一种大型光伏阵列中电池面板的故障检测定位系统的制作方法

本发明涉及光伏发电技术领域，涉及一种大型光伏阵列中电池面板的故障检测定位系统，尤其涉及一种对故障太阳能面板检测并定位的系统结构及方法。

背景技术：

随着石化能源日益紧缺，太阳能光伏发电已经成为越来越重要的能源替代选项。现有技术公开了光伏阵列是光伏发电系统的核心组成部分，它由若干块串并联的光伏电池面板组成。在生产和使用过程中，由于光伏电池面板所处户外环境以及数量庞大，常常出现故障且得不到及时替换，导致光伏阵列发电效率受到严重影响。因此如何方便地监控光伏阵列的发电情况，并对故障面板进行及时检测定位，是提高电站运行效率的关键问题。

目前，现有技术的光伏发电系统故障检测方法尚存在下述局限性：如，

一种类别是基于红外图像检测法，中国专利(申请号201310605759.8)公布了一种利用红外热像仪进行太阳能板缺陷检测的装置，利用可传动的框架与遮光板构成红外热像检测空间，可判断一块光伏电板上故障位置与故障类型。该类方法存在的问题是：装置架设困难，对温度相差不明显的状态区分困难，且实时性差，不易实现在线故障诊断和报警等；

另一种类别是基于高频信号注入的时域反射法(光伏阵列故障诊断方法综述，电力电子技术，2013年3月，第47卷第3期)，其原理是向光伏电池板中注入高频信号，然后检测它的反射信号，根据反射信号的不同变化来进行光伏阵列的故障检测和定位。该方法不具有实时性，并且对设备要求较高，诊断精度有限；

另一种类别是基于传感器的故障诊断方法以及对此作出的各种改进，该类别 方法能在一定程度上实现在线的故障诊断和定位；其中，中国专利(申请号201310737368.1)公布了一种针对光伏面板组串的电流电压检测故障的装置，该装置能实时测量，但是只能对不同组串进行故障分析，无法定位到故障面板，这对于大型光伏电站来讲仍然需要耗费很大的人工成本进行面板检测，且人工测量的数据在保存、后期处理和分析等方面非常不便利；其中，中国专利(申请号201080001447.0)公布了一种太阳能发电系统的故障检测方法，该方法中，对每一个太阳能电池模块的电流值或每一个太阳能电池串的电流值以及整个太阳能发电系统的总电流值进行测量，并经过计算判断故障。该方法存在所需电流传感器太多、成本太高的问题；其中，中国专利(申请号201010251723.0)提出一种可以节省传感器数量的方法，将电池板先并联成一层，再串联形成若干层(tct结构)，利用了各层传感器电流最大值检测出电池板是否有故障。然而，目前光伏发电站的结构都是以先串联再并联(serial-parallel,sp结构)为主，因此该专利(申请号201010251723.0)这一结构需要改变原有的主流光伏阵列连接方式，在实际应用中缺乏兼容性和经济性；其中，中国专利(申请号201210015861.8)提出一种针对主流的sp结构面板阵列的可以节省传感器数量的方法，在每串m个电板、检测精度为l的情况下，可以将传感器数量降到m/l，但是该方法有较明显的不足：每串电池板所需的传感器数量仍然较多，如果需要高分辨率，那么传感器数量仍然跟电池面板数量持平；而且该方法中每个传感器的测量电压范围都不相同，为传感器的选型带来麻烦；同时该方法对于传感器的放置位置有特殊要求，给电站安装带来复杂性。

基于现有技术的现状，本申请的发明人拟针对主流面板阵列结构提出一种能在线实时监测、传感器数量少、电学检测精度高、易于安装和实现的光伏面板故障检测系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提供一种实时检测光伏阵列面板故障的系统，具体涉及一种大型光伏阵列中电池面板的故障检测定位系统，尤其涉及一种对故障太阳能面板检测并定位的系统结构及方法。本发明可以准确 定位到某一块故障光伏电板，并且能够将传感器的数量降到最低，且易于在现有电站中实现和安装。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案：

