一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法及系统

1.本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法及系统。


背景技术：

2.随着光伏发电领域的飞速增长，光伏阵列的安全运行得到了越来越多的重视。由于光伏发电需要光伏板长期暴露于室外的自然环境之中，受各种环境(如极端天气、潮湿、干燥等)的影响，不可避免的会造成光伏板出现裂纹、短路、开路、热斑等一系列故障。而随着光伏发电组件大规模的部署，故障问题会使整个发电系统的发电量与安全性受到极大的挑战。及时发现故障问题，从而合理解决相应故障成为现阶段光伏发电的研究重点之一。
3.现阶段光伏故障检测主要分为物理检测法、能量计算法、特性计算法以及时序参数法等。通过热成像等物理手段，通过分析光伏发电模块的物理特性，来完成的光伏发电模块的故障检测：benatto g.a.d.r.等人利用无人机在高辐照度条件下拍取光伏阵列的电致发光成像图，通过图像信息来识别与功率损耗有关的故障；该方法虽然可以不接触光伏板就可以完成光伏发电板的故障检测，但是该类方法成本太高，同时检测结果受环境因素的影响过大。根据光伏板参数的设定计算理论输出能量，得到与实际输出能量之间的差值，利用差值作为故障诊断的依据：dhimish m.等人将功率损耗和电压损耗代入三次多项式函数，得到故障界限曲线，再结合模糊推理系统，提升了故障识别率；但此类方法过于依赖仿真模型的准确性，同时光伏发电模块的老化问题会给检测结果带来很大的影响。特性计算法是通过测量光伏组件输出的电压、电流等电器参数，结合系统本身的参数设定来识别各种故障类型：甘雨涛等人提出了一种基于自适应神经网络模糊推理系统的故障诊断方法，从i-v曲线中提取阵列电压、阵列电流、阵列功率、工作点斜率、电流离散率，再结合环境温度和辐照度组成7个故障特征值作为推理系统的输入数据，实现了对开路故障、线间故障、部分遮阴、老化故障四种故障的诊断；但此类方法对于检测仪器的精确度要求比较高，同时需要将光伏阵列断开运行，会造成一定的损失。时序参数法是通过在线测量光伏阵列输出的电压、电流波形进行故障的检测与分类：李光辉等人利用半监督机器学习法实现了对光伏阵列中正常状态、开路故障、老化故障三者之间的辨识；但是该类方法受制于光伏发电端运行情况的复杂性，实现起来困难较多。同时噪声对结果的影响较大。
4.dc-dc变换器是光伏发电系统中重要的结构。光伏发电端产生的直流电通过dc-dc变换器可以根据不同的需求转换成不同输出电压的直流电。在完成对于输出电压控制的同时，dc-dc变换器也可以进行信息的传递。现阶段在dc-dc变换器的实际控制中，主要依靠pwm技术来产生控制信号，完成对于变换器中可控元件的控制。
5.现有技术中依据功率/数据单载波调制技术，实现了对于着眼于功率变换器的开关工作模式，利用电能变换过程中离散的过渡态，将数据信号加载到离散的电能脉冲上，进而反映在功率输入/输出的开关纹波上；但数据调制必须采用与功率调制不同的自由度，因此对数据调制方法的选择具有一定的制约。在变换器输出端的信息解调技术中，现阶段更
多的利用小波变换来提取输出信号的信息：分析了mpsk信号的小波变换的过零特征，根据信号相位跳变对小波变换尺度上引起的变化，实现了mpsk信号调制类型的分类；但此方法局限于固定小波尺度，无法达到最佳小波尺度的选择。
6.现阶段光伏发电模块故障检测的办法主要分为两种类型。一种为直接对光伏发电组件进行检测(即使用物理热成像等物理检测方法)，一种为对光伏发电端输出的电流电压等电气信息进行计算、分析(即能量计算法、特性计算法以及时序参数法等)。但以上方法受制于成本太高(物理检测方法)、过度依赖于仿真模型的准确性(能量计算法)、需要对光伏组件进行断开连接处理而造成发电量损失(特性计算法)、噪声影响较大以及实现起来比较困难(时序参数法)。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法及系统，解决了现阶段光伏组件故障检测所面临的成本过高、故障信息不能及时传递以及检测方法实现比较困难的情况。
