基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法
阅读说明：本技术 基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法 (Photovoltaic array fault discrimination method based on real-time calculation and comparison of photovoltaic module voltage ) 是由 赵庆明 李伟 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法,它包括：步骤1、利用光伏阵列运行在最大功率点的信息计算光伏阵列中所处位置的太阳实际辐照度G和温度T-(C)；步骤2、利用光伏组件在标准测试条件下的物理参数值计算在太阳实际辐照度G和温度T-(C)下的光伏组件实际物理参数值；步骤3、根据光伏阵列中组串电流计算相应的光伏组件电压；步骤4、根据光伏阵列组串实测电压值和计算电压值之差进行光伏阵列故障检测；解决了现有技术光伏阵列和组件的保护存在盲区,并且保护的灵敏性和可靠性都得不到保证等技术问题。(The invention discloses a photovoltaic array fault discrimination method based on real-time calculation and comparison of photovoltaic module voltage, which comprises the following steps: step 1, calculating the actual solar irradiance G and the temperature T of the position in the photovoltaic array by utilizing the information of the maximum power point of the photovoltaic array in operation C (ii) a Step 2, calculating actual solar irradiance G and temperature T by using physical parameter values of the photovoltaic module under standard test conditions C Actual physical parameter values of the photovoltaic module; step 3, calculating corresponding photovoltaic module voltage according to the string current in the photovoltaic array; step 4, detecting the faults of the photovoltaic array according to the difference between the actually measured voltage value and the calculated voltage value of the photovoltaic array string; the photovoltaic array and module protection device solves the technical problems that in the prior art, a blind area exists in photovoltaic array and module protection, and the sensitivity and reliability of protection cannot be guaranteed.)
技术领域
本发明属于光伏阵列故障诊断
技术领域
；尤其涉及一种基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法。背景技术
