Разработка алгоритма обнаружения и классификации замыкания внутри цепочки фотоэлектрических модулей в режиме реального времени

  • Даниил [Daniil] Юрьевич [Yu.] Середкин [Seredkin]
  • Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Монаков [Monakov]
Ключевые слова: замыкание, фотоэлектрическая батарея, фотоэлектрическая установка, фотоэлектрический модуль, ток цепочки, повреждение

Аннотация

Цель настоящей работы — разработка и верификация алгоритма обнаружения, классификации и локализации замыканий, возникающих внутри одной цепочки фотоэлектрических модулей солнечных электростанций.

Выполнен сравнительный анализ предлагаемого алгоритма с текущими методами обнаружения замыкания в фотоэлектрических батареях. Описана расчетная модель фотоэлектрической установки. Разработан алгоритм обнаружения замыканий внутри одной цепочки фотоэлектрической батареи в режиме реального времени. Полученные результаты будут использованы при создании алгоритма обнаружения замыканий между различными цепочками фотоэлектрической батареи.

По результатам проведенного исследования сделан вывод о корректной работе алгоритма в широком диапазоне инсоляции, описаны принятые допущения, приведена последовательность реализации алгоритма для фотоэлектрических батарей с произвольным числом цепочек и количеством модулей в одной цепочке.

Сведения об авторах

Даниил [Daniil] Юрьевич [Yu.] Середкин [Seredkin]

аспирант кафедры электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: SeredkinDY@mpei.ru

Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Монаков [Monakov]

кандидат технических наук, заведующий кафедрой электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: MonakovYV@mpei.ru

