn)一步排查是否存在通信設(shè)備類(lèi)故障、通信線錯(cuò)接或連接不緊等問(wèn)題。

目前智能匯流箱采用RS485有線和無(wú)線通信，通信模式一般分別設(shè)置為“0”和“1”（各廠家設(shè)置有所區(qū)別），波特率設(shè)置為“9600 bit/s”。

2）當(dāng)通信電源模塊或通信模塊燒毀時(shí)，只能更換電源模塊或通信模塊，但需按以下措施找出原因并加以治理：

①查看生產(chǎn)日志，若因人為因素造成設(shè)備故障，則根據(jù)日志記錄找到故障點(diǎn)并進(jìn)行處理。

②針對(duì)通信電源故障問(wèn)題，先檢查通信電源指示燈是否常亮，再檢查通信電源輸出各端子點(diǎn)電壓是否正常（正常電壓為DC 5 V）；若各點(diǎn)均無(wú)電壓，可能是電源模塊損壞，需更換電源模塊；若各點(diǎn)電壓不一致，可能是線路問(wèn)題，則需要根據(jù)接線圖逐個(gè)檢測(cè)插接點(diǎn)，排查線路是否存在插接不緊、接線端子損壞、接線錯(cuò)誤等問(wèn)題；若接線也無(wú)問(wèn)題，則考慮是否是通信模塊元器件損壞或電路損壞，需再根據(jù)電路圖逐個(gè)排查出損壞元器件并更換；若無(wú)法維修或是電路損壞，則需直接更換模塊。

③可查看浪涌保護(hù)器和生產(chǎn)日志，檢查是否有過(guò)雷擊或誤操作，若存在過(guò)雷擊，則更換失效的防雷保護(hù)裝置。

④針對(duì)存在高頻干擾和雷電頻發(fā)的光伏電站，可加裝一個(gè)通信模塊防雷器，其接地線與電源防雷接地端連接后再接地，提高通信板和電源模塊的絕緣擊穿保護(hù)可靠性，降低高頻和過(guò)電壓對(duì)通信的影響。

⑤測(cè)量通信板兩端壓差和通信線首末端壓差，檢查是否存在強(qiáng)電磁干擾或信號(hào)屏蔽失效問(wèn)題，當(dāng)電磁干擾較大時(shí)，通信線可采用兩點(diǎn)接地和多重屏蔽，提高通信裝置的抗電磁干擾能力。

⑥電源模塊和通信板在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)，宜采用高質(zhì)量的元器件，選用器件參數(shù)時(shí)要留有余地，電路設(shè)計(jì)必須采用保護(hù)器件，以提高裝置的整體質(zhì)量。

3）針對(duì)線路故障，根據(jù)接線圖逐級(jí)排查，解決接線錯(cuò)誤、端子插接不實(shí)等問(wèn)題。

4）針對(duì)軟件程序故障，進(jìn)入菜單，恢復(fù)出廠默認(rèn)設(shè)置。

2.2? 采樣故障及處理措施

2.2.1? 故障原因分析

匯流箱采樣模塊（監(jiān)測(cè)模塊單元）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)接入的各光伏組串的運(yùn)行狀態(tài)（電流、電壓、功率）、斷路器和防雷器狀態(tài)，通過(guò)RS485通信上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。造成匯流箱出現(xiàn)采樣故障的原因主要有：供電不穩(wěn)定，雷擊、靜電、高溫等使采樣芯片損壞；強(qiáng)電磁干擾、光照突變、預(yù)設(shè)值存在偏差等使采樣數(shù)據(jù)異常；通信故障導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)不能上傳等。