根据光伏电站的直流母线是否接地，可分为接地型光伏系统和不接地型光伏系统。接地型光伏系统的直流母线负极通过接地故障检测隔离(Ground fault detectionand interruption,GFDI)熔断器装置与大地相连，GFDI通常使用普通的保险丝来完成光伏组件的简单过流保护，对于光伏阵列和组件的保护存在盲区，并且保护的灵敏性和可靠性都得不到保证，受故障位置的影响，发生故障时，流过光伏阵列的故障电流经常远远小于GFDI熔断器的熔断电流，导致熔断器无法动作。非接地型光伏系统通常使用残余电流检测装置(Residual current devices,RCDs)采集光伏电站的直流正负极母线电流之差作为动作信号来控制逆变器，以便实现光伏阵列故障隔离，RCDs的保护性能与GFDI相似，同样存在保护盲区。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法，以解决现有技术光伏阵列和组件的保护存在盲区，并且保护的灵敏性和可靠性都得不到保证等技术问题。
本发明技术方案：
一种基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法，
它包括：
步骤1、利用光伏阵列运行在最大功率点的信息计算光伏阵列中所处位置的太阳实际辐照度G和温度TC；
步骤2、利用光伏组件在标准测试条件下的物理参数值计算在太阳实际辐照度G和温度TC下的光伏组件实际物理参数值；
步骤3、根据光伏阵列中组串电流计算相应的光伏组件电压；
步骤4、根据光伏阵列组串实测电压值和计算电压值之差进行光伏阵列故障检测。
步骤1所述利用光伏阵列运行在最大功率点的信息计算光伏阵列中所处位置的太阳实际辐照度G和温度TC的方法为：
根据光伏逆变器的MPPT算法得太阳能电池的输出功率为最大值，即Pmpp＝VmppImpp，Vmpp和Impp分别为光伏电池在输出功率最大时所对应的电压和电流；在标准测试条件下，即辐照度为GSTC＝1000W/m2，温度为TC,STC＝25℃，在AM1.5的光谱条件下光伏电池的最大输出功率表达式为Pmpp,STC＝Vmpp,STCImpp,STC，式中Vmpp,STC和Impp,STC分别为标准测试条件下最大功率点所对应的输出电压和输出电流；
建立光伏电池在最大功率点的电流Impp与太阳辐照度的关系式：
式中G和GSTC分别为光伏阵列所在位置的实际辐照度和标准辐照度，由公式(1)得出：
由逆变器实际运行的最大功率点处电流算出太阳辐照度G，光伏电池的最大功率点的功率与温度之间的关系为：
式(3)中γ为最大功率点的温度系数，由式(3)得出计算光伏阵列温度的公式为：
根据公式(2)和(4)实时计算得出光伏阵列所在处的实际辐照度G和温度TC。
步骤2所述利用光伏组件在标准测试条件下的物理参数值计算在太阳实际辐照度G和温度TC下的光伏组件实际物理参数值的方法为：
建立太阳能电池组件的输出电流表达式：
式中，a＝nNskTC/q；I0为反向饱和电流；n为二极管影响因子；q为电子电荷常数取值为1.6x10-19C；k为玻尔兹曼常数取值为1.23x10-23J/K；TC为开氏温度；Ns为每个光伏组件中光伏电池串联数；在太阳辐照度G和温度TC下，设串联电阻Rs和极管影响因子n保持不变，Iph、I0和Rsh参数的计算公式为：
式中：αISC为光伏组件短路电流的温度系数。
步骤3所述根据光伏阵列中组串电流计算相应的光伏组件电压的方法为：当光伏阵列发生故障时，光伏阵列故障组串的光伏组件电压将发生变化，设N为光伏阵列组串的数量，IPV1,…,IPVN为光伏阵列中相应组串的输出电流，Vmeasure为光伏阵列实测的正负极间电压，也即为每个组串的电压；得出光伏组串中的组件电压Vpv的解析解为：
式(10)中的Ipv为光伏阵列中相应组串的输出电流，根据式(10)计算出相应光伏阵列组串的光伏组件的电压，则光伏阵列对应组串的电压计算公式为：
VCal＝M·Vpv (11)
式(11)中M为每个组串中的光伏组件的数目。
步骤4所述根据光伏阵列组串实测电压值和计算电压值之差进行光伏阵列故障检测的方法为：
当光伏阵列中组串发生故障时，光伏组串实测电压和计算电压存在差异，两个电压之间变化的计算公式为：
式中abs表示取绝对值，Krel为可靠系数，当光伏阵列中的某一光伏组串的计算电压和测量电压判据满足式(12)时，则判断出该光伏组串发生了接地或组串间故障；否则，判断光伏阵列系统处于正常运行状态。
Krel取值小于1。
Krel取值范围为0.5～0.8。
本发明的有益效果：
本发明根据光伏阵列发生故障时，光伏阵列故障组串的光伏组件电压将发生变化，当光伏阵列中组串发生故障时，光伏组串实测电压和计算电压存在显著差异，两个电压之间变化的计算公式为：
Krel为可靠系数，为了光伏阵列的组串发生最小不匹配度故障(即如图2所示的组串接地故障和组串间故障)时装置可以有效检测出故障，Krel一般取值应小于1。当光伏阵列中的某一光伏组串的计算电压和测量电压判据满足式(12)时，则可以判断出该光伏组串发生了接地或组串间故障；否则，判断光伏阵列系统处于正常运行状态。
