基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究.pdf
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1、2023.6大 电 机 技 术基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究王丙辛1,李向阳1,聂 明1,刘 冰1,杨国清2,孙 航2(1.中煤西安设计工程有限责任公司,西安 710000;2.西安理工大学电气工程学院,西安 710048)摘 要 光伏组件作为光伏系统中最重要的组成部分,当个别光伏组件发生热斑故障时,会对整个光伏系统运行产生较大影响。本文通过建立光伏组件在不同工况下发生热斑故障的环境,依据光伏组件的交流小信号阻抗特性,提出一种基于频域特性研究热斑故障电气特性的方法,对检测不同工况的热斑故障进行电气特性变化分析。该方法通过将一定频率范围的高频正弦信号注入产生热斑故障的光伏组件,分析光伏
2、组件的阻抗频幅特性,结合实验测试与仿真验证光伏组件的电气特征。研究结果表明,在偏置电压为短路电压时,热斑故障在电气特性上会导致电阻下降和并联电容略有增加,在最大功率点电压偏置时,电阻和并联电容均有增加。光伏组件在 MPPT 偏置电压下发生热斑故障时,光伏组件的并联电容与并联电阻跟随故障面积的增大而逐渐增大,当产生 10%电池片面积的热斑故障时,并联电阻增加约 2.8 倍,并联电容增加约 1.4 倍;当产生 90%电池片面积的热斑故障时,并联电阻增加约 7.9 倍,并联电容增加约 3.5 倍。关键词 光伏组件;热斑故障;多频信号;阻抗频幅特性;电气特性中图分类号 TM615 文献标志码 A 文章
3、编号 1000-3983(2023)06-0077-08Study on Electrical Characteristics of Photovoltaic Modules with Hot Spot FaultsWANG Bingxin1,LI Xiangyang1,NIE Ming1,LIU Bing1,YANG Guoqing2,SUN Hang2(1.China Coal Xian Design Engineering Co.,Ltd.,Xian 710000,China;2.School of Electrical Engineering,Xian University of Te
4、chnology,Xian 710048,China)Abstract:As the most important component of a PV system,when a hot spot fault occurs in anindividual PV module,it will have a significant impact on the operation of the whole PV system.Thispaper proposes a method to study the electrical characteristics of hot spot faults b
5、ased on frequencydomain characteristics by establishing the environment in which hot spot faults occur in PV modulesunder different operating conditions and analyzing the changes in electrical characteristics for detectinghot spot faults under different operating conditions based on the AC small sig
6、nal impedancecharacteristicsofPVmodules.Themethodanalyzestheimpedancefrequencyamplitudecharacteristics of the PV module by injecting high-frequency sinusoidal signals in a certain frequencyrange into the PV module generating the hot spot fault and verifies the electrical characteristics of thePV mod
7、ule by combining experimental tests and simulations.The results show that the hot spot faultcauses a drop in resistance and a slight increase in shunt capacitance in the electrical characteristicswhen the bias voltage is a short circuit voltage and an increase in both resistance and shuntcapacitance
8、 when the MPPT voltage is biased.When a hot spot fault occurs in a PV module at MPPTbias voltage,the shunt capacitance and shunt resistance of the PV module gradually increase with thefault area,with the shunt resistance increasing by about 2.8 times and the shunt capacitanceincreasing by about 1.4
9、times when a hot spot fault of 10%of the cell area is generated.When a hotspot fault of 90%of the cell area is generated,the shunt resistance increases by about 7.9 times andthe shunt capacitance increases by about 3.5 times.Key words:photovoltaic modules;hot spot failure;multifrequency signal;imped
