CN103064459A - 光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法 - Google Patents

Abstract

一种光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，将光伏阵列中的光伏组件分组并联于对应的光伏阵列串联连接电气模块两端，当电气模块端电压之间的差值超过设定阈值时，启动光伏阵列重构程序，基于重构后每组光伏组件短路电流之和近似相等的基本原则，通过重构优化算法快速调整光伏电池阵列中光伏电池或组件单元的电气连接结构。本发明改善光伏阵列输出功率-电压(P-U)特性，使其呈现接近于单峰的状态，从而一方面降低对最大功率点跟踪方法的要求，提高MPPT跟踪准确度；另一方面减少光伏阵列中由于光伏组件输出P-U特性失配引起的功率损失，提高光伏发电系统的最大输出功率。

Description

光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法

技术领域

本发明涉及光伏电池技术领域，尤其是一种可重构电气系统的重构优化方法。

背景技术

随着传统能源的枯竭和环保意识的觉醒，太阳能的开发利用日益受到重视，光伏发电是利用太阳能的主要方式。由于单个光伏电池的输出电压和电流都较小，无法直接满足并网或大部分用电负载的用电要求，所以需要将多个光伏电池通过串并联组成光伏组件。光伏发电站中需要用大量的光伏组件来组成光伏阵列，从而获取所需的光伏输出电压和功率。为了防止热斑现象出现损坏光伏电池，光伏阵列中还装设有旁路二极管和防逆二极管。当光伏组件输出特性一致且光照均匀时，光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线呈现单峰现象，此时传统的最大功率点跟踪(MPPT)方法可以很容易跟踪到最大功率点(MPP)。

当光伏阵列中存在光照条件不均匀、温度差、组件特性不一致等影响光伏电池组件输出特性的因素时，光伏阵列的输出P-U特性曲线极有可能呈现多峰值现象，此时光伏阵列的最大输出功率损失通常明显大于因光照、温度等外部环境因素引起的光伏组件功率损失之和。这是因为光伏阵列运行于MPP并不等同于其内部的每个光伏电池组件都运行于MPP，其中存在较大的失配功率损失。失配功率损失定义为：在光伏阵列顺利跟踪到并运行于光伏阵列MPP的前提下，由于部分光伏电池组件的运行点偏离其自身MPP而引入的功率损失。

改进MPPT方法对于减少失配功率损失显然是无能为力，降低或消除失配功率损失必须从光伏阵列的电气连接结构出发寻找解决办法。目前不少电力电子领域的专家和工程师都在研究高效可靠低成本的微变换器，将光伏阵列的集中式功率变换与MPPT控制分解为每个光伏电池组件的功率变换与MPPT控制，这就消除了失配功率损失产生的基础。虽然也有学者提出通过对光伏阵列的电气连接结构进行重构来消除失配功率损失，无奈重构系统结构过于繁杂、重构优化算法计算复杂度过大，所以光伏阵列重构技术目前仍停留在理论研究阶段。

发明内容

为了克服已有光伏电池阵列的由于光伏电池组件输出特性不匹配而引入的失配功率损失、发电效率较低的不足，本发明提供一种有效减少由于光伏电池组件输出特性不匹配而引入的失配功率损失、发电效率较高的光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，所述电气系统包括完全可重构光伏阵列，所述完全可重构光伏阵列由M组电气模块串联而成，所述电气模块的两端接口并联光伏组件组或电力导线，每个光伏组件串联有一个防逆二极管和一个电流互感器，每个电气模块并联一个电压互感器；

光伏阵列运行过程中，实时测量光伏组件的端电压以及流过的电流，可以根据光伏组件的数学模型快速估算出每个光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；

所述重构优化方法包括以下步骤：

(1)采集实时电压和电流信号；当电气模块端电压之间的差值超过设定阈值时，即认为光伏阵列出现了较大的失配功率损失，启动光伏阵列重构优化程序并进行新一轮结构调整；

(2)确定并联电力导线的电气模块数量L，具体步骤如下：计算光伏阵列的端电压，端电压等于阵列中所有串联电气模块端电压之和；判断光伏阵列的端电压是否在规定的运行电压范围内，如果不在规定运行电压范围内，则需要调整并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压小于规定直流电压范围的下限，则减少并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压大于规定直流电压范围的上限，则增加并联电力导线的电气模块数量L；

