一种光伏组件故障诊断方法及装置
本发明涉及光伏发电技术领域，更具体地说，涉及一种光伏组件故障诊断方法及装置。
背景技术：
由于光伏组件安装在室外，持续暴露在恶劣的环境条件下，各种故障问题日益凸显。当光伏组件出现电流失配故障时，会导致光伏组件的输出电流降低，i-v曲线出现台阶，这严重影响了光伏组件的输出功率，并对光伏组件mppt(maximumpowerpointtracking，最大功率点跟踪)算法带来干扰，甚至可能会引发火灾、漏电等安全事故。因此，有必要对光伏组件进行电流失配故障诊断。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种光伏组件故障诊断方法及装置，以实现准确判断光伏组件是否存在电流失配故障。
一种光伏组件故障诊断方法，本光伏组件由n个结构相同的光伏子串串联构成，n≥2，每个光伏子串又由一个或多个光伏电池串联构成，每个光伏子串的两端反并联一个旁路二极管，所述方法包括：
获取光伏组件的i-v曲线；
判断所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的各点与一直线的相对位置，所述直线是由所述i-v曲线上的p1、p2点确定的直线；若各点均在所述直线上方，判定本光伏组件无电流失配故障，否则，判定本光伏组件存在电流失配故障；
其中，p1点坐标为(us,is)，
可选的，将所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的任一点pi的坐标定义为(ui，ii)，判断pi点与所述直线的相对位置，具体包括：
计算所述直线的表达式为：
b＝-kut+it
i＝ku+b
i、u分别为光伏组件的输出电流和电压；
若kui+b≤ii，判定pi点在所述直线上方；若kui+b＞ii，判定pi点在所述直线下方。
可选的，所述判定本光伏组件存在电流失配故障后，还包括：
判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型；若台阶是斜率小于阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件被阴影遮挡；若台阶是斜率不小于所述阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件出现热斑；若台阶呈现凸函数特性，判定本光伏组件表面玻璃碎裂。
可选的，所述判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型，包括：
计算p1和p3点确定的直线的斜率绝对值k1，p3和p4点确定的直线的斜率绝对值k2，以及k2与k1的比值δk；其中，p3和p4是以p1为起点，沿电压增大的方向在所述i-v曲线的台阶上依次选取的两点；
若k1≤阴影诊断阈值k1_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为阴影遮挡；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk≤玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为热斑；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk＞玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为玻璃碎裂。
可选的，所述ε＝0.1。
可选的，通过具备i-v扫描功能的优化器或具备i-v扫描功能的微型逆变器来获取光伏组件的i-v曲线。
一种光伏组件故障诊断装置，本光伏组件由n个结构相同的光伏子串串联构成，n≥2，每个光伏子串又由一个或多个光伏电池串联构成，每个光伏子串的两端反并联一个旁路二极管，所述装置包括处理器和存储器，存储在存储器中的程序单元包括获取单元和诊断单元，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能；
所述获取单元，用于获取光伏组件的i-v曲线；
所述诊断单元，用于判断所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的各点与一直线的相对位置，所述直线是由所述i-v曲线上的p1、p2点确定的直线；若各点均在所述直线上方，判定本光伏组件无电流失配故障，否则，判定本光伏组件存在电流失配故障；
其中，p1点坐标为(us,is)，
可选的，所述诊断单元具体用于将所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的任一点pi的坐标定义为(ui，ii)，然后判断pi点与所述直线的相对位置，包括：
计算所述直线的表达式为：
b＝-kut+it
i＝ku+b
i、u分别为光伏组件的输出电流和电压；
若kui+b≤ii，判定pi点在所述直线上方；若kui+b＞ii，判定pi点在所述直线下方。
可选的，所述诊断单元在判定本光伏组件存在电流失配故障后，还用于判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型；若台阶是斜率小于阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件被阴影遮挡；若台阶是斜率不小于所述阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件出现热斑；若台阶呈现凸函数特性，判定本光伏组件表面玻璃碎裂。
可选的，所述诊断单元在判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型时，具体为：
计算p1和p3点确定的直线的斜率绝对值k1，p3和p4点确定的直线的斜率绝对值k2，以及k2与k1的比值δk；其中，p3和p4是以p1为起点，沿电压增大的方向在所述i-v曲线的台阶上依次选取的两点；
