CN105207619A - 光伏组件的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件的诊断方法，根据光伏组件在标准测试条件下的电性能参数(开路电压、短路电流、最大功率、最大功率时的输出电压和输出电流)，并对串联电阻进行初始化且不断调整其数值，求出相应的并联电阻，再采用牛顿拉夫逊数值解法对伏安特性进行求解，并计算出最大功率，当最大功率逼近标准测试条件下的最大功率时，将此时串联电阻与并联电阻的取值作为真实值，从而得出精确的I-V模型，使得据此得出的光伏组件的诊断结果更准确。

Description

光伏组件的诊断方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏技术领域，具体涉及一种光伏组件的诊断方法。

背景技术

太阳电池是基于半导体材料光生伏特效应制成的光电转化器件，它的数学模型可表示为：

$I=I_{p\mathrm{\ν}}-I_0\[\exp \frac{q\left(V+{\mathrm{IR}}_{ss}\right)}{nKT}-1\]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_{ss}}{R_{pp}}---\left(1\right)$

其中，I为输出电流，V为输出电压，I_pv为光生电流，I₀为二极管反相饱和电流，R_ss为太阳电池串联电阻，R_pp为太阳电池并联电阻，n为硅二极管常数，q为单位电荷电量，K为波尔兹曼常数，T为开尔文温度。光伏组件一般由N_s块(如：36、54、60、72块)太阳电池片串联而成，其数学模型表示为：

$I=I_{pv}-I_0\[\exp \frac{q\left(V+{\mathrm{IR}}_s\right)}{nKT\·N_s}-1\]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_p}---\left(2\right)$

其中，R_s为光伏组件串联电阻，R_p为光伏组件并联电阻。

R_s＝N_s·R_ss

(3)

R_p＝N_s·R_pp

可见，光伏组件的数学模型为4参数模型(I_pv、I₀、R_s、R_p)，I_pv、I₀与太阳辐射、温度有关系,q、n、K、T、N_s为已知量。光伏组件厂商一般只给出标准测试条件下(STC)的V_oc、I_sc、V_mp、I_mp4个参数，R_s和R_p未知也无法测量。目前为了便于计算，工程应用上通常将R_s和R_p忽略，得到简化的I-V数学模型：

$I=I_{pv}-I_0(\exp \frac{qV}{nKT\·N_s}-1)---\left(4\right)$

该模型只需要通过厂商提供标准测试条件下的V_oc、I_sc、V_mp、I_mp技术参数，即可确定光伏组件的伏安特性，但依然无法替代实际光伏组件的数学模型，难以适用于对光伏组件模型要求精确的场合，比如光伏组件诊断系统中，根据厂商给定数据建立精确的数学模型，作为光伏组件生命周期性能评价的标准。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光伏组件的诊断方法，以便以精确的数学模型为依据对光伏组件进行诊断。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种光伏组件的诊断方法，包括步骤：

获取光伏组件在标准测试条件下测得的电性能参数，所述电性能参数包括开路电压、短路电流、最大功率，及功率最大时的输出电流和输出电压；

根据标准测试条件下的开路电压和短路电流，计算光伏组件的光生电流和二极管反相饱和电流；

对光伏组件的串联电阻进行初始化赋值，并以预定的步长对串联电阻进行递增或递减的重新赋值，直至当前赋值时的最大功率逼近标准测试条件下的最大功率，每次赋值，根据功率最大时串联电阻与并联电阻之间的关系，计算此时的并联电阻，再通过牛顿拉夫逊解法计算此时的输出电流和输出电压，根据输出电流和输出电压计算此时的最大功率；

将光生电流、二极管反相饱和电流，以及最大功率逼近标准测试条件下最大功率时的串联电阻和并联电阻代入光伏组件的输出电流电压模型，根据结果对光伏组件进行诊断。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

通过厂商给出的光伏组件标准测试条件下的基本参数，可精确计算出实际光伏组件的串并联电阻，使4参数模型得到求解。将计算的R_s、R_p代入模型，得到的I-V、P-V数据与实际光伏组件相符。因此，依据该方法可对光伏组件进行准确的建模以及仿真分析。可为光伏电站中光伏组件诊断系统建立数据模型接口，作为光伏组件的质量、功率衰减、性能评价标准。