本发明提供了一种大型光伏阵列中电池面板的故障检测定位系统，其包括第一种光伏面板故障检测定位系统，第二种光伏面板故障检测定位系统，和/或第三种光伏面板故障检测定位系统。

具体的，本发明提出第一种光伏面板故障检测定位系统，包括：

先串联后并联结构的电池面板阵列，包含n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板；

若干个检测箱(a类)，每个检测箱(a类))连接在一个对应的电池组串上，用于检测该电池组串的工作情况；

若干簇面板电压检测线，每簇面板电压检测线用以连接一个电池组串中的每个面板和该电池组串所对应的检测箱(a类)；

一个监控终端，跟所有的检测箱(a类)连接，用于接收检测箱(a类)的数据、向检测箱(a类)发送控制信号；

一个环境参数检测模块，与监控终端相连接，用于向监控终端发送环境参数；

所述检测箱(a类)内包括一个组串电流检测模块、一个面板电压检测模块和一个控制模块：其中，所述组串电流检测模块用于检测所述检测箱(a类)所对应的电池组串的电流参数，所述组串电流检测模块跟组串电流线串联，其输出连接到所述控制模块；其中，所述面板电压检测模块用于检测对应电池组串内每块电池面板的电压参数，所述面板电压检测模块跟一簇面板检测线相连，其输出连接到所述控制模块；其中，所述控制模块所述控制模块跟组串电流检测模块和面板电压检测模块相连接，用于对所述组串电流检测模块、面板电压检测模块进行控制、数据收集和处理等功能，所述控制模块跟监控终端相连接，用以向监控终端发送数据、接受监控终端的控制信号。

本发明中，所述面板电压检测模块的结构，包括一个电压传感器、m个功率开关，其中每个功率开关串联在一个电池面板的电压信号检测线上，其中电压传感器连接在电压信号检测线的末端。在所述控制模块的控制下，依次开启每个功 率开关，进而依次开通每个电池面板的电压信号检测线跟所述电压传感器的连接，依次测得对应组串内每个电池面板的电压参数。

本发明中，所述组串电流检测模块的结构，包括一个电流传感器，所述电流传感器串联于组串电流线上，其输出连接到所述控制模块上。

本发明提出一种针对所述第一种光伏面板故障检测定位系统的操作流程，包括：

1.1监控终端启动监控；

1.2各检测箱(a类)的控制模块每隔固定时间开启一次检测；

1.3控制模块从电流检测单元进行电流值采样；

1.4跟1.3同时，控制模块依次开启各面板对应的功率开关，依次采集各面板的电压值；

1.5控制模块基于所采集的电流、电压值进行算法处理；

1.6控制模块将数据和处理结果发送给监控终端；

1.7监控终端对同一时间内的环境参数进行采样；

1.8监控终端对从所有控制模块获得的数据、环境参数进行算法处理，给出电站运行情况的分析结果，包括指示故障面板位置；

1.9监控终端判断故障情况是否达到用户设定的需要修复的程度，如果是，则进行电站维护及面板故障修复，如果否，则回到1.2；

1.10如果电站维护及面板故障修复完成后，则回到1.1。

本发明的第一种光伏面板故障检测定位系统及对应的操作流程，其能克服现有基于传感器的检测方法中所面临的传感器数量太多的问题，针对每一个组串，只需一个电流传感器、一个电压传感器，明显降低了成本，同时，还具备检测实时性好、在线检测不干扰电站运行、检测结果自动形成数据库便于后期分析等优点。

基于现有具有电流检测功能的汇流箱模块，本发明提出第二种光伏面板故障检测定位系统，包括：

先串联后并联结构的电池面板阵列，包含n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板；

若干个检测箱(b类)，每个检测箱(b类))连接在一个对应的电池组串上，用于检测该电池组串的工作情况；

若干簇面板电压检测线，每簇面板电压检测线用以连接一个电池组串中的每个面板和该电池组串所对应的检测箱(b类)；

一个带电流检测功能的汇流箱，跟多个电池组串的电流线相连接，其输出一用于对外传输发电功率，输出二用于向监控终端发送各组串电流检测结果；

一个监控终端，跟所有的检测箱(b类)连接，用于接收检测箱(b类)的数据、向检测箱(b类)发送控制信号，所述监控终端同时接受所述带电流检测功能的汇流箱所输出的各组串电流检测结果；

