一種基于光電隔離和頻率檢測的光伏板故障檢測方法

海 濤，上官雅婷，陸劍鋒，王 鈞，張?zhí)鞁?/p>

（1.廣西大學電氣工程學院，廣西壯族自治區(qū)南寧 530004；2.廣西中煙工業(yè)有限責任公司，廣西壯族自治區(qū)南寧 530004；3.華藍設(shè)計（集團）有限公司，廣西壯族自治區(qū)南寧 530004）

0 引言

為了達成“碳中和、碳達峰”的目標，應充分利用我國分布廣泛的沙漠和沙漠化土地資源。這些地區(qū)日照時間長，太陽輻射強度大，非常適合光伏發(fā)電。然而，沙漠地區(qū)的復雜環(huán)境可能導致光伏板在運行中出現(xiàn)多種故障如線間故障、接地故障、開路故障、短路故障、異常老化和熱斑故障等現(xiàn)象，進而影響光伏電站的發(fā)電效率與安全運行[1-4]。其中熱斑現(xiàn)象是光伏陣列最常見故障，被遮擋的光伏電池將成為電路中的負載消耗功率，長時間積累會導致光伏電池板的物理結(jié)構(gòu)損壞[5-7]。

沙漠地區(qū)地理位置偏遠且環(huán)境惡劣，檢修人員難以長期在現(xiàn)場檢測光伏組件故障，因此，采用可靠的故障檢測方法至關(guān)重要。容易出現(xiàn)故障的其他場景也同樣需要進行檢測，確保高效運行。

光伏陣列常見的故障檢測方法有物理檢測法、能量損失法、I-V 曲線法、時序電壓電流法4 類，這些方法各有其側(cè)重點及缺點[8-10]。文獻[11]利用光伏陣列的紅外成像圖在不同工作狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的溫度變化，確定光伏陣列是否存在熱斑，該方法需要使用特定的儀器，成本高。文獻[12]通過分析處于不同狀態(tài)下光伏陣列的輸出電壓、電流和功率理論值與實際值的關(guān)系，得出了判斷陣列是否故障的故障診斷閾值，該方法依賴模型的準確性，隨著光伏陣列不斷老化，仿真模型會出現(xiàn)偏差，準確率下降。文獻[13]提出基于L-M 算法的反向傳播（Back Propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，采用I-V曲線的性能參數(shù)作為輸入來實現(xiàn)故障檢測，但I-V曲線更新速度較慢，無法進行實時故障檢測。文獻[14]使用動態(tài)時間規(guī)整算法計算電流在時間序列上的相似性，能夠識別短路故障，但時序電壓電流的變化十分復雜，存在許多難點。

本文根據(jù)光電隔離與RC 振蕩電路的特性，設(shè)計了一種不影響光伏板正常運行并檢測發(fā)電系統(tǒng)工作狀態(tài)是否存在故障的方法。該檢測方法具有電路構(gòu)造簡單、成本低廉、頻率不易受到干擾、頻率信號可遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，能夠及時發(fā)現(xiàn)光伏板的故障。除了在沙漠使用外，該方法還可以廣泛應用于其他光伏板易出現(xiàn)故障的場所。在光伏陣列中，通過可編邏輯陣列將多路檢測頻率數(shù)據(jù)輸入單片機，通過單片機將數(shù)據(jù)傳到云平臺進行處理，即可實現(xiàn)沙漠光伏故障信息的遠距離傳輸。

1 故障檢測電路設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

影響光伏電池輸出特性的因素主要有溫度、太陽光照強度、串聯(lián)電阻和旁路電阻的大小等[15]，其中最主要的影響因素是溫度和太陽光照強度。太陽光照強度表示太陽輻射能量的強弱，當光伏組件其他參數(shù)不變時，其輸出電流和輻射強度成正比。

因此，光伏板發(fā)電量/功率的變化可以體現(xiàn)為光照強度的變化，即光伏板產(chǎn)生電流發(fā)生的變化。仿真模型中通過改變電流大小來體現(xiàn)太陽光照強度的變化，模擬光伏板故障。

