FR2956213A1

FR2956213A1 - Device for electrically characterizing and detecting electric failures of photovoltaic module in photovoltaic power station, has case integrating device to allow construction of characteristics curve of photovoltaic module

Info

Publication number: FR2956213A1
Application number: FR1000561A
Authority: FR
Inventors: Monirat Ung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2011-08-12

Abstract

The device has a case connected on positive and negative outputs of a photovoltaic module (1). The case integrates the device to allow construction of a characteristics curve of the photovoltaic module. A half-bridge structure represented by two electronic switches is controlled by a microcontroller to charge or discharge an active load i.e. inductive load. The half-bridge structure measures the characteristic curve of the photovoltaic module. An external control unit is in communication with the measured data.

Description

-1- -1-

La présente invention concerne un dispositif électronique permettant la caractérisation électrique et la détection de défaillances électriques d'un module sur site, en mesurant individuellement la courbe caractéristique (I=f(V) û voir figure 2) de chaque équipement. The present invention relates to an electronic device for electrical characterization and detection of electrical failures of a module on site, by individually measuring the characteristic curve (I = f (V) - see Figure 2) of each device.

Avec les nouvelles normes et changements nécessaires quant à l'approvisionnement en énergie, le développement des équipements photovoltaiques et de la cellule photovoltaique est en forte croissance. Dans ce qui suit, le terme équipement photovoltaique fera référence indifféremment à un équipement, un module ou même une cellule photovoltaique. With the new standards and changes needed for energy supply, the development of photovoltaic equipment and photovoltaic cells is growing rapidly. In what follows, the term photovoltaic equipment will refer indifferently to a device, a module or even a photovoltaic cell.

Actuellement, une installation photovoltaique quelle qu'elle soit peut se décrire de la façon suivante : a) Des module photovoltaiques [1] sont reliés entre eux comme décrit dans la Figure 1 en série. b) Chaque série est reliée à l'onduleur [2] c) Le nombre de panneaux reliés en série est défini par la tension maximale acceptée en entrée par l'onduleur d) Le rôle de l'onduleur est de trouver le point de fonctionnement pour lequel le maximum de puissance [3] est disponible provenant des panneaux. Le rôle de l'onduleur est de déterminer le point de puissance maximum de la chaine complète constituée des panneaux en série [3] (voir figure 4). Une des limites de cette méthode est que l'équipement photovoltaique le moins performant détermine le point de fonctionnement de l'ensemble des panneaux connectés en série. Lorsque l'un des équipements est défaillant, celui ûci va réduire d'une façon notable le point de fonctionnement de l'ensemble de la chaine. Parvenir à identifier l'équipement défaillant permettrait d'augmenter considérablement la production électrique. Lorsqu'un équipement a une ombre (due à la poussière ou un élément extérieur) ou une panne, la caractéristique de l'équipement change (voir figure 3). -2- Il en résulte une perte notable de la production électrique du module photovoltaique. Il n'existe pas à ce jour de système permettant la caractérisation électrique sur site 35 et systématique de chaque module photovoltaique. Un équipement photovoltaique est caractérisé par sa courbe caractéristique I = f (V), (voir Figure 2). Cette caractéristique est fonction de l'ensoleillement au moment de la mesure. Spécifiquement, les fabricants de panneaux pratiquent des «Flash Tests », c'est-à-dire utilisent 40 des lampes spécifiques pour illuminer le panneau, et mesurer sa caractéristique. La mesure est effectuée avec une irradiation de 1000W/m2. Currently, any photovoltaic installation can be described as follows: a) Photovoltaic modules [1] are connected together as described in Figure 1 in series. b) Each series is connected to the inverter [2] c) The number of panels connected in series is defined by the maximum voltage accepted in input by the inverter d) The role of the inverter is to find the point of operation for which maximum power [3] is available from the panels. The role of the inverter is to determine the maximum power point of the complete chain consisting of series panels [3] (see Figure 4). One of the limitations of this method is that the least efficient photovoltaic equipment determines the operating point of all panels connected in series. When one of the equipment fails, that one will significantly reduce the operating point of the entire chain. Achieving the identification of failed equipment would significantly increase power generation. When equipment has a shadow (due to dust or an external element) or a failure, the characteristic of the equipment changes (see Figure 3). This results in a significant loss of the electrical production of the photovoltaic module. To date, no system exists for the on-site and systematic electrical characterization of each photovoltaic module. A photovoltaic equipment is characterized by its characteristic curve I = f (V), (see Figure 2). This characteristic is a function of the sunshine at the time of measurement. Specifically, panel manufacturers practice "flash tests," that is, use specific lamps to illuminate the panel, and measure its characteristic. The measurement is carried out with an irradiation of 1000 W / m2.

