局部阴影遮挡下光伏阵列故障在线诊断方法研究开题报告

一、研究背景

能源是经济社会稳定快速发展的必要基础，也是人类社会正常运行的前提条件。现如今以煤炭、石油和天然气等传统化石燃料为主的能源利用模式的弊端逐渐凸显，诸多挑战摆在了人类的面前[1]。据有关统计数据显示如果按当前化石燃料的消耗速度，石油资源仅仅够开采50年，煤炭资源仅仅够开采200年，由于传统化石燃料具有不可再生性，再加上人类社会发展对化石燃料不断开采所造成的资源匮乏，传统化石燃料将满足不了人类日益增加的能源需求量，而对于人口数量最多的中国，能源问题更加严峻[2]；环境保护方面，化石燃料的燃烧将会释放出大量CO2、SO2等有害气体，CO2作为温室气体，会导致温室效应，从而进一步导致全球变暖、病害虫增加、土地沙漠化、海平面上升、氧气含量降低等一系列环境问题，SO2会导致酸雨、雾霾等恶劣天气的发生，直接影响人类的生存环境[3]。传统能源存在的问题促使人类将探索与开发新型清洁能源的任务放在了重要的位置，只有利用可再生能源如太阳能、风能、潮汐能等，才能推动新的能源变革。其中太阳能具有取之不尽用之不竭、无污染等巨大优点，成为清洁能源的开发重点，而光伏发电作为太阳能最主要的利用手段，在近年来得到了迅速推广[13]。而光伏电池阵列在实际运行过程中易出现阴影遮挡、老化、腐蚀、裂纹、热斑等现象，使得光伏阵列的输出特性与正常情况相比出现发生很大巨大变化，不仅导致传统的系统的最大功率点跟踪方法效果不佳，也使得整个光伏发电的系统的稳定性和安全性也面临严峻的挑战受到影响。由于几乎所有的光伏阵列故障对光伏阵列的影响都可以通过局部阴影遮挡来等效[4-5]替代，因而光伏阵列故障诊断问题可以转化阴影遮挡情况的诊断问题。

二、国内外研究现状

1954年，世界上第一个单晶硅光伏电池在美国研制成功，翻开了将太阳能转换成电能的篇章。虽然最初的转换效率仅有6% ，但是它的出现打开了光伏发电系统的大门。自20世纪90年代开始，全球光伏电池生产量不断增多，仅2008年至2018年这十年间的增长率就已达到57.1%，不但超越了信息技术产业的发展，还成为信息时代发展最快的产业之一。光伏行业有着非常好的发展远景，可以在全球范围内推广。

不仅如此，各国政府也出台了各类相应的政策来扶持太阳能发电市场，方法众多。从一开始德国开始实施“上网电价”法，取得了显著的成果，紧接着欧洲各国开始纷纷效仿并实行，根据自身国情先后出台了各类政策来刺激光伏发电研究。美国对于光伏发电的激励政策更是根据各个州的不同情况而做出相关调整，日本则统一使用初期投入补贴但补贴逐年递减政策[6-7]。

我国也出台了一些扶持光伏发电的政策激励。《可再生能源法》、《关于实施金太阳示范工程的通知》等政策决定采取财政补助、科技支持和拉动市场等方式，加快光伏的产业化和规模化[8]。2017年我国颁布的《能源发展“十三五”》将进一步加大新增光伏发电装机容量[11]。2017年国家领导人习近平主席提出了生态理念和新发展观，倡导绿色、低碳、循环、可持续的生产方式，太阳能光伏电池作为绿色能源，已然成为能源结构转型的主力之一。伴随国家政策的支持和鼓励，我国的太阳能资源将得到更进一步的开发。对于中国光伏市场今后的发展前景，业内人士判断称，中国每年将新增 1500 万 kW~2000 万 kW 的光伏发电，将继续保持全球最强劲的增长，面对如此庞大的光伏市场，为了减少阴影对光伏电站的影响，避免热斑的形成，阴影遮挡测试是非常必要的[12]。

三、研究目的

该研究是面向pv光伏阵列的仿真实验，通过对光伏阵列的实时仿真数据检测分析，模拟光伏阵列在各种故障状态下的输出情况，与正常状态下进行对比，从而总结出故障的诊断方法，以便在现实情况下进行在线实时监控，及时发现故障原因及故障位置，从而达到提高光伏阵列发电效率，降低安全隐患，延长使用寿命，降低发电成本的目的。

四、研究意义：

光伏阵列的故障定位一般采用人工一块一块排查的方法，对于大型光伏电站来 说费时费力，而且众多大型太阳能发电站由于在安装前期考虑到需要有充足的阳光，大多建在野外或者荒漠等较为恶劣的环境中，所以大多运行时无人值守[9]。再者，光伏阵列的正常工作电压一般可达到上百伏甚至上千伏，如果光伏电站运行时出现故障，如此高的电压无法进行人为的在线检测。因此，模拟故障发生，总结故障发生原因，总结故障类型及诊断方法，建立光伏阵列运行状态实时检测系统，对发电站的正常运行具有十分重要意义。

一、主要研究内容：

1. 基于局部阴影遮挡下光伏阵列故障在线诊断方法研究的要求，研究PV板的光伏特性并且利用matlab 进行仿真，完成总体方案的设计与说明；

2. 研究PV板在不同遮挡情况的最大功率输出情况，采用Matlab进行仿真分析。

3. 设计基于功率跟踪数据的光伏阵列阴影遮挡情况的在线诊断方法。

二、应实现的功能：

1. 实时数据采集功能——能够实时采集光伏阵列的功率输出数据；

2. 实现最大功率跟踪——通过扰动观察法实现最大功率跟踪

3. 模拟不同遮挡情况下故障发生——能够模拟故障发生，并采集故障发生时的最大功率输出；

4. 实现在线故障诊断——分析不同故障状态下的参数特征通过LSTM算法实现故障在线诊断

三、预期目标

预期目标是完成仿真电路的搭设，模拟各种故障（如各种位置各种程度的阴影遮挡）的产生，观察不同故障情况下输出功率、输出电压电流的差异 [10]，进行总结，完成实时诊断方法的归纳总结。在完成设计后，还需要对它们分别进行调试，对实验结果进行误差分析，以求实验方案的改进。

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