處于相同光照強度的正常光伏板應當具有相同的發(fā)電特性，因此其頻率應當是一致的（在一個合理的范圍內(nèi)波動）。若出現(xiàn)頻率不一致的情況，發(fā)電特性變差則可推斷光伏板存在問題。

具體故障檢測原理如圖1 所示。電路中調(diào)節(jié)回路電流越大，通過光電隔離發(fā)光二極管電流越大，光敏三極管電阻變小，RC 振蕩回路輸出頻率越大，即輸出頻率越大，太陽光照強度越大，存在的故障問題越??；反之，RC 振蕩回路輸出頻率越小，太陽光照強度越小，存在的故障概率越大，光伏板可能有問題。

圖1 檢測原理框圖Fig.1 Block diagram of detection schematic

光伏板故障檢測系統(tǒng)的工作過程是將光伏板電參數(shù)通過檢測模塊轉(zhuǎn)化成頻率，再檢測每列光伏板的每個故障檢測裝置的頻率值。對得到的頻率結(jié)果進行處理，若實際值的負方向相對偏差較大，可判斷有故障，該故障板位置亦確定；反之無故障。

1.2 電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1.2.1 光電耦合及RC振蕩電路

由于光伏陣列中光伏組件數(shù)量眾多，必須進行隔離以確保檢測的穩(wěn)定性，因此采用了光電耦合器件PC817。其輸入端接收電信號后，通過發(fā)光器件將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，再由光敏器件進行接收，使光敏三極管導通[16-17]。使用時選擇一致性較好的器件。

利用RC 振蕩電路將輸入信號調(diào)制為頻率信號，頻率信號能遠距離傳輸。雙非門RC 振蕩器原理如圖2 所示。其中，f為振蕩電路頻率；RS為用于穩(wěn)定振蕩的電阻，Rf為用于控制輸出頻率的電阻；C為電容。

圖2 RC振蕩器Fig.2 RC oscillator

該RC 振蕩電路的振蕩周期為[18]：

式中：T為振蕩電路振蕩周期。

頻率公式為：

輸出振蕩頻率f與電路中電阻Rf和電容C有關(guān)，適當減小電容C，輸出頻率增加，有利于提高檢測的靈敏度，減少誤差[19]。

1.2.2 含光電隔離的RC振蕩電路設(shè)計

含光電隔離的RC 振蕩電路如圖3 所示。其中，RC為限流電阻，防止電流過大導致光電耦合器中的發(fā)光二極管損壞；ID為光伏板流經(jīng)光電隔離電流；D1為二極管；Rx為光電隔離中光敏三極管等效電阻，R1為穩(wěn)定震蕩頻率的電阻；R2為控制振蕩頻率的電阻；N1，N2為非門；C1為電容。

圖3 含光電隔離的RC振蕩電路圖Fig.3 RC oscillation circuit diagram with optoelectronic isolation

將光電隔離副邊（光敏三極管）與RC 振蕩電路的R2并聯(lián)，適當調(diào)整電路參數(shù)，使光電隔離處于線性區(qū)，改變ID，就導致RX變化，使得振蕩電路電阻Rf改變，參數(shù)f也隨之變化。振蕩頻率f的變化反映了光伏板所受輻照度的變化。含光電隔離的RC 振蕩電路測得的輸出波形如圖4 所示，其中U為波形電壓。

圖4 輸出頻率波形Fig.4 Output frequency waveform

此時由于RX單向變化明顯，反方向變化小，二者充放電時間不一致，導致波形占空比不對稱（超過90%），不穩(wěn)定且存在毛刺，線性度差，測量范圍窄，該電路可調(diào)節(jié)性差。

1.2.3 電路結(jié)構(gòu)的改進

本文實驗的電路有3 種改進方法。

方法1：電路如圖5（a）所示，增加電阻R3，消除毛刺，可測頻率范圍為404～2 317 Hz，占空比有所改善，波形稍有改進仍不理想。

圖5 方法1電路及其效果Fig.5 Method 1 circuit and its effect

方法2：電路如圖6（a），在電路中添加二極管D2，使調(diào)節(jié)頻率范圍稍寬且較為穩(wěn)定，電阻R4為限流電阻。此時，頻率的輸出范圍為664～2 525 Hz。但電路的輸出波形占空比仍不夠理想。