8.本发明提供的技术方案是：
9.一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法，所述方法包括：
10.检测光伏发电端异常情况，获取发生异常情况的初始故障信息；
11.基于初始故障信息切换相应频率的载波，对载波切换信息进行传递；
12.在传递过程中，获取dc-dc变换器输出端输出的电压值，将dc-dc变换器输出端输出的电压值和给定值之间的差值与载波信号做差，经过比较器生成控制dc-dc变换器中可控元件的pwm控制信号；
13.通过所述pwm控制信号对dc-dc变换器中的可控元件进行控制，再根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息。
14.优选的，所述检测光伏发电端异常情况包括：
15.通过检测光伏发电组件所处环境光照强度的变化率以及检测光伏发电端产生能量的变化率。
16.优选的，所述获取发生异常情况的初始故障信息包括：
17.根据光伏发电组件所处环境光照强度的变化率判断光伏发电组件有无遮挡故障；
18.根据光伏发电端产生能量的变化率判断光伏发电组件损坏情况；
19.当检测到任一变化率与无异常情况下的变化率相等或者未超出预设范围内时，则光伏组件未出现故障；当检测到变化率与无异常情况下的变化率差值达到预设范围外，则光伏发电组件出现故障，并将出现故障的相应信息作为初始故障信息。
20.优选的，所述获取dc-dc变换器输出端输出的电压值包括：
21.当载波不同导致比较器产生的pwm控制信号的占空比发生改变，进而影响输出电压的波动范围时，获取处于不同波动范围内dc-dc变换器的输出电压。
22.优选的，所述根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息包括：
23.根据直流母线电压的波动范围的不同，利用最值检测法，分别对dc-dc变换器输出电压进行最大值、最小值检测，得到dc-dc变换器输出电压的峰值信息，分别与无故障情况
下变换器输出电压的峰值进行比较，以识别光伏组件的故障信息。
24.一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压系统，所述系统包括：
25.检测模块，用于检测光伏发电端异常情况，获取发生异常情况的初始故障信息；
26.pwm信号产生模块，用于基于初始故障信息切换相应频率的载波，对载波切换信息进行传递；在传递过程中，获取dc-dc变换器输出端输出的电压值，将dc-dc变换器输出端输出的电压值和给定值之间的差值与载波信号做差，经过比较器生成控制dc-dc变换器中可控元件的pwm控制信号；
27.信息解调模块，用于通过所述pwm控制信号对dc-dc变换器中的可控元件进行控制，再根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息。
28.优选的，所述检测模块包括：
29.检测单元，用于通过检测光伏发电组件所处环境光照强度的变化率以及检测光伏发电端产生能量的变化率；
30.第一判断单元，用于根据光伏发电组件所处环境光照强度的变化率判断光伏发电组件有无遮挡故障；
31.第二判断单元，用于根据光伏发电端产生能量的变化率判断光伏发电组件损坏情况；
32.故障判断单元，用于当检测到任一变化率与无异常情况下的变化率相等或者未超出预设范围内时，则光伏组件未出现故障；当检测到变化率与无异常情况下的变化率差值达到预设范围外，则光伏发电组件出现故障，并将出现故障的相应信息作为初始故障信息。
33.优选的，所述pwm信号产生模块包括：切换单元，用于根据初始故障信息切换相应频率的载波；
