CN106982030B - 一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位的方法，包括整点时通过调节太阳能阵列外部直流斩波电路，太阳能组件板获得6组电压、电流测量值，根据这6组测量值，用Newton迭代法确定5个参数和遮蔽反映量；对任意时刻辐照度相同,将5参数中只受温度变化影响的3个参数用整点值代替，对于2个影响较大的参数和一个遮蔽反映量，测量3组电压和电流值确定3个方程，用迭代法确定参数和遮蔽反映量；利用每个光伏电池组件板对应的遮蔽反映量的值确定光伏电池阵列受遮蔽的电池组件板的数量及各电池组件板的遮蔽情况。本发明利用太阳能电池5参数模型，通过解方程组确定光伏阵列各个组件板的遮蔽情况，起到快速定位失配位置的效果。

Description

一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法

技术领域

本发明涉及到光伏发电技术领域，具体地，涉及到一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法。

背景技术

失配是指光伏电池阵列中串并联组件之间的电性能有较大差异，从而使整个阵列的输出功率小于各个单体电池组件的总和。失配产生的原因包括：组件的方位不同、部分组件被阴影覆盖、不同功率的电池组件混接、电池的组件的制造差异等。

对于串联组件，其总输出电流将取所有单体中的最小值，所以一旦其中有一块电池组件的电流小于其他单体，整个串联阵列中其他单体的电流也将降低，从而降低了整个阵列的输出功率，即电流失配。电流失配的解决方案通常是在一组串联单体上并联旁路二极管，当串联单体中有部分单体被遮挡时，电池单体产生的光伏电流极小或者不产生电流相当于一个很大的电阻，其它串联组的电流将通过旁路二极管流通，从而提升了遮蔽情况下系统的电流，继而增大了输出功率。

对于并联组件，其总的输出电压取决于所有并联的串联组电压的最小值，由光伏电池单体输出电流和电压的关系，当输出电流减小时，单体的输出电压也减小，从而如果有遮蔽导致其中一组的电压降低，整个并联阵列的其它串联组电压也会降低，即电压失配。电压失配的解决方案通常是在每个串联组上添加阻断二极管，起到补偿电压的作用，使两并联支路的电压得到匹配，从而防止电流环流现象的产生。

除了并联旁路二极管和串联阻断二极管，目前提出的失配解决方案包括给每个光伏电池组件板配备一个DC-DC电路。在传统型户用光伏发电系统中，普遍是将若干个电池组件以串并联形式连接，输出到一个逆变器设备，这种结构在失配的情况下会出现最大功率点的误跟踪而导致输出功率大幅下降。目前光伏阵列的交流模块式结构和直流模块式结构分别给每个光伏组件板配备了一个逆变器和DC-DC电路，对于已经投入使用的系统，也有相关文献提出在原有基础上给每块板配备一个DC-DC电路的扩展方案，无需改动其它电路。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，包括如下步骤：

S1：整点时，通过调节太阳能阵列外部直流斩波电路，每个光伏电池组件板获得6组电压和电流测量值，运用Newton迭代法确定光伏单体等效电路中的5参数和遮蔽反映量的值，其中5参数包括光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh、二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数，其中q为电子电量常量，A为二极管特性拟合系数，T为实时的温度；

S2：对任意时刻的辐照度相同，将不受温度和福照度影响3个参数二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数用整点值代替，对于受温度和福照度影响较大的光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh和遮蔽反映量，通过测量3组电压和电流测量值，用Newton迭代法确定2参数和遮蔽反映量的值；

S3：利用每个光伏电池组件板对应的遮蔽反映量的值确定光伏电池阵列受遮蔽的电池组件板的数量及各电池组件板的遮蔽情况。

优选地，所述光伏电池阵列由m×n个光伏电池组件板串并联连接构成，具体包括m个光伏电池组件串联组并联，每个光伏电池串联组包含n个电池组件板，每个电池组件板包括N个电池单体，其中每M个电池单体并联一个旁路二极管，所述光伏电池阵列通过一个boost电路逆变器接入交流电网，其中m、n、N、M都为大于等于1的整数，N是M的倍数。

优选地，5参数模型由式(1)得到：

式中：q为电子电量常量，为1.602×10^-19C；k为玻尔兹曼常量，为1.381×10^-23J/K；A为二极管特性拟合系数，A取值在1到2之间，I为电流值，U为电压值，I_ph为光生电流，I_s为二极管饱和电流，R_s为等效串联电阻，R_sh为等效并联电阻。

