基于光伏组串I- V特性的并联失配检测

刘庆超，王树尧，杨　雨（.华电电力科学研究院，浙江杭州30030；.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000）



基于光伏组串I- V特性的并联失配检测

刘庆超1，王树尧2，杨雨1
（1.华电电力科学研究院，浙江杭州310030；2.新疆华电苦水风电有限责任公司，新疆哈密839000）

摘要：在光伏电站检测中，针对由于现场功率测试误差，导致的并联失配分析结果与实际情况偏差过大的问题，提出了基于组串I-V特性叠加的分析方法，大幅提高了分析的准确性；并将该方法应用于在线监测，在此基础上提出了一种故障判别和并联失配优化的有效方法，提高电站的管理水平。

关键词：光伏检测；并联失配；I-V特性；在线分析

0　引言

近年来，我国光伏发电得到了飞速发展，然而在产业欣欣向荣的背后，是生产厂家的鱼龙混杂和设备质量的不可控，目前全国光伏电站不断显现组件热斑、隐裂、串/并联失配、逆变器效率低下等问题，质量问题堪忧。因此开展光伏现场检测，不但能使业主了解电站运行状况，采取有效的优化措施，还能对问题设备及时追责，避免损失，对光伏电站质量控制具有重要意义。

并联失配损失是光伏检测的一项必备测试，它是指组串并联到汇流箱时，由于各组串电压不一致造成的汇流箱功率损失的现象[1]。对并联失配的分析建立在对光伏组串或方阵的功率测试基础之上。然而，由于现场测试辐照度、温度、云遮挡、测试设备精度、修正公式准确度等多方面影响，功率测试存在一定的误差不可避免[2]。而在现有并联失配的分析方法中，由于在组串和汇流箱两级均采用实测值进行分析，其误差的积累，对只有1%～2%的并联失配结果而言，影响可能是致命的。该测试环节的另一种处理方法是用“组串电压一致性分析”来代替“并联失配损失分析”[3，4]，通过分析组串间的电压差异，对问题给与一定的解释，避免直接计算损失值，但该种方法没有涉及到业主最关心的电量损失，对问题的描述含混不清。

本文提出一种基于光伏组串I-V特性的并联失配分析方法，通过组串I-V特性曲线叠加，求取汇流箱的最大功率，避免了在组串和汇流箱两级均采用实测值引起的误差放大效果，提高了分析结果的准确性；将上述思路应用于在线监测，使在线的并联失配分析成为可能，并为在线故障诊断和并联失配优化提供了新手段。

1　现行并联失配测试方法问题分析

现行分析组串到汇流箱并联失配的方法为：

式中 Δloss—并联失配损失，%；

n——汇流箱中的组串数量，条；

PCi—组串i的最大STC功率，W；

PH—汇流箱的最大STC功率，W。此方法在理论上具有可行性，然而在实际运用中往往难以保证测试结果的准确性，原因如下：

（1）由于汇流箱功率较大，缺乏能够直接测量其功率的测试设备，现场往往通过直接测量其工作电压、工作电流，来求取修正功率。这种方法假设汇流箱已经工作于最佳工作点，然而在运行中，该工作点实际还包含了汇流箱到逆变器的并联失配，以及MPPT的偏离损失，导致测得功率偏小，失配损失偏大；另外此方法测得结果与其他测试环节存在交叉重叠，重复计入了MPPT偏离损失和逆变器级的并联失配，不利于电站效率的分析。

（2）由于在测试组串、汇流箱过程中采用了不同的测试设备，测试过程中往往难以保证精度的匹配，即使二者精度相同，误差的正负特性也必然存在一定差异，进而对失配结果的分析产生一定的负面影响。

（3）计及现场测试误差，组串和汇流箱两级均采用实测数据，则并联失配损失可表示为：

或

式中 Δ′loss—考虑测试误差的并联失配损失，%；

δC—各组串测量误差，%；

δ′C—所有组串平均加权误差，%；

δH—汇流箱的测量误差，%。

对上式做进一步变换：

结合式（1），并考虑到PH≈∑PC、1+δ′C≈1，得到：

由于现场光照强度、光照波动、温度、设备精度、修正公式准确度等条件的限制，功率的测量误差可达1% ～2%；而目前国家标准规定组串并联失配损失最高不超过2%，也就是说，Δloss、δ′C、δH属于同一数量级，用该方法分析并联失配损失将导致极大的误差，甚至会带来错误的结果。

2　基于组串I-V特性的并联失配分析

2.1方法说明及可行性分析

光伏组串并联失配产生的根本原因在于，由于各组串的P-V特性中，最大功率点对应的电压不同，并联后无法同时工作于最佳工作点，从而导致了汇流箱最大功率小于各组串最大功率之和，如图1所示。

本文从并联失配产生的机理出发，将汇流箱中所有组串的P-V特性曲线以电压轴为参考轴（组串并联电压相等）进行叠加，得到汇流箱P-V特性曲线，如图1 中PV3。该方法通过理论计算，避免了在测试汇流箱功率过程中，再次引入误差，在该方法下，汇流箱的最大功率可表示为：

