一种光伏阵列故障检测设备和方法技术

本发明专利技术公开了一种光伏阵列故障检测设备和方法，属于光伏阵列的监测领域。该设备主要部件有控制器、光照温度传感器、电压传感器、电流传感器及继电模块。将设备所采集的各类检测值传输到上位机，上位机通过故障筛选建立疑似故障一览表，选出光伏阵列中疑似故障的光伏组件，并将其从阵列切除；之后将电容并入疑似故障组件两侧，采集组件UI特性曲线上的若干工作点数据，求解组件的内部参数归一化值；将归一化值输入事先建立的集成CART分类树模型判断组件具体状态，若判定无故障则将相应组件重新接入系统，若判定有故障则按照故障指标建立故障一览表，方便工作人员进行检修。本发明专利技术具有结构简单、成本较低、诊断迅速、故障处理及时等优点。

A Fault Detection Equipment and Method for Photovoltaic Array

【技术实现步骤摘要】
一种光伏阵列故障检测设备和方法
本专利技术涉及光伏阵列的监测领域，具体涉及一种光伏阵列故障检测设备和方法。
技术介绍
日益凸显的能源危机和环境污染，各国都加大了可再生能源的研究与推广。光伏发电技术以其独特的发电特性取得了广泛地发展与应用。但是由于光伏阵列中的组件甚多，出现各种故障的概率很大，如不及时处理，很可能会导致引发的事故，影响整个电站的效益，造成经济损失。所以必须采取有效措施以及时发现故障，保证系统可靠稳定运行。目前，许多学者对光伏阵列的故障诊断进行了研究，提出了诸多故障诊断方案，如：中国专利(201611143683.1)提出了利用红外摄像仪的无人机捕捉阵组件的红外图像并通过分析诊断故障。但是该方法故障诊断和定位的精度主要依赖于摄像仪的精度，对于轻微故障时组件温差不大的故障难以辨别，实用性不大；中国专利(201610180786.9)设计了一种智能接线盒，通过改进路由算法结合GPRS进行监测数据的采集和无线传输，并通过设定组件运行参数的上下阈值来诊断故障。但是组件的运行受环境影响显著，不同工况下运行参数的阈值并不相同，该故障诊断方法并不实用。中国专利(201610292751.4)利用改进鱼群算法和灰色模型预测法进行故障诊断。该方法需要对阵列中的每一块光伏组件进行诊断，且诊断过程需要整个阵列离线工作，这不仅导致诊断速度较慢，还影响阵列的正常工作。同时，上述诸监测系统中对故障组件的处理依赖于人工手动，往往并不及时，再加之光伏组件固有的热斑效应，很容易导致故障点发热，从而加剧故障，甚至引发安全事故。
技术实现思路
针对现有光伏阵列故障监测中故障诊断方法的不实用、不精确、诊断过程中需阵列离线以及故障的处理存在较长延时的问题。本专利技术提出了一种结构简单、诊断迅速、故障处理及时，能够在线诊断故障并分辨故障类型的光伏阵列故障监测设备和方法。本专利技术的设备所采用的技术方案是：一种光伏阵列故障检测设备，对光伏阵列中的每一个光伏组件(20)均安装一个检测设备(7)，每个检测设备之间通过设备正接口(16)和设备负接口(17)进行电气连接，整个阵列的多个检测设备(7)通过无线链路组成ZigBee自组网(4)，检测设备(7)在通信功能上设定为终端节点(1)、路由节点(2)和协调器(3)；终端节点(1)与相邻的路由节点(2)通信，将自身所采集的数据无线传输至路由节点(2)；路由节点(2)与相邻的路由节点通信，整合自身和周围终端节点(1)所采集的数据无线传输给相邻的路由节点(2)，若距离协调器(3)足够近，则将数据无线传输给协调器(3)；协调器(3)通过总线与透传模块(5)的输入端相连；透传模块(5)的输入端和接受端通过大功率无线链路相连，透传模块的接收端通过总线与终端机(6)相连；协调器(3)负责整合整个ZigBee自组网(4)的所有数据通过透传模块(5)传输给上位机(6)；上位机(6)负责处理数据、故障检测和数据存储。进一步，检测设备(7)包括：控制器(8)、光照温度传感器(9)、电压传感器(10)、电流传感器(11)、继电模块(12)、电容(13)、第一开关(14)、第二开关(15)、设备正接口(16)、设备负接口(17)、电源正接口(18)、电源正接口(19)；所述光照温度传感器(9)由光照强度传感器和温度传感器组成；所述电流传感器(11)的正端与电源正接口(18)的输出端相连，电流传感器(11)的负端与继电模块(12)的V1口相连；所述电压传感器(10)的正端与电流传感器(11)的负端相连，电压传感器(10)的负端与继电模块(12)的V2口相连；所述继电模块(12)的v2口还与电源负接口(19)的输出端相连，继电模块(12)的V1口还与设备正接口(16)相连