34.获取单元，用于当载波不同导致比较器产生的pwm控制信号的占空比发生改变，进而影响输出电压的波动范围时，获取处于不同波动范围内dc-dc变换器的输出电压。
35.优选的，所述信息解调模块包括：峰值检测单元，根据直流母线电压的波动范围的不同，利用最值检测法，分别对dc-dc变换器输出电压进行最大值、最小值检测，得到dc-dc变换器输出电压的峰值信息；
36.确定单元，用于将dc-dc变换器输出电压的峰值信息分别与无故障情况下变换器输出电压的峰值进行比较，以识别光伏组件的故障信息。
37.与相关技术相比较，本发明具有如下有益效果：
38.本发明提出的一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法及系统，采用了时序参数与能量信息融合方法，在光伏发电组件端检测光照强度、电流电压等参数的变化，结合变换器信息的传递与解调相关技术，实现了故障信息的识别与传递工作。本发明所用办法可以实现故障信息的传递，同时对于大型光伏发电场所，还可以实现故障发生位置的信息传递，有助于光伏组件故障快速维修。结构简便，控制效果易实现。
39.相比于物理检测法、能量计算法、特性及算法以及时序参数法，本发明所用的方法具备成本低特点：仅需通过在光伏发电组件端安装光照强度检测仪、电流电压检测装置来完成故障信息的提取工作；具备实时性特点：结合dc-dc变换器控制信号的生成原理来完成故障信息的传递；同时还具备快速解调故障信息的能力。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
41.图1为本发明提供的一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法流程图；
42.图2为本发明提供的pwm信号原理示意图；
43.图3为本发明提供的信息传递原理示意图；
44.图4为本发明提供的信息解调流程图；
45.图5为本发明提供的最大(小)值检测法流程图；
46.图6为本发明提供的峰值检测法流程图；
47.图7为本发明提供的光伏组件故障检测结构图；
48.图8为本发明提供的双光伏故障检测结构图；
49.图9为本发明提供的单光伏发电组件故障检测仿真结构图；
50.图10为本发明提供的系统变换器输出电压弧线图；
51.图11为本发明提供的故障信息解调示意图；
52.图12为本发明提供的双光伏发电组件故障检测仿真结构图；
53.图13为本发明提供的系统母线电压弧线图；
54.图14为本发明提供的故障信息的解调结果示意图。
具体实施方式
55.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
56.为了具体了解本发明提供的技术方案，将在下面的实施例中对本发明的技术方案做出详细的描述和说明。显然，本发明提供的实施例并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，除这些描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
57.本发明具体实施方式提供一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压方法，所述方法包括：
58.s1检测光伏发电端异常情况，获取发生异常情况的初始故障信息；
59.s2基于初始故障信息切换相应频率的载波，对载波切换信息进行传递；
60.s3在传递过程中，获取dc-dc变换器输出端输出的电压值，将dc-dc变换器输出端输出的电压值和给定值之间的差值与载波信号做差，经过比较器生成控制dc-dc变换器中可控元件的pwm控制信号；
61.s4通过所述pwm控制信号对dc-dc变换器中的可控元件进行控制，再根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息。
62.步骤s1中，所述检测光伏发电端异常情况包括：