圖6 方法2電路及其效果Fig.6 Method 2 circuit and its effect

方法3：圖7（a）是在圖5（a）的基礎(chǔ)上采用了雙光電隔離模塊的故障檢測電路，Rx1和Rx2為2 個光電隔離的光敏三極管等效電阻。改進后的光電隔離檢測模塊具有對稱性，輸出頻率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)范圍寬，達到了533～6 304 Hz。實驗結(jié)果顯示，波形占空比約為50%，較為滿意。因此，選擇方法3 作為最終故障檢測電路，提高檢測模塊的可靠性及綜合性能。

圖7 方法3電路及其效果Fig.7 Method 3 circuit and its effect

3 種方法波形占空比對比見表1。由表1 可知，方法1 無論在頻率高時還是頻率低時，其占空比都不理想。相較而言，方法3 在頻率低時與方法2 表現(xiàn)較接近，但隨著頻率的升高，方法2 的占空比增加，偏離理想狀態(tài)。方法3 具有更寬的頻率變化范圍，其波形符合要求。

表1 3種方法波形占空比Table 1 Waveform duty cycles of three methods %

2 基于故障檢測電路的光伏板故障檢測方法

2.1 主拓撲結(jié)構(gòu)的故障檢測方法

檢測電路應用拓撲結(jié)構(gòu)如圖8 所示，此時故障檢測模塊A數(shù)量與光伏板個數(shù)一一對應。其中故障檢測模塊A的結(jié)構(gòu)為方法3 的電路，該拓撲結(jié)構(gòu)精度高但使用檢測模塊較多，接線復雜。①，②，③分別為光伏串列的第1 個、第2 個和第3 個光伏板，下同。

圖8 光伏板故障檢測主電路圖Fig.8 Main circuit diagram of photovoltaic panel fault detection

為了便于研究，引入相對偏差用于測定光伏板輸出頻率結(jié)果對光伏串列輸出頻率平均值的偏離程度。以串并聯(lián)（Series-Parallel，SP）結(jié)構(gòu)[20]排列的任一列光伏板為例，基于圖8 的拓撲結(jié)構(gòu)裝有m個故障檢測模塊A，則：

式中：f′為光伏板檢測模塊輸出頻率為光伏串列中光伏板檢測模塊的平均頻率；α為光伏板檢測模塊頻率的相對偏差；i為光伏串列中光伏板對應的故障檢測模塊為第i個模塊。

根據(jù)測算結(jié)果，光伏板的工作狀態(tài)定義為4 種情況，如表2 所示。表2 中數(shù)字“1”表示相對偏差結(jié)果為非負值，“0”表示相對偏差結(jié)果為負值。

表2 串聯(lián)光伏板工作狀態(tài)表Table 2 Series photovoltaic panels working status table

2.2 應用其他拓撲形式的故障檢測方法

由于故障檢測模塊A具有穩(wěn)定的輸入輸出關(guān)系，可以同時檢測多個光伏板。當故障檢測模塊用于檢測串聯(lián)的s塊光伏板時，可根據(jù)光伏板數(shù)量s調(diào)整故障檢測模塊的限流電阻RC，將其調(diào)整為原來參數(shù)的s倍。在光伏板輸入相同電流的情況下，經(jīng)過調(diào)整后的故障檢測模塊B的輸出頻率與單個光伏板實驗結(jié)果基本一致。因此，可以使用故障檢測模塊B同時檢測多個光伏板的故障情況，而無需增加故障檢測模塊，減少線路復雜性。

當故障檢測模塊B檢測到故障時，將故障精確到與該模塊并聯(lián)的s塊光伏板，只需利用發(fā)光二極管指示效果來確定具體的故障光伏板[21]，降低了檢測故障的成本。具體電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖9 所示，④為光伏串列的第4 個光伏板。為避免發(fā)光二極管過流損壞，電路中設(shè)置了限流電阻R，使通過發(fā)光二極管電流不超過1 mA。

