一种基于部分IV曲线的光伏故障诊断方法

本发明涉及一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，属于光伏电站故障诊断与智慧运维。

背景技术：

1、随着光伏发电的发展，光伏发电的运维技术的需求也同样随之得到强烈关注。由于运行环境、生产环境和运输等因素影响，光伏组件可能出现故障和遮挡等情况，这些情况会导致光伏组件发电量下降，造成经济损失，严重的情况甚至能引发火灾等安全问题。因此，及时的发现故障，确认故障类型，对于光伏电站的稳定性有重大意义。

2、光伏故障诊断的方法目前主要是基于电气和图像数据，其中电气数据包括光伏组件运行的电流电压和iv曲线数据，图像数据包括可见光图像、红外图像等。在电气数据中，iv曲线是包含光伏组件状态信息最多的数据之一，相较于其他电气数据，通过iv曲线数据能更准确的诊断出大部分故障。

3、基于iv曲线的光伏故障诊断方法已被提出较多，大多具有较高的准确性，但是由于目前大多数的光伏电站为传统的集中式逆变器的光伏电站，无法对于单个组件或组串进行检测，同时扫描完整的iv曲线需要光伏组件与其他光伏组件断开连接，导致发电量的剧烈波动影响发电效率，所以在集中式逆变器的光伏电站中由于iv曲线获取难的现状，基于iv曲线的光伏故障诊断方法应用较少。

4、但随着微型逆变器的发展，其成本逐渐降低，微型逆变器的应用逐渐增加。微型逆变器能对光伏电站进行组件级别的电气监测，实现对于光伏组件的iv曲线扫描，解决了集中式逆变器对于光伏组件iv曲线扫描困难的问题，所以在采用微型逆变器的光伏电站使用iv曲线来进行故障诊断具有较好的应用前景。但是需要断开光伏组件之间连接的问题依然没有得到解决，因此如何在不断开组件之间连接的情况下获取光伏组件iv曲线，实现光伏组件的故障诊断，是需要考虑的问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于解决现有技术中存在的不足，从光伏电站故障诊断的角度，结合微型逆变器，对光伏组件进行部分iv曲线扫描，提供一种不用断开光伏组件连接的基于部分iv曲线的光伏组件故障诊断方法。

2、技术方案：本发明的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，包括以下步骤：

3、s1：准备开始扫描iv曲线，并记录扫描开始时的时间、太阳辐照度、组件背板温度数据；

4、s2：根据光伏组件信息和环境信息计算需要扫描的iv曲线范围；

5、s3：根据计算出的iv曲线范围扫描光伏组件的iv曲线，并记录扫描完成后的时间、太阳辐照度、组件背板温度数据；

6、s4：根据扫描前后的环境参数变化情况判断扫描到的iv曲线是否可用，环境参数变化较大的弃用；

7、s5：计算被扫描组件的理论iv曲线；

8、s6：基于扫描到的iv曲线、理论iv曲线环境数据，进行该组件故障检测和故障分类。

9、进一步的，所述步骤s2中，需要扫描的iv曲线范围需要满足一定约束条件。从图2可以看出，iv曲线是一条单调递减的曲线，可以用电压值来约束扫描范围的下界，用电流值来约束扫描范围的上界。下界的电压取值为max(v/n,2)，其中v为光伏组件扫描前在mppt算法下输出的电压值，n为光伏组件的旁路二极管的数量，2为电压可取的最小值，可以根据光伏组件的规格来调整。上界的电流取值为βi，其中β为系数，一般建议设为0.3，i为光伏组件扫描前在mppt算法下输出的电流值。综上，iv曲线扫描范围为电压大于max(v/n,2)，电流大于βi的部分。

10、进一步的，所述步骤s3中，部分iv曲线的扫描通过微型逆变器来完成。逆变器首先把光伏组件的输出电压调整为s2中计算出的下界，然后开始记录数据，并逐渐增大电压，直到电流超出约束条件为止。

11、进一步的，所述步骤s4中，由于iv曲线对辐照度较为敏感，因此用辐照度的变化来判断扫描期间环境的稳定程度，辐照度变化大于10w/m2的数据弃用。

12、进一步的，所述步骤s5中，一般采用单二极管模型来描述光伏组件，通过模型可得到光伏组件的理想曲线。单二极管模型的参数可通过最大功率点、开路电压点和短路电流点来确定。扫描时光伏组件的最大功率点、开路电压点和短路电流点可通过测量到的环境参数得到：

