光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法与流程

本发明涉及光伏电站领域，尤其涉及光伏电站状态评估和故障检测领域，具体是指一种光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法。

背景技术：

化石能源的日渐枯竭使能源危机不断加深，同时化石能源的燃烧也使得温室气体逐年增多，近来在各国努力下达成了温室气体减排协议约束化石能源的使用。我国是发展中国家，能源需求量大，同时我国又是国际上负责任的大国，也应该带头减排。这种矛盾的解决只能依赖于大力发展清洁能源。

光伏发电技术将太阳能直接转换成电能，不排放温室气体，对环境友好，同时随着成本的逐年下降，现已成为继风力发电之后的又一商业潜力巨大的清洁能源。我国在光伏发电装机总量和年新增装机容量上连续多年居世界第一，光伏发电技术已成为我国重点发展技术之一。

由于光伏电站所处自然环境恶劣，尤其是沙漠地带，空气质量差，年降雨量少，光伏组件表面长期放置于户外积累大量灰尘污垢，大大影响了光伏电池吸收阳光能力，进而使得光伏电站发电效率大大降低，给业主带来较大经济损失。为应对这一问题，许多厂家提出了不同的解决方案。

传统解决方法有定期巡视和基于数据的监控分析两种。定期巡视方法需要依靠维护人员现场观察测试，成本较大，且光伏电站所处的恶劣环境对相关工作人员身体会造成损害；同时积尘降低光伏电站效率的本质原因是光伏组件表面透光率下降，组件吸收的光照减少，与阴影等暂态故障有类似特征，基于数据的分析监控难以分辨。因此需要一种新型的评估方法准确采集现场辐照信号，并利用监控平台数据分析排除其他干扰，以全面客观的评估电站积尘状态，并向提示维护人员及时清洗。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的问题，本发明提出了一种能够通过温度修正将温度影响排除在外、对积尘的评估精确到组件级别的光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法。

本发明的光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法具体如下：

该光伏电站积尘状态评估监测系统，包括基准光伏组件、信号采集模块、辐照传感器、玻璃、传输模块和监控平台，其主要特点是，所述的基准光伏组件与所述的信号采集模块互相连接，所述的辐照传感器安装于所述的玻璃上，所述的传输模块分别通过信号采集模块与所述的基准光伏组件以及所述的辐照传感器相连接，所述的光伏电站包括组串，所述的监控平台监控该光伏电站，并获取所述的组串的信息。

较佳地，所述的基准光伏组件与一DC/DC变换器相连接，所述的信号采集模块和所述的传输块之间还连接有一信号处理模块，所述的组串包括组件，所述的基准光伏组件的型号参数与所述的光伏电站中的组件相同，所述的辐照传感器包括第一辐照传感器和第二辐照传感器，且所述的第一辐照传感器和第二辐照传感器的型号与参数一致，所述的第一辐照传感器安装在所述的玻璃的上表面，所述的第二辐照传感器安装在所述的玻璃的下表面，所述的玻璃为一透明玻璃，且所述的透明玻璃的尺寸和透光率与所述的组件表面的透明玻璃相同，所述的传输模块为无线传输模块。

该基于以上所述的系统实现光伏电站积尘状态评估监测的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)所述的信号采集模块以一定频率采集该基准光伏组件经过所述的DC/DC变换器输出的工作电压、工作电流和所述的辐照传感器检测到的辐照信号；

(2)所述的信号处理模块以一定频率接收所述的信号采集模块采集到的工作电压、工作电流和辐照信号，并处理其所接收到的工作电压、工作电流以及辐照信号获取相应的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据，且该信号处理模块将所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据发送给所述的传输模块；

(3)所述的传输模块将其接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据发送给所述的监控平台；

(4)所述的监控平台处理并存储其所接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据，并根据所得电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据以及该监控平台所获取的所述的组串的信息计算所述的组串的积尘损失率η，并根据所述的组串的积尘损失率判断是否需要报警，如果需要，则所述的监控平台发出警报信息；否则所述的监控平台继续监控。