(3)确定光伏组件的分组方案，将N块光伏组件按短路电流之和尽可能相等的原则分为(M-L)组，具体步骤如下：根据测量得到的光伏组件端电压和端电流，计算此时光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；计算剩余(M-L)组电气模块光伏短路电流理想值为

；第一轮光伏组件的分配中，将短路电流最大的(M-L)个光伏组件分配给剩余的(M-L)组电气模块；第二轮光伏组件的分配中，将剩余未分配光伏组件中短路电流最大的(M-L-f)个光伏组件分别分配给剩余的(M-L-f)组电气模块，其中f为光伏组件短路电流之和已经达到I_sc0的电气模块数量；直至所有光伏组件分配完毕；

(4)形成当前运行条件下的光伏阵列重构策略，并将重构信号释放到电气连接开关的切换控制系统中，将所有光伏组件准确并联到对应的电气模块接口中，并将L个电气模块接口通过电力导线短接。

进一步，所述步骤（3）中，分配过程中，如果某一电气模块中的光伏组件短路电流之和超过上述理想短路电流值I_sc0，保持分配给该电气模块的最后一个光伏组件不变，接下来的分配中，该组电气模块不再参与分配光伏组件。

或者是：所述步骤（3）中，分配过程中，如果某一电气模块中的光伏组件短路电流之和超过上述理想短路电流值I_sc0，放弃分配给该电气模块的最后一个光伏组件，替代为使该电气模块短路电流超过I_sc0的短路电流最小的光伏组件，此后该电气模块不再参与剩余光伏组件的分配。

本发明的有益效果主要表现在：本发明无需测量每个组件所处的外部环境量（辐照度、温度等），也无需求解复杂的优化问题，只需要采集少量的几个电压信号以及每个组件的电流信号，通过简单的短路电流计算和排序即可获得令人满意的光伏阵列重构优化策略，可以有效提高光伏阵列在复杂运行条件下的发电效率，降低发电成本。

附图说明

图1是完全可重构光伏阵列的结构及测量控制系统的示意图。

图2是光伏阵列重构优化算法流程图。

图3是光伏组件分组方案一流程图。

图4是光伏组件分组方案二流程图。

图5是运行条件变化前后光伏阵列的重构方案示例的示意图，其中，（a）为光伏阵列运行状态（一），（b）为光伏阵列运行状态（二），（c）为光伏阵列运行状态（三）。

图6是光伏阵列在重构前后的输出功率-电压特性曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种光伏电池阵列完全可重构电气系统结构的重构优化方法，可重构光伏阵列的系统结构及测量控制系统如图1所示，光伏阵列由M组电气模块(包含一个旁路二极管及二极管两端引出的两个端口)串联而成，电气模块的两端接口可以并联光伏组件组，也可以并联电力导线(此时相当于该两端电气模块接口短路)。电气模块接口并联电力导线，相当于减少光伏阵列中串联的光伏组件数，起到降低光伏阵列端电压的目的。是否接入电力导线，取决于光伏阵列的实际输出端电压，光伏阵列的端电压应满足光伏阵列输出端连接电路对直流电压的要求。当L个电气模块接口并联电力导线时，那么剩余(M-L)个电气模块接口将并联光伏组件模块。如果光伏阵列中安装有N块光伏组件，那么这N块光伏组件将被分成(M-L)组后分别并联到剩余的(M-L)个电气模块接口上，此时，光伏阵列中剩余的M-L个电气模块接口将分别并联有n₁、n₂、……、n_i、……n_M-L块光伏组件，且

$\underset{i=1}{\overset{M-L}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i=N$