圖9 同時檢測多個光伏板的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.9 Topology Structure to simultaneously detect multiple photovoltaic panels

光伏匯流箱可同時接入多路太陽能光伏組件陣列，具有對電流、電壓進行實時監(jiān)測的功能[22-23]。可以通過匯流箱電參數(shù)快速判斷光伏陣列中存在故障的光伏串列，再由本文的檢測模塊確定故障板位置；若匯流箱電參數(shù)顯示光伏組件工作正常，而故障檢測模塊顯示光伏板存在故障，則故障檢測模塊可能出現(xiàn)故障。

2.3 故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

針對沙漠等偏遠地區(qū)現(xiàn)場條件惡劣，光伏板易出現(xiàn)故障、人工無法長期實時檢修等問題，設(shè)計了以物聯(lián)網(wǎng)云平臺為主體框架，以LoRa 為主要通信技術(shù)的光伏故障檢測系統(tǒng)，通過在云端部署服務即可遠距離接收故障檢測信息，達到了降低現(xiàn)場硬件成本及人工成本，避免因故障帶來的損失的問題[24-25]。

故障檢測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、匯聚節(jié)點與云平臺3 部分組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點與匯聚節(jié)點的主控單元采用STM32，具80 個I/O 口，主頻最高為72MHz，其性價比較高，外設(shè)資源豐富，可拓展性較強。微控制器（Microcontroller Unit，MCU）通過UART 串口與LoRa、通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）模塊通信。該故障檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖10 所示。

圖10 故障檢測系統(tǒng)整體框架Fig.10 Overall framework of fault detection system

光伏組件數(shù)量眾多，假如微控制器直接與故障檢測模塊的輸出端口相連，那么將占用大量微控制器端口，利用由數(shù)字量控制的數(shù)據(jù)選擇器可把多個通道的數(shù)據(jù)傳送到唯一的輸出端，可以減少單片機所需輸入端口。數(shù)據(jù)選擇器具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、門延遲小等優(yōu)點。

以4 選1 數(shù)據(jù)選擇器為例，說明其工作原理[18]，通過給定的地址代碼A0A1，即可從4 個輸入數(shù)據(jù)D0～D3中選出所要的1 個，并送至輸出端Y。其內(nèi)部邏輯函數(shù)表達式為:

式中：為低電平有效的數(shù)據(jù)使能端。

無線通訊LoRa 是基于SX1278 芯片開發(fā)的無線數(shù)傳模塊，直接與單片機連接，負責接收來自數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)由單片機通過串行外設(shè)接口將數(shù)據(jù)通過SX1278 無線模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點。采用LoRa 調(diào)制方式能顯著提高通信距離，具有低功耗、抗干擾性強、安全可靠的特點。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點與LoRa 網(wǎng)關(guān)之間通信采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低開發(fā)維護成本，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，從而實現(xiàn)光伏電站的數(shù)據(jù)采集。檢測模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過LoRa 網(wǎng)關(guān)與GPRS 模塊組成的匯聚節(jié)點上傳至云平臺進行分析處理。

故障檢測模塊輸出頻率信號，通過數(shù)據(jù)選擇器輸入至主控單元STM32，單片機將數(shù)據(jù)通過SX1278 無線模塊傳至匯聚節(jié)點，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。GPRS 模塊把數(shù)據(jù)上傳至服務器，最后在云平臺實時顯示，將實時數(shù)據(jù)推送到用戶端，實現(xiàn)光伏板故障的遠程檢測。同時，使用GPRS 模塊對各個節(jié)點快速定位，實現(xiàn)節(jié)點管理。

由于大型光伏電站多數(shù)情況地處偏遠地區(qū)，維護人員很難對電站現(xiàn)場進行故障檢測。服務器在分析數(shù)據(jù)采集節(jié)點所采集的信息后若判斷光伏板工作出現(xiàn)故障，便可發(fā)布待檢修信息，維護人員收到相關(guān)數(shù)據(jù)后再前往現(xiàn)場檢修。

