光伏組件檢測技術

羅強

摘要：由于光伏陣列常年曝露在戶外，受多變環境（如雷雨天氣、熱循環、濕度、紫外線輻射、陰影等）影響，容易出現局部材料老化、裂紋、熱斑、開路或者短路等各種故障，影響其使用壽命。同時，故障導致發電量大量損失，組件發生不可逆損壞，嚴重時甚至引發火災。通常，光伏陣列在直流側裝有過電流保護設備（overcurrentprotectiondevices，OCPD）和接地故障保護設備（groundfaultdetectioninterrupters，GFDI），這些保護設備的故障電流閾值通常設置為短路電流的2.1倍。然而，當發生輕、中度故障或故障發生在低輻照度情況下時，傳統的保護設備因最大功率點跟蹤（maximumpowerpointtracking，MPPT）和過低的故障電流無法及時動作。因此，建立有效的光伏陣列故障診斷及智能運行監測系統是亟待解決的問題之一。

關鍵詞：光伏陣列;光伏組件;狀態檢測

引言

根據目前光伏產業的技術進步和成本降低，依據“關于2018年光伏發電項目政策的通知”，降低了光伏電站標桿上網電價，同時取消了普通光伏電站建設指標，加快了光伏并網電站平價上網進度，基于以上原因根據建設規模，光伏組件采購價格勢必會在原有基礎上再降低，光伏組件質量問題將面臨巨大的挑戰，如何提高光伏組件生產質量，降低生產成本，提高組件出廠良品率將成為光伏組件市場中制勝的法寶。

1光伏陣列故障類型及其特性

1.1光伏系統

典型的光伏系統由光伏陣列、直流匯流箱、逆變器及保護設備組成。每塊光伏模組由串聯的光伏電池片和并聯在電池片兩側的旁路二極管組成，旁路二極管是為防止電池片因熱斑效應燒毀。

1.2光伏陣列故障類型及其特性

光伏陣列中常見的故障有線間故障、接地故障、開路故障、遮陰故障、異常老化等。本文通過規模為5×10的光伏系統對各類故障進行介紹。

部分遮陰指光伏陣列的某些模組被云層、樹木或建筑物遮擋，導致陣列輸出功率受損的情況。光伏模組通過安裝旁路二極管來傳導非遮陰模組的電流以防止出現熱斑。

開路故障指光伏陣列中的某一串線路存在斷開點，導致故障串沒有電流回路，使其進入開路狀態，不產生能量。此時光伏陣列的總輸出功率由其他正常串提供。

線間故障指光伏陣列中，某兩個不同電位點發生意外連接，部分光伏模組被短路，導致陣列的輸出功率受損。因此稱之為線-線失配90%故障（簡稱LL-90%）;F4故障處為兩個光伏串間發生短路，有2塊模組被短路，因此稱其為線-線失配20%故障（簡稱LL-20%）;同理，F5故障為線-線失配10%故障（簡稱LL-10%），失配比越大表明線間故障越嚴重。接地故障是線間故障的一種特殊情況，指的是輸電線同設備接地導體或者地面意外接觸，產生低電阻回路的不良情況。

2重點分析問題

2.1隱裂

隱裂就是一些肉眼不可見的細微破裂，晶體硅電池片由于其自身的結構特性，容易破裂，可以說是一種常見的自身缺陷，電池片產生的電流主要靠表面主柵和細柵收集和導出，隱裂可能導致細柵斷裂從而影響電流有效的輸送至主柵，導致電池片部分失效，還可能造成碎片、熱斑等，引起組件的功率衰減。

EL（Electroluminescence，電致發光）是一種太陽能電池或組件的內部缺陷檢測設備，是簡單有效的檢測隱裂的方法。利用晶體硅的電致發光原理，通過高分辨率的紅外相機拍攝組件的近紅外圖像，獲取并判定組件的缺陷。具有靈敏度高、檢測速度快、結果直觀形象等優點。

