CN104063264A - 一种串联光伏组件多峰i-v曲线仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，包括以下步骤：a.获取光伏组串中各光伏组件在标准条件下的参数信息；b.计算获取光伏组件在实际环境中的参数；c.将各光伏组件的实际短路电流按照大小进行排列；d.对各组件的实际开路电压求和得到光伏组串的开路电压；e.依次对各光伏组件进行仿真，得到每个组件在光伏组串中的I-V特性曲线以及仿真长度，进而计算得到光伏组串的仿真总长度；f.采用仿真步长统一法对各光伏组件的实际短路电流进行数据补全；g.选取各电压点对应的最大电流值作为该点的光伏组串输出电流，即可得到光伏组串受阴影遮挡时多峰I-V特性曲线。不采用迭代方法，仿真计算量小；仿真步长统一法简化了电流大小判断。

Description

一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法

技术领域

本发明涉及光伏组件建模仿真领域，具体涉及一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法。

背景技术

近些年来，以风能、太阳能为代表的新能源在全球得到迅猛发展。截止2011年底，全球太阳能发电累计装机容量达到6740万千瓦，其中，光伏组件产量增速惊人，2010年太阳电池组件出货量达20GW，2011年光伏组件出货量达27.7GW，预计至2020年，光伏组件年产量将达40GW。在此情况下，光伏系统的发电效率也正受到广泛重视，而影响光伏系统发电效率的重要因素就是光伏逆变器对光伏阵列P-V曲线最大功率点的跟踪精度。

根据光伏组件特性，其理想P-V曲线为一条单峰抛物线，光伏逆变器仅需要跟踪其单峰顶端即可，但这是在假设光伏组件特性完全相同的前提下；受制作过程中的误差和老化问题影响，还有在实际运行中行云、树木、建筑物以及鸟类排泄物的影响，光伏阵列会受到局部遮挡，在这种情况下，光伏组件所接收的太阳辐照度存在较大差异性，光伏组串输出特性也会发生改变，整个光伏组串的I-V特性曲线上必然会出现多个膝点，对应的P-V特性曲线上会出现多个峰值点，造成光伏逆变器最大功率点跟踪失效。

冯丽娜在其硕士论文《局部阴影下光伏阵列的建模与动态组态优化》中公开了一种利用太阳能电池工程用模型，根据不同辐照度的I-V曲线特性分电压段模拟出阴影遮挡下的光伏阵列多峰曲线，在阴影组件固定情况下，通过不同光伏阵列的分布，进而求得相同阴影条件下光伏阵列的最优分布和最差分布。

2009年，肖景良、徐政在《中国电机工程学报》上发表题为《局部阴影条件下光伏阵列的优化设计》论文，针对大功率集中式光伏发电系统，比较了阴影分布及阵列结构对光伏阵列输出特性影响，并提出了局部阴影条件下光伏阵列最大功率点的简化算法，通过单串阵列以及多串并联阵列的局部阴影分析以及局部阴影分布分析，得出当阴影均匀分布时，（阴影遮挡组件-1）为列的整数倍，最大输出功率下降；当阴影集中分布时，（阴影遮挡组件-1）为行的整数倍，最大输出功率下降。

戚军、张晓峰等人以组件为基本单元，兼顾旁路二极管和防逆二极管的影响，建立光伏阵列的高维数学模型，根据不同阴影遮挡模式，文中将均匀阴影分为三种方式，不均匀阴影也分为三种方式，在不同阴影遮挡方式下，光伏阵列I-V曲线也会呈现出不同的结果，组串完全遮挡对光伏阵列I-V曲线影响较小，而相同遮挡块数下离散阴影对光伏阵列I-V曲线影响较大；另外，相同情况下，不均匀阴影遮挡相较于均匀阴影遮挡，将出现更多的I-V曲线峰。

2010年，卞海、徐青山在《电工技术学报》上发表文章《考虑随机阴影影响的光伏阵列失配运行特性》建立光伏组件物理模型，分析在三种阴影遮挡模式下8×10和10×8排布的光伏阵列最大输出功率；结果表明在相同组件阴影遮挡数目下，优先采用并联组件可不受太阳能组串最大可供电流的约束，同时减小开路电压，从而提升最大功率；同时，文献还分析了当局部辐照强度下降时光伏阵列最大输出功率不变的“门槛效应”。

2008年，陈如亮、崔岩在《系统仿真学报》上发表文章《光照不均匀情况下光伏组件仿真模型的研究》通过电压步长的离散化，得到光伏组件的电压-电流对应矩阵，采用迭代法对光伏对缝光伏组件I-V特性进行仿真，得到多峰I-V曲线；同时，文章利用二步最大功率跟踪算法（A study on a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions）进行多峰光伏组件的MPP跟踪仿真。