一个环境参数检测模块，跟监控终端相连接，用于向监控终端发送环境参数；

其中，所述检测箱(b类)内包括一个面板电压检测模块和一个控制模块：其中，所述面板电压检测模块用于检测对应电池组串内每块电池面板的电压参数，所述面板电压检测模块跟一簇面板检测线相连，其输出连接到所述控制模块；其中，所述控制模块跟面板电压检测模块相连接，用于对所述面板电压检测模块进行控制、数据收集和处理等功能，所述控制模块跟监控终端相连接，用以向监控终端发送数据、接受监控终端的控制信号；

其中，所述面板电压检测模块的结构，与所述的第一种光伏面板故障检测定位系统中所提出的面板电压检测模块相同。

本发明提出一种针对所述第二种光伏面板故障检测定位系统的操作流程，包括：

2.1控终端启动监控；

2.2各检测箱的控制模块每隔固定时间开启一次检测；

2.3控制模块依次开启各面板对应的功率开关，依次采集各面板的电压值；

2.4控制模块基于所采集的电压值进行算法处理；

2.5控制模块将数据和处理结果发送给监控终端；

2.6监控终端采集同一时间来自汇流箱的各组串电流值；

2.7跟2.6同时，监控终端采集同一时间的环境参数；

2.8监控终端对获得的数据进行算法处理，给出电站运行情况的分析结果，包括指示故障面板位置；

2.9故障情况是否达到用户设定的需要修复的程度，如果是，则进行电站维护及面板故障修复，如果否，则回到2.2；

2.10电站维护及面板故障修复，如果完成，则回到2.1。

本发明的第二种光伏面板故障检测定位系统及对应的操作流程，其效果是：在本发明所提出的第一种光伏面板故障检测定位系统及对应的操作流程的优势基础上，充分利用原有电站中汇流箱的电流检测数据，进一步降低了新增检测模块的成本。

为进一步降低检测成本，本发明提出第三种光伏面板故障检测定位系统，包括：

先串联后并联结构的电池面板阵列，包含2n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板；

若干个检测箱(c类)，每个检测箱(c类)跟两个并联电池组串相连接上，用于检测这两个并联电池组串的工作情况；

若干簇面板电压检测线，每簇面板电压检测线用以连接两个并联电池组串中的每个面板和该两个并联电池组串所对应的检测箱(c类)；

一个带电流检测功能的汇流箱，跟多个电池组串的电流线相连接，其输出一用于对外传输发电功率，输出二用于向监控终端发送各组串电流检测结果；

一个监控终端，跟所有的检测箱(c类)连接，用于接收检测箱(c类)的数据、向检测箱(c类)发送控制信号，所述监控终端同时接受所述带电流检测功能的汇流箱所输出的各组串电流检测结果；

一个环境参数检测模块，跟监控终端相连接，用于向监控终端发送环境参数；

其中，所述检测箱(c类)内包括一个面板电压检测模块二和一个控制模块：其中，所述面板电压检测模块二用于检测对应的两个并联电池组串内每块电池面板的电压参数，所述面板电压检测模块二跟一簇面板检测线相连，其输出连接到所述控制模块；其中，所述控制模块跟面板电压检测模块二相连接，用于对所述面板电压检测模块二进行控制、数据收集和处理等功能，所述控制模块跟监控终端相连接，用以向监控终端发送数据、接受监控终端的控制信号。

其中，所述面板电压检测模块二的结构，包括一个电压传感器、2m个功率开关，其中每个功率开关串联在所述两个并联电池组串内的其中一个电池面板的电压信号检测线上，其中电压传感器连接在电压信号检测线的末端。在所述控制模块的控制下，依次开启每个功率开关，进而依次开通每个电池面板的电压信号检测线跟所述电压传感器的连接，依次测得对应的两个并联组串中每个电池面板的电压参数。