，继电模块(12)的S1口与设备负接口(17)相连；所述电压传感器(10)和电流传感器(11)分别采集光伏组件(20)的输出电压和电流，数据输出端与控制器(8)的输入端相连；光照温度传感器(9)的数据输出端与控制器(8)的输入端相连；开关(14)、开关(15)、继电模块(12)的控制端与控制器(8)的输出端相连，由控制器(8)控制他们动作；设备正接口(16)与相邻设备的设备负接口(17)相连，设备负接口(17)与相邻设备的设备正接口(16)相连；电源正接口(18)与光伏组件(20)的正极相连；电源负接口(19)与光伏组件(20)的负极相连；所述第一开关(14)的输入端与电流传感器(11)的输出端相连，所述第一开关(14)的输出端与开关(15)和电容(13)的输入端相连；第二开关(15)和电容(13)的输出端与电源负接口(19)相连。进一步，电压传感器(10)和电流传感器(11)采用霍尔元器件；光照温度传感器(9)采集垂直于光伏组件斜面的光照强度和光伏组件背板的温度；电容(13)采用1000uF的电容器；控制器(8)采用满足ZigBee无线通信协议的cc2530模块，该模块集成了USB-串口模块。本专利技术的方法包括以下步骤：步骤1，数据采集：将光照温度传感器(9)采集的光照强度值和背板温度值、电压传感器(10)采集的光伏组件输出电压值、电流传感器(11)采集的光伏组件输出电流值通过ZigBee自组网(4)传输到透传模块(5)最终传输到上位机(6)；步骤2，解出疑似故障组件的内部参数：上位机(6)首先结合光伏组件数学模型通过故障筛选找出光伏阵列中疑似故障的光伏组件；上位机(6)发送切除指令，被判为疑似故障的光伏组件上所安装的检测设备(7)接受到指令后，由控制器(8)向继电模块(12)发送控制指令，继电模块(12)接到控制指令后将S1从V1改接至V2，从而将疑似故障的光伏组件从系统切除；之后检测设备将第一开关(14)闭合，第二开关(15)断开，从而将电容(13)并入光伏组件(20)两侧；之后检测设备(7)扫描光伏组件的UI特性曲线，采集曲线上20-50个工作点数据(U，I)传输给上位机(6)，包括开路点(Uoc，0)和短路点(0，Isc)；之后上位机(6)对曲线工作点数据进行迭代求解，解出疑似故障组件的内部参数；步骤3，故障处理：结合光伏组件数学模型和集成CART分类树模型判断是否故障、故障类型以及故障程度；若判定无故障则将组件重新接入系统，若判定有故障则将具体故障组件和故障类型显示于上位机(6)并安故障指标由大到小建立故障一览表，工作人员按照先后顺序进行故障检修。进一步，步骤2中，所述内部参数为：Iph为光生电流；Io为二极管反向饱和电流；A为品质因数；Rs为等效串流电阻；Rsh为等效并联电阻；所述的光伏组件数学模型是利用检测设备(7)扫描标准光伏组件样机在不同工作环境下的UI特性曲线，迭代求解多组内部参数并拟合修正经验公式所得：Eg＝1.12[1-0.000267(T-298.15)]其中，Iph为光生电流；Io为二极管反向饱和电流；A为品质因数；Rs为等效串流电阻；Rsh为等效并联电阻，U为组件输出电压；I为组件输出电流；S为当前环境辐照度(W/m2)；T为组件绝对温度(K)；K为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)；q为电子电荷(1.608×10-19C)；Eg为组件带隙能量。进一步，步骤2中，结合光伏组件数学模型通过故障筛选找出光伏阵列中疑似故障的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏阵列故障检测设备，其特征在于，对光伏阵列中的每一个光伏组件(20)均安装一个检测设备(7)，每个检测设备之间通过设备正接口(16)和设备负接口(17)进行电气连接，整个阵列的多个检测设备(7)通过无线链路组成ZigBee自组网(4)，检测设备(7)在通信功能上设定为终端节点(1)、路由节点(2)和协调器(3)；终端节点(1)与相邻的路由节点(2)通信，将自身所采集的数据无线传输至路由节点(2)；路由节点(2)与相邻的路由节点通信，整合自身和周围终端节点(1)所采集的数据无线传输给相邻的路由节点(2)，若距离协调器(3)足够近，则将数据无线传输给协调器(3)；协调器(3)通过总线与透传模块(5)的输入端相连；透传模块(5)的输入端和接受端通过大功率无线链路相连，透传模块的接收端通过总线与终端机(6)相连；协调器(3)负责整合整个ZigBee自组网(4)的所有数据通过透传模块(5)传输给上位机(6)；上位机(6)负责处理数据、故障检测和数据存储。