除此之外，针对光伏阵列的建模研究，主要有如下3种方法：

1）通过仿真软件，如MATLAB，Pspice等搭建电路，建立光伏阵列的模型；

2）建立光伏阵列的数学方程，在软件环境中进行算法编程，建立光伏阵列的模型；

3）通过智能算法，只讨论光伏阵列的输出与输入变量之间的关系，建立光伏阵列的模型。

综上，目前主要通过电压值离散化对光伏组件多峰I-V曲线进行建模，其模型建立较为复杂，其中还涉及迭代方法、超越方程等较为复杂的数学方法，给模型求解与仿真带来一定困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，可以解决现有技术主要通过电压值离散化对光伏组件多峰I-V曲线进行建模，其模型建立较为复杂，导致给模型求解与仿真带来一定困难的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，包括以下步骤：

a. 获取光伏组串中各光伏组件在标准条件下的参数信息，包括开路电压V_oc、短路电流I_sc、最大功率点电压V_m、最大功率点电流I_m、最大功率P_mpp、填充因子FF、电压温度系数β；

b. 根据辐照度、温度与组件参数之间的关系计算获取光伏组件在实际环境中的参数，包括实际短路电流I_sc′、实际开路电压 V_oc′、实际最大功率点电流I_m′、实际最大功率点电压 V_m′；

所述实际短路电流 ，

实际开路电压，

实际最大功率点电流，

实际最大功率点电压，

其中，S是实际辐照度，S_ref是光伏组件的标准条件辐照度；β是组件电压温度系数；

c. 确定各光伏组件表面辐照度，将各光伏组件的实际短路电流按照大小进行排列，分别记为I_{sc_1}、I_{sc_2}……I_{sc_n}，其中，I_{sc_1}＞I_{sc_2}＞……＞I_{sc_n}；并将对应的实际开路电压分别记为V_{oc_1} 、V_{oc_2} ……V_{oc_n}；

d. 对各组件的实际开路电压求和得到光伏组串的开路电压V_{oc_all}，即：；

e. 根据光伏组件I-V曲线工程模型，其中V为光伏组件电压，，，依次对各光伏组件进行仿真，得到每个组件在光伏组串中的I-V特性曲线以及仿真长度S₁、S₂……S_n，进而计算得到光伏组串的仿真总长度S_all，即：；

f. 采用仿真步长统一法对各光伏组件的实际短路电流I_{sc_i}进行数据补全，在各光伏组件对应的I-V特性曲线之后加补（S_i+1+…+S_n）个0值；

g. 在光伏组串开路电压由0至V_{oc_all}变化过程中，选取各电压点对应的最大电流值作为该点的光伏组串输出电流，即可得到光伏组串受阴影遮挡时多峰I-V特性曲线。

步骤a所述的标准条件是辐照度为1000 W/㎡，组件温度25℃。

步骤b所述组件电压温度系数为-0.5/℃。

将步骤g所述电压点与对应的光伏组串输出电流相乘，即可得到光伏组串受阴影遮挡时多峰P-V特性曲线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

一、根据串联光伏组串多峰I-V曲线产生机理进行建模仿真，避免了采用迭代方法对串联光伏组件的I-V曲线进行仿真时带来的计算量过大的情况；

二、利用仿真步长统一法对单个光伏组件在整个光伏组串电压范围内进行扩展，简化了串联光伏组串电流大小的判断方法。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为光伏组件加装旁路二极管示意图。

图3为不同辐照度的光伏组件I-V曲线。

图4为不同辐照度的光伏组件P-V曲线。

图5为仿真步长统一后的M1组件I-V曲线。

图6为仿真步长统一后的M3组件I-V曲线。

图7为仿真步长统一后的M2组件I-V曲线。

图8为仿真步长统一后的三个组件I-V曲线。

图9为仿真步长统一后由组件M1、组件M2、组件M3组成的光伏组串的I-V特性曲线。

图10为仿真步长统一后由组件M1、组件M2、组件M3组成的光伏组串的P-V特性曲线。

具体实施方式

在理想情况下，串联光伏组串中的各光伏组件表现出统一的特性，并且整个组串与单个组件的I-V曲线应具有相同的形状，只是坐标轴的尺度会有差别。

根据光伏组件特性，光伏组件I-V曲线工程模型如式（1）所示：

（1）

式中，I_sc为光伏组件短路电流；

V为光伏组件电压；

C₁、C₂为要求解的待定系数；

V_oc为光伏电池的开路电压。

其中，光伏组件待定系数C₁、C₂可由式（2）、（3）求得：

（2）

（3）

对于n个串联光伏组串来说，组串中流过电流相一致，开路电压为串联光伏组串中各个组件的开路电压之和，即：

（4）

当光伏组串中一块或几块光伏组件辐照度与其他不一致时，使组件不但对光伏组串输出没有贡献，而且会消耗其余光伏组件产生的能量，导致局部过热，这种现象称为热斑效应。

为避免热斑效应，通常做法是如图2所示为光伏组件加装旁路二极管；在正常工作状态下，旁路二极管处于反偏状态，不影响光伏组串工作，当组串中一块或几块光伏组件被遮挡时，被遮挡的光伏组件成为负载，开始消耗其余光伏组件发出的电能，此时旁路二极管导通，支路电流中超过被遮挡光伏组件光生电流的部分被二极管分流，从而限制了电流并避免了被遮挡光伏组件产生热斑效应而损坏。