目前的智能匯流箱均具備根據(jù)采樣數(shù)據(jù)自動(dòng)判別故障，并發(fā)出告警的功能。采樣異常告警邏輯如圖1所示[17]，當(dāng)發(fā)生采樣芯片故障和讀Flash錯(cuò)誤時(shí)，經(jīng)采樣延時(shí)時(shí)間Tz后觸發(fā)相應(yīng)的故障標(biāo)志（存儲(chǔ)遠(yuǎn)傳運(yùn)行燈由常亮變?yōu)殚W爍，故障信號(hào)接點(diǎn)閉合），其判斷依據(jù)為：實(shí)時(shí)采樣值與預(yù)設(shè)值（初始化時(shí)寫(xiě)入）比對(duì)，若二者吻合，則上傳數(shù)據(jù)；若不吻合，則會(huì)判定采樣芯片故障，并發(fā)出告警信號(hào)和停止采樣。比如光照突變時(shí)，匯流箱電源模塊輸入電壓會(huì)波動(dòng)，會(huì)引起采樣模塊供電電壓異常，裝置被判定為采樣芯片故障，但若未設(shè)置在較短時(shí)間間隔內(nèi)（0.025～0.200 s）由光照突變引起的采樣異常或供電異常時(shí)芯片的采樣和供電可自動(dòng)復(fù)位，即使在光照強(qiáng)度逐漸增大或波動(dòng)較小的情況下，供電電源穩(wěn)定，芯片報(bào)警狀態(tài)也不會(huì)自動(dòng)解除，采樣模塊不能采集到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬量。

2.2.2? 故障處理措施

1）檢測(cè)電源模塊穩(wěn)壓、濾波電路是否存在故障，從而造成電壓波動(dòng)；檢查匯流箱浪涌保護(hù)器是否有效，檢測(cè)接地是否良好，檢測(cè)匯流箱各位置工作溫度。找出造成采樣芯片損壞的原因后，更換損壞的采樣芯片、更換浪涌保護(hù)器、重接接地線和保持良好散熱。

2）檢查匯流箱內(nèi)外是否存在強(qiáng)磁干擾、通信線纜屏蔽層是否損壞、采樣板接地是否良好，查看氣象數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)光照突變，依據(jù)氣象數(shù)據(jù)修訂預(yù)設(shè)值，找出造成采樣數(shù)據(jù)異常的原因，并針對(duì)問(wèn)題分別采用調(diào)整位置、更換通信線纜、重設(shè)接地、修訂預(yù)設(shè)值或恢復(fù)時(shí)間間隔等方式排除問(wèn)題。

3）依次檢查通信接口接入是否正確、供電電壓是否正常、通信地址和波特率設(shè)置是否正確、通信線纜是否通暢等，找出數(shù)據(jù)不能上傳的原因，分別采用重接線、排除供電故障、重設(shè)地址和波特率、換線等方式解決。

4）光照突變時(shí)采樣模塊發(fā)出告警后能自動(dòng)恢復(fù)采樣，采樣芯片需具備自動(dòng)復(fù)位功能。即當(dāng)裝置被判斷為采樣異常時(shí)，芯片在程序的引導(dǎo)下自動(dòng)進(jìn)行初始化，若經(jīng)多次初始化仍未復(fù)位成功，則提示采樣芯片故障并停止采樣。

2.3? RS485回路燒毀故障及處理措施

2.3.1? 故障原因分析

從以下3個(gè)方面對(duì)RS485回路燒毀故障原因進(jìn)行分析。

1）反射波干擾[18]：在RS485信號(hào)總線傳輸中，由于總線上分布有儲(chǔ)能元器件和電阻，信號(hào)傳輸有一定的延遲，水平傳播中的電壓和電流會(huì)產(chǎn)生與信號(hào)波方向相反的行波，反向行波會(huì)引起振鈴、電平不穩(wěn)、超調(diào)等問(wèn)題。若信號(hào)沖擊過(guò)大或電平幅值超過(guò)芯片的允許范圍，會(huì)造成芯片發(fā)熱損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電路板。

2）浪涌和其他過(guò)電壓干擾：當(dāng)出現(xiàn)遭受雷擊、切出負(fù)荷、空載合閘、間歇性弧光接地、負(fù)荷突變或系統(tǒng)解列等情況時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)一次回路中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，且該電壓有較長(zhǎng)的暫態(tài)過(guò)程，經(jīng)電壓采樣回路引入，會(huì)造成通信板發(fā)生絕緣擊穿或RS485線端差模信號(hào)超出電平范圍（-7～+12 V），導(dǎo)致通信板損壞或燒毀RS485接線端口。