本发明的第三种光伏面板故障检测定位系统的操作流程，与本发明提出的第二种光伏面板故障检测定位系统的操作流程相同。

应当指出的是，本发明提出的第三种光伏面板故障检测定位系统，还包括三个、四个以及更多个并联电池组串共用面板电压检测模块的情况；相应地，本发明提出的第三种光伏面板故障检测定位系统中面板电压检测模块，也包括跟对应的并联电池组串中所包含的电池面板数量相一致的功率开关数目。

本发明提出的第三种光伏面板故障检测定位系统，其效果在于，在本发明所提出的第二种光伏面板故障检测定位系统的优势基础上，大幅降低了新增检测部件的成本。

应当指出的是，本发明所提的第三种光伏面板故障检测定位系统中的检测箱(c类)所包含的结构，也可用于本发明所提的第一种光伏面板故障检测定位系统中的面板检测模块和控制器，以达到充分降低本发明所提的第一种光伏面板故障检测定位系统的检测成本的效果。

附图说明

图1.本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统的框图。

图2.本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统中的组串电流检测模块的一个实施例。

图3.本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统中的面板电压检测模块的一个实施例。

图4.本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统的操作流程。

图5.本发明提出的第二种光伏面板故障检测定位系统的框图。

图6.本发明提出的第二种光伏面板故障检测定位系统的操作流程。

图7.本发明提出的第三种光伏面板故障检测定位系统的框图。

图8.本发明提出的第三种光伏面板故障检测定位系统的面板电压检测模块的实施例。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

实施例1

图1是本发明提出的第一种光伏面板检测系统的框图，其中包括一个先串联后并联结构的电池面板阵列，该阵列包含n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板，如图中，面板11、12、，，，1m串联成第一个电池组串，面板n1、n2、…nm串联成第n个电池组串等，这n个电池组串又并联在一起，连接到汇流箱上(此处为了简略，未标出)；

还包括n个检测箱(a类)110、…1n0等，每个检测箱(a类))连接在一个对应的电池组串上，用于检测该电池组串的工作情况，在本图中，检测箱(a类)110连接在前述第一个电池组串上，检测箱(a类)1n0连接在前述第n个电池组串上；

还包括若干簇面板电压检测线401、402、…40n，每簇面板电压检测线用以连接一个电池组串中的每个面板和该电池组串所对应的检测箱(a类)，例如面板电压检测线簇401的一端是来自面板11、12、…1m中引出的所有面板电压检测线，另一端连接到检测箱(a类)110内部的面板电压检测模块112上，而面板电 压检测线簇40n的一端是来自面板n1、n2、…nm中引出的所有面板电压检测线，另一端连接到检测箱(a类)n10内部的面板电压检测模块n12上；

还包括一个监控终端301，跟所有的检测箱(a类)110、…1n0相连接，用于接收检测箱(a类)110、…1n0的数据、向检测箱(a类)110、…1n0发送控制信号；

一个环境参数检测模块201，跟监控终端301相连接，用于向监控终端301发送环境参数；

其中检测箱(a类)110、…1n0的内部结构相同，以检测箱(a类)110为例，描述其内部结构：

包括一个组串电流检测模块111、一个面板电压检测模块112和一个控制模块113，

其中，组串电流检测模块111跟第一个电池组串(由面板11、12、…1m串联构成)相串联，用于采集第一个电池组串的电流参数，其输出连接到控制模块113；

其中，面板电压检测模块112用于检测第一个电池组串内每块电池面板11、12、…1m的电压参数，该面板电压检测模块112跟一簇面板检测线401相连，其输出连接到控制模块113；

其中，控制模块113跟组串电流检测模块和面板电压检测模块相连接，用于对组串电流检测模块111、面板电压检测模块112进行控制、数据收集和处理等功能，控制模块113跟监控终端301相连接，用以向监控终端301发送数据、接受监控终端301的控制信号。