63.通过检测光伏发电组件所处环境光照强度的变化率以及检测光伏发电端产生能量的变化率。
64.所述获取发生异常情况的初始故障信息包括：
65.根据光伏发电组件所处环境光照强度的变化率判断光伏发电组件有无遮挡故障；
66.根据光伏发电端产生能量的变化率判断光伏发电组件损坏情况；
67.当检测到任一变化率与无异常情况下的变化率相等或者未超出预设范围内时，则光伏组件未出现故障；当检测到变化率与无异常情况下的变化率差值达到预设范围外，则光伏发电组件出现故障，并将出现故障的相应信息作为初始故障信息。
68.步骤s3中，所述获取dc-dc变换器输出端输出的电压值包括：
69.当载波不同导致比较器产生的pwm控制信号的占空比发生改变，进而影响输出电压的波动范围时，获取处于不同波动范围内dc-dc变换器的输出电压。
70.步骤s4中，所述根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息包括：
71.根据直流母线电压的波动范围的不同，利用最值检测法，分别对dc-dc变换器输出电压进行最大值、最小值检测，得到dc-dc变换器输出电压的峰值信息，分别与无故障情况下变换器输出电压的峰值进行比较，以识别光伏组件的故障信息。
72.工作原理：
73.对于光伏发电组件来说，无论是大型光伏发电场所(例如平原、山区等人烟稀少的地带)，还是居民区等简易光伏发电场所，光伏组件的故障问题会造成光伏发电能量的损失以及火灾等严重情况。所以，故障信息及时、准确的传递是光伏故障检测的重要标准。
74.本发明第一步需要检测光伏发电端异常情况，即故障信息的初步采集工作。在此过程中，需要检测光伏发电端的所受光照的变换情况(从而检测有无遮挡等故障)以及光伏发电端产生能量的变化(以此来检测光伏组件有无损坏情况)。
75.获取在载波的波动下，dc-dc变换器的输出电压，本发明第二个阶段为故障信息的传递工作。dc-dc变换器在实现对输出电压进行控制时，需要通过pwm控制技术来对变换器中全控元件—igbt来实现控制效果。pwm控制原理图如图2所示。即
△
(如光伏发电恒压控制中，
△
为通过dc-dc变换器输出的电压值与给定值之间的差值)与载波信号做差，经过比较器得到“0-1”的pwm控制信号。对dc-dc变换器输出端输出电压进行解调，得到相应故障信息。
76.如图3所示，在得到了第一步故障信息之后，结合相应故障信息的类别，进行载波的选取。依靠不同载波对于pwm信号产生的影响不同，从而完成信息的传递工作。
77.本发明的第三个阶段为信息的解调阶段，即根据dc-dc变换器输出端输出电压的相关信息，来得到相应的故障信息。对于dc-dc变换器而言，pwm信号产生过程中载波不同会导致比较器产生的“0-1”信号的占空比发生改变，进而会影响输出电压的波动范围(在不同载波影响下，虽然变换器输出电压的波动范围不一样，但通过本发明所用的恒压控制方法，所有情况下变换器输出电压的波动范围都在允许范围内)。
78.如图4所示，本发明需要对变换器的输出电压进行信息的解调工作，从而得到相应的故障信息。本发明提供两种方法对变换器的输出电压进行信息解调工作。原理为根据检测输出电压的最大值、最小值来检测光伏发电单元所处状态是否为故障状态。
79.如图5所示，得到变换器的输出电压之后，进行最大(小)值检测工作，根据检测出的当前时刻输出电压的最大(小)值与无故障情况下变换器输出电压最大(小)值进行比较，从而判断故障的发生。
80.如图6所示，为峰值检测法流程。在得到变换器输出电压之后，分别进行最大值、最
小值检测，从而得到变换器输出电压的峰值信息；与无故障情况下变换器输出电压的峰峰值做比较，来检测故障信息。相较于最大(小)值检测法，峰值检测法能更精确的对故障信息进行识别(避免了当故障信息出现后，母线电压的波动中间值的改变对于检测结果的影响)。
81.基于同一发明构思，本发明还提供一种一种融合故障信息传输的光伏发电单元调压系统，包括：
82.检测模块，用于检测光伏发电端异常情况，获取发生异常情况的初始故障信息；