本系统中，每个光伏组件串联有一个防逆二极管和一个电流互感器，每个电气模块并联一个电压互感器。防逆二极管可以防止光伏组件并联时由于每个光伏组件端电压不同产生的电流环流。电流互感器则可以感知流过每个组件中的电流，电压互感器可以感知每组并联光伏组件的端电压，电流信号和电压信号输出到信号调理电路进行预处理，然后输入到光伏阵列重构优化控制中心（单片机、数字处理器(DSP)等），为光伏阵列重构优化提供基础数据。

光伏阵列运行过程中，通过实时测量光伏组件的端电压以及流过的电流，可以根据光伏组件的数学模型(单二极管模型、双二极管模型、工程模型等)快速估算出每个光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N。短路电流I_sci很好地反映了每时每刻光伏组件的运行情况，不仅避免了成本相对较高的辐照度和温度的测量，而且可以获得精度较高的适用于重构优化算法的测量数据。

光伏阵列运行中，所有光伏组件必须选择一个电气模块接口连接，已经并联有电力导线的接口不允许再接入光伏组件。运行过程中，测量到的信息汇集到控制中心，控制中心对光伏阵列进行重构优化，其算法流程图如图2所示。假设光伏阵列已经在运行，其初始状态为：有L个电气模块并联电力导线，其余M-L个电气模块并联N块光伏组件。当电气模块端电压之间的差值超过设定阈值时，即可认为光伏阵列出现了较大的失配功率损失，启动光伏阵列重构优化程序并进行新一轮阵列结构调整。光伏阵列重构优化算法的具体步骤如下：

(1)测量光伏组件端电压U_i和电流I_i，i=1，2，……，N；记录其中串联电气模块的端电压U_j，j=1，2，……，M。

(2)计算光伏阵列的端电压为

。

(3)如果光伏阵列的端电压小于允许电压范围的下限，则减少并联电力导线的电气模块数量L，令L=L-1，然后估算调整L后光伏阵列新的电压实测值为U′=U*(M-L)/(M-L-1)，返回步骤(3)；否则转步骤(4)。

(4)如果光伏阵列的端电压大于允许电压范围的上限，则增加并联电力导线的电气模块数量L，令L=L+1，然后估算调整L后光伏阵列新的电压实测值为U′=U*(M-L)/(M-L+1)，返回步骤(4)；否则转步骤(5)。

(5)根据电压U_i和电流I_i的测量值，计算每个光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，……，N。

(6)计算每个电气模块并联光伏组件短路电流之和的理想值为。

(7)将N块光伏组件分成(M-L)组，使每组光伏组件的短路电流之和尽可能接近理想值I_sc0，具体分组方案可采用图3和图4所述的两种方案，也可以采用基于短路电流之和相等原则的其它分组方案。

(8)形成下一时刻光伏组件的最优重构方案，其中L个电气模块并联电力导线，(M-L)个电气模块并联步骤(7)分配的(M-L)个光伏组件组。

(9)将控制命令传送给每个光伏组件以及电力导线的切换开关，使其按最优重构方案连接到相应的电气模块接口上。

(10)新运行条件下，光伏阵列按最优重构结构运行。如果有电气模块端电压的差值超过设定阈值时，则跳转至步骤(1)，否则跳转至步骤(10)。

将N块光伏组件分成(M-L)组，为了减少光伏阵列因光伏组件特性失配而产生的功率损失，本发明中光伏组件分组的基本原则是——确保每组光伏组件的短路电流之和相等或近似相等。基于该原则，有多种分组方案可供选择，图3和图4分别给出了其中两种分组方案的流程图。

图3所示的分组方案一，具体步骤如下：

(1)将光伏组件的短路电流从大到小排列，并设定分组起始组号ST=1、终止组号ED=M-L、待分配光伏组件数量R=N；

(2)令k=ST；

(3)判断R是否大于零，如果R大于零，则跳转至步骤(4)，否则跳转至步骤(12)；

(4)将未分组光伏组件中短路电流最大的光伏组件分配给第k组，令k=k+1、R=R-1；

(5)判断第k组光伏组件的短路电流之和是否超过I_sc0，如果是，则停止对该组继续分配光伏组件，并令ST=ST+1，并跳转至步骤(6)，否则直接跳转至步骤(6)；

