對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備故障分析

陳軼

摘 要： 隨著國家大力推進(jìn)和落實(shí)“節(jié)約、清潔、安全”三大能源戰(zhàn)略方針和“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略，我國的光伏發(fā)電新增發(fā)電裝機(jī)量不斷增加，但是制約光伏發(fā)電發(fā)展的因素很多，如何做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)和故障診斷工作，延長光伏組件的使用壽命，以此維持光伏電站的正常運(yùn)行是一個(gè)非常重要的課題。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電 設(shè)備故障 光伏陳列 光伏逆變器

隨著國家大力推進(jìn)和落實(shí)“節(jié)約、清潔、安全”三大能源戰(zhàn)略方針和“節(jié)能優(yōu)先、綠色低碳、立足國內(nèi)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”四大能源發(fā)展戰(zhàn)略，我國的光伏發(fā)電新增發(fā)電裝機(jī)量不斷增加。但是制約光伏發(fā)電發(fā)展的因素很多，例如光伏電站的優(yōu)化及其運(yùn)行成本的問題。目前世界上普遍認(rèn)為各種光伏組件的平均壽命為15至25年，而影響光伏組件壽命的因素有：光伏電池效率衰減；組件脫焊；組件內(nèi)部連接帶斷裂；熱斑損壞；惡劣氣候（風(fēng)沙）破壞，這些將嚴(yán)重影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，如何做好光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)和故障診斷工作，延長光伏組件的使用壽命，以此維持光伏電站的正常運(yùn)行就顯得尤為重要。近年來光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障診斷被越來越多的專家學(xué)者關(guān)注，進(jìn)行了大量的研究工作。

大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能光伏組件（光伏陣列）、直流防雷匯流箱、直流防雷控制柜、并網(wǎng)逆變器、交流防雷配電柜及變壓器等一系列電氣設(shè)備組成。表1分析了這些主要設(shè)備的常見故障和故障診斷方法。

大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)前期一次性投入大，投資回收緩慢，特別是大型的地面光伏電站占地大，雖有規(guī)模效益但輸電成本高。因此在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮多方面因素來控制成本。例如在光伏電站投入運(yùn)行前，采用抗風(fēng)沙、自潔能力強(qiáng)、抗紫外、抗老化、耐高溫的光伏組件；要采用多機(jī)并聯(lián)方式、大型光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的控制調(diào)度策略、MPPT尋優(yōu)算法等以此實(shí)現(xiàn)成本的控制和降低。而在光伏電站投入運(yùn)行以后，對(duì)光伏電站設(shè)備良好的維護(hù)和及時(shí)的故障診斷就顯得尤為重要，只有這樣才能保證電站系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定、持續(xù)、高效地發(fā)電。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的眾多設(shè)備中，太陽能光伏組件（光伏陣列）和并網(wǎng)逆變器是核心部件，關(guān)系到電站能否正常的運(yùn)行，而據(jù)已有的研究數(shù)據(jù)表明，這兩個(gè)器件是最容易發(fā)生故障的。

1.光伏陣列故障

太陽能電池組件是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌雽?dǎo)體器件，是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。以2011年四季度青海省一個(gè)10MW的光伏電站的裝機(jī)總成本測算，其光伏組件一項(xiàng)的成本就占總成本的55%以上。對(duì)于光伏陣列而言，產(chǎn)生的故障主要來自于以下幾方面，具體故障及產(chǎn)生原因如表2所示。

（1）熱斑現(xiàn)象。在統(tǒng)一光照模式下，光伏陣列內(nèi)部各個(gè)模塊都承受正壓，工作狀態(tài)是對(duì)外輸出能量。而當(dāng)其中某一組件被陰影遮擋時(shí)，該組件的輸出特性就發(fā)生了變化。由電路原理可知，當(dāng)兩電流不等的電流源串聯(lián)時(shí)，電流大的電流源會(huì)向電流小的電流源倒灌電流。電流小的電流源接受倒灌電流，而承受反壓，其工作狀態(tài)即變?yōu)樽陨砦漳芰?。自身吸收能量所轉(zhuǎn)化的熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，就會(huì)在光伏組件上形成熱點(diǎn)，對(duì)光伏陣列造成很大的損壞，這就是所謂的熱斑現(xiàn)象。如果該被遮擋的組件承受的反壓大于某一閥值時(shí)，則會(huì)使光伏組件內(nèi)的PN結(jié)雪崩擊穿，輸出電流會(huì)呈指數(shù)曲線上升，造成光伏陣列的永久損壞。