83.pwm信号产生模块，用于基于初始故障信息切换相应频率的载波，对载波切换信息进行传递；在传递过程中，获取dc-dc变换器输出端输出的电压值，将dc-dc变换器输出端输出的电压值和给定值之间的差值与载波信号做差，经过比较器生成控制dc-dc变换器中可控元件的pwm控制信号；
84.信息解调模块，用于通过所述pwm控制信号对dc-dc变换器中的可控元件进行控制，再根据输出端的输出电压信息进行解调，确定光伏组件的故障信息。
85.其中，所述检测模块包括：
86.检测单元，用于通过检测光伏发电组件所处环境光照强度的变化率以及检测光伏发电端产生能量的变化率；
87.第一判断单元，用于根据光伏发电组件所处环境光照强度的变化率判断光伏发电组件有无遮挡故障；
88.第二判断单元，用于根据光伏发电端产生能量的变化率判断光伏发电组件损坏情况；
89.故障判断单元，用于当检测到任一变化率与无异常情况下的变化率相等或者未超出预设范围内时，则光伏组件未出现故障；当检测到变化率与无异常情况下的变化率差值达到预设范围外，则光伏发电组件出现故障，并将出现故障的相应信息作为初始故障信息。
90.所述pwm信号产生模块包括：
91.切换单元，用于根据初始故障信息切换相应频率的载波；
92.获取单元，用于当载波不同导致比较器产生的pwm控制信号的占空比发生改变，进而影响输出电压的波动范围时，获取处于不同波动范围内dc-dc变换器的输出电压。
93.所述信息解调模块包括：
94.峰值检测单元，根据直流母线电压的波动范围的不同，利用最值检测法，分别对dc-dc变换器输出电压进行最大值、最小值检测，得到dc-dc变换器输出电压的峰值信息；
95.确定单元，用于将dc-dc变换器输出电压的峰值信息分别与无故障情况下变换器输出电压的峰值进行比较，以识别光伏组件的故障信息。
96.产品结构具体包括：对于光伏发电模块，需要检测到光伏发电组件所处环境光照强度的变化。从全天的角度来看光伏组件所受的光照强度随着时间的推移变化明显(白天到夜晚)；但若精确到秒，光伏发电组件所受的光照强度相当于未发生变化。所以，可以通过检测光伏组件所处周围环境光照强度的变化率的大小来判断有无遮挡等情况的发生。当光伏组件出现裂纹、短路开路等情况，可以通过检测光伏组件输出电压、电流等参数的变化情况来得到故障发生的信息。
97.系统的产品结构如图7所示。本发明以光伏恒压发电控制系统为例，来进行故障信
息检测模块的示范；同时由于条件的限制(由于matlab/simulink平台不具备在仿真运行过程中更改光伏电池组件参数的功能，所以光伏发电组件出现的短路、裂纹等影响通过更改光伏发电组件所受光照强度来体现)，本发明通过检测光伏发电组件所受光照强度的变化率，来开启故障信息的传递工作。
98.如图7所示，首先需要在光伏发电组件来检测到光照强度变化率。将变化率信息传递给检测模块，由检测模块做出判断：当检测到的变化率与无特殊情况下的变化率相等(或在规定的范围内时)，则意味着光伏组件未出现故障情况；当检测到变化率与无特殊情况下的变化率差值达到规定的范围外，则意味着光伏发电组件出现故障。
99.当检测模块得到了光伏发电组件的初始故障信息后，将载波切换信息传递给pwm信号产生模块，使该模块使用特定频率的载波生成控制dc-dc变换器中可控元件的pwm信号，产生相应的dc-dc变换器输出电压。根据得到的dc-dc变换器输出电压，经过信息解调模块，来得到光伏组件的故障信息。
100.本发明提出的方法在双(多)光伏故障报警与故障位置信息的检测工作中表现良好。如图8所示光伏发电系统中，两个光伏发电组件并联在直流母线上，为负载提供电能。光伏发电组件1与光伏发电组件2在没有特殊情况时，使用同一载波频率f参与pwm信号的产生。当光伏发电组件1出现故障的时候，使pwm信号产生模块1使用载波频率f1；同理，当光伏发电组件2出现故障的时候，使pwm信号产生模块2使用载波频率f2。在不同的载波频率下，直流母线的电压会受到不同的影响，即波动范围就会不一样。