(6)判断k是否大于ED，如果是，则跳转至步骤(7)，否则跳转至步骤(3)；

(7)令k=ED；

(8)判断R是否大于零，如果是，则跳转至步骤(9)，否则跳转至步骤(12)；

(9)将未分组光伏组件中短路电流最大的光伏组件分配给第k组，并令k=k-1、R=R-1；

(10)判断第k组光伏组件的短路电流之和是否超过I_sc0，如果是，则停止对该组继续分配光伏组件，并令ED=ED-1，并跳转至步骤(11)，否则直接跳转至步骤(11)；

(11)判断k是否小于ST，如果是，则跳转至步骤(2)，否则跳转至步骤(8)；

(12)结束。

图4所示的分组方案二，具体步骤如下：

(1)将光伏组件的短路电流从大到小排列，并设定分组起始组号ST=1、终止组号ED=M-L、待分配光伏组件数量R=N；

(2)令k=ST；

(3)判断R是否大于零，如果R大于零，则跳转至步骤(4)，否则跳转至步骤(16)；

(4)将未分组光伏组件中短路电流最大的光伏组件分配给第k组；

(5)判断第k组光伏组件的短路电流之和是否超过I_sc0，如果是，则跳转至步骤(6)，否则直接跳转至步骤(7)；

(6)撤销最后一块光伏组件的分配，在未分组光伏组件中，选择使第k组光伏组件短路电流之和超过I_sc0的短路电流最小的光伏组件加入第k组，并停止对该组继续分配光伏组件，令ST=ST+1；

(7)令k=k+1、R=R-1；

(8)判断k是否大于ED，如果是，则跳转至步骤(9)，否则跳转至步骤(3)；

(9)令k=ED；

(10)判断R是否大于零，如果是，则跳转至步骤(11)，否则跳转至步骤(16)；

(11)将未分组光伏组件中短路电流最大的光伏组件分配给第k组；

(12)判断第k组光伏组件的短路电流之和是否超过I_sc0，如果是，则跳转至步骤(13)，否则直接跳转至步骤(14)；

(13)撤销最后一块光伏组件的分配，在未分组光伏组件中，选择使第k组光伏组件短路电流之和超过I_sc0的短路电流最小的光伏组件加入第k组，并停止对该组继续分配光伏组件，令ED=ED-1；

(14)令k=k-1、R=R-1；

(15)判断k是否小于ST，如果是，则跳转至步骤(2)，否则跳转至步骤(10)；

(16)结束。

将上述重构优化算法应用于一个包含9块光伏组件(编号分别为①②③④⑤⑥⑦⑧⑨)的光伏阵列系统，假设光伏阵列端电压符合输出直流电压的要求，光伏阵列中每个光伏组件的短路电流已经通过测量数据计算后标注于图5中。运行状态(一)为光伏阵列的初始运行状态，其中3组光伏组件组分别为(①②③)、(④⑤⑥)、(⑦⑧⑨)；当运行条件改变后，光伏组件的短路电流发生了变化，重构前的光伏阵列如图5中运行状态(二)所示，重构后的光伏阵列如图5中运行状态(三)所示。采用上述重构优化算法对原光伏阵列的结构进行优化调整后，3组光伏组件分别为(①⑥⑦)、(②⑤⑧)、(③④⑨)，每组光伏组件组的短路电流之和重新恢复相等。