【技术特征摘要】
1.一种光伏阵列故障检测设备，其特征在于，对光伏阵列中的每一个光伏组件(20)均安装一个检测设备(7)，每个检测设备之间通过设备正接口(16)和设备负接口(17)进行电气连接，整个阵列的多个检测设备(7)通过无线链路组成ZigBee自组网(4)，检测设备(7)在通信功能上设定为终端节点(1)、路由节点(2)和协调器(3)；终端节点(1)与相邻的路由节点(2)通信，将自身所采集的数据无线传输至路由节点(2)；路由节点(2)与相邻的路由节点通信，整合自身和周围终端节点(1)所采集的数据无线传输给相邻的路由节点(2)，若距离协调器(3)足够近，则将数据无线传输给协调器(3)；协调器(3)通过总线与透传模块(5)的输入端相连；透传模块(5)的输入端和接受端通过大功率无线链路相连，透传模块的接收端通过总线与终端机(6)相连；协调器(3)负责整合整个ZigBee自组网(4)的所有数据通过透传模块(5)传输给上位机(6)；上位机(6)负责处理数据、故障检测和数据存储。2.根据权利要求1所述的一种光伏阵列故障检测设备，其特征在于，检测设备(7)包括控制器(8)、光照温度传感器(9)、电压传感器(10)、电流传感器(11)、继电模块(12)、电容(13)、第一开关(14)、第二开关(15)、设备正接口(16)、设备负接口(17)、电源正接口(18)、电源正接口(19)；所述光照温度传感器(9)由光照强度传感器和温度传感器组成；所述电流传感器(11)的正端与电源正接口(18)的输出端相连，电流传感器(11)的负端与继电模块(12)的V1口相连；所述电压传感器(10)的正端与电流传感器(11)的负端相连，电压传感器(10)的负端与继电模块(12)的V2口相连；所述继电模块(12)的v2口还与电源负接口(19)的输出端相连，继电模块(12)的V1口还与设备正接口(16)相连，继电模块(12)的S1口与设备负接口(17)相连；所述电压传感器(10)和电流传感器(11)分别采集光伏组件(20)的输出电压和电流，数据输出端与控制器(8)的输入端相连；光照温度传感器(9)的数据输出端与控制器(8)的输入端相连；开关(14)、开关(15)、继电模块(12)的控制端与控制器(8)的输出端相连，由控制器(8)控制他们动作；设备正接口(16)与相邻设备的设备负接口(17)相连，设备负接口(17)与相邻设备的设备正接口(16)相连；电源正接口(18)与光伏组件(20)的正极相连；电源负接口(19)与光伏组件(20)的负极相连；所述第一开关(14)的输入端与电流传感器(11)的输出端相连，所述第一开关(14)的输出端与开关(15)和电容(13)的输入端相连；第二开关(15)和电容(13)的输出端与电源负接口(19)相连。3.根据权利要求2所述的一种光伏阵列故障检测设备，其特征在于，电压传感器(10)和电流传感器(11)采用霍尔元器件；光照温度传感器(9)采集垂直于光伏组件斜面的光照强度和光伏组件背板的温度；电容(13)采用1000uF的电容器；控制器(8)采用满足ZigBee无线通信协议的cc2530模块，该模块集成了USB-串口模块。4.一种根据权利要求2所述的光伏阵列故障检测设备的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，数据采集：将光照温度传感器(9)采集的光照强度值和背板温度值、电压传感器(10)采集的光伏组件输出电压值、电流传感器(11)采集的光伏组件输出电流值通过ZigBee自组网(4)传输到透传模块(5)最终传输到上位机(6)；步骤2，解出疑似故障组件的内部参数：上位机(6)首先结合光伏组件数学模型通过故障筛选找出光伏阵列中疑似故障的光伏组件；上位机(6)发送切除指令，被判为疑似故障的光伏组件上所安装的检测设备(7)接受到指令后，由控制器(8)向继电模块(12)发送控制指令，继电模块(12)接到控制指令后将S1从V1改接至V2，从而将疑似故障的光伏组件从系统切除；之后检测设备将第一开关(14)闭合，第二开关(15)断开，从而将电容(13)并入光伏组件(20)两侧；之后检测设备(7)扫描光伏组件的UI特性曲线，采集曲线上20-50个工作点数据(U，I)传输给上位机(6)，包括开路点(Uoc，0)...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洋，闫天一，陈凤云，肖文，李正明，刘超，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32