本发明可以在最小故障不匹配度情况下有效识别出光伏阵列发生的故障，因此可以有效解决现有保护方案存在故障识别盲区、识别精度和可靠性等问题。
附图说明
图1为本发明
具体实施方式
太阳能电池的等效电路示意图；
图2为本发明具体实施方式光伏阵列故障示意图。
具体实施方式
一种基于光伏组件电压实时计算比较的光伏阵列故障判别方法，它具体包括：
步骤(1)计算光伏阵列处的太阳辐照度和温度
光伏逆变器采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)算法使得光伏阵列总是运行于最大功率点。本专利首先利用光伏阵列运行在最大功率点的相关信息计算光伏阵列中所处位置的太阳辐照度和温度。图1为太阳电池的等效电路图。
在图1中Iph为光生电流，ID为太阳能电池的pn结扩散电流，Rsh为并联电阻，Rs为串联电阻，Vpv和Ipv分别为光伏电池的输出电压和电流。光伏逆变器的MPPT算法使得太阳能电池的输出功率为最大值，即Pmpp＝VmppImpp，其中Vmpp和Impp分别为光伏电池在输出功率最大时所对应的电压和电流。在标准测试条件下，即辐照度为GSTC＝1000W/m2，温度为TC,STC＝25℃，AM1.5的光谱条件下光伏电池的最大输出功率表达式为Pmpp,STC＝Vmpp,STCImpp,STC，式中Vmpp,STC和Impp,STC分别为标准测试条件下最大功率点所对应的输出电压和输出电流。
光伏电池在最大功率点(MPP)的电流Impp与太阳辐照度的关系有如下关系式。
式(1)中每个光伏组件在出厂时都会由厂家给出对应的Vmpp,STC和Impp,STC值，G和GSTC分别为光伏阵列所在位置的实际辐照度和标准辐照度。由公式(1)可以得出：
由式(2)可以看出，由逆变器实际运行的最大功率点处电流就可以推算出太阳辐照度G。光伏电池的最大功率点的功率与温度之间的关系如下式所示：
在式(3)中，γ为最大功率点的温度系数，由光伏组件在出厂时给出，由式(3)可以推导出计算光伏阵列温度的公式为：
由上述可知，根据公式(2)和(4)可以实时计算得出光伏阵列所在处的实际辐照度G和温度TC。
步骤(2)计算光伏组件在实际运行时的物理参数值
利用光伏组件在标准测试条件(STC)下的物理参数值(这些参数值在光伏电池组件出厂时已经测试得出)，计算在太阳辐照度G和温度TC下的光伏组件实际物理参数值。由图1可知，太阳能电池组件的输出电流可以表示为：
在上式中，a＝nNskTC/q；I0为反向饱和电流；n为二极管影响因子；q为电子电荷常数，为1.6x10-19C；k为玻尔兹曼常数，1.23x10-23J/K；TC为开氏温度；Ns为每个光伏组件中光伏电池串联数，其余参数同上。在太阳辐照度G和温度TC下，一般可以认为串联电阻Rs和极管影响因子n保持不变，Iph、I0和Rsh相关参数的计算公式为：
其中，式(7)中的αISC为光伏组件短路电流的温度系数，在出厂时已经由厂家实测给出。
步骤(3)根据光伏阵列中组串电流计算相应的光伏组件电压。
光伏阵列发生的故障如图2所示，图2中的LG1、LL1和LL2分别表示单组串接地，单组串间故障和两组串间故障，由图2可知，当光伏阵列发生故障时，光伏阵列故障组串的光伏组件电压将发生变化。
图2中N为光伏阵列组串的数量，IPV1,…,IPVN为光伏阵列中相应组串的输出电流，Vmeasure为光伏阵列实测的正负极间电压，也即为每个组串的电压。光伏组件物理模型对应的公式如式(5)所示，由于在实际的物理模型中，一般Rsh很大，大致为500～1000欧姆，因此式(5)中的很小，可以略去，因此可以得出光伏组串中的组件电压Vpv的解析解为：
式(10)中的Ipv即为图2中光伏阵列中相应组串的输出电流，因此可以根据式(10)计算出相应光伏阵列组串的光伏组件的电压。则光伏阵列对应组串的电压计算公式为：
VCal＝M·Vpv (11)
式(11)中M为每个组串中的光伏组件的数目，对于图2所示的光伏阵列M＝5。
步骤(4)根据光伏阵列组串实测电压值和计算电压值之差进行光伏阵列故障检测方法
由上述分析可知，当光伏阵列中组串发生故障时，光伏组串实测电压和计算电压存在显著差异，两个电压之间变化的计算公式为：
上式中abs表示取绝对值，Krel为可靠系数，为了光伏阵列的组串发生最小不匹配度故障(即如图2所示的组串接地故障和组串间故障)时装置可以有效检测出故障，Krel一般取值应小于1。最优Krel取值范围为0.5～0.8。
当光伏阵列中的某一光伏组串的计算电压和测量电压判据满足式(12)时，则可以判断出该光伏组串发生了接地或组串间故障；否则，判断光伏阵列系统处于正常运行状态，保护装置继续执行故障监测的职能。
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