实施例2

图2是本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统中的组串电流检测模块的一个实施例，其中每个电池组串和汇流箱之间连接一个电流传感器211，电流传感器211用于测量所在的电池组串的电流，电流传感器211的输出连接到该电池组串所连接检测箱(a类)中的控制模块上(如图1中所示)，图3显示了本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统中的面板电压检测模块的一个实施例；为简便，图3中只给出了一个电池组串所对应的面板电压检测模块为例；功率开 关321、322、…32n分别连接在电池面板351、352、…35n的局部检测线上，控制信号线330跟功率开关321、322、…32n的控制端分别相连接，控制信号线330来自于控制模块的输出，每个电池面板的局部检测线经过功率开关321、322、…32n之后，汇集成面板电压检测线340，连接到电压传感器310上。电压传感器301输出采集到的电压值，发送给控制模块。控制模块跟监控终端相连接；

其工作过程是：控制模块通过控制信号线330发送控制信号，依次开启321、322、…32n等功率开关，进而依次开通每个电池面板的电压信号的局部检测线跟电压传感器310的连接，依次测得每个电池面板的电压参数，并发送给控制模块进行处理。

结合图1所示的结构，图4显示了本发明提出的第一种光伏面板故障检测定位系统的操作流程实施例，其具体步骤包括：

首先，监控终端301启动监控(401)；各检测箱(a类)110、…1n0的控制模块111、…1n1每隔固定时间开启一次检测(402)；各控制模块113、…1n3从电流检测单元111、…1n1进行电流值采样(403)；跟(403)同时，各控制模块113、…1n3依次开启其对应组串内各串联面板对应的功率开关，依次采集各面板的电压值(404)；控制模块113、…1n3基于所采集的电流、电压值进行算法处理(405)；控制模块113、…1n3将数据和处理结果发送给监控终端301(406)；监控终端301在同一时间内，从环境参数检测模块201对环境参数进行采样(407)；监控终端301对从所有控制模块获得的数据和环境参数进行算法处理，给出电站运行情况的分析结果，包括指示故障面板位置(408)；监控终端301判断故障情况是否达到用户设定的需要修复的程度(409)，如果是，则进行电站维护及面板故障修复(410)，如果否，则回到402；如果电站维护及面板故障修复完成后，则回到(401)。

实施例3

基于现有具有电流检测功能的汇流箱模块，图5给出本发明提出第二种光伏面板故障检测定位系统的结构的一种实施例，包括一个先串联后并联结构的电池面板阵列，与图1中电池面板阵列结构相同，该阵列包含n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板；

还包括若干个检测箱(b类)510、…5n0等，每个检测箱(b类)连接在一个对应的电池组串上，用于检测该电池组串的工作情况，在本图中，检测箱(b类)510连接在第一个电池组串上，检测箱(b)5n0连接在前述第n个电池组串上；

与图1结构相同的，图5结构还包括若干簇面板电压检测线，每簇面板电压检测线用以连接一个电池组串中的每个面板和该电池组串所对应的检测箱(b类)；

图5还包括一个带电流检测功能的汇流箱501，跟多个电池组串的电流线相连接，其输出一用于对外传输发电功率，输出二用于向监控终端发送各组串电流检测结果；

还包括一个监控终端，跟所有的检测箱(b类)510、…5n0连接，用于接收检测箱(b类)510、…5n0的数据、向检测箱(b类)510、…5n0发送控制信号，监控终端同时接受所述带电流检测功能的汇流箱501所输出的各组串电流检测结果；

一个环境参数检测模块502，跟监控终端相连接，用于向监控终端发送环境参数；

其中，检测箱(b类)510、…5n0的内部结构相同，以检测箱(b类)510为例，描述其内部结构：包括一个面板电压检测模块511和一个控制模块512：其中，面板电压检测模块511用于检测对应电池组串内每块电池面板的电压参数，面板电压检测模块511跟一簇面板检测线相连，其输出连接到控制模块512；其中，控制模块512跟面板电压检测模块511相连接，用于对面板电压检测模块511进行控制、数据收集和处理等功能，控制模块512跟监控终端相连接，用以向监控终端发送数据、接受监控终端的控制信号。