附图说明

图1为本发明光伏组件的诊断方法的流程示意图；

图2为光伏组件等效电路图；

图3为光伏组件短路工作电路图；

图4为光伏组件模型求解流程示意图；

图5为牛顿拉夫逊计算I-V流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明光伏组件的诊断方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤s101、获取光伏组件在标准测试条件下测得的电性能参数，所述电性能参数包括开路电压、短路电流、最大功率，及功率最大时的输出电流和输出电压；

步骤s102、根据标准测试条件下的开路电压和短路电流，计算光伏组件的光生电流和二极管反相饱和电流；

步骤s103、对光伏组件的串联电阻进行初始化赋值，并以预定的步长对串联电阻进行递增或递减的重新赋值，直至当前赋值时的最大功率逼近标准测试条件下的最大功率，每次赋值，根据功率最大时串联电阻与并联电阻之间的关系，计算此时的并联电阻，再通过牛顿拉夫逊解法计算此时的输出电流和输出电压，根据输出电流和输出电压计算此时的最大功率；

步骤s104、将光生电流、二极管反相饱和电流，以及最大功率逼近标准测试条件下最大功率时的串联电阻和并联电阻代入光伏组件的输出电流电压模型，根据结果对光伏组件进行诊断。

图2为光伏组件等效电路图。由于I₀为数量级很小的数，且R_s较小，R_p较大，它们对I₀计算的影响可忽略不计，可利用式(4)进行计算。

当外电路短路时，I＝I_sc，V＝0，得到I_pv＝I_sc；

当外电路开路时，V＝V_oc，I＝0，得到：

$I_0=\frac{I_{sc}}{\exp \left(\frac{{\mathrm{qV}}_{oc}}{nKT\·N_s}\right)-1}---\left(5\right)$

光伏组件输出最大功率P_max可表示为：

$P_{\max }=V_{mp}(I_{pv}-I_0\[\exp \frac{q(V+I_{mp}{R}_s)}{nKT\·N_s}-1\]-\frac{V+I_{mp}{R}_s}{R_p})---\left(6\right)$

通过式(6)可知，在最大功率点，R_p和R_s存在以下关系：

$R_p=\frac{V_{mp}\left(V+I_{mp}{R}_s\right)}{V_{mp}{I}_{p\mathrm{\ν}}-V_{mp}{I}_0\exp \frac{q\left(V+I_{mp}{R}_s\right)}{nKT\·N_s}+V_{mp}{I}_0-P_{\max }}---\left(7\right)$

图3为光伏组件短路工作电路图。R_s与R_p并联，两端电压相等，有I_sc×R_s＝(I_pv-I_sc)×R_p，得到：

$I_{p\mathrm{\ν}}=\frac{R_s+R_p}{R_p}{I}_{sc}---\left(8\right)$

图4为光伏组件模型求解流程图。该流程分为以下4个步骤：

步骤S1：初始化R_s＝0、R_p＝100、△P＝100；根据式(5)计算I₀；

步骤S2：将△P与0.01比较，如果△P>0.01,进入步骤S3，否则程序结束，此时的R_s、R_p即为光伏组件的串并联电阻值；

步骤S3：根据式(8)计算I_pv，R_s增加0.01Ω，根据式(7)计算R_p；

步骤S4：在当前R_s、R_p下，在0≤V≤V_oc，通过牛顿拉夫逊法计算I-V数值，并计算出最大功率P_{max_m}；求出与光伏组件最大功率偏差△P＝|P_{max_m}-P_max|，返回步骤S2。

图5为牛顿法计算I-V流程图。该流程分为以下6个步骤：

步骤S1：初始化数组I、V，用于存放光伏组件输出电流、电压数据。数组I清零，数组V赋值0-V_oc数值，以0.1V作为步长。初始化变量i＝0；

步骤S2：数组V变量与V_oc比较，判断是否计算结束。如果是，程序退出，否则，进入步骤S3；

步骤S3：初始化I_k＝0，进入步骤S4；

步骤S4：令f(I)＝f(I,V)-I＝0,得到：

$f\left(I\right)=I_{pv}-I_0\[\exp \frac{q\left(V+{\mathrm{IR}}_s\right)}{nKT\·N_s}-1\]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_p}-I---\left(9\right)$