Lorsqu'un phénomène d'ombre se présente sur l'équipement photovoltaique, la caractéristique électrique change, et lorsqu'une diode de bypass est présente sur l'équipement photovoltaique, la 45 courbe I =f(V) est comme le montre la figure 3. When a shadow phenomenon occurs on the photovoltaic equipment, the electrical characteristic changes, and when a bypass diode is present on the photovoltaic equipment, the curve I = f (V) is as shown in FIG. 3.

Lorsqu'une ombre permanente apparait sur le panneau, alors la réponse caractéristique du panneau est comme le montre la figure 3, lorsque qu'une diode de bypass est présente. When a permanent shadow appears on the panel, then the characteristic response of the panel is as shown in Figure 3, when a bypass diode is present.

50 Lorsqu'une ou plusieurs cellules d'un module photovoltaique deviennent défaillantes, la réponse caractéristique du panneau est comme le montre la figure 3, lorsque qu'une diode de bypass est présente. When one or more cells of a photovoltaic module become faulty, the characteristic response of the panel is as shown in FIG. 3, when a bypass diode is present.

Le dispositif selon l'invention permet de caractériser le comportement électrique d'un module 55 photovoltaique, et de détecter la présence d'ombre et/ou la défaillance d'une ou plusieurs cellules d'un module photovoltaique. The device according to the invention makes it possible to characterize the electrical behavior of a photovoltaic module 55, and to detect the presence of shadow and / or the failure of one or more cells of a photovoltaic module.

Le dispositif selon l'invention consiste à proposer une méthode dynamique d'analyse de la courbe de réponse du panneau ou module photovoltaique sur site, c'est-à-dire construire la 60 - 3 The device according to the invention consists in proposing a dynamic method for analyzing the response curve of the photovoltaic panel or module on site, that is to say, to build the 60 - 3

courbe caractéristique similaire aux figures 2 et 3, d'analyser cette courbe mesurée (figure 5), et de déterminer la présence d'un ou plusieurs point d'inflexion [4] caractéristiques d'une défaillance. Cette méthode repose sur un dispositif électronique chargé d'analyser et transmettre les relevés de caractéristiques (voir figure 6). characteristic curve similar to FIGS. 2 and 3, to analyze this measured curve (FIG. 5), and to determine the presence of one or more points of inflection [4] characteristic of a failure. This method relies on an electronic device responsible for analyzing and transmitting the characteristic readings (see Figure 6).

Ce dispositif électronique proposera également une méthode pour identifier chaque élément 70 photovoltaique défaillant. La présente invention a pour but de créer un moyen simple permettant d'équiper les équipements photovoltaiques de dispositifs de tests visant à optimiser la production électrique et faciliter la maintenance, et détecter la présence d'ombre et/ou ma défaillance d'une ou plusieurs 75 cellule en analysant la réponse caractéristique du panneau photovoltaique. This electronic device will also provide a method for identifying each failed photovoltaic element. The object of the present invention is to provide a simple means for equipping photovoltaic equipment with testing devices to optimize power generation and facilitate maintenance, and to detect the presence of shadow and / or my failure of one or more 75 cell by analyzing the characteristic response of the photovoltaic panel.

