專利名稱：基于實證示范建立光伏電站測試診斷和預測數據庫的方法
技術領域：
本發明專利涉及先進能源技術領域中針對光伏電站通過實證性示范建立現場測 試、診斷和預測數據庫的方法。
背景技術：
面對我國光伏產業呈現爆炸式增長的態勢，需建立完善的光伏系統檢測體系與之 相適應，而國內關于實證性測試技術尚屬空白。由于基于實驗室標準測試環境(STC，即太 陽能輻照度為1000W/m2，電池溫度為25°C，大氣質量為1. 5)的數據不能如實反應實際環境 下的性能指標，根據實驗室測試得出的數據，不能滿足用戶對系統可靠性、運行成本等的真 實需求，而我國在光伏發電建設及電站設計方面經驗少，可靠實測數據和實際經驗積累十 分匱乏，設計過程中僅局限于理論計算和有限經驗，導致電站建成后整個壽命周期內的實 際發電量、組件或設備故障率、運行和維護成本難以估算，同時低水平技術開發造成資源浪 費。目前，國內未開展實證性示范研究，基于實證性測試建立的實測數據庫體系更為缺失。鑒于國外實測現有技術研究，首先在特定區域建立實證性測試平臺，通過該平臺 開展針對各類太陽電池組件、平衡部件和發電系統的實證性測試，對經過長期現場數據采 集及示范得到的實測數據進行處理分析。針對光伏組件類型及安裝方式實證性測試方法，國外已開展相關研究，其中德國 太陽能和氫能研究中心(ZSW)戶外測試實例如圖1所示，組件測試儀采集組件輸出電壓、電 流數據，光譜輻射計對光照輻射度進行數據收集，PTlOO將組件溫度數據通過溫度單元進行 分析處理，氣象裝置采集各類氣象數據等，將所采集到的各類數據通過RS485串行總線上 傳至上位機，經過長期數據搜集及處理，與實驗室測試數據進行比對分析，得到真實可信的 組件可靠性評估，但關于逆變器及其他平衡部件、系統整體效率的測試技術并不多見。隨著光伏發電裝機容量不斷增加，光伏電站接入電網逐步得到規范，光伏電站在 保證安全友好并網的同時，需考慮組件、部件及系統運行可靠性、經濟成本及整體效率等 諸多因素，通過長期數據采集、跟蹤、分析，建立評判機制對光伏系統作出可信評價，即要求 采用高精度傳感器對各數據進行采樣，并建立光伏電站統計分析數據庫，對海量數據進行 處理分析，需提供基于實證性測試建立真實可信的光伏電站現場測試、診斷和預測數據庫 的實施方法。目前，國內已提出針對光伏陣列測試方法，如圖2所示，專利號為201010046547. 7 的中國發明專利“具有光伏陣列IV測試功能的光伏并網逆變器及測試方法”做如下闡述。 該專利發明了一種具有光伏陣列IV測試功能的光伏并網逆變器，主要測試方法為在光伏 陣列輸入端口和濾波電容C1之間設置用于測量光伏陣列輸入電流的電流傳感器CT1，設置 用于測量濾波電容C1端電壓的直流母線電壓傳感器VT1，在光伏陣列的輸出端口設置直流 斷路器K1,光伏陣列的輸出總電流經所述直流斷路器K1輸入光伏并網逆變器、直流母線電 壓傳感器VT1和電流傳感器CT1，采集VT1和C1數據，可實現對圖2所示系統的光伏陣列IV 特性的測試，但是該發明專利功能單一，測試精度有限，無法保證數據準確性，需針對戶外的實證性技術開展研究，并且將通過長期實證示范采集到的數據進行統計分析，建立相應 的數據庫，針對數據庫進行數據處理評價分析。
發明內容
本發明專利目的在于通過實證示范建立光伏電站實測數據統計分析數據庫及光 伏電站現場故障診斷和維護預測數據庫，其可解決的現有問題如下(1)掌握部件和系統 的失效機制，考核部件和系統的耐候性、耐久性，評估光伏組件和平衡部件的可靠性；(2) 評估光伏系統運維費用和整體造價；(3)評估部件和系統的技術經濟指標；(4)長期數據采 集積累為最新發展技術、材料及工藝提供數據支撐，通過對組件和部件性能、可靠性及成本 的比對分析，考核新技術、新材料及新工藝的實際工況。為了實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案。基于實證示范建立光伏電站現場測試、診斷和預測數據庫的方法，包括以下步 驟
1)通過在實證性測試區域進行高精度傳感器網絡的配置及布點，采集實證性測試 系統運行全壽命周期內的光照強度、組件溫度地理環境參數，輸出電壓及電流電氣特性參 數以及器件自身性能參數；
2)結合現場測試結果和實驗室標準環境下測試數據的正交分析，對比實測與實驗 室測試的數據并進行分析評價，基于數據處理分析技術對海量測試數據的有效數據提取及 統計處理分析，提取電站設計與評估的關鍵參數；