Литература

1. IEA. Trends in Photovoltaic Applications [Электрон. ресурс] https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2023/02/PVPS_Trend_Report_2022.pdf (дата обращения 03.09.2023).
2. IEA. Renewables [Электрон. ресурс] https://iea.blob.core.windows.net/assets/bda6e589-33a6-4120-b9c8-3b78c8348743/LaunchPresentation.pdf (дата обращения 02.08.2023).
3. Firth S.K., Lomas K.J., Rees S.J. A Simple Model of PV System Performance and Its Use in Fault Detection // Solar Energy. 2010. V. 84. Pp. 624—635.
4. Triki-Lahiani A. e. a. Fault Detection and Monitoring Systems for Photovoltaic Installations: a Review // Renewable and Sustainable Energy Reviews.2017. V. 82(11). Pp. 2680—2692.
5. Gallardo-Saavedra S., Hernández-Callejo L., Duque O. Quantitative Failure Rates and Modes Analysis in Photovoltaic Plants // Energy. 2019. V. 183. Pp. 825—836.
6. Klise G.T., Lavrova O.A., Gooding R.L. PV System Component Fault and Failure Compilation and Analysis [Электрон. ресурс] https://sunspec.org/wp-content/uploads/2016/12/PVSystemComponentFaultandFailureCompilationandAnalysis.pdf (дата обращения 02.08.2023).
7. Монаков Ю.В., Шарапов С.А., Середкин Д.Ю. Эффективность гетероструктурных фотоэлектрических модулей на территории России и корректность методики выбора защитных аппаратов в их цепях // Вестник МЭИ. 2021. № 6. С. 49—57.
8. Aghaei M. Line-line Fault Detection and Classification for Photovoltaic Systems Using Ensemble Learning Model Based on I-V Characteristics // Solar Energy. 2020. V. 211. Pp. 354—365.
9. Pei T., Hao X. A Fault Detection Method for Photovoltaic Systems Based on Voltage and Current Observation and Evaluation // Energies 2019. V. 12(9). P. 1712.
10. Ding K., Zhang J., Ding H., Liu Y., Chen F., Li Y. Fault Detection of Photovoltaic Array Based on Grubbs Criterion and Local Outlier Factor // IET Renewable Power Generation. 2020. V. 14. Pp. 551—559.
11. Guerriero P., Piegari L., Rizzo R., Daliento S. Mismatch Based Diagnosis of PV Fields Relying on Monitored String Currents // Intern. J. Photoenergy. 2017. Pp. 1—10.
12. Hariharan R. e. a. A Method to Detect Photovoltaic Array Faults and Partial Shading in PV Systems // IEEE J. Photovoltaics. 2016. V. 6(5). Pp. 1278—1285.
13. Середкин Д.Ю., Монаков Ю.В., Шарапов С.А. Реализация двухдиодной расчетной модели фотоэлектрического модуля для исследования переходных процессов в сети постоянного тока солнечных электростанций // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 98—107.
14. Spataru S., Sera D., Kerekes T., Teodorescu R. Photovoltaic Array Condition Monitoring Based on Online Regression of Performance Model // Proc. 39th Photovoltaic Specialists Conf. 2013. Pp. 0815—0820.
15. Ando B. e. a. Sentinella: Smart Monitoring of Photovoltaic Systems at Panel Level // IEEE Instrumentation and Measurement Trans. 2015. V. 64(8). Pp. 2188—2199.
16. Takashima T., Yamaguchi J., Otani K., Kato K., Ishida M. Experimental Studies of Failure Detection Methods in PV Module Strings // Proc. IEEE IV World Conf. Photovoltaic Energy Conversion. 2006. Pp. 2227—2230.
17. Kolantla D. e. a. Critical Review on Various Inverter Topologies for PV System Architectures // IET Renewable Power Generation. 2021. V. 14(17). Pp. 3418—3438.
18. Nedumgatt J. e. a. Perturb and Observe MPPT Algorithm for Solar PV Systems-modeling and Simulation // Proc. Annual IEEE India Conf. Hyderabad. 2011. Pp. 1—6.
19. Suryavanshi R. e. a. PSO and P & O based MPPT Technique for SPV Panel Under Varying Atmospheric Conditions // Proc. Intern. Conf. Power, Signals, Controls and Computation. Thrissur, 2012. Pp. 1—6.
20. Femia N., Petrone G., Spagnuolo G., Vitelli M. Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method // IEEE Trans. Power Electronics 2005. V. 20(4). Pp. 963—973.
21. Oubbati B.K., Boutoubat M., Belkheiri M., Rabhi A. Global Maximum Power Point Tracking of a PV System MPPT Control Under Partial Shading // Proc. 2018 Intern. Conf. Electrical Sci. and Technol. in Maghreb (CISTEM). Algiers, 2018. Pp. 1—6.
22. Arjyadhara P., Bhagabat P. A Simplified Design and Modeling of Boost Converter for Photovoltaic System // Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2018. V. 8. Pp. 141—149.
23. Ayop R., Tan C.W. Design of Boost Converter Based on Maximum Power Point Resistance for Photovoltaic Applications // Solar Energy. 2018. V. 160. Pp. 322—335.
24. Güler N., Irmak E. MPPT Based Model Predictive Control of Grid Connected Inverter for PV Systems // Proc. VIII Intern. Conf. Renewable Energy Research and Appl. Brasov, 2019. Pp. 982—986.
25. Skiera B., Reiner J., Albers S. Regression Analysis // Handbook of Market Research. N.-Y.: Springer, 2022. Pp. 299—327.
26. Gasparin F.P., Bühler A.J., Rampinelli G.A., Krenzinger A. Statistical Analysis of I–V Curve Parameters from Photovoltaic Modules // Solar Energy. 2016. V. 131. Pp. 30—38.
---
Для цитирования: Середкин Д.Ю., Монаков Ю.В. Разработка алгоритма обнаружения и классификации замыкания внутри цепочки фотоэлектрических модулей в режиме реального времени // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 36—48. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-36-48
