光伏陣電站基本原理概述 11.1光伏電站的類型 11.2光伏陣列模型搭建 2 3 51.3光伏陣列故障分析 81.4故障狀態(tài)下的陣列輸出特性 1.4.5陰影遮擋的特性曲線 光伏電站是一種利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的系統(tǒng)，對(duì)光伏電站結(jié)構(gòu)故障進(jìn)行診斷分析，首先要了解光伏電站的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，還要知道光伏電站的設(shè)備容易出現(xiàn)哪些故障，以及為何會(huì)發(fā)生故障，然后還要研究不同故障之間有何不同，根據(jù)故障的特征來(lái)對(duì)故障進(jìn)行分類。實(shí)際中光伏電站結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)不易獲取，因此，需要對(duì)光伏電站結(jié)構(gòu)建立模型，通過(guò)模型分析故障的特征。光伏電站的類型有很多，最簡(jiǎn)單的分類方式就是看電站是否與國(guó)家電網(wǎng)相連接。接入國(guó)網(wǎng)的為并網(wǎng)式光伏電站，用于自己供電的為離網(wǎng)式光伏電站1391。離網(wǎng)式光伏電站結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，陣列用來(lái)產(chǎn)生電能，控制器控制儲(chǔ)能設(shè)備，蓄電池儲(chǔ)存多余的電能，逆變器負(fù)責(zé)電流轉(zhuǎn)換。這種可以直接結(jié)負(fù)載的電站一般適用于小型的、獨(dú)立的供電系統(tǒng)。有些距離當(dāng)?shù)貒?guó)家供電系統(tǒng)的村落，無(wú)法使用國(guó)家電網(wǎng)的電力時(shí)，就可以采用這種供電方式。直流負(fù)載直流負(fù)載光伏陣列控制器蓄電池交流負(fù)載逆變器2-1離網(wǎng)式光伏電站組成圖2并網(wǎng)式光伏電站結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，主要由陣列、匯流箱、逆變器三部分組成，這種電站一般都要接入國(guó)家公共電網(wǎng)。如果陣列較少，那么陣列之后可以直接接入逆變器；如果陣列較多，則需要先經(jīng)過(guò)匯流箱，再接入逆變器，同時(shí)匯流箱也有防雷的功能，保證了電站的安全。逆變器逆變器并網(wǎng)式光伏電站又可以根據(jù)逆變器的種類及電站的結(jié)構(gòu)分為集中式電站和分布式電站。(1)集中式41]:集中式電站一般是由國(guó)家出資選址建立的，規(guī)模較大，發(fā)電量也較多，產(chǎn)生的電能歸于國(guó)家電網(wǎng)，產(chǎn)生出來(lái)的電能一般由國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度，所以集中式的電站一般都會(huì)安裝匯流箱。集中式電站的建立需要較大的土地面積，所以一般建立在我國(guó)西北地區(qū)人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)。(2)分布式421.分布式光伏電站又叫做分散式電站或組串式光伏電站，因?yàn)樗倪B接方式一般為串聯(lián)。這種電站占地面積小、成本比集中式電站低很多、假設(shè)難度較低，因此可以安裝在房子的房頂上。小型分布式電站因?yàn)樗母鞣N優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)家一直在扶持其發(fā)展，現(xiàn)在主要應(yīng)用于浙江、安徽等地。當(dāng)分布式電站的裝機(jī)量很小，僅限于自家用電時(shí)，可以不用安裝匯流箱，這樣大大節(jié)約了電站的安裝成本文研究的光伏電站是并網(wǎng)式光伏電站，在并網(wǎng)式光伏電站的組成中，光伏陣列最易出現(xiàn)故障問(wèn)題，所以主要分析研究的故障是光伏電站中的光伏陣列出現(xiàn)的各種故障，并對(duì)其進(jìn)行診斷。1.2光伏陣列模型搭建在實(shí)際中，光伏電站運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)不易獲取，因此需要建立不同故障條件下的光伏電站仿真模型。通過(guò)所建模型模擬不同情況(故障、正常)下的光伏陣列的運(yùn)行情況，對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行分析以獲取實(shí)驗(yàn)研究所需的數(shù)據(jù)集。