其中，标准工况的辐照度为1000W/m2，电池工作温度为25℃。

光生电流I_ph受到辐照度的影响，而不同辐照度下的光生电流I_ph修正量由式(2)得到：

其中，I_phref是标准工况下的光生电流；S为实时的辐照度，T为实时的温度，S_ref为标况下的辐照度；C_T为温度系数，T_ref为标准工况下的温度。

二极管饱和电流I_s受到温度的影响，而不同温度下的二极管饱和电流I_s修正量由式(3)得到：

其中，I_sref是标准工况下的二极管饱和电流；T为实时的温度，T_ref为标准工况下的温度；E_g为禁带宽度，取决于光伏电池的材料。

等效串联电阻R_s由式(4)得到：

其中，β＝0.217，R_sref为标准工况下的等效串联电阻，通过计算得到辐照度变化，R_s变化不大。

等效并联电阻R_sh受到辐照度的影响，等效并联电阻修正量由式(5)得到：

所述5参数中，短时间内温度以及辐照度不对参数I_s和R_s产生影响，对参数I_ph、R_sh受辐照度影响较大，从而在确定某一特定时刻的五参数值时，I_s和R_s参数为整点处的值，只需确定I_ph、R_sh的值。

优选地，对于一块组件板，每M个并联于同一旁路二极管的光伏电池单体记为1组，当有云影遮蔽电池时，设有n₁组没有被遮蔽，n₂组被遮蔽，满足式(6)：

串联组的输出电压和U和输出电流I的关系如式(7)所示：

其中，U_DD为二极管的正向导通电压。

优选地，根据权利要求4所述的一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，确定任意时刻的5参数的值，由式(6)选择n₂为失配反映量，通过调整外电路，测量每块电池组件板的电压及每个串联组的电流，就可以获得U-I曲线上不同的运行点，分析迭代法求得的任意时刻的n₂，判断出电池组件板中被遮蔽的组数。

以串联为列、并联为行给光伏阵列里的电池组件板编号，第i行第j列的电池板电流电压关系为式(8)：

其中，I_j为第j列的电流，U_ij为第i行第j列的电压，整点时刻通过调整外部电路6次，对于第i行第j列的组件板测量6组电压、电流值分别是：

(U_ij1，I_j1)，(U_ij2，I_j2)，(U_ij3，I_j3)，(U_ij4，I_j4)，(U_ij5，I_j5)，(U_ij6，I_j6)

其中，(U_ijk，I_ik)分别为第k组测量值，每个电池组件板的I_ph、R_sh、I_s、R_s和n₂的非线性方程组如式(9)：

F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆分别是6个方程对应的零点函数，用Newton迭代法，其雅克比矩阵记为J。

记F_Z＝(F₁,F₂,F₃,F₄,F₅,F₆)′

则迭代公式如式(10)所示：

取上个整点测量值作为初始值进行迭代，任意时刻的参数值通过相同的方法进行迭代得到。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明基于光伏电池的5参数模型及一定光照和温度情况下模型参数的不变性，并加入了反映遮蔽情况的遮蔽反映量，通过调节光伏阵列外部直流斩波电路占空比，获得阵列中每个电池组件板的电流和电压的不同值，为了简化计算，分为整点和任意时刻两种情况考虑。本发明通过迭代法求解非线性方程组确定任意时刻的5参数和遮蔽反映量，从而实现了对失配位置的定位，有助于更好的实现MPPT，提高光伏的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的所述光伏系统示意图；

图2为本发明的光伏电池单体等效电路；

图3为本发明的光伏电池组件板等效电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明在光伏电池5参数模型的基础上建立了包含遮蔽反映量的光伏电池组件板6参数模型。

一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，包括如下步骤：

S1：整点时，通过调节太阳能阵列外部直流斩波电路，每个光伏电池组件板获得6组电压和电流测量值，运用Newton迭代法确定光伏单体等效电路中的5参数和遮蔽反映量的值，其中5参数包括光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh、二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数，其中q为电子电量常量，A为二极管特性拟合系数，T为实时的温度；

S2：对任意时刻的辐照度相同，将不受温度和福照度影响3个参数二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数用整点值代替，对于受温度和福照度影响较大的光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh和遮蔽反映量，通过测量3组电压和电流测量值，用Newton迭代法确定2参数和遮蔽反映量的值；

S3：利用每个光伏电池组件板对应的遮蔽反映量的值确定光伏电池阵列受遮蔽的电池组件板的数量及各电池组件板的遮蔽情况。

图1为本发明的所述光伏系统示意图，图2为本发明的光伏电池单体等效电路，图3为本发明的光伏电池组件板等效电路，结合图1到图3所示，所述光伏电池阵列由m×n个光伏电池组件板串并联连接构成，具体包括m个光伏电池组件串联组并联，每个光伏电池串联组包含n个电池组件板，每个电池组件板包括N个电池单体，其中每M个电池单体并联一个旁路二极管，所述光伏电池阵列通过一个boost电路逆变器接入交流电网，其中m、n、N、M都为大于等于1的整数，N是M的倍数。