其中，所述面板电压检测模块511的结构，与图3中的面板电压检测模块有相同的结构。

实施例4

结合图5的结构，图6给出了本发明提出的第二种光伏面板故障检测定位系统的操作流程实施例，具体步骤是：

首先，监控终端启动监控(601)；

各检测箱(b类)的控制模块每隔固定时间开启一次检测(602)；

每个控制模块依次开启所连接的各电池面板对应的功率开关，依次采集各电池面板的电压参数值(603)；

各控制模块基于所采集的电压值进行算法处理(604)；

各控制模块将数据和处理结果发送给监控终端(605)；

监控终端采集同一时间来自带电流检测功能的汇流箱501的各组串电流参数值(606)；

跟(606)同时，监控终端采集同一时间内来自环境参数检测模块502的环境参数(607)；

监控终端对获得的数据进行算法处理，给出电站运行情况的分析结果，包括指示故障面板位置(608)；

判断故障情况是否达到用户设定的需要修复的程度(609)，如果是，则进行电站维护及面板故障修复(610)，如果否，则回到(602)；如果电站维护及面板故障修复(610)完成，则回到(601)。

实施例5

结合图7，图7给出了本发明提出第三种光伏面板故障检测定位系统的结构的实施例，包括：一个先串联后并联结构的电池面板阵列，包含2n串并联的电池组串，其中每个电池组串包含m个串联的电池面板；

还包括若干个检测箱(c类)710、…7n0，每个检测箱(c类)跟两个并联电池组串相连接上，用于检测这两个并联电池组串的工作情况；

还包括若干簇面板电压检测线，每簇面板电压检测线用以连接两个并联电池组串中的每个面板和该两个并联电池组串所对应的检测箱(c类)；

一个带电流检测功能的汇流箱701，跟多个电池组串的电流线相连接，其输 出一用于对外传输发电功率，输出二用于向监控终端702发送各组串电流检测结果；

一个监控终端702，跟所有的检测箱(c类)710、…7n0连接，用于接收检测箱(c类)710、…7n0的数据、向检测箱(c类)710、…7n0发送控制信号，监控终端702同时接受带电流检测功能的汇流箱701所输出的各组串电流检测结果；

一个环境参数检测模块703，跟监控终端702相连接，用于向监控终端702发送环境参数；

其中，检测箱(c类)710、…7n0的内部结构相同，以检测箱(c类)710为例，描述其内部结构：包括一个面板电压检测模块二711和一个控制模块712，其中，面板电压检测模块二711用于检测对应的两个并联电池组串内每块电池面板的电压参数，所述面板电压检测模块二711跟一簇面板检测线相连，其输出连接到控制模块712；其中，控制模块712跟面板电压检测模块二711相连接，用于对所述面板电压检测模块二711进行控制、数据收集和处理等功能，控制模块712跟监控终端702相连接，用以向监控终端702发送数据、接受监控终端702的控制信号。

实施例6

结合图8，图8给出了图7中面板电压检测模块二711的结构实施例，包括一个电压传感器801、2m个功率开关(m为每串电池面板的数量)811、812、…81m、821、822、…82m，其中每个功率开关串联在一个电池面板的电压信号检测线上，其中电压传感器801连接在电压信号检测线804的末端。在控制模块802的控制下，依次开启每个功率开关，进而依次开通每个电池面板的电压信号局部检测线跟电压传感器801的连接，依次测得对应的2m个电池面板的电压参数。

本发明中，图7所给出的结构的操作流程，与图6所示例的操作流程相同；图7所示例的第三种光伏面板故障检测定位系统，还可以扩展到每三个、四个以及更多个并联电池组串共用面板电压检测模块的情况，相应地，其所采用的面板电压检测模块，也包括跟对应的并联电池组串中所包含的电池面板数量相一致的功 率开关数目。

本发明中，图8所示例的检测箱(c类)所包含的结构，也可用于图1所示例的第一种光伏面板故障检测定位系统中的面板检测模块和控制器，以达到充分降低图1所示例的第一种光伏面板故障检测定位系统的检测成本的效果。

尽管对本发明的描述是以参考实例的方式作出的，但是本领域的技术人员将认知到，在不脱离本发明的范围和精神的前提下，可以在形式或者细节上作出改变。