3)基于上述關鍵參數，逐步建立滿足不同的光伏組件類型、安裝方式、逆變器種類 以及系統運行方式的實證性示范的原始測試數據的統計分析數據庫，形成光伏電站發電量 和效能評判的基礎數據指標；
4)采用聚類分析法和現場參數的回歸辨識計算，結合實證系統的失效模式分析、 關鍵參數間的危害度評測與故障傳遞方式的分析結果，提取失效率、失效分布、故障樹結構 表征可靠性與壽命的關鍵特征；
5)基于長期運行性能測試數據，運用可靠性分析理論，對實證性示范系統中不同 組件、平衡部件的統計數據進行深層挖掘和概率可靠性評估，形成可靠性與經濟性協調的 綜合評判機制，建立光伏電站現場故障診斷和維護預測數據庫。本發明的有益效果在于，通過有針對性的對多種光伏組件、平衡部件以及發電系 統進行實證性測試，分析實測數據與實驗室理論測試值比對，建立實測數據測試、診斷和預 測數據庫，可達到有益效果在于全面評估光伏組件、部件及系統的可靠性、運行性能及成 本，針對長期有效數據的積累、分析，能夠為我國光伏技術革新找到真實可靠的數據支持， 為光伏組件、部件及系統的不斷優化找到方向。同時，通過可靠性及技術經濟性等研究，可 大幅降低光伏電站的開發成本，推動光伏新技術快速進步，為我國光伏產業良性發展、光伏 技術規模化利用提供條件。
下面結合附圖對本發明專利作進一步的說明。圖1為國外現有的戶外實證性測試網絡安裝布置示意圖。
圖2為國內現有的針對光伏組件IV測試電路拓撲原理圖。圖3為本發明專利技術方案流程圖。圖4為本發明專利實證性測試網絡布點及采樣系統結構圖。其中AEl和AE2是高 精度全要素氣象監測裝置，(溫度、濕度、氣壓、直射輻射、散射輻射、紫外輻射等)；DTl和 DT2是位移傳感器；SPl和SP2是全光譜輻射計。
具體實施例方式本發明技術方案流程圖如圖3所示。本發明專利具體實施方式
如圖4所示，下面 結合實施案例對本方法的具體步驟進行闡述。首先，針對不同光伏組件種類、并網逆變器種類及系統運行方式搭建實證性平臺。 其中光伏組件種類可分為晶硅電池組件、異質接面硅基電池、薄膜電池組件、聚光電池組 件、BIPV電池組件；并網逆變器分類為兩種，一種為按變壓器種類分類有變壓器隔離型、 無變壓器隔離型，一種為按拓撲結構分類微型逆變器、組串式、集中型；并按照安裝方式、 匯流方式、逆變器控制方式配置系統運行方式。其次，針對建立數據庫需采集的數據量優選各類傳感裝置，選取精度等級為0. 5S 及以下的高精度傳感裝置，采用就近安裝原則，根據現場實際環境及被測量位置對傳感裝 置進行優化布點，測量所需傳感器包括氣象傳感器，主要用于計量戶外環境氣象參數及校 正配置；非電量傳感器網絡，主要用于采集組件、部件非電量的特征參數；電量傳感器網 絡，主要用于采集組件、部件及發電系統的各電氣參數，如直流電壓、電流、電量，交流電壓、 電流、電量，有功功率、無功功率。其中氣象傳感器主要包括總輻射計、直接輻射計、散射輻 射計、反射輻射計、紫外輻射計、環境溫濕度計、測量風速、風向、氣壓、雨量參數傳感器；非 電量傳感器主要包括組件溫度測試裝置、位移傳感器、組件彎曲度傳感器；電量傳感器主要 包括測量電壓及電流的電壓傳感器及電流傳感器，此外，還需配置全光譜輻射計；
第三，將采集所得電量及非電量數據通過總線(BUS)傳遞至通訊前置機1，將采集到的 各類氣象數據通過無線通道(GPRS)傳遞至通訊前置機2，通過前置機連接所有現地采集的 數據單元和上位機設備，將前端采集到的數據進行匯總。其中應用數據服務系統承擔實證 系統前端原始數據的匯總和中間計算，為測試項目提供數據分析；歷史數據服務系統長期 存放集控系統的本地所有測量數據，包括所有光伏組件信息、氣象數據、逆變器工況、變壓 器工況，可記錄所有有效數據并存放在磁盤陣列中，還可存儲通過應用數據服務系統產生 的計算結果及中間過程；同時，上述測試數據送給上位機的平臺運行控制系統，為保證高性 能的數據采集多采用嵌入式操作系統，通過運行在PC機上的數據采集分析軟件對數據進 行分析，根據測量的組件側電氣量計算出不同種類光伏組件的轉換效率 nm= (VmXIm)/ (EXSffl) η m:光伏組件光電轉換效率； Vffl、Im:組件實際輸出電壓、電流； E 實際太陽能輻照度； Sffl 測量組件面積；