较佳地，所述的步骤(2)中的信息处理模块对其接收到的工作电压、工作电流以及辐照信号的处理具体为：

所述的信息处理模块对其接收到的工作电压、工作电流和辐照信号进行滤波处理，且该信息处理模块对滤波处理后的工作电压、工作电流以及辐照信号每5分钟取一次平均值以获取所述的电压处理数据、电流处理数据及辐照处理数据。

较佳地，所述的辐照传感器包括第一辐照传感器和第二辐照传感器，且

所述的第一辐照传感器和第二辐照传感器的型号和参数一致，所述的第一辐照传感器检测到的辐照信号经所述的信号采集模块采集及所述的信号处理模块处理后得第一辐照处理数据，所述的第二辐照传感器检测到的辐照信号经所述的信号采集模块采集及所述的信号处理模块处理后得第二辐照处理数据，且

所述的步骤(4)中所述的监控平台对其接收到的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据处理的具体步骤为：

(4.1)所述的监控平台将其接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据存储到一第一数组L，该第一数组L中的元素L(i,v)中的i为所述的电流处理数据，v为所述的电压处理数据，且所述的监控平台存储所述的第一辐照处理数据和所述的第二辐照处理数据；

(4.2)所述的监控平台将所述的第一数组L中的元素L(i,v)中的电流处理数据和电压处理数据校正到所述的第一辐照处理数据的辐照和25℃的温度条件下，并将所得的校正后的电流处理数据和校正后的电压处理数据存储到一第二数组L_n，其中所述的第二数组中的元素L_n(i,v)中的i为校正后的电流处理数据，v为校正后的电压处理数据；

(4.3)所述的监控平台将所述的组串的工作电压与该组串中包括的组件个数相除，以得到所述的组串中的组件的平均工作电压；

(4.4)所述的监控平台在所述的第一数组L中查找与所述的步骤(4.2)中所得的平均工作电压最相近的点L(i₁,v₁)，并在所述的第二数组L_n中找到与该最相近的点L(i₁,v₁)对应的点L_n(i₂,v₂)；

(4.5)所述的监控平台计算所述的光伏电站中的组串的实际功率p₁，并通过点L_n(i₂,v₂)对应的校正后电流处理数据、对应的校正后电压处理数据和所述的组串中的组件个数三者相乘以获取所述的组串在排除温度干扰且无积尘情况下的应发功率p₂；

(4.6)所述的监控平台计算所述的组串的积尘损失率η为：

较佳地，所述的步骤(4)中根据所述的组串的积尘损失率判断是否需要发出警报信息具体为：

判断所述的组串的积尘损失率是否大于一阈值，若大于该阈值，则所述的监控平台发送警报信息以提示维护人员对所述的组串进行清洗，且清洗完所述的待清洗的组串后清洗所述的基准光伏组件；否则所述的监控平台继续监控；所述的阈值预先设置为4％。