3）逆變器引入的高頻干擾：逆變器斷路器投切過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)地共模電壓，該信號(hào)將經(jīng)“逆變器直流側(cè)→母線→電源板或斷路器觸點(diǎn)或電壓測(cè)量回路”耦合到通信回路。若逆變器不能有效抑制共模電壓信號(hào)，會(huì)促使浪涌保護(hù)器放電管觸發(fā)閃變放電，產(chǎn)生較高熱量，損壞充氣管，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀印制電路板（PCB）。

2.3.2? 故障處理措施

1）針對(duì)反射波干擾問(wèn)題，可采用分支線路法、首尾端阻抗匹配、光電耦合隔離法、降低輸入電阻、差分傳輸技術(shù)等處理措施。

①分支線路法是將總線分支成短于波長(zhǎng)1/10的短線，以降低反射波幅度，該方法理論可行，但實(shí)際操作很難。

②因光伏發(fā)電系統(tǒng)中各元器件、傳輸線和負(fù)載阻抗不同，或傳輸線、電感和電容變化不連續(xù)，會(huì)造成傳輸線首尾端阻抗不匹配，可采用4種首尾端阻抗匹配方法解決，即源端匹配、電阻電容匹配、終端匹配及戴維南匹配，如圖2所示。圖中：A、B分別表示源端、終端；R為電阻；C為電容。

源端匹配是指在源端串接電阻；電阻電容匹配是指在終端并接電阻和電容；終端匹配是指在終端串接電阻并接地；戴維南匹配是指在終端并接兩個(gè)電阻（R1、R2）支路，其中，R1支路接5 V電源、R2支路接地。

③光電耦合隔離法是指在終端增加光電耦合電路，將信號(hào)與地隔離，實(shí)現(xiàn)抑制反射干擾，如圖3所示，圖中：R3～R5均為電阻；Uo為外加電源。

④降低輸入電阻是指使反射信號(hào)在到達(dá)輸入側(cè)后就能快速衰減的方法。

⑤差分傳輸技術(shù)是利用驅(qū)動(dòng)器提供一個(gè)擺幅信號(hào)，利用擺幅信號(hào)抑制線路中的耦合噪聲，終止環(huán)流信號(hào)，防止終端反射。

2）針對(duì)浪涌和其他過(guò)電壓干擾問(wèn)題，選用氣體放電管續(xù)流遮斷能力強(qiáng)的浪涌保護(hù)器，在氣體放電管前串接壓敏電阻并接地（起限流作用），以便于在直流放電下提高對(duì)RS485信號(hào)的防護(hù)；選用具有合閘電阻的斷路器，規(guī)范操作，以降低合閘及重合閘操作引起的過(guò)電壓。對(duì)于真空開(kāi)關(guān)還可采取如下措施：降低限流值以降低載流過(guò)電壓，適當(dāng)加大觸頭開(kāi)距，以抑制電弧重燃過(guò)電壓；裝設(shè)阻容吸收器，以降低過(guò)電壓幅值和減緩過(guò)電壓上升陡度；設(shè)置過(guò)熱保護(hù)器（RL），起到限流和抑制過(guò)電壓的作用；采用氧化鋅避雷器抑制殘壓突變。

3）針對(duì)逆變器引入的高頻干擾問(wèn)題，在逆變器直流側(cè)正負(fù)極間增加濾波電容構(gòu)成耦合環(huán)路，抑制RS485總線及母線的共模干擾信號(hào)；為進(jìn)一步提高濾波電容的可靠性，再在監(jiān)測(cè)裝置地線和RS485線路上插入磁環(huán)，防止削弱母線的共模電壓。此外，可根據(jù)GB 50217—2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》中3.6.9條規(guī)定和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇合適的通信線纜接地方式，即單點(diǎn)接地或雙端接地。逆變器可優(yōu)先選用雙端接地，可降低或消除逆變器引入的高頻干擾。