3 實驗驗證

在Proteus 搭建方法3 雙光電隔離檢測電路進行仿真實驗，調(diào)節(jié)ID，測量f。圖11 為頻率/電流曲線圖。

圖11 振蕩頻率和光伏板電流的關(guān)系Fig.11 The relationship between oscillation frequency and photovoltaic panel current

從圖11 可知f與ID之間存在非線性關(guān)系。隨著ID的增加，在一定電流范圍內(nèi)頻率呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢，電流超出（0，2]范圍則呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象，頻率不再增長。

為了驗證故障檢測電路的實際效果，選擇相應元器件搭建方法3 的故障檢測電路進行實驗驗證。本文電路選擇光電隔離模塊PC817、非門74HC04 等，搭建的實驗方案接線示意圖如圖12（a）所示。實驗結(jié)果如圖12（b）—圖12（d）所示。

圖12 實驗方案及結(jié)果Fig.12 Protocols and results

當光伏板正常運行時，故障檢測模塊輸出頻率約為1.5kHz；當使用書本遮擋光伏板時，光伏板接收的光照強度下降，通過光電隔離回路電流減少，輸出頻率明顯下降，約為800Hz，當光伏板開路時，輸出頻率僅為210.2Hz。顯然，當光照強度變化時，輸出頻率有變化，故障時頻率明顯小于正常狀態(tài)，驗證了本電路的可行性。

從圖11 可知，方法3 電路在應用時要選取頻率變化較大的區(qū)域，因此選取ID∈（0，1]進行分析，基于圖8 的拓撲結(jié)構(gòu)進行實驗得到的故障光伏板①與正常光伏板②，③之間的電流與頻率相對偏差關(guān)系見圖13，其中，樣本為ID不同時對應所得的實驗數(shù)據(jù)。

圖13 相對偏差測定光伏板故障實驗結(jié)果Fig.13 Relative deviation of photovoltaic panel failure experimental results

從圖13（a）可知，故障光伏板輸出頻率的相對偏差均為負值，正常光伏板輸出頻率的相對偏差為非負數(shù)；由圖13（b）可知，隨著故障光伏板故障程度的加劇，其電流輸出越小。

采用本文算法進行故障檢測時，故障光伏板的輸出頻率相對偏差為負值，且故障程度越嚴重（即光伏板產(chǎn)生電流越小時）其偏離零點的負方向越明顯。因此，可以通過光伏板輸出頻率的相對偏差值來判斷光伏板是否存在故障。

通過圖8 拓撲結(jié)構(gòu)及相對偏差值判斷的方法可用于判斷光伏陣列中的光伏板故障。檢測單個光伏板是否存在故障的判斷方法為：若在一般日照時間10：00—16:00 內(nèi)單個光伏板測得頻率小于1 000 Hz，可以認定光伏板故障。

4 結(jié)語

本文提出一種新型的光伏陣列故障檢測方法，采用光電隔離將電流信號轉(zhuǎn)化為阻值信號，控制RC 振蕩頻率。在光伏陣列中，通過配備一定數(shù)量的檢測模塊，依次檢測每個模塊的頻率參數(shù)，計算其相對偏差即可快速確定故障的光伏板。

利用1 個故障檢測模塊來檢測多個光伏板，當發(fā)生故障時，可快速確定故障板的范圍，再通過發(fā)光二極管來確定故障具體位置。

本文所提方法簡單可靠，適用范圍廣，可用于各種室內(nèi)外光伏陣列故障檢測，有一定應用價值。同時設(shè)計了一套以物聯(lián)網(wǎng)云平臺為主體框架，以LoRa為主要通信技術(shù)的光伏故障檢測系統(tǒng)，通過將數(shù)據(jù)上傳至云端進行數(shù)據(jù)處理和分析，及時發(fā)現(xiàn)故障并進行維護，為保障光伏陣列的正常運行提供方便。