较佳地，所述的基准光伏组件连接所述的DC/DC变换器用以使该基准光伏组件的工作电压和工作电流变化，所述的信号采集模块采集该基准光伏组件变化的工作电流和工作电压。

较佳地，所述的信号采集模块的采样频率为100Hz，且所述的信号处理模块的接收频率为0.2Hz。

较佳地，所述的传输模块为无线传输模块，其可通过WiFi、2G、3G和4G传输协议进行无线传输。

采用该种结构的光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法，由于其使用一DC/DC变换器使所述基准光伏组件输出不同的工作电压和工作电流，并由此在监控平台生成该基准光伏组件的第一数组L，该第一数组的元素L(i,v)中的i为电流处理数据，v为电压处理数据，且该监控平台根据玻璃上表面的辐照值测得的无积尘时的光强，对第一数组L进行校正，获取该基准光伏组件在无积尘、25℃时的第二数组L_n，其中第二数组的元素L_n(i,v)中的i为校正后的电流处理数据，v为校正后的电压处理数据，而后通过所述的监控平台获取该光伏电站的实际组串的工作电流、工作电压，并将该组串的工作电压除以该组串中包括的组件个数，获得每个组件的平均工作电压，并在所述的第一数组L中找到接近该平均工作电压的L(i₁,v₁)，且在所述的第二数组L_n中找到与L(i₁,v₁)对应的L_n(i₂,v₂)，用第二数组L_n中该点L_n(i₂,v₂)对应的校正后的电流处理数据和校正后的电压处理数据计算该组串中的组件在无积尘、排除温度干扰的情况下的应发功率，该应发功率与该组串中的组件个数相乘，即可得所述的组串的应发功率，结合该监控平台测得的实际功率可求取该光伏电站的组串的积尘损失率，并判断该积尘损失率是否超过系统允许的阈值，以判断是否发出警报。该系统能够评估积尘导致的功率损失，同时该评估方案通过温度修正将温度影响也排除在外，该方案对积尘的评估精确到组件级别，因此，本发明提出的积尘评估系统具有客观、精确、全面的特点。

附图说明

图1为本发明的光伏电站积尘状态评估监测系统的系统结构图。

图2为本发明的光伏电站积尘状态评估监测系统的透明玻璃及辐照度传感器位置示意图。

图3为本发明的光伏电站积尘状态评估监测系统的DC/DC变换器的载波波形和调制波波形。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，该光伏电站积尘状态评估监测系统，包括基准光伏组件、信号采集模块、辐照传感器、玻璃、传输模块和监控平台，其主要特点是，所述的基准光伏组件与所述的信号采集模块互相连接，所述的辐照传感器安装于所述的玻璃上，所述的传输模块分别通过信号采集模块与所述的基准光伏组件以及所述的辐照传感器相连接，所述的光伏电站包括组串，所述的监控平台监控该光伏电站，并获取所述的组串的信息。

所述的基准光伏组件与一DC/DC变换器相连接，所述的信号采集模块和所述的传输块之间还连接有一信号处理模块，所述的组串包括组件，所述的基准光伏组件的型号参数与所述的光伏电站中的组件相同，所述的辐照传感器包括第一辐照传感器和第二辐照传感器，且所述的第一辐照传感器和第二辐照传感器的型号与参数一致，所述的第一辐照传感器安装在所述的玻璃的上表面，所述的第二辐照传感器安装在所述的玻璃的下表面，所述的玻璃为一透明玻璃，且所述的透明玻璃的尺寸和透光率与所述的组件表面的透明玻璃相同，所述的传输模块为无线传输模块。

该基于上述的系统实现光伏电站积尘状态评估监测的方法，包括以下步骤：

(1)所述的信号采集模块以一定频率采集该基准光伏组件经过所述的DC/DC变换器输出的工作电压、工作电流和所述的辐照传感器检测到的辐照信号；

(2)所述的信号处理模块以一定频率接收所述的信号采集模块采集到的工作电压、工作电流和辐照信号，并处理其所接收到的工作电压、工作电流以及辐照信号获取相应的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据，且该信号处理模块将所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据发送给所述的传输模块，且所述的信号处理模块对所得的工作电压、工作电流和辐照信号的处理具体为：

所述的信息处理模块对其接收到的工作电压、工作电流和辐照信号进行滤波处理，且该信息处理模块对滤波处理后的工作电压、工作电流以及辐照信号每5分钟取一次平均值以获取所述的电压处理数据、电流处理数据及辐照处理数据。

(3)所述的传输模块将其接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据发送给所述的监控平台；

(4)所述的监控平台处理并存储其所接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据，并根据所得电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据以及该监控平台所获取的所述的组串的信息计算所述的组串的积尘损失率η，并根据所述的组串的积尘损失率判断是否需要报警，如果需要，则所述的监控平台发出警报信息；否则所述的监控平台继续监控；