10、ance frequencyamplitude characteristics;electrical characteristics基金项目:国家自然科学基金(71004801-1893)77基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.60 前言光伏组件在长时间使用情况下,各种故障会造成组件功率的损失及可靠性下降。例如热斑、玻璃碎裂、二极管短路、局部阴影等,其中最普遍的是由光伏组件功率的非正常运行引起的热斑问题,热斑问题会导致部分电池片温度过高,更有甚者会威胁整个光伏并网。为了能够准确的研究光伏组件检测热斑故障的方法,需要了解光伏组件在发生热斑故障时的电气特性变化,有诸多学者做了很多工作
11、,主要分为基于光伏组件 I-V 电气特性的研究分析与光伏组件阻抗频域动态特性的研究分析。为研究 I-V 特性在光伏组件发生故障时的电气特性变化,文献1提出一种基于光伏组件发生热斑故障时 I-V 电气特性的研究,根据光伏组件发生热斑时电流与电压等电气特性变化进行分析。文献2和3分析了光伏组件失配下 I-V 电气特性变化的原因,测试不同故障类型光伏组件的 I-V 电气特性。文献4提出了一种利用光伏组件 I-V 特性的方法,可在产生不同面积热斑故障时对光伏组件的电气特性进行分析。文献5提出一种基于光伏 I-V电气特性对光伏阵列的健康状况进行分析的方法。文献6和7在考虑环境与光照等因素的情况下,利用测
12、量光伏阵列的 I-V 特性电气参数值对故障进行检测和分类。文献8针对在高效晶体硅光伏模块中,内部电容可能导致 I-V 测量中的强烈滞后效应,提出了一种用于高电容光伏组件测量的参数设置优化方法。基于频域动态特性的研究分析主要是对光伏组件的各类动态特性及参数变化进行分析,文献9研究了考虑电容和反向特性的光伏电池模型,根据无光照情况采用参数拟合方法进行了建模,但是在有光照情况模型精度较低;文献10给出了综合光伏电池制造商提供的数据表与不同工况下的实际输出特性提取光伏电池模型参数的方法。文献11依据光伏组件交流模型,在分析其交流小信号下阻抗特性的基础上,提出一种基于高频注入法的光伏系统接地故障时研究电
13、气特性的方法。文献12 14根据光伏组件频域特性进行直流电弧故障检测,根据频域特性变化进行故障定位。文献15提出一种通过对光伏组件求取 电 气 特 征 参 数 进 行 故 障 识 别 的 方 法。文献16提出了利用仿真模型和试验测试平台,定量分析模型参数对太阳能电池输出特性的影响和小信号阻抗特性的影响。文献17分析了不同热斑类型的漏电流随温度的变化趋势,验证了热斑对组件电性能的影响。文献18建立了光伏电池反向 Bishop 子电路模型,分析了光伏组件模型各个参数对光伏电池电气特性的影响。文献19提出了一种利用交流参数表征来检测一系列光伏电池热斑故障的检测方法,得出了热斑故障会导致并联电容及并联
14、电阻增加的结论。文献20提出了一种通过测量阻抗谱研究太阳能电池的电流参数的方法,研究发现电容会随着温度升高而增加。结合上述参考文献中对于光伏组件电气特性的分析,为了更精确的检测光伏组件的热斑故障,本文针对光伏组件在产生热斑故障时的频域特性变化,通过对发生热斑故障的光伏组件加载 20Hz 5MHz 的多频信号,利用光伏组件的交流小信号模型分析产生热斑故障的光伏组件阻抗频幅曲线并且根据曲线所得的电气参数进行电气特性分析,达到利用阻抗频域特性研究光伏组件在产生热斑故障时的电气特性的目的。1 光伏组件交流模型当正常电池串中只有少数表现不佳的电池(例如单片电池产生严重阴影)时,施加的电池串电流倾向于反向
15、偏置受损的电池。图 1 说明了光伏电池串中的阴影电池变为反向偏置。图 1 含有阴影电池的反向电压偏置PV1 和 PV2 处于正常照明状态,而 PV3 处于着色状态。如 PV3 的 I-V 图所示,对电池进行着色会使电特性沿电流轴下移,从而使最大功率点电流降低。在此示例中,串电流(Istring)稳定为大于 PV3 短路电流的电流,导致其电压反向偏置。因为电压是负的,且电流是流动的,所以阴影电池吸收能量而不是提供能量。如果电池消耗大量功率,所产生的热量会显著增加局部电池温度,这会损坏光伏组件。光伏组件主要是由光伏电池串并联构成。为了研究光伏组件的阻抗特性,需要参考组件的集成电路元件建立模型。光伏
16、组件动态电路模型如图 2 所示,包括光生电流 Iph、p-n 结势垒电容 CT、二极管、扩散电容 CD、动态电阻 Rd、引线电感 Ls、串联电阻 Rs、并联电872023.6大 电 机 技 术阻 Rsh等。图 2 光伏组件的动态电路模型势垒电容 CT不能忽略,可表示为:CT=Cj01-Ud/Ubi(1)式中,Cj0为零偏置电压势垒电容,F;Ud为 p-n结偏置电压,V;Ubi为接触电势差,V。由于光伏组件的偏置电压在工作时,高于最大功率点电压,扩散电容 CD远大于 CT,可表示为:CD=IdUt(2)式中,为少数载流子寿命,s;Id为二极管电流,A;为二极管品质因数;Ut为热电压,V。动态电阻
17、 Rd是一种与静态工作点有关的非线性电阻,通过线性化处理可以得到如下结果:Rd=dUddIdUtId(3)引线电感 Ls可表示为:Ls=Li,DC+Li,AC+LextLi,DC=lcb8Li,AC=2aLi,DC=lcb4afLext=2 10-7lcbln2lcba()-1(4)式中,Ls是由直流电感 Li,DC、交流内部电感 Li,AC及外部电感 Lext组成,H;为磁导率,H/m;lcb为线缆长度,m;为集肤深度,m;a 为电缆半径,m;为电导率,S/m;f 为工作频率,Hz。当进行分析时,光生电流源、二极管可忽略,并用并联电阻 Rp、并联电容 Cp等效更换。光伏组件交流小信号等效电路
18、的模型如图 3 所示,其中等效后角频率 处的阻抗可以表示为:Z()=Rs+Rp(RpCp)2+1+j Ls-R2pCp(RpCp)2+1(5)图 3 交流小信号等效电路模型由光伏组件的交流小信号等效电路模型与公式(5)在多频特性下的电气特性可得光伏组件阻抗随频率变化的频率特性如图 4 所示。图 4 光伏组件频幅特性曲线为了分析频域特性的动态参数,可以根据电气特性进行分析。可以设定输出阻抗为 Z=R+jX,在频幅特性曲线的谐振点处虚部 X=0,此时幅频特性的阻抗值 Z=R,如式(6)所示:R=Rs+LsRp(R2pC2p+1)R4pC3p+Ls(R2pC2p+1)(6)通常情况下,分式的数值很小
19、,可以看作 R 由Rs主导,因此 Rs值的提取可以采用频域特性的谐振点幅值。根据低频段幅值,可以提取串联电阻 Rp值,如97基于频域特性光伏组件热斑故障电气特性研究2023.6式(7)所示:R=Rs+Rp(7)在幅频特性曲线的中频段,阻抗的幅值主要是由Cp决定,如式(8)所示:Cp=1RpR-Rp-RsRs-R(8)在上述参数提取基础上,在幅频特性曲线高频段,相位等于 90时,由电感 Ls决定幅值,如式(9)所示:Ls=X-CpRp(Rs-R)(9)根据公式(7)(9)计算图 4 中各频域段对应电气参数,其中 X 为频率对应幅值低频段电阻 Rs+Rp为 8.6,由中频段的阻抗幅值得到 Cp为
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