在加入旁路二极管后，当光伏组串中一块或多块组件被遮挡时，其光伏阵列的输出特性会发生变化，即这时阵列的I-V特性曲线上会出现两个膝点，其对应的P-V特性曲线上则会出现多个峰值点。在此种情况下，光伏组串I-V特性曲线遵从以下两个规律：

1）受阴影遮挡时，光伏组串开路电压为每个光伏组件开路电压之和；

2）受阴影遮挡时，受旁路二极管作用，光伏组串电流为对应电压点下各组件中最大电流。

采用三块表面辐照度分别为1000W/㎡、500W/㎡和50W/㎡的组件M1、组件M2、组件M3组成光伏组串由，所述组件M1、组件M2、组件M3的标称参数相同，如表一所示：

表一

可计算出组件M1、组件M2、组件M3的实际开路电压、实际短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流以及最大功率如表二所示：

表二

对组件M1、组件M2、组件M3按照实际短路电流从大到小排列，即M1＞M2＞M3，记其短路电流分别为：I_{sc_1}=11A、I_{sc_2}=5.56A、I_{sc_3}=0.56A，开路电压分别为：V_{oc_1}=125V、V_{oc_2}=124.375V、V_{oc_3}=105.750V。

组件M1、组件M2、组件M3对I-V特性曲线以及P-V特性曲线分别如图3和图4所示。

光伏组串的开路电压V_{oc_all}=125+124.375+105.750=355.125（V）；在仿真中，组件M1的仿真长度S1为12501，组件M2的仿真长度S2为12438，组件M3的仿真长度S3为10576，光伏组串的仿真长度S_all=12501+12438+10576=35515。

采用仿真步长统一法分别对组件M1、组件M2、组件M3进行数据填补，组件M1的实际短路电流最大，对其进行0值数据填补，即在该光伏组件I-V曲线后加补S_all-S₁=23014个0值，补偿后组件M1的I-V曲线如图5所示；组件M3的实际短路电流最小，因此无需填补，组件M3的I-V曲线如图6所示；对组件M2进行数据填补，需要在其I-V曲线后加补S_all-S₁-S₂=10576个0值，补偿后组件M2的I-V曲线如图7所示。

如图8所示，将补偿后的组件M1、组件M2、组件M3的I-V曲线绘制在一张图中，可以看出，在随着光伏组串开路电压由0慢慢增大的过程中，其输出电流逐渐减小，因此光伏组串对外输出电流应为对应电压点下的最大电流值，光伏组串的I-V特性曲线如图9所示，将光伏组串的电压与对应点电流相乘，即可得到如图10所示的该光伏组串受阴影遮挡时对外P-V特性曲线。

Claims (4)

1. 一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

a. 获取光伏组串中各光伏组件在标准条件下的参数信息，包括开路电压V_oc、短路电流I_sc、最大功率点电压V_m、最大功率点电流I_m、最大功率P_mpp、填充因子FF、电压温度系数β；

b. 根据辐照度、温度与组件参数之间的关系计算获取光伏组件在实际环境中的参数，包括实际短路电流I_sc′、实际开路电压 V_oc′、实际最大功率点电流I_m′、实际最大功率点电压 V_m′；

所述实际短路电流 ，

实际开路电压，

实际最大功率点电流，

实际最大功率点电压，

其中，S是实际辐照度，S_ref是光伏组件的标准条件辐照度；β是组件电压温度系数；

c. 确定各光伏组件表面辐照度，将各光伏组件的实际短路电流按照大小进行排列，分别记为I_{sc_1}、I_{sc_2}……I_{sc_n}，其中，I_{sc_1}＞I_{sc_2}＞……＞I_{sc_n}；并将对应的实际开路电压分别记为V_{oc_1} 、V_{oc_2} ……V_{oc_n}；

d. 对各组件的实际开路电压求和得到光伏组串的开路电压V_{oc_all}，即：；

e. 根据光伏组件I-V曲线工程模型，其中V为光伏组件电压，，，依次对各光伏组件进行仿真，得到每个组件在光伏组串中的I-V特性曲线以及仿真长度S₁、S₂……S_n，进而计算得到光伏组串的仿真总长度S_all，即：；

f. 采用仿真步长统一法对各光伏组件的实际短路电流I_{sc_i}进行数据补全，在各光伏组件对应的I-V特性曲线之后加补（S_i+1+…+S_n）个0值；

g. 在光伏组串开路电压由0至V_{oc_all}变化过程中，选取各电压点对应的最大电流值作为该点的光伏组串输出电流，即可得到光伏组串受阴影遮挡时多峰I-V特性曲线。

2. 如权利要求1所述的一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，其特征在于：步骤a所述的标准条件是辐照度为1000 W/㎡，组件温度25℃。

3. 如权利要求1所述的一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，其特征在于：步骤b所述组件电压温度系数为-0.5/℃。

4. 如权利要求1所述的一种串联光伏组件多峰I-V曲线仿真方法，其特征在于：将步骤g所述电压点与对应的光伏组串输出电流相乘，即可得到光伏组串受阴影遮挡时多峰P-V特性曲线。