5参数模型由式(1)得到：

式中：q为电子电量常量，为1.602×10^-19C；k为玻尔兹曼常量，为1.381×10^-23J/K；A为二极管特性拟合系数，A取值在1到2之间，I为电流值，U为电压值，I_ph为光生电流，I_s为二极管饱和电流，R_s为等效串联电阻，R_sh为等效并联电阻。

其中，标准工况的辐照度为1000W/m2，电池工作温度为25℃。

光生电流I_ph受到辐照度的影响，而不同辐照度下的光生电流I_ph修正量由式(2)得到：

其中，I_phref是标准工况下的光生电流；S为实时的辐照度，T为实时的温度，S_ref为标况下的辐照度；C_T为温度系数，T_ref为标准工况下的温度。

二极管饱和电流I_s受到温度的影响，而不同温度下的二极管饱和电流I_s修正量由式(3)得到：

其中，I_sref是标准工况下的二极管饱和电流；T为实时的温度，T_ref为标准工况下的温度；E_g为禁带宽度，取决于光伏电池的材料。

等效串联电阻R_s由式(4)得到：

其中，β＝0.217，R_sref为标准工况下的等效串联电阻，通过计算得到辐照度变化，R_s变化不大。

等效并联电阻R_sh受到辐照度的影响，等效并联电阻修正量由式(5)得到：

所述5参数中，短时间内温度以及辐照度不对参数I_s和R_s产生影响，对参数I_ph、R_sh受辐照度影响较大，从而在确定某一特定时刻的五参数值时，I_s和R_s参数为整点处的值，只需确定I_ph、R_sh的值。

对于一块组件板，每M个并联于同一旁路二极管的光伏电池单体记为1组，当有云影遮蔽电池时，设有n₁组没有被遮蔽，n₂组被遮蔽，满足式(6)：

串联组的输出电压和U和输出电流I的关系如式(7)所示：

其中，U_DD为二极管的正向导通电压。

根据权利要求4所述的一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，确定任意时刻的5参数的值，由式(6)选择n₂为失配反映量，通过调整外电路，测量每块电池组件板的电压及每个串联组的电流，就可以获得U-I曲线上不同的运行点，分析迭代法求得的任意时刻的n₂，判断出电池组件板中被遮蔽的组数。

以串联为列、并联为行给光伏阵列里的电池组件板编号，第i行第j列的电池板电流电压关系为式(8)：

其中，I_j为第j列的电流，U_ij为第i行第j列的电压，整点时刻通过调整外部电路6次，对于第i行第j列的组件板测量6组电压、电流值分别是：

(U_ij1，I_j1)，(U_ij2，I_j2)，(U_ij3，I_j3)，(U_ij4，I_j4)，(U_ij5，I_j5)，(U_ij6，I_j6)

其中，((U_ijk，I_ik)分别为第k组测量值，，每个电池组件板的I_ph、R_sh、I_s、R_s和n₂的非线性方程组如式(9)：

F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆分别是6个方程对应的零点函数，用Newton迭代法，其雅克比矩阵记为J。

记F_Z＝(F₁,F₂,F₃,F₄,F₅,F₆)′

则迭代公式如式(10)所示：

取上个整点测量值作为初始值进行迭代，任意时刻的参数值通过相同的方法进行迭代得到。

对于任意时刻情况，通过调整外部电路3次，测量3组电压电流值，分别是

(U_ij1，I_j1)，(U_ij2，I_j2)，(U_ij3，I_j3)

(U_ijk，I_ik)分别为第k组测量值，对于每个电池组件板，I_s、R_s用前一整点时的值代，可以获得关于I_ph、R_sh和n₂的非线性方程组如式(11)：

记这3个方程对应的零点函数分别是，F₁、F₂、F₃，用Newton迭代法，其雅克比矩阵为J。

记x＝(I_ph,R_sh,n₂)′，F_R＝(F₁,F₂,F₃)′

则迭代公式如式(12)所示：

取上个整点测得的值作为初始值进行迭代。

分析迭代法求得的任意时刻的n₂，n₂≥1说明该电池组件板有遮蔽。此外，根据n₂的大小，还可以判断出电池组件板中被遮蔽的组数。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：整点时，通过调节太阳能阵列外部直流斩波电路，每个光伏电池组件板获得6组电压和电流测量值，运用Newton迭代法确定光伏单体等效电路中的5参数和遮蔽反映量的值，其中5参数包括光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh、二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数，其中q为电子电量常量，A为二极管特性拟合系数，T为实时的温度；