3? 逆變器故障原因及處理措施

逆變器故障主要包括：通風(fēng)故障、過(guò)電流、逆變器溫度異常、相電流不平衡等。

3.1? 通風(fēng)故障原因及處理措施

通風(fēng)對(duì)穩(wěn)定逆變器工作溫度具有重要作用，逆變器出現(xiàn)通風(fēng)故障的原因可能包括[19]：

1）通風(fēng)口堵塞、濾網(wǎng)未清理，均會(huì)造成通風(fēng)不暢，從而使逆變器高溫報(bào)警或停機(jī)；

2）風(fēng)扇葉片損壞或松動(dòng)、電機(jī)燒壞、軸承堵塞或卡澀，均會(huì)造成風(fēng)扇無(wú)法啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)異?；蛉萘拷档?；

3）引自逆變器交流側(cè)的電源會(huì)使風(fēng)扇供電線路或接頭燒壞、保險(xiǎn)熔斷等，從而造成風(fēng)扇因供電故障不能啟動(dòng)；

4）風(fēng)扇與風(fēng)扇電源線之間的連接快速插件虛接、松動(dòng)或脫落，會(huì)造成風(fēng)扇供電異常，導(dǎo)致無(wú)法通風(fēng)；

5）若風(fēng)扇檢測(cè)元器件（霍爾元器件）或檢測(cè)板本體出現(xiàn)損壞，當(dāng)風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起風(fēng)扇報(bào)警。

針對(duì)上述通風(fēng)故障的處理措施如下：

1）針對(duì)通風(fēng)不暢和風(fēng)扇本體問(wèn)題，定期清理通風(fēng)口、風(fēng)道、更換過(guò)濾網(wǎng)；定期檢查風(fēng)扇葉片，解決葉片變形、積灰、銹蝕、連接松動(dòng)等問(wèn)題；定期檢測(cè)維護(hù)風(fēng)扇電機(jī)，解決風(fēng)扇軸承卡澀、生銹問(wèn)題，更換燒壞的風(fēng)扇電機(jī)；保持風(fēng)道通暢且防護(hù)良好，使風(fēng)扇本體能正常啟動(dòng)和運(yùn)行。

2）針對(duì)風(fēng)扇供電故障，根據(jù)接線圖檢查供電線路，解決線路錯(cuò)接、脫接、燒壞等問(wèn)題；利用萬(wàn)用表沿線路逐點(diǎn)檢測(cè)，解決線路中的熔芯燒壞、虛接問(wèn)題，保持風(fēng)扇供電正常。

3）針對(duì)風(fēng)扇檢測(cè)板問(wèn)題，檢查風(fēng)扇檢測(cè)板上的每個(gè)接頭、電路板上的電阻和其他元器件是否正常，檢查控制回路接線連接是否完好、接線端子連接是否緊固、導(dǎo)通是否良好，檢測(cè)檢測(cè)板絕緣性是否良好。

3.2? 過(guò)電流原因及處理措施

造成逆變器過(guò)電流是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及原因較多，比如負(fù)載阻抗太小會(huì)導(dǎo)致負(fù)載過(guò)電流、逆變器電流橋臂短路、軟件程序非法更改、強(qiáng)電磁干擾、接地故障、交流側(cè)短路、過(guò)流保護(hù)失效等都會(huì)導(dǎo)致直通過(guò)電流[20]。

針對(duì)上述過(guò)電流情況，處理措施如下：

1）負(fù)載阻抗太小會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)載電流，從而增加功率模塊損耗，可通過(guò)限制功率模塊過(guò)載范圍來(lái)避免功率模塊超過(guò)允許的結(jié)溫。

2）檢查逆變器防直通保護(hù)功能是否正常、絕緣是否良好，即要確保驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，并插入一定的死區(qū)時(shí)間；檢查軟件程序是否無(wú)誤、電流允許值設(shè)置是否正確、驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否互鎖無(wú)誤。