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15、其中，isc,ref、voc,ref、impp,ref、vmpp,ref、αi和αv分别为光伏组件的短路电流点电流、开路电压点电压、最大功率点的电流电压、电流的温度系数和电压的温度系数，这些参数都是光伏组件厂家提供。其他参数，isc为当前情况下光伏组件的短路电流，voc为当前情况下光伏组件的开路电压，impp和vmpp为当前情况下光伏组件的最大功率点电流电压，tref为标准温度，值为25℃，n0为标准情况下二极管理想因子，t为光伏组件的电池片温度，k为波尔茨曼常数，q为元电荷量。

16、进一步的，在上述步骤s6中，把采集到的部分iv曲线进行滤波，并把滤波后的曲线通过插值变为长度为n的按电压值均匀分布的曲线，同时把理论iv曲线与之对齐。

17、进一步的，在上述步骤s6中，采用resnet的方法来实现故障诊断。因为resnet能较好的解决梯度爆炸问题，同时网络中的卷积能自动的提取曲线中的特征值，最终达到一个很好的效果。

18、有益效果：本发明一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，基于微型逆变器扫描部分iv曲线，结合光伏组件的模型等先验知识，利用resnet神经网络提取曲线特征实现光伏组件的故障识别和定位。该方法采用微型逆变器实现了组件级的数据采集，同时只扫描部分区间的iv曲线，避开短路电流点和开路电压点，实现了在不断开组件连接的iv曲线扫描，减少了iv曲线扫描带来的电能损失和波动。该方法可用于光伏电站的智慧运维。

技术特征：

1.一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s2中，利用光伏组件iv曲线特性，用电压值来约束扫描范围的下界，用电流值来约束扫描范围的上界；下界的电压取值为max(v/n,2)，其中v为光伏组件扫描前在mppt算法下输出的电压值，n为光伏组件的旁路二极管的数量，2为电压可取的最小值；上界的电流取值为βi，其中β为系数，设为0.3，i为光伏组件扫描前在mppt算法下输出的电流值；iv曲线扫描范围为电压大于max(v/n,2)，电流大于βi的部分。

3.根据权利要求2所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s3中，光伏组件的部分iv曲线通过微型逆变器调整光伏组件输出电压来完成；逆变器首先把光伏组件的输出电压调整为步骤s2中计算出的下界，然后开始记录数据，并逐渐增大电压，直到电流超出约束条件为止。

4.根据权利要求1所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s4中，用辐照度的变化来判断扫描期间环境的稳定程度，辐照度变化大于10w/m2的数据弃用。

5.根据权利要求1所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s5中，采用单二极管模型来描述光伏组件，通过模型得到光伏组件的理想曲线；单二极管模型的参数通过最大功率点、开路电压点和短路电流点来确定；扫描时光伏组件的最大功率点、开路电压点和短路电流点通过测量到的环境参数得到：

6.根据权利要求1所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s6中，把采集到的部分iv曲线进行滤波，并把滤波后的曲线通过插值变为长度为n的按电压值均匀分布的曲线，同时把理论iv曲线与之对齐。

7.根据权利要求1所述的一种基于部分iv曲线的光伏故障诊断方法，其特征在于：所述步骤s6中，选择resnet来实现光伏组件的故障诊断。

技术总结
本发明公开了一种基于部分IV曲线的光伏故障诊断方法。该方法利用微型逆变器能采集组件级电气数据的特性，开发了一种不用断开光伏组件之间连接的基于部分IV曲线的光伏故障诊断方法，包括以下步骤：在IV曲线扫描之前，记录扫描开始时的时间、太阳辐照度、组件背板温度数据；根据光伏组件信息和环境信息计算需要扫描的IV曲线范围；根据计算出的IV曲线范围扫描光伏组件的IV曲线，并记录扫描完成后的时间、太阳辐照度、组件背板温度数据；根据扫描前后的环境参数变化情况判断扫描到的IV曲线是否可用，环境参数变化较大的弃用；计算被扫描组件的理论IV曲线；基于扫描到的IV曲线、理论IV曲线环境数据，进行该组件故障检测和故障分类。

技术研发人员：张侃健,文嘉豪,魏海坤,张金霞,方仕雄
受保护的技术使用者：东南大学深圳研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14