CN102638197B - 太阳能光伏组件及其最大功率点跟踪方法和故障监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能光伏组件及其最大功率点跟踪方法和故障监测方法，其中该太阳能光伏组件包括：多列电池片，彼此串联连接；旁路二极管，与每两列电池片反相并联；旁路二极管电压检测模块，用于检测各个旁路二极管两端的电压值；旁路二极管导通判断模块，用于根据各个旁路二极管电压检测模块的检测结果判断各个旁路二极管是否导通；最大功率点跟踪控制模块，与旁路二极管导通判断模块相连接，用于计算导通的旁路二极管的数目和区域最大功率点的数目，并随着光伏组件的输出电压逐步下降，依次寻找区域最大功率点的位置。本发明既能够保证在通常情况下的单点最大功率点跟踪的高性能，又能够保证在出现多点最大功率点时寻找到真正的最大功率点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光伏技术领域，具体来说，本发明涉及一种太阳能光伏组件及其最大功率点跟踪方法和故障监测方法，可以高效率地跟踪多点最大功率点。
背景技术
太阳能光伏组件由多个电池片串联而成，正常工作时所有的电池片都是正向偏压。但是当一个电池片被遮挡或者损坏而不工作，其他好的电池片的电压使该电池片反向偏压。该反向电压会使电流很低，或者击穿该电池片。为避免这种损伤，通常使用旁路二极管进行保护。该二极管和一个或者多个串联的电池片反向并联，当正常时，旁路二极管反向偏压，电压值为该串电池片的输出电压。当某个电池片不正常时，为了达到该串电池的电流，该缺陷电池片反向电压，并使该串电压反转，旁路二极管为正向电压而导通，这时电流由旁路二极管流过，它并联的这串电池片不再工作。
最大功率点跟踪(MPPT：Maximum Power Point Tracking)是光伏系统最重要的功能，以保证光伏组件输出最大的功率。实现最大功率点跟踪的技术很多，比如扰动观察技术(Perturb and Observe，简称P&O)，增量电导和波纹关联控制技术(Incremental Conductance and Ripple Correlation Control)等等。通常的组件正常工作，只有一个最大功率点，所以最大功率点跟踪通常只寻找电压最高的第一个最大功率点。但是当旁路二极管导通时，功率-电压曲线会出现多个区域最大功率点，每导通1个旁路二极管，区域最大功率点增加一个。有时，电压最高的第一最大功率点比其他区域最大功率点的功率低，并非真正的最大功率点。具有多点最大功率点跟踪能力的现有技术通常为扫描整个工作曲线，提取最大的功率，这样的方法耗时，耗功率，对运算资源和能力要求也很高。由于通常情况组件都是正常工作，只有一个最大功率点，这样多点最大功率点跟踪的现有技术降低了通常情况的系统性能，是很不利的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能光伏组件及其最大功率点跟踪方法和故障监测方法，能够既保证在通常情况下的单点最大功率点跟踪的高性能，又保证在出现多点最大功率点时寻找到真正的最大功率点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能光伏组件，包括：
多列电池片，彼此串联连接；
旁路二极管，与每两列所述电池片反相并联；
旁路二极管电压检测模块，与各个所述旁路二极管相连接，用于检测各个所述旁路二极管两端的电压值；
旁路二极管导通判断模块，与各个所述旁路二极管电压检测模块相连接，用于根据各个所述旁路二极管电压检测模块的检测结果判断各个所述旁路二极管是否导通；
最大功率点跟踪控制模块，与所述旁路二极管导通判断模块相连接，用于计算导通的所述旁路二极管的数目和区域最大功率点的数目，并随着所述光伏组件的输出电压逐步下降，依次寻找所述区域最大功率点的位置。
可选地，所述的太阳能光伏组件还包括：
组件故障检测模块，与所述旁路二极管导通判断模块相连接，用于检测并判断所述光伏组件的故障，协助给出警报和/或修复建议。
可选地，所述旁路二极管导通判断模块、所述最大功率点跟踪控制模块和所述组件故障检测模块为集成电路芯片，包括ASIC、FPGA、DSP和/或CPU。