其中，所述的第一辐照传感器和第二辐照传感器的型号和参数一致，所述的第一辐照传感器检测到的辐照信号经所述的信号采集模块采集及所述的信号处理模块处理后得第一辐照处理数据，所述的第二辐照传感器检测到的辐照信号经所述的信号采集模块采集及所述的信号处理模块处理后得第二辐照处理数据，

且所述的监控平台对其接收到的电压处理数据、电流处理数据和辐照处理数据处理的具体步骤为：

(4.1)所述的监控平台将其接收到的所述的电压处理数据、电流处理数据存储到一第一数组L，该第一数组L中的元素L(i,v)中的i为所述的电流处理数据，v为所述的电压处理数据，且所述的监控平台存储所述的第一辐照处理数据和所述的第二辐照处理数据；

(4.2)所述的监控平台将所述的第一数组L中的元素L(i,v)中的电流处理数据和电压处理数据校正到所述的第一辐照处理数据的辐照和25℃的温度条件下，并将所得的校正后的电流处理数据和校正后的电压处理数据存储到一第二数组L_n，其中所述的第二数组中的元素L_n(i,v)中的i为校正后的电流处理数据，v为校正后的电压处理数据；

(4.3)所述的监控平台将所述的组串的工作电压与该组串中包括的组件个数相除，以得到所述的组串中的组件的平均工作电压；

(4.4)所述的监控平台在所述的第一数组L中查找与所述的步骤(4.2)中所得的平均工作电压最相近的点L(i₁,v₁)，并在所述的第二数组L_n中找到与该最相近的点L(i₁,v₁)对应的点L_n(i₂,v₂)；

(4.5)所述的监控平台计算所述的组串的实际功率p₁，并通过点L_n(i₂,v₂)对应的校正后电流处理数据、对应的校正后电压处理数据和所述的组串中的组件个数三者相乘以获取所述的组串在排除温度干扰且无积尘情况下的应发功率p₂；

(4.6)所述的监控平台按以下公式计算所述的光伏电站中的组串的积尘损失率η：

其中所述的p₁为所述的组串的实际功率，所述的p₂为所述的组串在排除温度干扰且无积尘情况下的应发功率，所述的η为该组串的积尘损失率；

所述的步骤(4)中根据积尘损失率判断是否需要发出警报信息具体为：

判断所述的组串的积尘损失率是否大于一阈值，若大于该阈值，则所述的监控平台发送警报信息以提示维护人员对所述的组串进行清洗，且清洗完所述的待清洗的组串后清洗所述的基准光伏组件；否则所述的监控平台继续监控；所述的阈值预先设置为4％。

所述的基准光伏组件连接所述的DC/DC变换器用以使该基准光伏组件的工作电压和工作电流变化，所述的信号采集模块采集该基准光伏组件变化的工作电流和工作电压。

在一种较佳的实施例中，所述的信号采集模块的采样频率为100Hz，且所述的信号处理模块的接收频率为0.2Hz，且所述的传输模块为无线传输模块，其可通过WiFi、2G、3G和4G传输协议进行无线传输。

在一种具体的实施例中，请参阅图1，本发明包括：基准光伏组件、电压、电流传感器、DC/DC变换器、信号采集模块、信号处理模块、无线传输模块、辐照度传感器、透明玻璃、远程监控平台以及相应的支撑设备如支架、网线等。其中，基准光伏组件与该光伏电站中的组件的型号、厂家均一致，透明玻璃的上下表面辐照传感器型号、参数也相同，透明玻璃尺寸应与光伏组件相同，且透明玻璃的透光率等参数须与光伏电站的组件表面透明玻璃一致，远程监控平台负责监控电站实时运行情况，各组件电流、环境温度、逆变器发电功率均为已知参数。

若电站中采用多种型号的组件，则应为每一种型号的组件设置一块基准光伏组件以及配套使用的电压、电流传感器、DC/DC变换器、信号采集模块、信号处理模块和无线传输模块。