光伏陣列模型可以用光伏組件組成，光伏組件是多個(gè)電池串聯(lián)的，要研究光伏陣列故障首先要對(duì)光伏電池進(jìn)行分析研究。光伏電池在有光照的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，是一種將光能變成電能的器件43,轉(zhuǎn)換原理如圖2-3所示。太陽(yáng)光↓↓十+十PN結(jié)N在圖2-3中，光照使PN結(jié)內(nèi)形成電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)的作用下，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，電池內(nèi)部形成光生電場(chǎng)，使空穴區(qū)為正，電子區(qū)為負(fù)，這樣就形成了電流、電壓。市面上常見的太陽(yáng)能電池為硅太陽(yáng)能電池，這種電池用硅摻雜其他雜質(zhì)形成PN結(jié)。不同類型的電池雖然使用的材質(zhì)不同，但其原理相似，都是用兩中不同材料結(jié)合形成PN結(jié)，經(jīng)過(guò)光照，形成電流電壓，進(jìn)而產(chǎn)生電能。多個(gè)光伏電池組成組串，組串再以一定方式連接形成陣列?4。因此，在一定條件下，光伏陣列的特性參數(shù)與光伏電池特性參數(shù)類似。1.1.1光伏電池的建模要想研究光伏陣列的輸出特性，就要對(duì)光伏陣列進(jìn)行建模，因此需要先為光伏電池建立模型，由上述可知，光伏電池由P型、N型半導(dǎo)體組成，經(jīng)過(guò)光照，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)45。光伏電池可以等效為電路46。將電池等效為一個(gè)電源，接入串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻后就可以模擬光伏電池。根據(jù)圖2-4,光伏電池電流與電壓之間的關(guān)系為：4式(2-1)中，m為理想因子，I?為反向飽和電流；式(2-2)中k=1.38×10-23J/K,在實(shí)際應(yīng)用中，光伏電池的Im和I?隨著溫度、光照度發(fā)生變化48,可以表示光伏陣列是光伏電站的核心組成，主要由光伏模塊通過(guò)各種連接方式連接在電站中，一般將光伏組件進(jìn)行串并聯(lián)組成光伏陣列50。IIIniVPVn-1PVnPV?PV?I流和，可以表示為n個(gè)電流和相加。電壓低，不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，所以在實(shí)際的大型電站中很少使用并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)51。6IIPV(1,n)PV2,n)VILPV(1,1)PV(2.1)PVa?L.DPV(1,2)目前最常用的光伏陣列連接方式為串聯(lián)和并聯(lián)共用連接，如上圖2-7所示。這種連接結(jié)構(gòu)不但保證了陣列的輸出電壓足夠大，同時(shí)也保證了某個(gè)組件開路，也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電站不工作。經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的光伏陣列缺點(diǎn)類似于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，組串中一個(gè)組件不工作會(huì)導(dǎo)致整個(gè)組串不工作。串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的光伏陣列的輸出電流為：IIIam)Zzm)VPV(1,1)PV(1,n)PVa,2)PV(2,1)PV(2,2)PV(2,n)I(2,n)陣列的全連接方式如圖2-8,先并聯(lián)成組串，在將這些組串串聯(lián)。由它的等效電路可知，任意組件故障，也不會(huì)使整個(gè)陣列癱瘓不能工作。這樣的連接方式在一定程度上保證電站的輸出功率不會(huì)太低，且熱斑效應(yīng)對(duì)這種連接方式的陣列影響也比較小，尤其是小面積的陰影53。全連接的光伏陣列的輸出電流和輸出電壓可以表示成其中x=1,2,…,N,Np是陣列中并聯(lián)線路的個(gè)數(shù)；Ix和Vx分別是結(jié)構(gòu)中單個(gè)組串的電流和電壓。