图6画出了上述三种运行状态下，光伏阵列的输出端功率-电压特性曲线。当光伏阵列中所有光伏组件的短路电流相等时，光伏阵列的输出端功率-电压特性曲线（运行状态(一)）呈现单峰状态，输出最大功率约为1600W。当运行条件改变后，部分光伏组件的短路电流发生了变化，如果原光伏阵列结构不进行重构调整，则此时的光伏阵列输出端功率-电压特性曲线如图6中曲线（运行状态(二)）所示，呈现多个峰值，此时光伏阵列的全局最大输出功率约900W，而且最大功率点跟踪(MPPT)算法可能受困于局部最大功率点从而引入更大的功率损失。如果此时根据上述重构优化算法对光伏阵列的结构进行优化调整（如图5中运行状态(三)所示），与其对应的光伏阵列输出端功率-电压曲线如图6中曲线（运行状态(三)）所示，基本呈现单峰状态，其最大输出功率约为1100W，明显高于运行状态(二)的最大输出功率900W，此外单峰功率-电压曲线也降低了对MPPT算法的要求，提高了MPPT算法的跟踪准确度。

由此可见，通过采用本发明所提出的完全可重构光伏阵列结构及重构优化算法，可以显著改善光伏阵列的输出功率-电压特性曲线，使其更接近于单峰状态，不仅便于MPPT方法跟踪到全局最大功率点，而且由于光伏组件失配功率损失减少，大大提高了同样运行条件下光伏阵列的输出功率。本发明涉及到的系统结构简单、所需测量设备成本低廉、优化算法速度快、优化效果好，不仅可以应用于光伏阵列的重构，也同样适用于光伏组件内部光伏电池电气连接结构的重构。

Claims (3)

1.一种光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，其特征在于：所述电气系统包括完全可重构光伏阵列，所述完全可重构光伏阵列由M组电气模块串联而成，所述电气模块的两端接口并联光伏组件组或电力导线，每个光伏组件串联有一个防逆二极管和一个电流互感器，每个电气模块并联一个电压互感器；

光伏阵列运行过程中，实时测量光伏组件的端电压以及流过的电流，可以根据光伏组件的数学模型快速估算出每个光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；

所述重构优化方法包括以下步骤：

(1)采集实时电压和电流信号；当电气模块端电压之间的差值超过设定阈值时，即认为光伏阵列出现了较大的失配功率损失，启动光伏阵列重构优化程序并进行新一轮结构调整；

(2)确定并联电力导线的电气模块数量L，具体步骤如下：计算光伏阵列的端电压，端电压等于阵列中所有串联电气模块端电压之和；判断光伏阵列的端电压是否在规定的运行电压范围内，如果不在规定运行电压范围内，则需要调整并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压小于规定直流电压范围的下限，则减少并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压大于规定直流电压范围的上限，则增加并联电力导线的电气模块数量L；

(3)确定光伏组件的分组方案，将N块光伏组件按短路电流之和尽可能相等的原则分为(M-L)组，具体步骤如下：根据测量得到的光伏组件端电压和端电流，计算此时光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；计算剩余(M-L)组电气模块光伏短路电流理想值为

；第一轮光伏组件的分配中，将短路电流最大的(M-L)个光伏组件分配给剩余的(M-L)组电气模块；第二轮光伏组件的分配中，将剩余未分配光伏组件中短路电流最大的(M-L-f)个光伏组件分别分配给剩余的(M-L-f)组电气模块，其中f为光伏组件短路电流之和已经达到I_sc0的电气模块数量；直至所有光伏组件分配完毕；

(4)形成当前运行条件下的光伏阵列重构策略，并将重构信号释放到电气连接开关的切换控制系统中，将所有光伏组件准确并联到对应的电气模块接口中，并将L个电气模块接口通过电力导线短接。

2.如权利要求1所述的光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，其特征在于：所述步骤（3）中，分配过程中，如果某一电气模块中的光伏组件短路电流之和超过上述理想短路电流值I_sc0，保持分配给该电气模块的最后一个光伏组件不变，接下来的分配中，该组电气模块不再参与分配光伏组件。

3.如权利要求1所述的光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，其特征在于：所述步骤（3）中，分配过程中，如果某一电气模块中的光伏组件短路电流之和超过上述理想短路电流值I_sc0，放弃分配给该电气模块的最后一个光伏组件，替代为使该电气模块短路电流超过I_sc0的短路电流最小的光伏组件，此后该电气模块不再参与剩余光伏组件的分配。

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