3）檢測(cè)是否存在電磁干擾，檢測(cè)功率模塊對(duì)地絕緣性等。

4）隔離故障點(diǎn)設(shè)備、檢查導(dǎo)致短路和接地故障的原因，排除故障后再投入運(yùn)行。

3.3? 逆變器溫度異常原因及處理措施

逆變器溫度是指電抗器溫度、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）溫度、機(jī)箱溫度和變壓器溫度[21]，逆變器控制系統(tǒng)會(huì)在溫度值超過(guò)85 ℃時(shí)，判斷設(shè)備是否存在故障。出現(xiàn)溫度異常的原因可能包括：

1）逆變器散熱系統(tǒng)（通風(fēng)設(shè)備、設(shè)施）故障，導(dǎo)致逆變器絕對(duì)溫度過(guò)高；

2）逆變器散熱系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)缺陷或選用的部分器件存在電氣性能缺陷，會(huì)導(dǎo)致其發(fā)熱程度超過(guò)規(guī)定值；

3）軟件程序出現(xiàn)故障，導(dǎo)致散熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置異常，使散熱系統(tǒng)工作異常；

4）溫度采樣硬件電路發(fā)生異常，導(dǎo)致溫度過(guò)高狀態(tài)不能恢復(fù)；

5）存在通信故障。

針對(duì)上述逆變器溫度異常情況，處理措施如下：

1）檢測(cè)逆變器溫度，并與采樣值比對(duì)，判斷是否存在誤報(bào)；若存在誤報(bào)，則進(jìn)一步檢查溫度傳感器、采樣模塊和通信模塊是否存在故障。

2）檢查柜內(nèi)安裝空間是否足夠，檢查通風(fēng)設(shè)備、設(shè)施是否正常，要保持風(fēng)道通風(fēng)順暢和通風(fēng)量能滿(mǎn)足需求，確保散熱風(fēng)扇電源接線完好、供電正常，確保風(fēng)扇電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，元器件無(wú)損壞，接線端子無(wú)松動(dòng)，無(wú)積灰、銹蝕、卡澀等問(wèn)題；確保溫度傳感器接線無(wú)誤、測(cè)量值準(zhǔn)確；定期除塵、清理風(fēng)道、維護(hù)散熱裝置，保證散熱效果。

3）檢測(cè)環(huán)境溫度是否在變頻器工作范圍內(nèi)，在高海拔地區(qū)要考慮降容（參考降容曲線設(shè)置），以降低逆變器的工作負(fù)荷。

4）檢查參數(shù)設(shè)置是否正確，盡可能降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，提高逆變器控制系統(tǒng)溫度保護(hù)值。變換器設(shè)置為手動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位時(shí)都能正常啟動(dòng)。限制或降低變頻器輸出電流，避免電機(jī)長(zhǎng)期處于過(guò)載狀態(tài)。

3.4? 相電流不平衡原因及處理措施

相電流不平衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)[22]為：在工作過(guò)程中，逆變器的輸出電流值可通過(guò)控制單元和電流傳感器監(jiān)測(cè)，當(dāng)相電流差大于設(shè)定電流時(shí)，則相電流不平衡，斷開(kāi)控制器以保護(hù)主電路。

導(dǎo)致相電流不平衡的原因[23]可能包括：

1）模塊或元器件損壞，例如IGBT模塊燒壞、交流側(cè)保險(xiǎn)熔斷、電流傳感器損壞、光纖接續(xù)有誤、直流支撐電容燒壞等；

2）控制單元故障，例如傳感器基板或芯片燒壞、接線端斷開(kāi)、控制電源異常等；

3）交流側(cè)線路或電能質(zhì)量故障，例如中性點(diǎn)電位波動(dòng)、缺相、電壓波動(dòng)、短路等。

針對(duì)相電流不平衡的情況，處理措施如下：

1）檢查逆變器功率單元、元器件、光纖等，在確認(rèn)故障點(diǎn)后進(jìn)行更換。檢查電流傳感器是否損壞，光纖接入是否正確、通信是否正常，更換損壞的電流傳感器，正確接續(xù)光纖，確保通信良好。

