談光伏發(fā)電站熱斑檢測技術(shù)

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摘要：介紹了光伏發(fā)電站熱斑的成因和特性，對熱斑的現(xiàn)場檢測、在線監(jiān)測技術(shù)進行了綜述研究，分析了各自的優(yōu)缺點和適用性?，F(xiàn)階段，這些在線監(jiān)測技術(shù)會增加光伏電站的投資成本，實際工程應用很少，但會在未來光伏發(fā)電站的智能運維中得到廣泛應用。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電站；熱斑；在線監(jiān)測；旁路二極管；等效串聯(lián)電阻

光伏發(fā)電站在運行期間出現(xiàn)的眾多故障類型中，危害最大且發(fā)生最多的是光伏組件熱斑故障問題。發(fā)生熱斑效應嚴重的組件局部溫度有可能超過150℃，其產(chǎn)生的熱量很可能燒毀整個組件，使整個串聯(lián)支路的光伏組件都無法正常工作。據(jù)國內(nèi)外學者統(tǒng)計，熱斑效應可使光伏組件的實際使用壽命至少減少10%[1-2]。絕大多數(shù)的熱斑問題，可通過早期及時發(fā)現(xiàn)并處理而避免，所以熱斑檢測是光伏發(fā)電站的重要運維內(nèi)容。目前應用最多的熱斑檢測技術(shù)是運維人員使用紅外熱像儀進行現(xiàn)場測試，對于大型分散布置的光伏電站運維難度是巨大的。近幾年涌現(xiàn)出了很多新的熱斑檢測技術(shù)來解決這個難題[3]。本文綜述了光伏發(fā)電站的熱斑檢測技術(shù)，并分析了其特點和適用場合。一些智能無人運維的熱斑在線監(jiān)測技術(shù)應用，能協(xié)助運維人員準確定位并及時排查熱斑故障，保障光伏發(fā)電站的高效安全運行[4]。

1熱斑的特性

熱斑是指光伏組件因電池片破碎、隱裂、焊接等質(zhì)量問題或陰影、鳥糞、灰塵等遮擋原因，問題電池片被當作負載來消耗串聯(lián)的其他電池片產(chǎn)生的能量，從而產(chǎn)生局部的溫升。光伏發(fā)電站運行過程中，遮擋是熱斑形成的主要原因[5]。研究表明，同一電池串中存在遮擋的電池片溫度要高于其他電池片，而發(fā)熱最嚴重的地方在該電池片未被遮擋的部分。被遮擋的電池片可以等效看成一個負載，遮擋比例越大，被遮擋電池兩端的偏置電壓越大，完全被遮擋時，相當于一個開路狀態(tài)。而遮擋電池片的偏置電壓對接負載也很敏感，處于正常發(fā)電情況下的組件，外接負載點總是處于最大功率MPPT跟蹤點，只要電池被遮擋的比例較小，即便存在局部遮擋，也不會造成熱斑[6]。發(fā)生熱斑的電池片會消耗所在串聯(lián)電路其他正常電池片產(chǎn)生的能量，導致輸出功率減少，降低了光伏發(fā)電站的生產(chǎn)效率。嚴重的熱斑會對電池片造成嚴重破壞，并縮短其使用壽命或者直接報廢，導致大型光伏電廠發(fā)電成本增加[7]。目前對熱斑的問題主要以預防為主，在設(shè)計階段不僅要選擇合理的方陣間距、傾角和高度，避免相互遮擋，還應考慮周邊的環(huán)境，避免建筑物、植物對光伏方陣的遮擋；在光伏發(fā)電站運行期間，也要定期對組件表面進行清洗，以免不均勻的積塵或鳥糞的遮擋，從而造成熱斑[8]。而對于發(fā)生熱斑，也要采取“早發(fā)現(xiàn)早處理”的原則，這就需要高效準確熱斑檢測及定位。

2常規(guī)熱斑檢測方法

常規(guī)熱斑檢測方法是人工手持紅外熱像儀進行現(xiàn)場掃描，在并網(wǎng)發(fā)電且輻照度高于600W/m2時進行測試，同一組件內(nèi)溫度差超過20℃時，視為發(fā)生熱斑。圖1為光伏組件紅外掃描后的熱圖像，產(chǎn)生熱斑的電池片溫度異常且高于同組件其他電池片的溫度。熱成像技術(shù)是目前光伏發(fā)電站最為常規(guī)的運維方式，可以精確定位熱斑位置，準確分析熱斑成因，對于導致熱斑的雜草、積灰、鳥糞等，可以當場掃除。熱成像技術(shù)的人工檢測方法不太適用于大型光伏發(fā)電站，因為該方法耗費時間、工作效率低、運維成本大且缺乏安全性。如果用此方法進行大型光伏電站的熱斑檢測及定位，往往需要運維人員分析各組串電壓和電流的異常變化，來辨識大致可能會發(fā)生熱斑的方陣安裝區(qū)域，以期盡量縮小現(xiàn)場檢測范圍。但目前光伏發(fā)電站在線數(shù)據(jù)采集一般只采集組件逆變器數(shù)據(jù)，電壓和電流變化受輻照影響非常大，會給分析判斷帶來很大難度，不確定性會增加。有些運維人員還提出通過布置盡可能多的熱電偶直接監(jiān)控組件背板的溫度，但是需要增加很多資源，這過于理想化，而難于實現(xiàn)。