101.基于此，本发明根据直流母线电压的波动范围的不同，利用最值检测法来解调出故障信息：首先对于光伏发电组件1、光伏发电组件2都无故障情况下时的直流母线电压的波动范围，然后准备检测模块，当出现故障情况时，与无故障情况下的波动范围作比较，进而得出故障信息。而波动范围的获取，采用的是最值检测法。即通过测量同一时间点输出电压的最大值与最小值，做差来得到。
102.实施例1：
103.本发明实施例1在matlab/simulink(版本为2018b)平台进行仿真验证。本发明进行两个验证实验，分别为单光伏发电模式下光伏发电模块的故障报警以及双光伏下光伏发电模块的故障报警。
104.如图9所示，为实验一的仿真结构图。其中，光伏组件的基本参数为：92行、60列；dc-dc变换器中基本参数：电容c为68
×
10-5
f，电感l为1
×
10-3
h，电阻r为600ω。光伏电池输出端连接rc模块为68
×
10-5
f以及0.0001ω。本文使光伏电池所处温度环境为25
°
。本实验需要通过检测光照强度的变换率来模拟光伏发电模块的故障情况。在无故障情况时，光照强度为1500(
±
50)lux；在故障情况下，光照强度为1200(
±
50)lux。在变换器控制模块中，当无故障时，变换器控制模块中pwm信号产生模块的载波频率为10000hz；当处于故障状态下，变换器控制模块中pwm信号产生模块的载波频率为5000hz。当检测到光伏发电端所受光照强度变化率超过规定范围时，将“故障信息”传递给变换器控制模块，切换该模块中pwm信号载波的频率。
105.在实验一中，使系统于1.5-1.7s出现“故障情况”，即于1.5-1.7s切换光伏电池所受的光照强度。
106.如图10所示，本发明所用根据光伏发电组件参数来切换pwm生成模块的载波频率
的方法，对于系统的稳定性没有影响，系统的母线电压稳定在了1200v。系统在本发明所用恒压控制方法的作用下都能保持变换器输出电压的稳定性。图11为故障信息的解调结果，其中“0”代表无故障情况，“1”代表光伏端出现故障情况。
107.如图12所示，为实验二的仿真结构图。实验二为两个光伏发电组件并联给负载模块进行供电。光伏发电模块1与光伏发电模块2基本参数与实验一相同。对于光伏发电模块1、模块2在无故障时，使其中pwm信号生成模块使用频率为5000hz的载波；当光伏发电模块1中光伏电池端出现故障时，使光伏发电模块1中的pwm生成模块采用的载波频率由5000hz切换到10000hz；当光伏发电模块2中光伏电池端出现故障时，使光伏发电模块2中的pwm生成模块采用的载波频率由5000hz切换到2500hz。通过信息解调模块对于母线电压所呈现出的状态的分析，来判定故障的发生与否以及故障的发生位置。
108.在实验二中，我们使光伏发电模块1在1.5-1.7s处于故障状态；使光伏发电模块1在1.9-2.3s处于故障状态。
109.如图13所示，本发明所用根据光伏发电组件参数来切换pwm生成模块的载波频率的方法，对于系统的稳定性没有影响，系统的母线电压稳定在了1200v。系统在本发明所用恒压控制方法的作用下都能保持变换器输出电压的稳定性。图14为故障信息的解调结果，其中“2”代表无故障情况，“1”代表光伏发电模块1出现故障情况，“3”代表光伏发电模块2出现故障情况，。不同于实验一，实验二所面临的故障情况变多，需要经过一定时间间隔来刷新最值检测器(本发明所用的最值检测器为测量某一时间间隔内，被测信号的最值)来检测故障信息。本实验所采用的时间间隔为0.1s。所以在图14中，会出现多次故障信息置零的情况(即信号出现竖纹)。此情况不影响故障检测信息的展示(最后的故障信息通过simulink中的display模块进行展示，中间置零的情况不会影响最终的信息展示)。
110.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。