（2）功率器件電流過大，功率器件發(fā)熱。這些一般都是由于組件在運(yùn)行過程中，由于老化等原因造成的器件內(nèi)部故障，一般發(fā)生概率較低。

（3）太陽能電池輸出電壓過低。這類故障有可能是由于光伏電池板損壞造成的，也有可能是由于光照不足造成的非故障性表現(xiàn)。

據(jù)研究數(shù)據(jù)表明，在以上幾種常見故障中，發(fā)生概率最高、產(chǎn)生危害最大的是第一種——熱斑現(xiàn)象。熱斑現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞太陽能光伏組件，有光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的部分或全部能量，都可能被遮擋的組件所消耗。而且熱斑現(xiàn)象嚴(yán)重的地方局部溫度較高，有的甚至?xí)^150℃，導(dǎo)致組件局部區(qū)域燒毀或形成暗斑、焊點(diǎn)融化、封裝塑料老化、玻璃炸裂、焊帶腐蝕等永久性損壞，給組件的安全性和可靠性造成極大的隱患。

2.光伏逆變器故障

目前的光伏研究側(cè)重以逆變器為核心的逆變器并網(wǎng)控制、MPPT算法的應(yīng)用研究。然而逆變器的核心部件IGBT在過流、過壓、元器件過熱等情況下容易發(fā)生故障，并以功率管開路和短路故障最常見。絕緣門極雙極型晶體管IGBT是MOSFET和GTR雙極型晶體管的折中器件，結(jié)構(gòu)上和MOSFET很相似，但其工作原理更接近GTR，所以IGBT相當(dāng)于是一個(gè)N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的PNP晶體管，它具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單、通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)，但是其耐過流、過壓能力差，易損壞。當(dāng)IGBT管的兩端電壓超過最大集——射極間電壓，或者其流過電流超過最大集電極電流，或是其運(yùn)行功率超過在正常工作溫度下允許的最大耗散功率，則都有可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管超過耐受極限而被擊穿或被燒毀，甚至是永久性的損壞。一旦逆變器的主電路功率開關(guān)管發(fā)生故障，光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行就會(huì)嚴(yán)重受阻，甚至使此光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能無法被輸送給用戶使用，完成與大電網(wǎng)的并網(wǎng)。

IGBT的開路和短路故障占了很大的故障比例。造成開路的原因主要有兩方面：（1）由于過流被燒毀，從而導(dǎo)致開路；（2）驅(qū)動(dòng)信號(hào)開路，這一般是由于接線不良或是驅(qū)動(dòng)不良造成的。

造成短路的原因很多，主要有以下幾方面：（1）絕緣層被破壞，從而導(dǎo)致開關(guān)管反向擊穿；（2）誤操作、驅(qū)動(dòng)指令錯(cuò)誤；（3）不足的死區(qū)時(shí)間，造成功率管產(chǎn)生轉(zhuǎn)移電流而誤導(dǎo)通。

相對(duì)于開路故障，IGBT的短路故障已有成熟的檢測方案，即可以通過硬件電路去檢測IGBT的D-S壓降，從而精確地確定故障管。而且現(xiàn)有的逆變器系統(tǒng)中，生產(chǎn)廠家都設(shè)計(jì)過流檢測和保護(hù)裝置，因此能更快地進(jìn)行故障診斷。

而IGBT的開路故障一般不會(huì)導(dǎo)致過流，但是會(huì)使逆變器輸出波形穩(wěn)態(tài)偏離工頻理想正弦波形，產(chǎn)生波形畸變。這樣會(huì)使總諧波率提高，并可能導(dǎo)致輸出電流不符合并網(wǎng)要求。若出現(xiàn)長時(shí)間的功率管開路故障，則可能造成直流側(cè)穩(wěn)壓電容被燒毀。

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