L'invention concerne un dispositif électronique de caractérisation électrique et de détection de défaillances électriques d'un module relié en parallèle à chaque équipement (voir figure 7). The invention relates to an electronic device for electrical characterization and electrical failure detection of a module connected in parallel to each device (see Figure 7).

80 Ce dispositif sera auto alimenté par l'équipement photovoltaique. Il sera identifié par un unique numéro d'identification qui sera défini individuellement (voir figure 7). 80 This device will be self powered by the photovoltaic equipment. It will be identified by a unique identification number that will be defined individually (see Figure 7).

Ce dispositif communiquera par une liaison sans fil (Zigbee, bluetooth ou équivalent) vers un dispositif de réception et de contrôle (ordinateur, équipement électronique). Ce dispositif communiquera notamment : son numéro d'identification, différents points de mesure de la courbe caractéristique du équipement photovoltaique. 65 -4- La caractéristique de l'équipement photovoltaique sera déterminée grâce aux points de mesures effectués, puis modélisé par une interpolation pour déterminer le polynôme de Lagrange correspondant (voir Figure 5). Une méthode simple pour déterminer un quelconque défaut du équipement sera notamment, sans être exhaustif, de calculer si la dérivée seconde du polynome en un point change de signe, et/ou si le polynome de Lagrange a un degré supérieur à 2. This device will communicate via a wireless link (Zigbee, bluetooth or equivalent) to a reception and control device (computer, electronic equipment). This device will communicate in particular: its identification number, different measurement points of the characteristic curve of the photovoltaic equipment. The characteristic of the photovoltaic equipment will be determined by the measurement points made, and then modeled by an interpolation to determine the corresponding Lagrange polynomial (see Figure 5). A simple method to determine any defect in the equipment will include, but is not limited to, calculating whether the second derivative of the polynomial at a point changes sign, and / or whether the Lagrange polynomial has a degree greater than 2.

100 Une cellule référence sera utilisée pour normaliser la courbe caractéristique du équipement, afin d'être indépendant de l'ensoleillement au moment de la mesure (figure 12). 100 A reference cell will be used to normalize the characteristic curve of the equipment, so as to be independent of sunshine at the time of measurement (Figure 12).

La cellule référence servira à normaliser la courbe caractéristique, afin de discriminer si on est dans une situation sans ombre ou avec ombre sans diode de bypass Le dispositif selon l'invention permettant de remédier au problème comporte un boitier qui sera relié au module photovoltaique mesuré lui-même (comme le montre la figure 7). Chaque boitier (voir figure 6) comprendra : The reference cell will be used to normalize the characteristic curve, in order to discriminate if one is in a situation without shadow or shadow without a bypass diode. The device according to the invention makes it possible to remedy the problem and includes a box which will be connected to the photovoltaic module measured by it. (as shown in Figure 7). Each case (see Figure 6) will include:

110 1. Une charge active [5] servant à sourcer du courant venant de l'équipement, dont la charge sera pilotée par 2 interrupteurs électroniques [6] et [7] 2. Un élément de mesure du courant traversant cette charge [8] 3. Un élément servant à convertir la mesure du courant en tension [9] 4. Un élément servant à mesurer la tension de sortie de l'équipement [11] 115 5. Un micro-controlleur [12] (ou équivalent) servant à contrôler le point de mesure voulu (courant, tension), et construire ainsi la courbe caractéristique 6. Un élément servant à numérote de façon unique chaque dispositif [17] Le micro-controlleur construira une table (courant, tension), caractéristique de la réponse de 120 l'équipement, et recherchera le polynome de Lagrange correspondant. Le microcontrolleur 95 105 2956213 -5 enverra par une liaison avec ou sans fil les paramètres du équipement : numéro d'identification, degré du polynome, facteur de forme du équipement, données de la table La charge active (inducteur ù élément [5]) sera utilisée pour sourcer du courant du module photovoltaique. Lorsque la valeur du courant sourcé atteindra le seuil voulu (Ix), la tension du module sera mesurée (Vx) et le couple (Ix, Vx) sera ainsi constitué.110 1. An active load [5] used to draw power from the equipment, the load of which will be controlled by 2 electronic switches [6] and [7] 2. A measuring element for the current flowing through this load [8] 3. An element for converting the measurement of current into voltage [9] 4. An element for measuring the output voltage of the equipment [11] 115 5. A micro-controller [12] (or equivalent) used to check the desired measuring point (current, voltage), and thus build the characteristic curve 6. An element used to uniquely number each device [17] The microcontroller will build a table (current, voltage), characteristic of the response the equipment, and look for the corresponding Lagrange polynomial. The microcontroller 95 105 2956213 -5 will send the equipment parameters via a wired or wireless link: identification number, degree of polynomial, equipment form factor, table data The active load (inductor to element [5]) will be used to source power from the photovoltaic module. When the value of the sourced current reaches the desired threshold (Ix), the voltage of the module will be measured (Vx) and the torque (Ix, Vx) will be constituted.