式(9)中f(I)对I进行求导，得到：

$f^{\′}\left(I\right)=-I_0\frac{{\mathrm{qR}}_s}{nKT\·N_s}\[\exp \frac{q\left(V+{\mathrm{IR}}_s\right)}{nKT\·N_s}\]-\frac{R_s}{R_p}-1---\left(10\right)$

由牛顿拉夫逊法计算得到下一个迭代计算的I_k+1，表示为：

$I_{k+1}=I_k-\frac{f\left(I\right)}{f^{\′}\left(I_k\right)}---\left(11\right)$

当|f(I_k+1)|<ξ(ξ为接近于0的很小的数)时，可认为I_k+1为f(I)＝0的真实解，这里ξ取值0.001。

根据公式(9)、(10)、(11)计算得出I_k+1，并对下一次迭代赋值I_k＝I_k+1，进入步骤S5；

步骤S5：计算|f(I_k+1)|，与0.001进行比较判断，如果|f(I_k+1)|>0.001，返回步骤S4，否则进入步骤S6；

步骤S6：将I-V的真实解I_k+1赋值给数组I，同时改变变量i+1，指向下一个电压数组变量V(i+1)，返回步骤2。

例：英利48Cell光伏组件，型号YL200P-23b，标准测试条件下：

I_sc＝8.73；V_oc＝31.0；V_mp＝24.5；I_mp＝8.15；P_max＝V_mp*I_mp＝199.675；

采用上述方法，在MATLAB中计算，得到：

Rp＝1742.061756

Rs＝0.260000

Pmax_m＝199.675000(model)

Pmax_e＝199.675000(experimental)

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种光伏组件的诊断方法，其特征在于，包括步骤：

获取光伏组件在标准测试条件下测得的电性能参数，所述电性能参数包括开路电压、短路电流、最大功率，及功率最大时的输出电流和输出电压；

根据标准测试条件下的开路电压和短路电流，计算光伏组件的光生电流和二极管反相饱和电流；

对光伏组件的串联电阻进行初始化赋值，并以预定的步长对串联电阻进行递增或递减的重新赋值，直至当前赋值时的最大功率逼近标准测试条件下的最大功率，每次赋值，根据功率最大时串联电阻与并联电阻之间的关系，计算此时的并联电阻，再通过牛顿拉夫逊解法计算此时的输出电流和输出电压，根据输出电流和输出电压计算此时的最大功率；

将光生电流、二极管反相饱和电流，以及最大功率逼近标准测试条件下最大功率时的串联电阻和并联电阻代入光伏组件的输出电流电压模型，根据结果对光伏组件进行诊断。

2.根据权利要求1所述的光伏组件的诊断方法，其特征在于，

功率最大时串联电阻与并联电阻之间的关系为：

$R_p=\frac{V_{mp}(V+I_{mp}{R}_s)}{V_{mp}{I}_{pv}-V_{mp}{I}_0\exp \frac{q(V+I_{mp}{R}_s)}{nKT\&CenterDot;N_s}+V_{mp}{I}_0-P_{\max }}$

式中，P_max为最大功率，I_mp、V_mp为功率最大时的输出电流和输出电压，I_pv为光生电流，I₀为二极管反相饱和电流，R_s为太阳电池串联电阻，R_p为太阳电池并联电阻，n为硅二极管常数，q为单位电荷电量，K为波尔兹曼常数，T为开尔文温度。

3.根据权利要求1或2所述的光伏组件的诊断方法，其特征在于，

串联电阻的初始化赋值为0Ω。

4.根据权利要求1或2所述的光伏组件的诊断方法，其特征在于，

所述预定的步长为0.01Ω。

5.根据权利要求1或2所述的光伏组件的诊断方法，其特征在于，

当差值小于等于0.01W时，认定为串联电阻当前赋值时的最大功率逼近标准测试条件下的最大功率。