可选地，所述电池片是偶数列的。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种太阳能光伏组件的最大功率点跟踪方法，包括步骤：
I.检测所述光伏组件中各个旁路二极管两端的电压值；
II.根据所述电压值判断各个所述旁路二极管是否导通；
III.计算导通的所述旁路二极管的数目和预计的区域最大功率点的数目；
IV.开启最大功率点跟踪功能，设定当前的区域最大功率点的数目为0；
V.将所述光伏组件的输出电压逐步下降，根据所述光伏组件的输出功率的变化，依次寻找所述区域最大功率点并存储其参数；
VI.比较所有所述区域最大功率点的功率值，取出其中的最大值；
VII.选择所述功率最大值对应的所述区域最大功率点为最大功率点，控制所述光伏组件工作在该点。
可选地，在上述步骤V中，寻找所述区域最大功率点的步骤包括：
根据所述光伏组件的输出功率-输出电压曲线，所述输出功率对所述输出电压求导，导数为零的点即取为所述区域最大功率点。
可选地，在上述步骤V中，依次寻找所述区域最大功率点的步骤包括：
Va.在找到一个所述区域最大功率点之后，将所述区域最大功率点的数目加1；
Vb.判断当前的所述最大功率点的数目是否等于预计的所述区域最大功率点的数目；如果是，则直接跳到步骤VI；如果不是，则继续执行下一步骤；
Vc.从前一个所述区域最大功率点继续降低所述输出电压，在所述输出功率随着所述输出电压同步下降时，所述最大功率点跟踪功能不开启；
Vd.在所述输出功率随着所述输出电压的下降而上升时，开启所述最大功率点跟踪功能，直至找到全部所述区域最大功率点。
可选地，所述区域最大功率点的参数包括电流值、电压值和功率值。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种太阳能光伏组件的故障监测方法，包括步骤：
A.检测所述光伏组件中各个旁路二极管两端的电压值；
B.根据所述电压值判断各个所述旁路二极管是否导通；
C.将导通的所述旁路二极管的导通时间数据传输给一监测系统；
D.检查所述旁路二极管是否在一整天导通，并根据不同的检查结果获取相应的故障监测结论。
可选地，在上述步骤D中：
D1.若所述旁路二极管是在一整天导通，则判断所述故障为固定故障，需要马上检查修复；或者
D2.若所述旁路二极管不是在一整天导通，则继续检查其导通情形是否在每天部分时间发生，且时间接近；
在上述步骤D2中：
若其导通情形是在每天部分时间发生且时间接近，则判断所述故障为一般故障，需要择时检查修复；或者
若其导通情形不是在每天部分时间发生且时间接近，则判断所述故障为纯粹偶然事件，不需要采取修复行动。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过检测旁路二极管的电压，进行旁路二极管导通的判断，并通过导通旁路二极管的数目决定区域最大功率点的数目。这种方式保证了通常情况下的单点最大功率点跟踪的高性能，又保证了在出现多点最大功率点时寻找到光伏组件真正的最大功率点。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为现有技术中一个太阳能光伏组件的结构示意图；
图2为本发明一个实施例的太阳能光伏组件的结构示意图；
图3A为正常工作的太阳能光伏组件的电流-电压和功率-电压曲线；
图3B为有一个旁路二极管导通时的太阳能光伏组件的电流-电压和功率-电压曲线；
图4为现有技术中进行多点最大功率点跟踪的一种方法流程图；
图5为本发明一个实施例的基于旁路二极管导通的太阳能光伏组件进行多点最大功率点跟踪的方法流程图；
图6是本发明一个实施例的基于旁路二极管导通的太阳能光伏组件进行组件故障监测的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1为现有技术中一个太阳能光伏组件的结构示意图。在该示例中，6列电池片101串联，而每2列电池片101反向并联1个二极管103，该二极管103称为旁路二极管。通常这些旁路二极管103安装在组件接线盒(未图示)里，2根电缆接整串电池片101的两端。电压检测电路105检测整个太阳能光伏组件100的输出电压。最大功率点跟踪控制电路106再与电压检测电路105相连接。