2）檢查控制單元的板、芯片、元器件、接線、供電等是否有問(wèn)題，更換有問(wèn)題的基板和元器件，并正確接線。

3）檢查交流側(cè)電纜、開(kāi)關(guān)、熔斷器，在確認(rèn)故障點(diǎn)后進(jìn)行更換。

逆變器除上述故障，還會(huì)發(fā)生電氣量異常、接地故障[24-27]等其他故障，具體如表1所示。

4? 結(jié)論

本文總結(jié)了光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏組件、匯流箱、逆變器在運(yùn)行過(guò)程中常發(fā)生的故障，分析了故障原因，并針對(duì)故障原因提出了相應(yīng)的處理或預(yù)防措施。

1）光伏組件的常見(jiàn)故障主要包括老化、隱裂、燒毀、熱斑、變形等。自生產(chǎn)至運(yùn)行各階段中的行為均會(huì)影響光伏組件在運(yùn)行階段故障發(fā)生的概率，若要降低光伏組件故障率必須從生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行各階段進(jìn)行全方位管控。

2）匯流箱在光伏方陣中起到匯集電流、監(jiān)測(cè)光伏組串及保護(hù)后級(jí)逆變器的作用，其通信故障、采樣故障頻發(fā)，運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)減少干擾、提高防護(hù)和及時(shí)更換損壞元器件，有效降低故障頻率，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性。

3）逆變器故障主要包括通風(fēng)故障、過(guò)電流、逆變器溫度異常、相電流不平衡等。逆變器運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)保證現(xiàn)場(chǎng)的備件充足、增加檢查檢測(cè)頻次、定期維護(hù)和及時(shí)更換損壞的元器件，以降低故障率，提高逆變器在線率。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王蕾，梁振華. 硅太陽(yáng)能電池的環(huán)境問(wèn)題與新型太陽(yáng)能電池研發(fā)的必要性[J].硅谷，2013（13）：45-46.

[2] IRENA. World energy transitions outlook 2022：1.5 ℃ pathway[R]. Abu Dhabi：IRENA，2022.

[3] 中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì).中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖（2021年版）[R].北京：中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)，2022.

[4] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所.中國(guó)2050能源發(fā)展情景暨路徑研究[R].北京：國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)能源研究所，2015.

[5] 朱艷偉. 光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提高理論方法及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 北京： 華北電力大學(xué)，2012.

[6] YUAN Z，XIONG G，F(xiàn)U X. Artificial neural network for fault diagnosis of solar photovoltaic systems：a survey[J]. Energies，2022，15（22）：1-18.

[7] 李智華，馬浩強(qiáng)，吳春華，等.基于三參數(shù)的光伏組件老化程度診斷[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022，42（9）：3327-3337.

[8] 孟祥云，張大為，王琦，等.基于ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)的光伏組件隱裂信息管理[J].太陽(yáng)能，2021（10）：20-25.

[9] BANSAL N，JAISWAL S P，SINGH G. Prolonged degradation and reliability assessment of installed modules operational for 10 years in 5 MW PV plant in hot semi-arid climate[J]. Energy for sustainable development，2022，68：373-389.

[10] 曾飛，林志鴻，梁健鋒，等.無(wú)人機(jī)紅外熱成像測(cè)試系統(tǒng)在光伏組件熱斑檢測(cè)中的應(yīng)用[J].太陽(yáng)能，2022（9）：83-89.

[11] 李鋒，周邦棟.某山地光伏電站組件防雷保護(hù)優(yōu)化探索[J].廣西電力，2020，43（1）：57-61.