3機器視覺檢測方法

機器視覺檢測技術(shù)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[9]。在現(xiàn)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(tǒng)檢測方法相比，機器視覺檢測技術(shù)具有速度快，效果好等優(yōu)勢。機器視覺檢測技術(shù)與灰塵清掃機器人結(jié)合，即在機器人上增加多點紅外測溫裝置，在清掃組件表面的同時完成溫度的網(wǎng)格測量，并進行溫度場分析，根據(jù)所測組件中異常溫度點來判斷是否產(chǎn)生熱斑。此方法能同時測量一塊組件多個位置的溫度，并能精確定位熱斑的位置。此項技術(shù)僅限于在已有清掃機器人的基礎(chǔ)上加裝紅外熱成像測量裝置，而在不需要配置清掃機器人的光伏電站去使用該項技術(shù)，其成本較高，經(jīng)濟性較差。機器視覺檢測技術(shù)也可與無人機結(jié)合，即在無人機上搭載熱成像裝置及高清攝像頭，進行自動巡航并采集圖像，將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控站，以此來發(fā)現(xiàn)光伏組件存在異常熱斑情況[10]。無人機可以高效便捷地完成檢測任務(wù)，采集高清視頻圖像，便于后期數(shù)據(jù)處理與分析，最終定位熱斑組件。但無人機視覺檢測技術(shù)應用也有局限性，它過于依賴技術(shù)人員操作水平，在無人機故障或遇惡劣天氣(如大風、強降雨)情況下可能會帶來一定安全隱患。

4基于I-V曲線的熱斑檢測方法

正常的光伏組件I-V曲線應如圖2中紅線所示，而當有局部污漬或陰影遮擋、電池片損壞、電池組件損壞、旁路二極管導通等情況時，組件的I-V曲線如圖2黑線所示，會存在階梯或凹陷[11]。組件I-V曲線測試需用專業(yè)I-V測試儀在離網(wǎng)條件下進行。近幾年不少逆變器廠家開發(fā)了組件I-V曲線掃描功能，通過分析光伏組件I-V特性曲線形狀，判斷是否存在熱斑故障。華為公司、古瑞瓦特公司的逆變器集成了這個功能，帶I-V掃描的逆變器和專業(yè)組件I-V曲線測試儀相比，前者可方便快捷查找組件故障，也很經(jīng)濟。

5在線計算監(jiān)測方法

光伏陣列熱斑在線計算監(jiān)測方法是利用在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過相關(guān)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(shù)，然后利用在線數(shù)據(jù)通過一系列算法得到該參數(shù)來判斷光伏陣列的運行狀態(tài)，進而確定是否發(fā)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(lián)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(lián)電阻概念，并簡化了等效電阻的計算模型。光伏組件發(fā)生熱斑故障時其等效串聯(lián)電阻會隨之發(fā)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(huán)境溫度等運行參數(shù)來計算等效電阻，并和預設(shè)的閥值進行比較，來判斷光伏陣列是否發(fā)生熱斑故障[12]。在線計算監(jiān)測熱斑方法可以在光伏發(fā)電陣工作狀態(tài)下進行，無需中斷發(fā)電。等效串聯(lián)電阻在線計算，需預先實驗并設(shè)定熱斑故障閥值。不同種類光伏組件等效串聯(lián)電阻不一樣，同一種類光伏組件，在組合數(shù)量及組合方式不同時，其方陣或組件等效串聯(lián)電阻也不一樣。由于沒有統(tǒng)一標準，設(shè)計不同的電站都需要進行實驗才能設(shè)定熱斑故障閥值。目前，在線計算監(jiān)測技術(shù)暫無實際應用案例。