130 Afin de balayer l'ensemble de la courbe caractéristique (Figure 2), plusieurs points de mesures seront effectués selon la formule suivante: AI=VAt x L Où AT est la variation de courant dans l'inducteur At est le temps de charge de l'inducteur 135 L est la valeur de l'inducteur L'inducteur sera dimensionné de telle sorte qu'il pourra absorber une energie équivalente à : 125 (Eq. 1) (Eq. 2) Ex Une structure en demi-pont sera utilisé pour charger et décharger convenablement l'inducteur 140 (figure 9) La première étape est la charge de l'inducteur selon la figure 10. La flèche montre le sens de circulation du courant sourcé depuis le module photovoltaique. -6- 145 La deuxième étape est la décharge de l'inducteur selon la figure 11. La flèche montre le sens de circulation du courant lorsque l'inducteur est déconnecté du module photovoltaique. L'énergie stockée dans l'inducteur lors de la phase de charge est dissipée lors de la phase de décharge. Afin de mesurer le courant, une sonde de courant [8] pourra être utilisée. Cette sonde mesurera le courant lx recherché. Cette mesure sera convertie par un convertisseur courant ù tension 150 [9] et transmise à un convertisseur analogique ù digital [10] afin que le micro controlleur [12] puisse récupérer l'information. Le micro-controleur convertira ce signal, et analysera si le courant Ix a atteint le seuil recherché. Lorsque le micro-controleur ferme l'interrupteur [6], le courant Ix va augmenter suivant la loi Equation 1. Le courant circulera dans l'inducteur [5] selon la figure 10.In order to scan the whole of the characteristic curve (Figure 2), several measurement points will be made according to the following formula: AI = VAt x L Where AT is the variation of current in the inductor At is the charging time of the inductor 135 L is the value of the inductor The inductor will be dimensioned so that it can absorb an energy equivalent to: 125 (Eq.1) (Eq.2) Ex A half-bridge structure will be used to properly charge and discharge the inductor 140 (Figure 9) The first step is the charging of the inductor according to Figure 10. The arrow shows the flow direction of the current sourced from the photovoltaic module. The second step is the discharge of the inductor according to FIG. 11. The arrow shows the flow direction of the current when the inductor is disconnected from the photovoltaic module. The energy stored in the inductor during the charging phase is dissipated during the discharge phase. In order to measure the current, a current probe [8] can be used. This probe will measure the desired lx current. This measurement will be converted by a current-to-voltage converter 150 [9] and transmitted to an analog-to-digital converter [10] so that the microcontroller [12] can retrieve the information. The microcontroller will convert this signal, and analyze if the current Ix has reached the desired threshold. When the microcontroller closes the switch [6], the current Ix will increase according to the law Equation 1. The current will flow in the inductor [5] according to Figure 10.

