摘要:局部遮荫是光伏发电系统中普遍存在的现象, 会造成阵列失配和热斑效应, 不仅会影响光伏发电系统的输出功率, 还会造成安全和可靠性问题。提出了一种光伏阵列的连接方式: CTCT结构(complex-total-cross-tied array), 在保持输出功率不变的情况下, 监测发电系统的工作状态。配合一定数量的电流传感器, 可以确定发生热斑现象的光伏电池板的位置。文中还推导了光伏电池板总数N、分辨度L和电流传感器数量X三者之间关系公式。在光伏电池板的数量已知的条件下, 通过合理选择分辨度的大小, 确定电流传感器的需要数量, 最终达到用尽可能少的电流传感器来检测出发生热斑现象的光伏电池板的位置。
       1 引言
       太阳能(也称光伏)电站大多是由数以百计、千计的光伏电池板组成的。光伏电站工作的稳定性和输出功率与光伏阵列是相关的, 甚至与每一块光伏电池板的工作状态相关。如何对庞大的光伏阵列进行监测和故障诊断是维持光伏电站正常工作的首要问题。
       目前, 光伏阵列的主要问题是热斑现象。所谓的热斑现象就是光伏电池板中部分光伏电池单体由于长时间被遮挡, 导致其产生的电流小于其他没被遮挡的光伏电池单体产生的电流, 根据基尔霍夫电压定律, 这些被遮挡的光伏电池单体会带负电压, 成为电路中的负载, 并以热量形式消耗其他正常工作的光伏电池单体产生的功率, 这种热量的长时间积累会损坏光伏电池板的封装材料, 甚至破坏光伏电池板的物理结构, 并将造成永久损坏[1] 。
       国际上公认的避免热斑现象的方法是为光伏电池单体并联反向旁路二极管, 如果某部分光伏电池单体被遮挡而带上负压, 则旁路二极管导通, 此部分光伏电池单体被短路, 避免了光伏电池板物理结构的损坏。 尽管使用旁路二极管可延长光伏电池板的寿命, 但会引起其他的问题。例如, 一般旁路二极管都跨接几个光伏电池单体或整个电池板, 其中某些光伏电池单体被遮荫发生热斑现象, 一旦旁路二极管导通, 会将跨接的所有光伏电池单体旁路掉, 造成较大的输出功率降低。同时旁路二极管也会消耗一部分功率。
       目前检测热斑现象常用的方法是基于红外图像分析。发生热斑现象的光伏电池单体表面温度与正常工作的光伏电池单体表面温度差异十分明显, 导致两者产生的红外图像差异也是十分明显, 通过对红外图像的处理与分析, 可以提取可能的热斑现象故障区域及区域的特征信息, 从而能够实现对光伏电池单体工作状态正常与否进行识别。然而此种方法存在一些缺陷, 如不能区分温度相差不明显的状态; 实时性差, 故障检测的精度和效率取决于检测设备(红外热像仪)的等级, 不易实现在线故障分析和报警等等。在目前阶段, 此方法的检测精度和效率相对较低。
       2 光伏阵列连接方式
       光伏阵列的连接方式不同, 热斑现象造成的影响是有区别的。目前光伏阵列的连接方式主要有以下四种: 1)并联结构; 2)串联结构; 3)SP结构; 4)TCT结构。
       2.1 并联结构
       如图1所示, 光伏电池单体PV1, PV2, ……, PVn并联连接。
       输出电流等于光伏电池单体的电流总和:

       按照此种连接方式, 部分光伏电池单体发生热斑现象不会影响其他光伏电池单体的功率输出。因此, 在被遮荫情况下, 这是影响最小的光伏阵列连接方式。然而其输出电压非常低(0.5 V左右), 不适合储能发电。