若k1≤阴影诊断阈值k1_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为阴影遮挡；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk≤玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为热斑；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk＞玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为玻璃碎裂。
从上述的技术方案可以看出，当光伏组件存在电流失配故障时，由于内部光伏子串输出电流的不一致导致个别旁路二极管导通，光伏组件的i-v曲线会出现台阶，而不再是整体呈现凸函数特征，那么p1和p2两点确定的直线必然会穿过电压区间(ut，us)内的光伏组件i-v曲线，而光伏组件的i-v曲线整体呈现凸函数特征时电压区间(ut，us)内的光伏组件i-v曲线必然在p1和p2两点构成的直线上方，基于此区别，可以判断光伏组件是否存在电流失配故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种光伏组件故障诊断方法流程图；
图2为现有技术公开的一种n＝3时的光伏组件内部结构示意图；
图3为理想状况下，图2所示光伏组件内一个光伏电池的i-v曲线、一个光伏子串的i-v曲线、两个光伏子串叠加后的i-v曲线以及本光伏组件的i-v曲线示意图；
图4为当图2所示光伏组件发生电流失配故障时，本光伏组件的i-v曲线以及本光伏组件内各光伏子串的i-v曲线示意图；
图5为图2所示光伏组件内共有2个不同的光伏子串电流值时，本光伏组件的i-v曲线示意图；
图6为本发明实施例公开的又一种光伏组件故障诊断方法流程图；
图7分别为正常光伏组件的i-v曲线以及出现阴影遮挡、热斑或玻璃碎裂的光伏组件的i-v曲线示意图；
图8为p3、p4点位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例公开了一种光伏组件故障诊断方法，包括：
步骤s01：获取光伏组件的i-v曲线，之后进入步骤s12。
具体的，光伏组件的i-v曲线反映了光伏组件的输出电流i随电压v(也可写作电压u)变化的关系，该i-v曲线中表达了光伏组件的短路电流isc、开路电压voc、mppt电流和mppt电压等关键参数。
光伏组件由n个结构相同的光伏子串串联构成，n≥2，每个光伏子串又由一个或多个光伏电池串联构成，每个光伏子串的两端反并联一个旁路二极管，例如n＝3时的光伏组件内部结构如图2所示。光伏组件的i-v特性是由光伏子串的i-v特性叠加复合而成，光伏子串的i-v特性又是由光伏电池的i-v特性叠加复合而成，图3示出了理想状况下，图2所示光伏组件内一个光伏电池的i-v曲线、一个光伏子串的i-v曲线、两个光伏子串叠加后的i-v曲线以及本光伏组件的i-v曲线。
可选的，本发明实施例可通过具备i-v扫描功能的优化器或具备i-v扫描功能的微型逆变器来获取光伏组件的i-v曲线，但并不局限。
步骤s02：判断所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的各点与一直线的相对位置，所述直线是由所述i-v曲线上的p1、p2点确定的直线；若各点均在所述直线上方，进入步骤s03；若至少一个点在所述直线下方，进入步骤s04。
其中，p1点坐标为(us,is)，
步骤s03：判定本光伏组件无电流失配故障，控制结束。
步骤s04：判定本光伏组件存在电流失配故障，控制结束。
具体的，光伏组件电流失配故障，是指由于某些原因导致本光伏组件内各光伏子串输出电流不一致，所述原因例如是本光伏组件存在阴影遮挡、本光伏组件产生热斑或者本光伏组件表面玻璃碎裂等。
下面，详述电流失配故障对光伏组件i-v特性的影响，具体为：
由图3可知，光伏组件未发生电流失配故障时，其i-v曲线是单调递减的(光伏组件输出电流会随着光伏组件电压的增大而减小)，其i-v曲线呈现凸函数特征。而当光伏组件发生电流失配故障致使本光伏组件内各光伏子串输出电流不一致时，本光伏组件的i-v曲线也会相应发生变化。
以图2为例，假设光伏子串1没有被阴影遮挡，光伏子串2和光伏子串3都被阴影遮挡，且光伏子串3的遮挡程度较光伏子串2严重，那么光伏子串1、光伏子串2、光伏子串3的输出电流大小将是依次递减的，此时光组组件的i-v曲线以及各光伏子串的i-v曲线如图4所示，图4中的isc1、isc2和isc3分别为光伏子串1、2、3的短路电流。由图4可知，当光伏组件输出电流在[isc1，isc2]区间时，光伏子串1输出电流可达到该电流值，而光伏子串2输出电流和光伏子串3输出电流均达不到该电流值，所以光伏子串2和光伏子串3均会被旁路二极管旁路，只有光伏子串1工作；当光伏组件输出电流在[isc2，isc3]区间时，光伏子串1输出电流和光伏子串2输出电流都可达到该电流值，而光伏子串3输出电流达不到该电流值，所以光伏子串3被旁路二极管旁路，光伏子串1和光伏子串2工作；当光伏组件输出电流小于isc3时，三个光伏子串都能工作，三个旁路二极管都不导通。
总的来说，当光伏组件存在电流失配故障时，由于内部光伏子串输出电流的不一致导致个别旁路二极管导通，光伏组件的i-v曲线会出现台阶，而不再是整体呈现凸函数特征；光伏组件内有m个不同的光伏子串电流值时，光伏组件的i-v曲线就会相应出现m-1个台阶，而且至少有一个台阶是出现在光伏组件内部所有光伏子串全部工作时，m≥2；将光伏组件的i-v曲线划分为低压区
可选的，将所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的任一点pi的坐标定义为(ui，ii)，可以通过如下方式来判断pi点与所述直线的相对位置，具体为：
计算由p1和p2点确定的所述直线的表达式为：
b＝-kut+it
i＝ku+b
若kui+b≤ii，说明pi点在所述直线上方；若kui+b＞ii，说明pi点在所述直线下方。
其中，在确定p2点位置时，ε的大小影响检测精度，理论上ε越小检测精度越高，但是ε越小则需要进行判断的点数越多，考虑算法的快速性与简单性，选择一个优化值。一般选择ε＝0.1即可。