请参阅图3，在一种具体的实施例中，所述的DC/DC变换器的调制信号为上下削平的三角波，频率为0.1Hz，载波为三角波，频率为1000Hz；每半个调制周期，该DC/DC变换器电流可从零到基准光伏组件短路电流之间变化，即完成一次基准光伏组件I-V曲线扫描，该I-V曲线经信号采样模块、信号处理模块穿给所述的监控平台后，由所述的监控平台存储于第一数组L。

信号采集模块负责对基准光伏组件工作电流、工作电压进行采样，采样频率为100Hz，由于DC/DC变换器每5秒内完成一次基准光伏组件I-V曲线的扫描，所以该信号采集模块也在5秒内完成一次I-V曲线的采样，并分别将工作电压、工作电流保存于v和i中；取5分钟内平均值得v_ave和i_ave，并传给无线传输模块。

无线传输模块接收信号处理模块传递的5分钟内平均值得v_ave和i_ave，并将其传送到监控平台。

请参阅图2，两个辐照传感器分别安装在透明玻璃的上表面和下表面，且该透明玻璃上表面辐照传感器测得辐照值记为s_u，透明玻璃的下表面传感器测得辐照值记为s_d，取5分钟平均值分别记为s_uave和s_dave传送到监控平台。

监控平台将基准光伏组件的I-V曲线存储到第一数组L，并校正到透明玻璃上表面安装的辐照传感器采集的辐照信号由信号采集模块采集和信号处理模块处理后的光照s_uaveW/m²和25℃温度下，得到第二数组L_n。

监控平台查找所述的组串工作电流和工作电压，以工作电压除以该组串中组件的个数，得到组串中每个组件的平均工作电压，再据此在第一数组L中寻找最近点，记为L(i₁,v₁)；在第二数组L_n中找到L(i₁,v₁)修正后的点，记为L_n(i₂,v₂)。

监控平台计算组件实际功率p₁，并用L_n(i₂,v₂)点的校正后电流处理数据与校正后电压处理数据相乘，再乘以组件个数即得到排除温度干扰，无积尘情况下的应发功率p₂。

监控平台计算所述的组串的积尘损失率当损耗率超过4％时该监控平台发出警报提示维护人员进行清洗。

维护人员在清洗完所有待清洗组串后，再清洗基准光伏组件。

采用该种结构的光伏电站积尘状态评估监测系统及其方法，由于其使用一DC/DC变换器使所述基准光伏组件输出不同的工作电压和工作电流，并由此在监控平台生成该基准光伏组件的第一数组L，该第一数组的元素L(i,v)中的i为电流处理数据，v为电压处理数据，且该监控平台根据透明玻璃上表面的辐照值测得的无积尘时的光强，对第一数组L进行校正，获取该基准光伏组件在无积尘、25℃时的第二数组L_n，其中第二数组的元素L_n(i,v)中的i为校正后的电流处理数据，v为校正后的电压处理数据，而后通过所述的监控平台获取该光伏电站的实际组串的工作电流、工作电压，并将该组串的工作电压除以该组串中包括的组件个数，获得每个组件的平均工作电压，并在所述的第一数组L中找到接近该平均工作电压的L(i₁,v₁)，且在所述的第二数组L_n中找到与L(i₁,v₁)对应的L_n(i₂,v₂)，用第二数组L_n中该点L_n(i₂,v₂)对应的校正后的电流处理数据和校正后的电压处理数据计算该组串中的组件在无积尘、排除温度干扰的情况下的应发功率，该应发功率与该组串中的组件个数相乘，即可得所述的组串的应发功率，结合该监控平台测得的实际功率可求取该光伏电站的组串的积尘损失率，并判断该积尘损失率是否超过系统允许的阈值，以判断是否发出警报。该系统能够评估积尘导致的功率损失，同时该评估方案通过温度修正将温度影响也排除在外，该方案对积尘的评估精确到组件级别，因此，本发明提出的积尘评估系统具有客观、精确、全面的特点。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。