155 Lorsque Ix atteint le seuil recherché : a) le micro-controleur va mesurer la tension Vx correspondante b) le microcontroleur va ouvrir l'interrupteur [6] c) L'inducteur n'acceptant pas une discontinuité de courant (loi de Lenz), le courant va circuler via la diode de body de l'interrupteur [7] pendant le court laps de temps entre l'ouverture 160 de l'interrupteur [6] et la fermeture de l'interrupteur [7] par le micro-controleur. Une diode Shottky [18] pourra également être mise en parallèle de l'interrupteur [7] pour faciliter la transition. d) Après avoir ouvert l'interrupteur [6], le micro-controleur va fermer l'interrupteur [7] Une fois la table déterminée, le micro-controleur pourra déterminer le polynôme de Lagrange 165 satisfaisant les points relevés suivant la définition suivante : Soient n points distincts xo, x1, xn d'un intervalle fermé borné [a,b] de R, et une fonction f définie sur [a,b] à valeurs dans R, il existe un unique polynôme P de degré inférieur ou égal à n, -7- 170 tel que P(xi) = f(xi) pour i = 0, 1, n. Ce polynôme est donné par : ( X i=d ù Xf f(moi)JJ 1 j=0 Xi ù Xi }#i J Si ce polynôme est de degré strictement supérieur à 2, cela signifiera qu'il existe au moins un 175 point d'inflexion, caractérisant une défaillance potentielle du module photovoltaique. Un outil de diagnostique externe [14] (Figure 13) sera utilisé pour collecter les données de tous les modules photovoltaiques, analyser les données et retranscrire toutes les informations sous la forme d'une interface web. Une transmission sans fil type ZigBee sera 180 utilisée. Chaque module transmettra les données suivantes : 1. Son numéro d'identification : ce numéro est défini par un switch 8/16bits [17] 2. Les données de sa table (Vx, Ix) 3. Les coefficients de son polynôme de Lagrange Une cellule photovoltaique référence [16] (figure 13) sera utilisée pour normaliser l'ensemble des relevés faits, ceci afin de vérifier la courbe caractéristiques de chaque module en fonction de l'ensoleillement, et déterminer en lère analyse si le module photovoltaique fournit effectivement ou non la puissance garantie par le fabricant.155 When Ix reaches the desired threshold: a) the micro-controller will measure the corresponding voltage Vx b) the microcontroller will open the switch [6] c) The inductor does not accept a current discontinuity (Lenz's law) , the current will flow via the body diode of the switch [7] for the short time between the opening 160 of the switch [6] and the closing of the switch [7] by the microcontroller . A Shottky diode [18] can also be paralleled to the switch [7] to facilitate the transition. d) After having opened the switch [6], the microcontroller will close the switch [7] Once the table has been determined, the microcontroller can determine the Lagrange 165 polynomial satisfying the points recorded according to the following definition: Let n distinct points xo, x1, xn of a closed bounded interval [a, b] of R, and a function f defined on [a, b] with values in R, there exists a single polynomial P of degree inferior or equal at n, -7- 170 such that P (xi) = f (xi) for i = 0, 1, n. This polynomial is given by: (X i = d ù Xf f (me) JJ 1 j = 0 Xi ù Xi} #i J If this polynomial is of degree strictly greater than 2, it will mean that there is at least one 175 inflection point, characterizing a potential failure of the photovoltaic module An external diagnostic tool [14] (Figure 13) will be used to collect the data of all the photovoltaic modules, analyze the data and retranscribe all the information in the form of a web interface A wireless transmission type ZigBee will be used 180. Each module will transmit the following data: 1. Its identification number: this number is defined by an 8/16 bit switch [17] 2. The data of its table ( Vx, Ix) 3. The coefficients of its Lagrange polynomial A reference photovoltaic cell [16] (figure 13) will be used to standardize all the readings made, in order to check the characteristic curve of each module according to the sunshine, and detaine in the first analysis, whether the photovoltaic module actually provides the power guaranteed by the manufacturer.

