分布式光伏组件的热斑故障检测方法

分布式光伏组件的热斑故障检测方法

杨帅

（扬州大学水利与能源动力工程学院）

摘要：近年，绿色能源在世界能源消费结构中所在比例不断得到提升，尤其以太阳能的发展见著，我国的太阳能装机总量已经首屈一指。但是，随着装机密度地不断增加，太阳能电池板出现故障的几率也随之增加。热斑故障，以其高温及高破坏性，常常导致电池板快速老化，腐蚀，甚至导致火灾。因此，及时地发现并解决热斑故障成为了重点。本文针对典型的热斑故障机理，提出了一种基于瞬时扫描法的热斑检测方法，应用于分布式串联连接的光伏组件的热斑故障。从实验结果来看，该方法在检测上具有可靠性，快速性等特点。

关键词：光伏组件；热斑故障；瞬时扫描法

1研究背景

随着光伏电池板安装密度的增加，发生不确定性故障的几率也随之增加，尤以热斑故障见著。所谓热斑故障，即光伏电池板的某一部分存在发热严重的现象。造成该故障的原因可分为内因与外因，其内因可归结为制造缺陷如焊接错差，导致电池表面存在微型裂缝，断线等缺陷；另一方面，造成热斑故障的重要条件则是存在部分阴影的遮蔽。这部分阴影可以是短时的，如由于建筑物等实体的遮蔽会随着太阳光入射角度的改变而消失。但由落叶，光伏电池板周围的植被以及鸟类排泄物等造成的遮蔽，绝大多数情况则是长时间的遮蔽。在此情况下，长时间地发热，可能会导致大面积光伏电池损坏，甚至造成火灾。

2热斑成因

图1给出了含有热斑单元的等效电路图，其中，X代表了理论上外部阴影的比例；D为PN结；RHS为热斑等效并联阻抗；RSH为固有等效并联阻抗（可视为无穷大）；RS为固有等效串联阻抗（可视为0）。当热斑单元受到外部阴影遮蔽时，该单元产生的电流将变为原先的（1-X）倍。此外，根据太阳能电池板内部PN结的半导体特性，相比于正常单元自身存在的并联等效阻抗，在结晶缺陷单元的内部与表面由于电子与空穴的高结合率，引起大量反电流流经PN结。

从另一个方面考虑，也就是存在一个阻值较小的等效并联阻抗，从而提供了一条新的电流路径。为了更好地解释热斑的成因，光伏发电的主要工作状态如图2所示。假设在第一组单元中存在结晶缺陷，即存在热斑隐患。在最大功率跟踪控制下，即使在每一组单元的两边安装并联旁路二极管的前提下，仍有大部分电流会从有热斑单元的电路中流过，此时便会产生高热。因此，能够检测出热斑单元的所在并及时地更换，才能够避免造成更大的损失。

图1.热斑单元等效电路图

图2.串联连接方式下等效电路图

3检测方法及结果

实验系统的构成如下图3所示，该实验由两块电池板串联组成发电组件（各块功率50W，开路电压20V，短路电流3.35A）。

图3实验系统的构成图4各种情况下的I-V曲线

承上所言，在串联连接的组件中，不同情况下的I-V特性曲线如图4所示。

图4中，在外部阴影遮蔽的情况下，无论电池板单元中是否存有结晶缺陷，由于旁路二极管的存在，导致I-V特性曲线中出现了2个转折点，用来作为判别是否有热斑的第一个条件便是是否存在转折点；此外，同在阴影遮蔽下，有结晶缺陷和无结晶缺陷电池板的最大区别在于两个转折点间电流对电压的变化率。没有结晶缺陷的正常单元在阴影遮蔽下，其两个转折点间电流对电压的变化率接近于0。

另一方面，因为结晶缺陷导致的低阻抗提供了新的电流路径，所以其电流的变化率则为负值，这时判断是否有热斑故障的另一个条件。通过这两个条件便可以判断在串联连接的电池组中是否存在热斑故障。所以通过瞬时扫描法来扫描出实时的I-V特性曲线，作为判断热斑故障的主要依据。

图5实验结果

图5给出了实验结果，从结果上来看，根据瞬时扫描得到的I-V曲线，可以快速地准确地进行条件判断，并给出热斑故障警报信号用于判断该组件中是否存在热斑故障，进而可以利用热像仪等器件精准定位出有问题的电池板便于及时地更换，避免对光伏组件造成破坏。

4总结

本文提出了一种可以用于串联连接型光伏组件的热斑故障检测方法，该方法实时地扫描由热斑故障机理引起电流电压输出曲线，并根据其特征来判断是否有热斑故障。从实验结果来看，该方法简单可靠，能够准确地诊断热斑故障。

参考文献：

[1]K.Itako，andT.Kudoh，“StudyonHotspotofaSingle-crystalPhotovoltaicModule，”J.InstituteElectri.InstallationEngi.ofJapan，vol.34，no.2，pp.140-146，Sept.2014.