式中 PHmax—汇流箱最大功率，W；

wi—汇流箱最大功率点处各组串并联失配系数，

计及现场测试误差，则并联失配损失可表示为：

式中w′i为考虑测量误差后最佳工作点对应的并联失配系数。由于测量误差较小，认为其不会改变汇流箱的最佳工作点，因此w′i≈wi。

另外，考虑到1+δCi≈1，得：

由此可见，本方法将各组串的P-V特性相叠加，通过理论计算的方式给出了汇流箱的功率，公式推导证明，其值能够与组串测量误差联动，从而保证了并联失配分析的准确性。

2.2算例分析

针对某由4条组串组成的汇流箱进行并联失配分析，假设现场测试过程中各次测试的误差相对独立，其值随机生成，见表1。

表1　现场各环节测试误差

分别采用现行的并联失配算法和本文的分析方法进行分析，失配损失结果见表2，由本文算法叠加得到的汇流箱P-V曲线如图2所示。

由计算结果可以看到，由于测试误差的影响，现行方法分析结果与实际的并联失配值偏差165%，结果不具有参考价值；而本文提出的算法仍能保持相当高的精度，仅有-0.43%，具有实用价值。

表2　计算结果

3　基于I-V特性扫描的并联失配在线分析

近年来，智能光伏电站在我国取得了快速发展，光伏发电作为一种新兴的发电形式，理应紧跟这一潮流[5，6]，尽可能地利用现有在线监测系统中一切控制手段和分析方法，实现电站性能评估、优化运维和故障诊断等功能。

借由MPPT的电压扫描功能，并采用第2节中并联失配的分析方法，可实现在线的并联失配分析。对于采用集中式逆变器的光伏电站而言，MPPT一般位于整合于逆变器之中，其作用是，通过调节光伏方阵电压，来改变其工作点，从而实现最大功率最终点追踪的目的。

在日常运维中，可以充分利用MPPT电路的调压能力，以逆变器为单位，定期进行方阵工作点的扫描。具体方法是：在某一光照条件较好的时段内，利用MPPT调压，从某一较低值开始，逐步提高方阵的工作电压，直到整个方阵出力接近于零，同时记录汇流箱内母排电压和各组串电流的变化情况，用以绘制组串的I-V特性曲线，随后即可按照第2节所述方式分析组串到汇流箱的并联失配损失。

在分析并联失配的基础上，还可以利用I-V或P-V特性，发现电站中工作电压或开路电压明显偏低的组串，从而建议排查问题组件，或通过串间调换组件优化并联失配。相比于目前电站常用的，靠静态比较各组串工作电流大小来猜测问题的方式，本方法结合了完整的I-V特性分析和并联失配评估，对组串的信息掌握更加全面，有助于大幅提高运维效率。

4　结语

在光伏电站检测中，针对由于现场测试误差，导致的并联失配分析结果与实际情况偏差过大的问题，本文提出了基于组串I-V特性叠加的分析方法：

（1）本方法将各组串的P-V特性相叠加，通过理论计算而非实测的方式给出了汇流箱的功率，公式推导和算例证明，其值能够与组串测量误差联动，避免现有分析方法中组串和汇流箱两级误差导致的并联失配分析结果偏差过大问题，保证了分析的准确性。

（2）本方法基于对组串的动态扫描和叠加，适用于光伏在线监测系统，有利于实现在线的并联失配分析和问题诊断优化，有利于提高电站的运行管理水平。

（3）本文主要介绍光伏组串到汇流箱的并联失配分析方法，事实上，此方法同样适用于组件—组串串联失配、汇流箱—逆变器并联失配的分析，并且能够大幅提高分析的准确性，具有良好的实用价值。

参考文献：

[1]刘素梅.光伏方阵失配现象研究[D].汕头：汕头大学，2008.

[2]丁金磊.太阳电池IV方程显式求解原理研究及应用[D].合肥：中国科学技术大学，2007.

[3]宋菁，徐青山，祁建华，等.光伏电池运行失配模式及特性分析[J].电力系统及其自动化学报，2010，22（6）：119～123.

[4]卞海红，徐青山，高山.考虑随机阴影影响的光伏阵列失配运行特性[J].电工技术学报，2010，25（6）：104～109.

[5]王丰，吴新科，卓放.嵌入式智能光伏模块的最大功率输出统一控制[J].中国电机工程学报，2013，33（21）：81～89.

[6]谢德平.国外人工智能光伏发电系统的研究[J].轻工科技，2012，22 （2）：65，66.

修回日期：2016-01-26

Parallel Mismatch Test Based on PV String’s I-V Characteristics

LIU Qing-chao1，WANG Shu-yao2，YANG Yu1
（1. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2. Xinjiang Huadian Kushui Wind Power Co.，Ltd，Hami 839000，China）

Abstract：In theprocess ofPV power plant test，to solve the problem of excessive deviation between the parallel mismatchtest result andthe actual situation，due to the measurement error，this paper proposes an analysis method based on I-V characteristicssuperposition，whichsubstantially improves the accuracy of the analysis. The method above makes it possibleto analyze parallel mismatchonline. And then an effective method of fault identification and parallel mismatch optimization isproposed，which is helpful to improving the management level of thePV power plant.

Key words：PV power plant test；parallel mismatch；I-V characteristics；online analysis

收稿日期：2015-12-07

作者简介：刘庆超（1983-），男，河北石家庄人，硕士，工程师，化学专责，研究方向：新能源规划及光伏发电检测。

中图分类号：TM615

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0026-04

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.006