2.2PID效應

又稱電勢誘導衰減，是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料，電池片與其接地金屬邊框之間的高電壓作用下出現離子遷移而造成組件性能衰減的現象。一般認為PID效應和組件材料構成，環境溫濕度和電壓存在著密切聯系，高溫高濕的環境易使水汽通過密封硅膠活背板進入組件與EVA產生反應產生醋酸之后與玻璃中的堿反應產生鈉離子，在電場的作用下移動到電池表面。在漏電流的作用下，帶正電的載流子通過邊框流向地面。光伏矩陣的組件邊框通常是接地的，造成單個組件和邊框之間形成偏壓，越靠近負極輸出端的組件承受的負偏壓越明顯。PID效應對光伏電站發電量產生巨大影響，跟據其成因可以得出兩種處理方案，一是改變組件材料，二是改變組件接地方式。如果我們保持現有組件構造類型不變，可以通過復雜、高成本的材料來限制這種危害。但在商業化成本競爭的壓力下，目前很難進行推廣應用。那么就從組件的負極直接接地方式考慮，防止負偏壓造成的漏電流形成。這種處置方案簡單便捷，效果顯著，但同時如果組件正極故障會導致短路，威脅電站運維安全，那么安裝負極接地監測和分斷保護系統尤為重要。

3光伏組件檢測技術

3.1在線計算監測方法

光伏陣列熱斑在線計算監測方法是利用在線監測的數據，通過相關的計算方法來判斷組串是否存在熱斑。此類計算方法一般會有一個表征熱斑的參數，然后利用在線數據通過一系列算法得到該參數來判斷光伏陣列的運行狀態，進而確定是否發生熱斑故障。

目前研究較多的是計算分析光伏組件等效串聯電阻的方法。該方法引入了一個用于反映輸出特性的等效串聯電阻概念，并簡化了等效電阻的計算模型。光伏組件發生熱斑故障時其等效串聯電阻會隨之發生較大的變化，遠遠大于輻照度等其他因素對它的影響。基于這個特性，通過在線獲取最大功率點電壓、最大功率點電流、輻照度、環境溫度等運行參數來計算等效電阻，并和預設的閥值進行比較，來判斷光伏陣列是否發生熱斑故障。

在線計算監測熱斑方法可以在光伏發電陣工作狀態下進行，無需中斷發電。等效串聯電阻在線計算，需預先實驗并設定熱斑故障閥值。不同種類光伏組件等效串聯電阻不一樣，同一種類光伏組件，在組合數量及組合方式不同時，其方陣或組件等效串聯電阻也不一樣。由于沒有統一標準，設計不同的電站都需要進行實驗才能設定熱斑故障閥值。目前，在線計算監測技術暫無實際應用案例。

3.2機器視覺檢測方法

機器視覺檢測技術主要依靠計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，并加以處理，最后用于實際檢測。在現場熱斑檢測中，一般將紅外熱成像裝置與清掃機器人或無人機合理搭配使用。與傳統檢測方法相比，機器視覺檢測技術具有速度快，效果好等優勢。

3.3基于能量損失的診斷方法

首先，通過測量環境溫度和輻照度來估算理論輸出電壓、電流和功率，再計算理論值和實際值之間的差值，并將差值作為診斷算法的輸入數據以實現故障診斷。HarrouF.等人提出一種基于改進K最鄰近算法（Knearestneighbor，KNN）的故障檢測方法，通過將理論值與實際值的差值作為KNN的輸入，并結合指數加權移動平均（exponentialweightedmovingaverage，EWMA）算法自適應生成KNN的故障閾值邊界，實現了對光伏陣列中不同失配比的線間故障、開路故障及部分遮陰的故障檢測。

結語

企業要在這光伏行業中生存就必須順應市場變化，積極引進國內外先進的生產技術和先進的原材料，進行產品升級，保證產品的質量，必須充分利用這些檢測手段控制產品質量，開發新方法，保證產品質量，進而推動整個光伏產業的發展。

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