对光伏发电系统的设备故障分析

陈轶

摘 要： 随着国家大力推进和落实“节约、清洁、安全”三大能源战略方针和“节能优先、绿色低碳、立足国内、创新驱动”四大能源发展战略，我国的光伏发电新增发电装机量不断增加，但是制约光伏发电发展的因素很多，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是一个非常重要的课题。

关键词： 光伏发电 设备故障 光伏陈列 光伏逆变器

随着国家大力推进和落实“节约、清洁、安全”三大能源战略方针和“节能优先、绿色低碳、立足国内、创新驱动”四大能源发展战略，我国的光伏发电新增发电装机量不断增加。但是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。表1分析了这些主要设备的常见故障和故障诊断方法。

大型光伏并网发电系统前期一次性投入大，投资回收缓慢，特别是大型的地面光伏电站占地大，虽有规模效益但输电成本高。因此在设计时就要考虑多方面因素来控制成本。例如在光伏电站投入运行前，采用抗风沙、自洁能力强、抗紫外、抗老化、耐高温的光伏组件；要采用多机并联方式、大型光伏并网逆变器系统的控制调度策略、MPPT寻优算法等以此实现成本的控制和降低。而在光伏电站投入运行以后，对光伏电站设备良好的维护和及时的故障诊断就显得尤为重要，只有这样才能保证电站系统设备稳定、持续、高效地发电。

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。

1.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。以2011年四季度青海省一个10MW的光伏电站的装机总成本测算，其光伏组件一项的成本就占总成本的55%以上。对于光伏阵列而言，产生的故障主要来自于以下几方面，具体故障及产生原因如表2所示。

（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。

2.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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