综上所述，当光伏组件存在电流失配故障时，由于内部光伏子串输出电流的不一致导致个别旁路二极管导通，光伏组件的i-v曲线会出现台阶，而不再是整体呈现凸函数特征，那么p1和p2两点确定的直线必然穿过电压区间(ut，us)内的光伏组件i-v曲线，而光伏组件的i-v曲线整体呈现凸函数特征时电压区间(ut，us)内的光伏组件i-v曲线必然在p1和p2两点构成的直线上方，基于此区别，可以判断光伏组件是否存在电流失配故障。
此外，基于上述任一实施例，本发明还公开了又一种光伏组件故障诊断方法，如图6所示，包括：
步骤s11：获取光伏组件的i-v曲线，之后进入步骤s12。
步骤s12：判断所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的各点与一直线的相对位置，所述直线是由所述i-v曲线上的p1、p2点确定的直线；若各点均在所述直线上方，进入步骤s13，否则，进入步骤s14；
其中，p1点坐标为(us,is)，
步骤s13：判定本光伏组件无电流失配故障，控制结束。
步骤s14：判定本光伏组件存在电流失配故障。
步骤s15：判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型；若台阶是斜率小于阴影诊断阈值的直线段，进入步骤s16；若台阶是斜率不小于所述阴影诊断阈值的直线段，进入步骤s17；若台阶呈现凸函数特性，进入步骤s18。
步骤s16：判定本光伏组件被阴影遮挡，控制结束。
步骤s17：判定本光伏组件出现热斑，控制结束。
步骤s18：判定本光伏组件表面玻璃碎裂，控制结束。
具体的，光伏组件电流失配故障会导致光伏组件的i-v曲线出现台阶，而对于不同原因导致的电流失配故障，台阶的特征不同，例如图6所示，被阴影遮挡的光伏组件的台阶近似为平坦的直线段，热斑组件的台阶为较为倾斜的直线段，玻璃碎裂组件的台阶呈现凸函数特性，基于此区别，可以解耦出阴影、热斑和玻璃碎裂三种引起电流失配故障的原因。
可选的，判断所述i-v曲线上出现的台阶是斜率小于阈值的直线段、斜率不小于所述阈值的直线段还是呈现凸函数特性，包括：
计算p1和p3点确定的直线的斜率绝对值k1，p3和p4点确定的直线的斜率绝对值k2，以及k2与k1的比值δk；其中，参见图8，p3和p4是以p1为起点，沿电压增大的方向在光伏组件的i-v曲线的台阶上依次选取的两点，p3点坐标为(us-1,is-1)，p4点坐标为(us-2,is-2)；
若k1≤阴影诊断阈值k1_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为阴影遮挡；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk≤玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为热斑；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk＞玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为玻璃碎裂。
与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种光伏组件故障诊断装置，本光伏组件由n个结构相同的光伏子串串联构成，n≥2，每个光伏子串又由一个或多个光伏电池串联构成，每个光伏子串的两端反并联一个旁路二极管，所述装置包括处理器和存储器，存储在存储器中的程序单元包括获取单元和诊断单元，由处理器执行存储在存储器中的上述程序单元来实现相应的功能；
所述获取单元，用于获取光伏组件的i-v曲线；
所述诊断单元，用于判断所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的各点与一直线的相对位置，所述直线是由所述i-v曲线上的p1、p2点确定的直线；若各点均在所述直线上方，判定本光伏组件无电流失配故障，否则，判定本光伏组件存在电流失配故障；
其中，p1点坐标为(us,is)，
可选的，所述诊断单元具体用于将所述i-v曲线上电压区间(ut，us)内的任一点pi的坐标定义为(ui，ii)，然后判断pi点与所述直线的相对位置，包括：
计算所述直线的表达式为：
b＝-kut+it
i＝ku+b
i、u分别为光伏组件的输出电流和电压；
若kui+b≤ii，判定pi点在所述直线上方；若kui+b＞ii，判定pi点在所述直线下方。
可选的，上述公开的任一种诊断单元在判定本光伏组件存在电流失配故障后，还用于判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型；若台阶是斜率小于阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件被阴影遮挡；若台阶是斜率不小于所述阴影诊断阈值的直线段，判定本光伏组件出现热斑；若台阶呈现凸函数特性，判定本光伏组件表面玻璃碎裂。
可选的，所述诊断单元在判断所述i-v曲线上出现的台阶的类型时，具体为：
计算p1和p3点确定的直线的斜率绝对值k1，p3和p4点确定的直线的斜率绝对值k2，以及k2与k1的比值δk；其中，p3和p4是以p1为起点，沿电压增大的方向在所述i-v曲线的台阶上依次选取的两点；
若k1≤阴影诊断阈值k1_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为阴影遮挡；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk≤玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为热斑；
若k1＞阴影诊断阈值k1_th并且δk＞玻璃碎裂诊断阈值δk_th，说明本光伏组件发生电流失配故障的原因为玻璃碎裂。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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