图2为本发明一个实施例的太阳能光伏组件的结构示意图。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。
如图2所示，该太阳能光伏组件200可以包括：多列电池片201、旁路二极管203、旁路二极管电压检测模块204、旁路二极管导通判断模块205和最大功率点跟踪控制模块206。其中，多列电池片201彼此串联连接，优选为偶数列，图中示例性地为6列。旁路二极管203与每两列电池片201反相并联。旁路二极管电压检测模块204与各个旁路二极管203的两端相连接，用于检测各个旁路二极管203两端的电压值。旁路二极管导通判断模块205与各个旁路二极管电压检测模块204相连接，用于根据各个旁路二极管电压检测模块204的检测结果判断各个旁路二极管203是否导通。最大功率点跟踪控制模块206与旁路二极管导通判断模块205相连接，用于计算导通的旁路二极管203的数目和区域最大功率点的数目，并随着光伏组件200的输出电压逐步下降，依次寻找区域最大功率点的位置。该旁路二极管导通判断模块205、最大功率点跟踪控制模块206和组件故障检测模块207可以为集成电路芯片，例如ASIC、FPGA、DSP、CPU等。
在本实施例中，该太阳能光伏组件200还可以包括组件故障检测模块207，其与旁路二极管导通判断模块205相连接，用于检测并判断光伏组件200的故障，协助给出警报和/或修复建议。
图3A为正常工作的太阳能光伏组件的电流-电压和功率-电压曲线。正常工作时，电流-电压曲线平滑，没有扭结。功率-电压曲线只有一个最大点，最大功率点为Pm，最大功率点电流为Imp，最大功率点电压为Vmp。图3B为有一个旁路二极管导通时的太阳能光伏组件的电流-电压和功率-电压曲线。电流-电压曲线有1个扭结。功率-电压曲线有2个区域最大点，最大功率分别为Pm1、Pm2，彼此对应的电流分别为Imp1、Imp2，电压分别为Vmp1、Vmp2。
图4为现有技术中进行多点最大功率点跟踪的一种方法流程图。如图所示，通常的MPPT方法为光伏组件的输出电压或输出电流逐步下降，根据功率的变化，来寻找区域最大功率点。多点最大功率点跟踪技术通常进行整个工作电压范围，也就是从开路电压逐步下降直到0电压。存储所有找到的区域最大功率点的数据(包括电压、电流、功率等)，然后比较所有区域最大功率点的功率，取最大值的为最终的最大功率点。
图5为本发明一个实施例的基于旁路二极管导通的太阳能光伏组件进行多点最大功率点跟踪的方法流程图。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。
总的来说，本发明采用旁路二极管的导通与否来控制MPP，当没有旁路二极管导通时，最大功率点只有一个，找到第一区域最大功率点后最大功率点跟踪就结束。当有1个旁路二极管导通时，在找到第一区域最大功率点后，继续下降输出电压，输出功率会先下降在上升，再下降，所以可以找到第二区域最大功率点。然后比较第一区域最大功率点和第二区域最大功率点的功率大小，取值较大的点为真正的最大功率点。
详细来说，首先为旁路二极管203导通的判断。当旁路二极管203关闭时，它两端的电压为负，等于并联的一串电池片201的总电压。通常1个电池片输出电压约0.5V，对于有20个电池片的一串，电压约-10V。当旁路二极管203导通时，它两端的电压为正，为该二极管的导通电压，通常约+0.5V。于是，该太阳能光伏组件的最大功率点跟踪方法包括：
执行步骤S501，先检测光伏组件200中各个旁路二极管203两端的电压值。
执行步骤S502，旁路二极管203的电压检测模块204检测到电压后，给旁路二极管导通判断模块205，由此判断各个旁路二极管203是否导通。
执行步骤S503，最大功率点跟踪控制模块206随后计算导通的旁路二极管203的数目M，和预计的区域最大功率点的数目M+1。
执行步骤S504，开启最大功率点跟踪功能，设定当前的区域最大功率点的数目N＝0。
执行步骤S505，将光伏组件200的输出电压逐步下降，根据光伏组件200的输出功率的变化，依次寻找区域最大功率点并存储其参数。