6基于旁路二極管的熱斑在線監(jiān)測方法

基于旁路二極管的熱斑監(jiān)測方法是利用旁路二極管在與其并聯(lián)的電池串出現(xiàn)故障時正向?qū)ǖ脑磉M行監(jiān)測的。

6.1旁路二極管工作原理

目前，降低熱斑效應影響的有效方式是在電池串兩端并聯(lián)一個旁路二極管來避免光照組件所產(chǎn)生的能量被問題電池片所消耗。圖3是并聯(lián)二極管減小熱斑影響的工作原理圖。正常發(fā)電時，旁路二極管反向截止；如果出現(xiàn)熱斑，問題電池片在串聯(lián)電路中相當于一個負載，且熱斑越嚴重，這一負載消耗的功率就越大。對于旁路二極管，問題電池片會產(chǎn)生一正向偏置電壓，當這個正向偏置電壓達到二極管導通電壓時，二極管正向?qū)?，問題電池片被旁路。如果熱斑故障不能及時排除，旁路二極管長時間工作，有可能發(fā)生電壓擊穿或熱擊穿現(xiàn)象。旁路二極管熱擊穿在光伏電站中越來越普遍，熱擊穿后旁路二極管的熱斑保護功能喪失，導致發(fā)電量損失，甚至是組件燒壞，帶來巨大的財產(chǎn)損失和安全危險。在線監(jiān)測旁路二極管工作狀態(tài)很有必要。

6.2旁路二極管的監(jiān)測方法

基于旁路二極管的工作特性及重要性，對旁路二極管的實時狀態(tài)監(jiān)測變得非常有意義，一般可通過監(jiān)測旁路二極管的電流、電壓、電阻或者溫度等信號來判斷其工作狀態(tài)和產(chǎn)生熱斑效應的電池片位置。陳斯等[13]基于飛思卡爾MC9S08DZ60微控制器，通過采集旁路二極管接線盒的溫度、電流、電壓等參數(shù)實現(xiàn)對旁路二極管狀態(tài)的實時采集、無線傳輸和監(jiān)測。王志強等[14]申請的實用新型專利將電阻與旁路二極管串聯(lián)連接，通過采集并分析旁路二極管和電阻之間節(jié)點的電流數(shù)據(jù)，來判斷旁路二極管是否存在反向擊穿導通。趙威等[15]申請實用新型專利，利用導熱元件和溫度傳感器測量旁路二極管溫度，并利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)控，通過與預設(shè)溫度對比，從而監(jiān)控光伏組件是否產(chǎn)生熱斑，并定位問題組件具體位置?，F(xiàn)階段旁路二極管在線監(jiān)測方法只停留在理論和實驗的研究，并未在光伏發(fā)電項目中應用。在光伏發(fā)電平價上網(wǎng)的趨勢下，光伏組件價格不斷下降，每個組件增加旁路二極管在線監(jiān)測裝置，會增加光伏組件成本，對其推廣應用有一定阻力。但此方法能較為直觀準確定位熱斑位置，對光伏發(fā)電站安全高效運行有著重要作用。

6.3旁路二極管特性

光伏組件旁路二極管反向擊穿電壓要求必須大于其所并聯(lián)電池片開路電壓之和。目前光伏組件廠商配置的旁路二極管反擊穿電壓都比較大，例如常見的72片單體電池串聯(lián)組件的接線盒中用10SQ050型肖特基二極管，其反向工作電壓為50V，遠大于電池串的開路電壓14.88V。光伏組件旁路二極管的正向?qū)妷河啥O管材料決定，硅二極管為0.5V，鍺二極管為0.1V。假設(shè)發(fā)電陣由10個光伏組件串聯(lián)組成，每塊組件并聯(lián)一個旁路二極管。正常發(fā)電時，輻照強度不變，輸出功率為Pmax，當其中一個組件存在遮擋時，輸出功率下降。遮擋越嚴重，輸出功率下降越多；而當問題組件產(chǎn)生正向偏置電壓達到其旁路二極管正向?qū)妷簳r，旁路二極管導通，輸出功率穩(wěn)定在0.9Pmax。依據(jù)此特性，基于上述假設(shè)，在戶外發(fā)電時，當組串的輸出功率下降10%時，大概率可判斷某一組件旁路二極管導通。光伏電站運維中可利用旁路二極管導通前后輸出功率的變化來進行在線監(jiān)測及熱斑定位。

7結(jié)論

光伏組件熱斑成因雖不同，但其光電特性有一定規(guī)律。通過對現(xiàn)階段光伏發(fā)電站熱斑檢測方法的介紹，歸納總結(jié)了各方法的特點和適用性?？偟膩碚f，光伏組件熱斑故障可以檢測并定位，故障可以排除或部分改善，更智能化的熱斑在線檢測及定位技術(shù)是未來發(fā)展方向。

作者：蔡潔聰 呂洪坤 朱凌云 王偉 單位：國網(wǎng)浙江省電力有限公司