將不同種類組件的效率與采集到的上述各類氣象、非電氣量參數數據進行長期統計， 采用聚類分析法分析各參數對不同組件效率的影響程度，從而提取考量組件實際輸出效率的關鍵參數{入工、…入」。同理，計算出光伏逆變器轉換效率 nin= (V0Xi0)/ (ViXii) n in 逆變器轉換效率； V0、ι。逆變器實際輸出電壓及電流； Vi、Ii 逆變器實際輸入電壓及電流；
正交分析各參數與不同種類逆變器轉換效率的關系，提取影響逆變器效率的關鍵參數 {入工、…λ J，綜合兩項關鍵參數，統一獲得影響光伏電站設計與系統效率評估的關鍵參數 {入τ··}，逐步建立滿足不同光伏組件類型、逆變器種類以及系統運行方式實證性示范的原 始測試數據統計分析數據庫。以此判斷組件、部件及系統運行工況，形成光伏電站發電量和 效能評判的基礎數據指標。最后，對比實測效率數據與實驗室標準環境測試效率數據，其中 ε =ES/E (STC)
ε 實際輸出功率與標準測試環境下輸出功率的比率； Es為組件實際輸出功率、E (STC)為在標準環境下組件輸出功率。ε越接近于1，說明實際工況越接近實驗室標準環境，相反，越遠離1，證明實驗室 測試數據已不能有效權衡組件特性，需根據實際環境評估光伏系統可靠性，建立診斷及預 測數據庫。根據實證系統的失效模式、失效原因，如高溫或熱斑引起組件起火，線路連接故 障，長期記錄導致光伏電站故障的失效原因，及各故障失效率、失效時間、位置分布，采用聚 類分析法和現場參數的回歸辨識計算，提取表征可靠性與壽命的關鍵特征{α、β…}。經過基礎數據的長期有效積累，將不同種類組件、逆變器及系統效率與各關鍵參 數{λ^··}正交化，擬合出相應的近似曲線，形成用關鍵參數表示系統效率的函數方程
ns=nm X nin =FU1"') ns 系統運行效率；
根據對應的方程特性，預測光伏電站實際輸出功率在特定關鍵參數時的取值，例若組 件溫度為關鍵參數之一，預測當組件溫度為30°C時系統實際輸出效率值。結合預測實際輸 出效率及上述引起故障的關鍵特征，可建立光伏電站現場故障診斷和維護預測數據庫。通過上述數據庫的建立，提供組件、部件及系統的實時數據和歷史數據，本發明專 利還可以有其他步驟的實施方式，凡采用等同替換或等效變換形式的實施方法，均落在本 發明專利要求的保護范圍。
權利要求
1.基于實證示范建立光伏電站測試診斷和預測數據庫的方法，其特征在于，包括以下 步驟1)通過在實證性測試區域進行高精度傳感器網絡的配置及布點，采集實證性測試系統 運行全壽命周期內的光照強度、組件溫度地理環境參數，輸出電壓及電流電氣特性參數以 及器件自身性能參數；2)結合現場測試結果和實驗室標準環境下測試數據的正交分析，對比實測與實驗室測 試的數據并進行分析評價，基于數據處理分析技術對海量測試數據的有效數據提取及統計 處理分析，提取電站設計與評估的關鍵參數；3)基于上述關鍵參數，逐步建立滿足不同的光伏組件類型、安裝方式、逆變器種類以及 系統運行方式的實證性示范的原始測試數據的統計分析數據庫，形成光伏電站發電量和效 能評判的基礎數據指標；4)采用聚類分析法和現場參數的回歸辨識計算，結合實證系統的失效模式分析、關鍵 參數間的危害度評測與故障傳遞方式的分析結果，提取失效率、失效分布、故障樹結構表征 可靠性與壽命的關鍵特征；5)基于長期運行性能測試數據，運用可靠性分析理論，對實證性示范系統中不同組件、 平衡部件的統計數據進行深層挖掘和概率可靠性評估，形成可靠性與經濟性協調的綜合評 判機制，建立光伏電站現場故障診斷和維護預測數據庫。
全文摘要
基于實證示范建立光伏電站測試診斷和預測數據庫的方法，基于長期運行性能測試數據，運用可靠性分析理論，對實證性示范系統中不同組件、平衡部件的統計數據進行深層挖掘和概率可靠性評估，形成可靠性與經濟性協調的綜合評判機制，建立光伏電站現場故障診斷和維護預測數據庫。本發明的有益效果在于，全面評估光伏組件、部件及系統的可靠性、運行性能及成本。
文檔編號G06F17/30GK102129466SQ20111006840
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月22日 優先權日2011年3月22日
發明者劉美茵, 居蓉蓉, 張軍軍, 牛晨暉, 黃晶生 申請人:國網電力科學研究院