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光伏发电系统的设备故障分析

发布时间:2016-8-2 16:24:22

制约光伏发电发展的因素很多,例如光伏电站的优化及其运行成本的问题。目前世界上普遍认为各种光伏组件的平均寿命为15至25年,而影响光伏组件寿命的因素有:光伏电池效率衰减;组件脱焊;组件内部连接带断裂;热斑损坏;恶劣气候(风沙)破坏,这些将严重影响光伏发电系统的工作效率和系统的稳定性。因此,如何做好光伏发电系统的维护和故障诊断工作,延长光伏组件的使用寿命,以此维持光伏电站的正常运行就显得尤为重要。近年来光伏发电系统的故障诊断被越来越多的专家学者关注,进行了大量的研究工作。

大型光伏并网发电系统主要由太阳能光伏组件(光伏阵列)、直流防雷汇流箱、直流防雷控制柜、并网逆变器、交流防雷配电柜及变压器等一系列电气设备组成。

在光伏并网发电系统的众多设备中,太阳能光伏组件(光伏阵列)和并网逆变器是核心部件,关系到电站能否正常的运行,而据已有的研究数据表明,这两个器件是最容易发生故障的。

光伏阵列故障

太阳能电池组件是将太阳能转变为电能的半导体器件,是光伏并网发电系统的核心组成部分。

(1)热斑现象。在统一光照模式下,光伏阵列内部各个模块都承受正压,工作状态是对外输出能量。而当其中某一组件被阴影遮挡时,该组件的输出特性就发生了变化。由电路原理可知,当两电流不等的电流源串联时,电流大的电流源会向电流小的电流源倒灌电流。电流小的电流源接受倒灌电流,而承受反压,其工作状态即变为自身吸收能量。自身吸收能量所转化的热量不能及时散发掉,就会在光伏组件上形成热点,对光伏阵列造成很大的损坏,这就是所谓的热斑现象。如果该被遮挡的组件承受的反压大于某一阀值时,则会使光伏组件内的PN结雪崩击穿,输出电流会呈指数曲线上升,造成光伏阵列的永久损坏。

(2)功率器件电流过大,功率器件发热。这些一般都是由于组件在运行过程中,由于老化等原因造成的器件内部故障,一般发生概率较低。

(3)太阳能电池输出电压过低。这类故障有可能是由于光伏电池板损坏造成的,也有可能是由于光照不足造成的非故障性表现。

据研究数据表明,在以上几种常见故障中,发生概率最高、产生危害最大的是第一种――热斑现象。热斑现象会严重损坏太阳能光伏组件,有光照的太阳能电池组件所产生的部分或全部能量,都可能被遮挡的组件所消耗。而且热斑现象严重的地方局部温度较高,有的甚至会超过150℃,导致组件局部区域烧毁或形成暗斑、焊点融化、封装塑料老化、玻璃炸裂、焊带腐蚀等永久性损坏,给组件的安全性和可靠性造成极大的隐患。

光伏逆变器故障

目前的光伏研究侧重以逆变器为核心的逆变器并网控制、MPPT算法的应用研究。然而逆变器的核心部件IGBT在过流、过压、元器件过热等情况下容易发生故障,并以功率管开路和短路故障最常见。绝缘门极双极型晶体管IGBT是MOSFET和GTR双极型晶体管的折中器件,结构上和MOSFET很相似,但其工作原理更接近GTR,所以IGBT相当于是一个N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管,它具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单、通态电压低、耐压高的优点,但是其耐过流、过压能力差,易损坏。当IGBT管的两端电压超过最大集――射极间电压,或者其流过电流超过最大集电极电流,或是其运行功率超过在正常工作温度下允许的最大耗散功率,则都有可能会导致开关管超过耐受极限而被击穿或被烧毁,甚至是永久性的损坏。一旦逆变器的主电路功率开关管发生故障,光伏发电系统的正常运行就会严重受阻,甚至使此光伏发电系统产生的电能无法被输送给用户使用,完成与大电网的并网。

IGBT的开路和短路故障占了很大的故障比例。造成开路的原因主要有两方面:

(1)由于过流被烧毁,从而导致开路;

(2)驱动信号开路,这一般是由于接线不良或是驱动不良造成的。

造成短路的原因很多,主要有以下几方面:

(1)绝缘层被破坏,从而导致开关管反向击穿;

(2)误操作、驱动指令错误;

(3)不足的死区时间,造成功率管产生转移电流而误导通。

相对于开路故障,IGBT的短路故障已有成熟的检测方案,即可以通过硬件电路去检测IGBT的D-S压降,从而精确地确定故障管。而且现有的逆变器系统中,生产厂家都设计过流检测和保护装置,因此能更快地进行故障诊断。

而IGBT的开路故障一般不会导致过流,但是会使逆变器输出波形稳态偏离工频理想正弦波形,产生波形畸变。这样会使总谐波率提高,并可能导致输出电流不符合并网要求。若出现长时间的功率管开路故障,则可能造成直流侧稳压电容被烧毁。


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