[12] 王鳳林，張學(xué)健.集中式光伏電站通訊故障研究[C]// 中國(guó)電力設(shè)備管理協(xié)會(huì).中國(guó)電力設(shè)備管理協(xié)會(huì)第二屆第一次會(huì)員代表大會(huì)論文集. [S.l.：s.n.]，2022.

[13] 孫星，孟亞奇，王燁.光伏電站匯流箱燒毀事故原因分析及處理[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2017，35（4）：50-52，56.

[14] 魯錦鋒，王蒙，張婷，等. 光伏匯流箱中RS485通訊抗干擾方法分析[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（11）：57-58.

[15] 賈少榮，賈岳.商都天潤(rùn)光伏電站匯流箱故障分析及解決方案[J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（5）：87- 89，92.

[16] 郭金松.空間電磁場(chǎng)對(duì)有限通信設(shè)備的干擾研究[J].中國(guó)新通信，2021，23（20）：9-10.

[17] 蘇靜，沈鴻彥，楊銀鍇，等.智能光伏匯流箱采樣故障原因分析及解決措施[J].電工技術(shù)，2015（2）：13-14.

[18] 陸繼堯，胡耀凱，李文明.一起光伏匯流箱RS485回路燒毀故障分析與解決[J].機(jī)電信息，2017（24）：9-10.

[19] 曹軍. 三門(mén)核電IDS系統(tǒng)逆變器風(fēng)扇故障分析及處理[J].科技視界，2020，（13）：44-45.

[20] 馬立群.微電網(wǎng)逆變器的過(guò)流保護(hù)方法研究[D].太原：太原科技大學(xué)，2019.

[21] 吳文寶，熊敏，張潔瓊.光伏逆變器溫度異常預(yù)警分析及其應(yīng)用[J].江西電力，2022（8）：27-29.

[22] 葛興來(lái)，林春旭，鄧清麗. NPC型八開(kāi)關(guān)三相逆變器輸出電流不平衡的調(diào)制補(bǔ)償算法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2022（4）：28-37.

[23] 牟文博.地鐵車(chē)輛輔助逆變器工作原理及典型故障分析[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2020（2）：30-33.

[24] 國(guó)家電力投資集團(tuán)公司水電與新能源部.光伏電站檢修維護(hù)規(guī)程：Q/SPI 9713-2016[S].北京：國(guó)家電力投資集團(tuán)公司，2016.

[25] 楊艷玲.分析光伏逆變器常見(jiàn)故障及處理方法[J].電子制作，2019（16）：81-82，64.

[26] 韓祥.光伏逆變器常見(jiàn)故障問(wèn)題與處理措施分析[J].電力設(shè)備管理，2022（19）：121-123.

[27] 王伯濤，王忠陽(yáng)，連愛(ài)紅.光伏逆變器常見(jiàn)故障及排除方法[J].農(nóng)村電工，2018，26（8）：38-39.

Analysis on causes and treatment measures of electrical equipment failure in PV power

generation system

Shi Kai1，2，Li Guangming1，3，Wu Fu1，Xiong Xi1

（1. School of Physics and Electrical Engineering，Liupanshui Normal University，Liupanshui 553000，China；

2. Guizhou Yueqian Electric Power Co.，Ltd.，Liupanshui 553000，China；

3. Application and Solar Technology Integration Sichuan Provincial Key Laboratory of University，Panzhihua 617000，China）

Abstract：With the continuous expansion of the installed scale of PV power generation in China，the PV power generation capacity has increased year by year，and the energy structure has been continuously optimized，but the operation quality of each PV power station is uneven. The operation quality and fault handling efficiency of electrical equipment in the PV power generation system directly affect the power generation efficiency，levelized cost of energy，and safe and stable operation of the grid. This paper summarizes the common failures of PV modules，combiner boxes and inverters in the PV power generation system during operation，analyzes the causes of the failures，and puts forward measures to deal with or prevent the failures，aiming at improving the safe and stable operation quality of PV power stations and ensuring the economic benefits of PV power stations.

Keywords：PV power generation system；PV modules；combiner boxes；inverters；equipment failure；cause of failure；treatment measures