190 Cette cellule sera étalonnée de telle sorte qu'elle permettra de déterminer l'ensoleillement au moment de la prise de mesure. Une fois cette mesure effectuée, le micro-controleur pourra normaliser les courbes caractéristiques précédemment relevés, et calculer un ratio de production 185 -8- 195 entre le relevé pris et la courbe caractéristique théorique et afficher les résultats sur un organe d'affichage [15]. En fonction de l'ensoleillement, la puissance maximale développée diminue. En utilisant une cellule photovoltaique référence, nous sommes en mesure d'évaluer l'ensoleillement au moment de la mesure. En conséquence, si par exemple la courbe de mesure du module est comme la figure 200 12, si la cellule référence indique qu'au moment de la mesure, l'ensoleillement est de 800W/m2, et que la courbe mesurée se trouve bien en deçà de la courbe théorique, on pourra conclure que le module mesurée présente une défaillance. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à l'industrie des centrales photovoltaiques. Le dispositif sera réalisé et encapsulé dans un boitier hermétique. La mise en 205 oeuvre se fera lors de l'installation des modules photovoltaiques. Un dispositif électronique sera connecté en parallèle à chaque panneau photovoltaique. Le dispositif dans son boitier sera fixé sous le module photovoltaique afin qu'il soit protégé des intempéries. Au moment de l'installation du dispositif, l'installateur assignera son numéro d'identification. 210 190 This cell will be calibrated so that it will be able to determine the sunshine at the time of measurement. Once this measurement has been made, the microcontroller can normalize the characteristic curves previously recorded, and calculate a production ratio 185 -19-19 between the taken reading and the theoretical characteristic curve and display the results on a display member [15]. ]. Depending on the sun, the maximum power developed decreases. By using a reference photovoltaic cell, we are able to evaluate sunshine at the time of measurement. Consequently, if, for example, the measurement curve of the module is like FIG. 200 12, if the reference cell indicates that at the time of measurement, the irradiation is 800 W / m2, and that the measured curve is in good condition. below the theoretical curve, it can be concluded that the measured module has a failure. The device according to the invention is particularly intended for the photovoltaic power plant industry. The device will be made and encapsulated in a hermetic case. The implementation will 205 work during the installation of photovoltaic modules. An electronic device will be connected in parallel to each photovoltaic panel. The device in its case will be fixed under the photovoltaic module so that it is protected from bad weather. At the time of device installation, the installer will assign his identification number. 210

Claims

Revendications1. Device for electrically characterizing and detecting electrical failures of a photovoltaic module on site characterized in that it comprises a box connected to the positive and negative outputs of the photovoltaic module [1], and incorporating an electronic device allowing the construction of the curve characteristic of the photovoltaic module, 220

2. Device according to claim 1 characterized in that the electronic device source an output current of the photovoltaic module and measures the output voltage of the corresponding photovoltaic module open loop, 225

3. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device comprises a microcontroller [12], an active load represented by an inductive load [5], a half-bridge structure represented by two electronic switches. controlled by the microcontroller for charging or discharging the active load previously described, will measure the characteristic curve of the photovoltaic module 230

4. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device constructs a data table comprising pairs (output current, output voltage) of the photovoltaic module 235.

5. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device uses the previously constructed data table and locally uses the data to determine the corresponding Lagrange polynomial.

6. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device communicates the measured data to an external control device via a ZigBee wireless connection or equivalent.

7. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device communicates the measured data to an external control member by a wired connection 250

8. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device uniquely assigns an identifier to the photovoltaic module on which it is connected.

9. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device communicates with the other electronic devices connected to each photovoltaic module its identifier by a wired communication.

10. Device according to any one of the preceding claims characterized in that the electronic device communicates with the other electronic devices connected to each photovoltaic module 260 its identifier by a wireless communication

11. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device can be implemented by external equipment by wireless communication.

12. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device may be implemented by external equipment by a wired communication 270

13. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device may be implemented by the member determining the operating point of the photovoltaic module or modules, thus permitting automatic and continuous detection of a failure of the device. one or more equipment. 26. Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electronic device will use an external reference cell measuring the sunlight at the time of the measurement. Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that what the electronic device will use this external measuring cell to normalize the previously measured characteristic curve 285