S2：对任意时刻的辐照度相同，将不受温度和辐照度影响3个参数二极管饱和电流I_s、等效串联电阻R_s以及系数用整点值代替，对于受温度和辐照度影响较大的光生电流I_ph、等效并联电阻R_sh和遮蔽反映量，通过测量3组电压和电流测量值，用Newton迭代法确定2参数和遮蔽反映量的值；

S3：利用每个光伏电池组件板对应的遮蔽反映量的值确定光伏电池阵列受遮蔽的电池组件板的数量及各电池组件板的遮蔽情况；

其中，5参数模型由式(1)得到：

式中：q为电子电量常量，为1.602×10^-19C；k为玻尔兹曼常量，为1.381×10^-23J/K；A为二极管特性拟合系数，A取值在1到2之间，I为电流值，U为电压值，I_ph为光生电流，I_s为二极管饱和电流，R_s为等效串联电阻，R_sh为等效并联电阻；

其中，标准工况的辐照度为1000W/m2，电池工作温度为25℃；

光生电流I_ph受到辐照度的影响，而不同辐照度下的光生电流I_ph修正量由式(2)得到：

其中，I_phref是标准工况下的光生电流；S为实时的辐照度，T为实时的温度，S_ref为标况下的辐照度；C_T为温度系数，T_ref为标准工况下的温度；

二极管饱和电流I_s受到温度的影响，而不同温度下的二极管饱和电流I_s修正量由式(3)得到：

其中，I_sref是标准工况下的二极管饱和电流；T为实时的温度，T_ref为标准工况下的温度；E_g为禁带宽度，取决于光伏电池的材料；

等效串联电阻R_s由式(4)得到：

其中，β＝0.217，R_sref为标准工况下的等效串联电阻，通过计算得到辐照度变化，R_s变化不大；

等效并联电阻R_sh受到辐照度的影响，等效并联电阻修正量由式(5)得到：

所述5参数中，短时间内温度以及辐照度不对参数I_s和R_s产生影响，对参数I_ph、R_sh受辐照度影响较大，从而在确定某一特定时刻的五参数值时，I_s和R_s参数为整点处的值，只需确定I_ph、R_sh的值。

2.根据权利要求1所述的一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，所述光伏电池阵列由m×n个光伏电池组件板串并联连接构成，具体包括m个光伏电池组件串联组并联，每个光伏电池串联组包含n个电池组件板，每个电池组件板包括N个电池单体，其中每M个电池单体并联一个旁路二极管，所述光伏电池阵列通过一个boost电路逆变器接入交流电网，其中m、n、N、M都为大于等于1的整数，N是M的倍数。

3.根据权利要求1所述的一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，

对于一块组件板，每M个并联于同一旁路二极管的光伏电池单体记为1组，当有云影遮蔽电池时，设有n₁组没有被遮蔽，n₂组被遮蔽，满足式(6)：

串联组的输出电压U和输出电流I的关系如式(7)所示：

其中，U_DD为二极管的正向导通电压。

4.根据权利要求3所述的一种集中型太阳能逆变器组件板失配定位方法，其特征在于，确定任意时刻的5参数的值，由式(6)选择n₂为失配反映量，通过调整外电路，测量每块电池组件板的电压及每个串联组的电流，就可以获得U-I曲线上不同的运行点，分析迭代法求得的任意时刻的n₂，判断出电池组件板中被遮蔽的组数，

以串联为列、并联为行给光伏阵列里的电池组件板编号，第i行第j列的电池板电流电压关系为式(8)：

其中，I_j为第j列的电流，U_ij为第i行第j列的电压，整点时刻通过调整外部电路6次，对于第i行第j列的组件板测量6组电压、电流值分别是：

(U_ij1，I_j1)，(U_ij2，I_j2)，(U_ij3，I_j3)，(U_ij4，I_j4)，(U_ij5，I_j5)，(U_ij6，I_j6)

其中，(U_ijk，I_ik)分别为第k组测量值，每个电池组件板的I_ph、R_sh、I_s、R_s和n₂的非线性方程组如式(9)：

F₁、F₂、F₃、F₄、F₅、F₆分别是6个方程对应的零点函数，用Newton 迭代法，其雅克比矩阵记为J；

记F_Z＝(F₁,F₂,F₃,F₄,F₅,F₆)′

则迭代公式如式(10)所示：

取上个整点测量值作为初始值进行迭代，任意时刻的参数值通过相同的方法进行迭代得到。