浅谈光伏组串电流传感器的应用与产品选型

发布时间:2024-6-27 18:22    发布者:eechina
关键词: 电流传感器 , 光伏组串
单位:浙江巨磁智能技术有限公司  作者:王维维

一、引言

太阳能具有分布广、可再生、无污染等特点,利用光伏系统对太阳能加以利用成为解决当前能源危机及缓解环境保护压力的重要手段之一。近年来,光伏装机规模快速扩大,技术进步和产业升级加快,已成为全球能源转型的重要领域。

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图1 国家能源局户用光伏统计信息公开

目前,国内光伏产业链各个环节已经相当完整,参与其中的厂家众多,光伏市场日趋饱和。随着光伏组件的高度集成化,新器件的工艺提升,对电流检测提出了更高的要求,包括高精度、高灵敏度、高稳定性、高可靠性和快速响应等方面。电流传感器是光伏系统中用于系统控制和状态监测的重要元件,是实现光伏组串电流检测极其关键的一环,包括对直流、交流、脉动直流及共模漏电流的测量。

在此背景下,运用电流传感器准确监测电流,可以及时发现问题,提高光伏系统的可靠性、效率和安全性,从而推动光伏技术的发展和应用。

二、光伏组串电流检测需求

光伏组串电流检测是光伏逆变器中的一个重要功能模块,可用于故障检测和故障保护、运行优化和功率控制、数据采集和监测等方面,通过对组串电流的准确监测和分析,能够有效保证光伏系统的安全运行和性能优化。

光伏阵列的电路结构多为SP结构,阵列中的太阳电池组件首先通过串联方式形成一个支路,再将各个组串并联构成。如下图所示为一个m串n并的SP结构。

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图2 SP结构的光伏阵列

根据IEC 62548 标准要求:光伏系统是否需要在每个组串中安装过流保护器件由组串并联数量确定。

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图3 IEC 62548 标准要求

注:N_S代表组串并联数量,I_(SC-MOD)代表光伏组件短路电流,I_(MOD-MAX-OCPR)代表光伏组件最大过电流保护额定值。

当并联组串数量超过2串时,需要在每个组串中安装过流保护器件。对逆变器而言,即每路MPPT接入的组串数量达到3串及以上时,需要在每个组串增加过流保护器件。

因此,通过在每条光伏组串中布置带有过流保护功能的芯片级传感器,检测各组串输入电流,分析各组串的工作状态,可以保证光伏阵列发生故障、组串工作出现异常时,能够及时测量该支路电流的变化情况、定位异常并发出警告,提醒用户及时检修。

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图4 光伏组串电流传感器嵌入方式

电流检测能够及时检测到电流的变化,指示故障位置,帮助工作人员快速发现故障点进行维护,缩短组件更换周期,提高光伏系统的发电效率和系统的经济性。对常见的光伏组串电流故障问题进行统计汇总,帮助我们更好的聚焦日常应用过程中光伏组串的电流检测需求。
(1)组串短路:当光伏组串中存在短路时,电流会迅速增大,导致电流异常高。短路通常是由于组串内部连接线路的损坏、电池板损坏或接触不良等原因引起的。
(2)组串开路:组串开路是指光伏组串中存在断路或开路现象,导致电流无法正常通路。在组串开路情况下,电流将为零或非常低。
(3)组串接触不良:光伏组串中,如果连接线路或连接器出现松动、腐蚀或接触不良,会导致电流传输受阻或中断,从而引起电流异常。
(4)组串温度过高:当光伏组串发生过载或电路故障时,会导致组串温度升高。高温会影响电池板的发电效率和稳定性,从而引起电流异常。
(5)组串电池老化:光伏组串中的电池板随着使用时间的增加,可能会出现老化、损坏或性能下降的情况,导致电流输出异常。

三、光伏组串电流传感器的实际应用

为满足上文中提及的光伏组串电流检测需求,电流传感器的角色至关重要。电流传感器一般用于测量和监测光伏组串中的电流输出,以实时获取电流值,并将其传输给光伏逆变器或其他控制系统。在实际应用过程中,多种因素的共同作用可能会导致传感器故障的发生,进而导致电流检测效果不佳,对光伏系统的稳定运行产生不可忽视的影响。对使用过程中造成电流传感器测量误差的具体问题进行汇总,总结如下:

表1 光伏组串电流传感器实际应用过程中产生的具体问题汇总
具体问题详情
精度因传感器自身性能或其他外部因素引起的检测精度下降的问题,测量结果的不准确,将直接影响光伏系统的运行和性能评估。
温度漂移在实际工作环境中,温度的变化会引起传感器的输出信号漂移,导致测量结果偏离真实值。
外部电源供电一些光伏组串电流传感器需要外部电源供电,这增加了安装和使用的复杂性,也可能存在电源故障或不稳定的问题。
故障检测和维护日常使用过程中,传感器可能出现传感元件损坏、连接线路断开等故障,因此,需要定期进行故障检测和维护,以确保传感器的正常运行。
外部干扰光伏组串电流传感器可能会受到外部电磁场或其他电器设备的干扰,导致测量结果出现误差。为了减少干扰,需要采取屏蔽措施或选择抗干扰能力较强的传感器。
安装位置传感器的安装位置对于测量结果的准确性和可靠性至关重要。选择不当的安装位置可能导致信号损失、漂移或干扰,影响测量性能。

针对以上总结的光伏组串电流传感器应用过程中产生的问题,对问题产生原因进行探究,结果如下:

表2 光伏组串电流传感器应用过程中产生具体问题的原因汇总
具体原因详情
物理损伤电流传感器的物理损伤可能是由于线路中的震动、撞击或其他外力引起的。这些损伤可能导致传感器的线路断裂、接触不良或完全失效。
传感器老化随着时间的推移,电流传感器的内部元件和材料会经历老化,导致性能逐渐下降,传感器灵敏度变差,最终导致传感器检测精度的弱化。
电气故障电流传感器的电气故障通常包括线路接触不良、绝缘层损坏、内部元件热损坏等。这些故障可能导致传感器的测量结果不准确或无法正常工作。
环境因素温度、湿度、尘埃等环境因素也可能导致电流传感器出现故障。例如,高温可能导致传感器过热损坏,湿度过大可能导致传感器内部结露,尘埃积累可能导致传感器测量结果不准确。
机械疲劳长时间的工作可能会导致电流传感器的机械部件疲劳损坏,从而影响其正常工作。
超出量程如果电流传感器的测量量程设置不当,可能会导致传感器的损坏。例如,当线路中的电流超出传感器的最大承受能力时,可能导致内部元件热损坏。

针对以上问题,可以通过选择高精度、抗干扰能力强的光伏组串电流传感器,合理安装和布置传感器,避免将传感器安装在受到强烈阳光直射或高温环境的位置,避免安装在有较强电磁干扰源的附近,以及避免存在机械振动的位置。进行定期维护和故障检测,以及采取温度补偿等措施来提高光伏组串电流传感器的实际应用性能。

四、产品选型

ME2系列电流传感器基于Magtron Quadcore®的高性能电流传感器芯片,采用开环霍尔技术,适用于隔离条件下的交直流、脉冲电流和任何其他波形电流的测量,测量时一次侧与二次侧完全绝缘。在全温区下具有高精度、高线性的输出特性。器件安装方式为PCB插件,具有可靠的固定引脚,安装便捷且具有良好的散热效果。适用于光伏汇流箱、光伏逆变器组串、伺服电机驱动、不间断电源等工业产品应用。

产品优势:
体积小、低成本、高可靠性、低插入损耗、抗干扰能力强、响应迅速、方便安装

产品特点:
高精度、高线性度、低零漂、低温漂、响应迅速。

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参考文献:
[1] 常万万.光伏阵列故障特性分析与故障定位方法研究[D]. 兰州交通大学,2023.    DOI:10.27205/d.cnki.gltec.2023.000765   
[2]孙建民,梁凌,李庚达等.光伏组件故障诊断技术综述[J].太阳能,2022,                (02):12-22.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20201105.01      
[3]苏亚超.组串式光伏发电系统直流侧多目标动态重构控制研究[D].燕山大学,2020.    DOI:10.27440/d.cnki.gysdu.2020.001165
[4]胡义华,陈昊,徐瑞东等.基于最优传感器配置的光伏阵列故障诊断                [J].中国电机工程学报,2011,31(33):19-30.                       DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2011.33.004     

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cees 发表于 2024-7-3 14:19:53
太阳能具有分布广、可再生、无污染等特点
kooe 发表于 2024-7-3 14:24:41
有效保证光伏系统的安全运行和性能优化
kese 发表于 2024-7-3 14:28:28
对逆变器而言,即每路MPPT接入的组串数量达到3串及以上时,需要在每个组串增加过流保护器件。
aey 发表于 2024-7-4 08:10:44
太阳能具有分布广、可再生、无污染等特点
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