通過(guò)對(duì)三種連接方式的分析，就可以得到任意種類的陣列的模型，在這里主要研究的是串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的連接方式，以3×3為例，其仿真模型如圖2-9所示。8scControlledVoltageSource1ssTsss1.3光伏陣列故障分析各種故障根據(jù)故障位置不同又可以分為電池故障和陣列線路故障。例如開路故障(1)組件短路：電池內(nèi)部短路可能是由于天氣惡劣或者是制造電池板時(shí)用的錯(cuò)或者是某些導(dǎo)線短接引起的56。NP圖2-10組件短路示意圖Fig.2-10Schematicdiagramofcomponentshortci(2)組件開路[57]電池板內(nèi)部開路主要是因?yàn)椴糠蛛姵乇黄茐?，無(wú)法產(chǎn)生電(3)遮陰故障58:一般是由于鳥糞、樹葉、灰塵、塑料袋之類的雜物落在電池板上，阻擋了光照，如果這些雜物長(zhǎng)時(shí)間不清理，被遮擋的組件不能工作，想當(dāng)于一個(gè)電阻，組件會(huì)發(fā)熱，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)對(duì)組件產(chǎn)生影響。(4)老化故障59:光伏組件有一定的使用年限，隨著組件工作時(shí)間的增加，組件內(nèi)部材料收到磨損，組件就會(huì)老化，相應(yīng)的組件功率也會(huì)降低。光伏電池組成材料如圖2-11所示。由圖2-11可知，光伏電池材料通過(guò)EVA膠膜黏合在一起，并且對(duì)這些材料包裹起來(lái)，起到密封作用。如果沒(méi)有密封好，電池內(nèi)部容易損壞。正常情況下光伏電池需要25年更換一次，如果電池材料不合格會(huì)加速電池的老化60。再加上光伏電站建址環(huán)境一般都比較惡劣，電池的膠膜和背板很容易受到侵蝕，電池的防護(hù)層遭到破壞，電池板也容易損壞。組件間的導(dǎo)線以及導(dǎo)線和電池連接部位經(jīng)過(guò)高溫和潮濕，也會(huì)造成線路老化61。(5)組件玻璃碎裂：組件碎裂主要出現(xiàn)在組件制作過(guò)程中，組件外的玻璃質(zhì)量較差，有細(xì)小的裂紋，這些裂紋經(jīng)過(guò)陽(yáng)光雨水的腐蝕會(huì)越來(lái)越大；在組件材料進(jìn)行焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊狀況，也會(huì)出現(xiàn)細(xì)縫；在組件安裝時(shí)，容易發(fā)生碰撞造成玻璃碎裂；或遇上大風(fēng)、冰雹等天氣，組件的玻璃也有破碎的風(fēng)險(xiǎn)?？偨Y(jié)上述內(nèi)容，光伏組件的故障及形成原因如表2-1所示。故障類型故障成因老化陰影電池材料損壞、線路連接有誤對(duì)于光伏陣列故障的研究分析還需要知道光伏陣列在各種故障狀態(tài)下有什么表現(xiàn)及不同。根據(jù)1.1.2節(jié)的分析，通過(guò)觀察公式2-本節(jié)通過(guò)Matlab/Simulink仿真軟件，將多個(gè)電池模型封裝成光伏組件以3×3的組合方式進(jìn)行連接。仿真實(shí)驗(yàn)中光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)條件下的參數(shù)需要Tab.2-2Parametersrequiredforsimu參數(shù)含義短路電流(Isc)開路電壓(Uoc)最大功率點(diǎn)電流(Impp)最大功率點(diǎn)電壓(Umpp)最大功率點(diǎn)功率在正常情況下的陣列的輸出特性曲線是非線性的，固定環(huán)境參數(shù)T為25℃,將輻照度設(shè)置從200W/m2-1000W/m2,如圖2-12(a)、(b)示，從圖2-12(a)路電壓(Uoc)的值下降的幅度較小。從圖2-12(a)中可看出，陣列的最大功率也固定環(huán)境參數(shù)輻照度為1000W/m2,將溫度T設(shè)置范圍：25℃-45℃,如圖2-12(c)、(d)所示，從圖2-12(c)中可以看出，溫度按一定比例下降時(shí)，陣列的短路電流不變，開路電壓按照一定比例降低。從圖2-12(d)中可以看出，最大(a)不同輻照度下的IV曲線(b)不同輻照度下的PV曲線經(jīng)過(guò)上述的結(jié)果及分析，可以得出結(jié)論：光照減小，陣列的短路電流、最大功率對(duì)應(yīng)的電流降低，功率達(dá)到最大時(shí)電壓、開路電壓不變；溫度升