在本实施例中，寻找区域最大功率点的方式可以是根据光伏组件200的(输出)功率-(输出)电压曲线，(输出)功率对(输出)电压求导，导数为零的点即取为区域最大功率点。
其中，依次寻找区域最大功率点的步骤具体可以包括：
执行步骤S506，在找到一个区域最大功率点之后，将区域最大功率点的数目N迭加1，例如从0变为1。
执行步骤S507，存储该区域最大功率点的参数，包括电流、电压和功率。
执行步骤S508，判断当前的最大功率点的数目N是否等于预计的区域最大功率点的数目M+1，如果是，比如M＝0，N＝1，则此时N＝M+1，这时最大功率点跟踪结束直接跳到下述步骤S511；如果不是，比如M＝1，这时N＝1不等于M+1＝2，则继续执行下一步骤S509。
执行步骤S509，这时从找到的前一个区域最大功率点开始继续降低输出电压，开始输出功率随输出电压的下降而下降，即输出功率随着输出电压同步下降，这时暂不开启最大功率点跟踪功能。
执行步骤S510，等到输出功率的变化转换为随着输出电压的下降而上升时，开启最大功率点跟踪功能，重复上述步骤S505，直至找到新的区域最大功率点，那么区域最大功率点总数N增加为2，这时N＝2等于M+1＝2。于是，当前的最大功率点的数目N等于预计的区域最大功率点的数目M+1，说明全部的区域最大功率点均已找到，依次寻找区域最大功率点并存储其参数的过程全部完成了。接下来，就可以执行步骤S511，比较所有区域最大功率点(2个)的功率值，取出其中的最大值。
最后执行步骤S512，选择功率最大值对应的区域最大功率点为最大功率点，控制光伏组件200工作在该点。最大功率点跟踪控制过程结束。
图6是本发明一个实施例的基于旁路二极管导通的太阳能光伏组件进行组件故障监测的方法流程图。本实施例继续沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。
如图6所示，旁路二极管203的导通状态还可用于组件故障的检测，由监测系统(未图示)给出警报和修复建议。该太阳能光伏组件200的故障监测方法可以包括：
执行步骤S601，检测光伏组件200中各个旁路二极管203两端的电压值；
执行步骤S602，根据电压值判断各个旁路二极管203是否导通；
执行步骤S603，将导通的旁路二极管203的导通时间数据传输给一监测系统；
执行步骤S604，检查旁路二极管203是否在一整天导通，并根据不同的检查结果获取相应的故障监测结论。
在本实施例中，在上述步骤S604中包括：
执行步骤S6041，先检查旁路二极管203是否在一整天导通。如果旁路二极管203被观察到是在一整天导通，则可能的故障有固定遮挡物如鸟粪或者树叶在太阳能板上，或者光伏组件200电池片201破损，或者旁路二极管203短路，这些故障为固定故障，建议马上检查和修复。
如果旁路二极管203被观察到不是在一整天导通，则执行步骤S6042，继续检查其导通情形是否在每天部分时间发生，且时间接近。
在上述步骤S6042中：
若其导通情形是在每天部分时间发生且时间接近，则判断可能性为有固定外物阴影遮挡，例如树枝阴影、烟囱阴影等，这些故障为一般故障，需要择时检查修复。例如修剪树枝等。
若其导通情形不是在每天部分时间发生且时间接近，只是偶然出现、时间随机，则可判断故障为纯粹偶然的阴影遮挡事件，如鸟经过，可以不采取任何修复行动。
本发明通过检测旁路二极管的电压，进行旁路二极管导通的判断，并通过导通旁路二极管的数目决定区域最大功率点的数目。这种方式保证了通常情况下的单点最大功率点跟踪的高性能，又保证了在出现多点最大功率点时寻找到光伏组件真正的最大功率点。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种太阳能光伏组件(200)，包括：
多列电池片(201)，彼此串联连接；
旁路二极管(203)，与每两列所述电池片(201)反相并联；
旁路二极管电压检测模块(204)，与各个所述旁路二极管(203)相连接，用于检测各个所述旁路二极管(203)两端的电压值；
旁路二极管导通判断模块(205)，与各个所述旁路二极管电压检测模块(204)相连接，用于根据各个所述旁路二极管电压检测模块(204)的检测结果判断各个所述旁路二极管(203)是否导通；