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. IEA. Trends in Photovoltaic Applications [Elektron. Resurs] https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2023/02/PVPS_Trend_Report_2022.pdf (Data Obrashcheniya 03.09.2023).
2. IEA. Renewables [Elektron. Resurs] https://iea.blob.core.windows.net/assets/bda6e589-33a6-4120-b9c8-3b78c8348743/LaunchPresentation.pdf (Data Obrashcheniya 02.08.2023).
3. Firth S.K., Lomas K.J., Rees S.J. A Simple Model of PV System Performance and Its Use in Fault Detection. Solar Energy. 2010;84:624—635.
4. Triki-Lahiani A. e. a. Fault Detection and Monitoring Systems for Photovoltaic Installations: a Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews.2017;82(11):2680—2692.
5. Gallardo-Saavedra S., Hernández-Callejo L., Duque O. Quantitative Failure Rates and Modes Analysis in Photovoltaic Plants. Energy. 2019;183:825—836.
6. Klise G.T., Lavrova O.A., Gooding R.L. PV System Component Fault and Failure Compilation and Analysis [Elektron. Resurs] https://sunspec.org/wp-content/uploads/2016/12/PVSystemComponentFaultandFailureCompilationandAnalysis.pdf (Data Obrashcheniya 02.08.2023).
7. Monakov Yu.V., Sharapov S.A., Seredkin D.Yu. Effektivnost' Geterostrukturnykh Fotoelektricheskikh Moduley na Territorii Rossii i Korrektnost' Metodiki Vybora Zashchitnykh Apparatov v Ikh Tsepyakh. Vestnik MEI. 2021;6:49—57. (in Russian).
8. Aghaei M. Line-line Fault Detection and Classification for Photovoltaic Systems Using Ensemble Learning Model Based on I-V Characteristics. Solar Energy. 2020;211:354—365.
9. Pei T., Hao X. A Fault Detection Method for Photovoltaic Systems Based on Voltage and Current Observation and Evaluation. Energies 2019;12(9):1712.
10. Ding K., Zhang J., Ding H., Liu Y., Chen F., Li Y. Fault Detection of Photovoltaic Array Based on Grubbs Criterion and Local Outlier Factor. IET Renewable Power Generation. 2020;14:551—559.
11. Guerriero P., Piegari L., Rizzo R., Daliento S. Mismatch Based Diagnosis of PV Fields Relying on Monitored String Currents. Intern. J. Photoenergy. 2017:1—10.
12. Hariharan R. e. a. A Method to Detect Photovoltaic Array Faults and Partial Shading in PV Systems. IEEE J. Photovoltaics. 2016;6(5):1278—1285.
13. Seredkin D.Yu., Monakov Yu.V., Sharapov S.A. Realizatsiya Dvukhdiodnoy Raschetnoy Modeli Fotoelektricheskogo Modulya dlya Issledovaniya Perekhodnykh Protsessov v Seti Postoyannogo Toka Solnechnykh Elektrostantsiy. Vestnik MEI. 2023;2:98—107. (in Russian).
14. Spataru S., Sera D., Kerekes T., Teodorescu R. Photovoltaic Array Condition Monitoring Based on Online Regression of Performance Model. Proc. 39th Photovoltaic Specialists Conf. 2013:0815—0820.
15. Ando B. e. a. Sentinella: Smart Monitoring of Photovoltaic Systems at Panel Level. IEEE Instrumentation and Measurement Trans. 2015;64(8):2188—2199.
16. Takashima T., Yamaguchi J., Otani K., Kato K., Ishida M. Experimental Studies of Failure Detection Methods in PV Module Strings. Proc. IEEE IV World Conf. Photovoltaic Energy Conversion. 2006:2227—2230.
17. Kolantla D. e. a. Critical Review on Various Inverter Topologies for PV System Architectures. IET Renewable Power Generation. 2021;14(17):3418—3438.
18. Nedumgatt J. e. a. Perturb and Observe MPPT Algorithm for Solar PV Systems-modeling and Simulation. Proc. Annual IEEE India Conf. Hyderabad. 2011:1—6.
19. Suryavanshi R. e. a. PSO and P & O based MPPT Technique for SPV Panel Under Varying Atmospheric Conditions. Proc. Intern. Conf. Power, Signals, Controls and Computation. Thrissur, 2012:1—6.
20. Femia N., Petrone G., Spagnuolo G., Vitelli M. Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method. IEEE Trans. Power Electronics 2005;20(4):963—973.
21. Oubbati B.K., Boutoubat M., Belkheiri M., Rabhi A. Global Maximum Power Point Tracking of a PV System MPPT Control Under Partial Shading. Proc. 2018 Intern. Conf. Electrical Sci. and Technol. in Maghreb (CISTEM). Algiers, 2018:1—6.
22. Arjyadhara P., Bhagabat P. A Simplified Design and Modeling of Boost Converter for Photovoltaic System. Intern. J. Electrical and Computer Eng. 2018;8:141—149.
23. Ayop R., Tan C.W. Design of Boost Converter Based on Maximum Power Point Resistance for Photovoltaic Applications. Solar Energy. 2018;160:322—335.
24. Güler N., Irmak E. MPPT Based Model Predictive Control of Grid Connected Inverter for PV Systems. Proc. VIII Intern. Conf. Renewable Energy Research and Appl. Brasov, 2019:982—986.
25. Skiera B., Reiner J., Albers S. Regression Analysis. Handbook of Market Research. N.-Y.: Springer, 2022:299—327.
26. Gasparin F.P., Bühler A.J., Rampinelli G.A., Krenzinger A. Statistical Analysis of I–V Curve Parameters from Photovoltaic Modules. Solar Energy. 2016;131:30—38
---
For citation: Seredkin D.Yu., Monakov Yu.V. Development of the Real-time Algorithm for Intra-Sstring Photovoltaic Modules Faults Detection and Classification. Bulletin of MPEI. 2024;4:36—48. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-36-48
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-08-28
Раздел
Электроэнергетика (технические науки) (2.4.3)