最大功率点跟踪控制模块(206)，与所述旁路二极管导通判断模块(205)相连接，用于计算导通的所述旁路二极管(203)的数目和区域最大功率点的数目，并随着所述光伏组件(200)的输出电压逐步下降，根据所述光伏组件(200)的输出功率的变化，依次寻找所述区域最大功率点的位置并存储其参数；比较所有所述区域最大功率点的功率值，取出其中的最大值；选择所述最大值对应的所述区域最大功率点为最大功率点，控制所述光伏组件(200)工作在该点。
2.根据权利要求1所述的太阳能光伏组件(200)，其特征在于，还包括：
组件故障检测模块(207)，与所述旁路二极管导通判断模块(205)相连接，用于检测并判断所述光伏组件(200)的故障，协助给出警报和/或修复建议。
3.根据权利要求2所述的太阳能光伏组件(200)，其特征在于，所述旁路二极管导通判断模块(205)、所述最大功率点跟踪控制模块(206)和所述组件故障检测模块(207)为集成电路芯片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的太阳能光伏组件(200)，其特征在于，所述电池片(201)是偶数列的。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述的太阳能光伏组件(200)的最大功率点跟踪方法，包括步骤：
I.检测所述光伏组件(200)中各个旁路二极管(203)两端的电压值；
II.根据所述电压值判断各个所述旁路二极管(203)是否导通；
III.计算导通的所述旁路二极管(203)的数目和预计的区域最大功率点的数目；
IV.开启最大功率点跟踪功能，设定当前的区域最大功率点的数目为0；
V.将所述光伏组件(200)的输出电压逐步下降，根据所述光伏组件(200)的输出功率的变化，依次寻找所述区域最大功率点并存储其参数；
VI.比较所有所述区域最大功率点的功率值，取出其中的最大值；
VII.选择所述功率最大值对应的所述区域最大功率点为最大功率点，控制所述光伏组件(200)工作在该点。
6.根据权利要求5所述的最大功率点跟踪方法，其特征在于，在上述步骤V中，寻找所述区域最大功率点的步骤包括：
根据所述光伏组件(200)的输出功率-输出电压曲线，所述输出功率对所述输出电压求导，导数为零的点即取为所述区域最大功率点。
7.根据权利要求5或6所述的最大功率点跟踪方法，其特征在于，在上述步骤V中，依次寻找所述区域最大功率点的步骤包括：
Va.在找到一个所述区域最大功率点之后，将所述区域最大功率点的数目加1；
Vb.判断当前的所述最大功率点的数目是否等于预计的所述区域最大功率点的数目；如果是，则直接跳到步骤VI；如果不是，则继续执行下一步骤；
Vc.从前一个所述区域最大功率点继续降低所述输出电压，在所述输出功率随着所述输出电压同步下降时，所述最大功率点跟踪功能不开启；
Vd.在所述输出功率随着所述输出电压的下降而上升时，开启所述最大功率点跟踪功能，直至找到全部所述区域最大功率点。
8.根据权利要求5所述的最大功率点跟踪方法，其特征在于，所述区域最大功率点的参数包括电流值、电压值和功率值。
9.一种如权利要求1至4中任一项所述的太阳能光伏组件(200)的故障监测方法，包括步骤：
A.检测所述光伏组件(200)中各个旁路二极管(203)两端的电压值；
B.根据所述电压值判断各个所述旁路二极管(203)是否导通；
C.将导通的所述旁路二极管(203)的导通时间数据传输给一监测系统；
D.检查所述旁路二极管(203)是否在一整天导通，并根据不同的检查结果获取相应的故障监测结论。
10.根据权利要求9所述的故障监测方法，其特征在于，在上述步骤D中：
D1.若所述旁路二极管(203)是在一整天导通，则判断所述故障为固定故障，需要马上检查修复；或者
D2.若所述旁路二极管(203)不是在一整天导通，则继续检查其导通情形是否在每天部分时间发生，且时间接近；
在上述步骤D2中：
若其导通情形是在每天部分时间发生且时间接近，则判断所述故障为一般故障，需要择时检查修复；或者
若其导通情形不是在每天部分时间发生且时间接近，则判断所述故障为纯粹偶然事件，不需要采取修复行动。
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