CN107941361A - 一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，从环境温度、太阳辐射强度、风速等因素出发，通过大量历史数据拟合的线性模型以及通过能量守恒定律推倒出的非线性模型。并且设计了两种实验平台用于采集数据。本发明可深度揭示光伏组件工作温度的影响因素，充分反映气象因子对光伏组件工作温度的影响，有助于提高光伏电站发电预报的精确度。

Description

一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法

技术领域

本发明涉及光伏组件温度预测发电技术领域，具体涉及一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法。

背景技术

太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射能直接转换为电能的一种发电形式。现阶段，太阳能的推广应用日益呈现方兴未艾的世界潮流，太阳能产业成为全球蓬勃兴起的新能源产业之一。开发利用清洁、安全、环保的太阳能成为人类社会缓解日益加剧的能源短缺的共同选择和治理严峻环境污染的有生力量。电网的稳定运行需要在供需双方之间保持一定的平衡，即根据用户的消耗变化，预先安排火电、水电等发电机组的开启和关停，从而相应地调整供应的总功率。由于光伏发电受天气的影响较大，且不能像火电及水电一样自由控制，所以光伏电站发电的输出功率具有剧烈变化及间歇性等特点。由此，光伏电站并入电网必将对电网的平衡产生巨大影响。

1)调峰问题。随着天气的变化，光伏电站的输出功率剧烈变化，严重影响电网的调峰；

2)电网稳定问题。在电网发生大扰动时，光伏电站由于不具备低电压穿越能力，容易退出运行从而对电网带来二次冲击，影响电网的暂态稳定性；所以对光伏电站输出功率进行有效监测和预测，把光伏电站输出功率纳入电网的发电计划编制，并参与实时调度，是保证电网稳定经济运行的重要措施之一。从而能够实施发电运行自动控制，实现多元电源联合调度。

太阳能光伏发电功率预测的研究起步较晚。德国、丹麦、日本、美国、法国和加拿大等国均进行过相关研究。主要是在全国范围设立太阳能资源监测点，收集太阳能资源数据，并建立光伏发电功率预测模型，预测全国范围光伏发电出力的时空分布。国外虽然已经开展了太阳能资源布点监测和光伏电站功率预测系统的相关研究，但仍然属于起步阶段，目前还没有成熟的光伏电站功率预测系统方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，能够采集实时天气数据信息和电信息来预测光伏组件的工作温度，提高了光伏电站发电预测精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，建立光伏组件工作温度与环境温度、辐射强度和风速的非线性模型。

根据能量守恒定律得到含参数的方程，再通过数据分析得到参数的值。

根据大量数据通过数理统计的方法进行线性拟合，最终得到线性模型。

对于线性模型：

PV电池的工作温度的最简单的显式公式表示随环境温度和入射太阳辐射强度的变化

这种线性表达仅适用于无电负载和无风，尺寸参数k，称为罗斯系数，它等于比率，也就是说，它是（）对的斜率。

如下显式方程

这些方程都可以写成

其中A,B,C是系数。或者在无风地区，可以简化为

因此可以使用最小二乘法对大量数据进行线性回归分析。从而直接得出工作温度的显式方程。

对于非线性模型：

由能量守恒定律，在单位面积的光伏组件上

分离工作温度到等式右边

当光伏组件运行于开路工况时，，则有

以下标0代表光伏电池板在标称工作条件下（NOCT）并且工作在开路状态，以代表，上式可以改写为

在实际运行时，光伏逆变器总是在最大功率跟踪，于是

此时，

联立即可得到和的表达式

因此只需测量开路且工作在NCOT状态下的板温和环温，一系列辐射强度、板温、环温和光伏组件效率即可得到和的值。实际实验时可以不在NCOT状态记录开路时的数据。通过实验数据可以拟合关于辐射强度的回归方程。散热系数就复杂一些。它还与风速有关，还需要拟合风速和散热系数的方程。

固定实验平台的设计如下：

其中并网发电系统的运行数据由SMA Sunny Boy Control Plus 完成。各传感器输出信号不同，有数字信号也有模拟输出，有电压信号也有电流信号。考虑到信号的传输距离较远，电流以外的其他信号容易在传输中受到干扰，因此所有输出信号都采用相应的信号变送器将信号统一调理为4~20mA的电流信号，数据采集装置采用数据记录仪完成，数据记录仪既可独立工作存储历史数据也可与监控计算机保持连接，可以持续记录传感器数据并保存到数据库中。

固定测量实验平台可记录板温，环境温度，相对湿度，风速，风向，气压，斜面辐射强度，水平辐射强度和三相功率。所用传感器及变送器如下表。数据记录仪与PC机连接，可以在数据记录仪显示屏上读出当前各气象参数数据，也可以从PC机上得到历史记录曲线和历史记录数据。PC机使用Lab VIEW软件管理数据。

对比于实验平台，非固定实验平台就需要性能更好的数据记录仪，可以直接保存数据为电子表格，且有内部时钟。最终选取日置电机公司的LR8431-30型数据采集仪，使用U盘为记录介质。这种数据记录仪体积小，功能强大。具备定时开始/结束记录数据功能。且内部集成热电偶测量电路，具备自动冷端补偿的能力。采用U盘记录数据方便后期处理。系统内部含有时钟模块，每一条数据都有年月日时分秒数据。

辐射强度的测量采用的是Licor公司的硅光辐射计，这种辐射计对比于热电辐射计响应速度快，测量精度高且体积，重量更小，方便携带。

板温测量采用T型热电偶，配合数据记录仪不需要其他信号处理电路。测量精度高。实际现场采用胶带粘贴到光伏阵列背板上即可。操作方便。

风速，温度传感器与固定式实验平台相同。但是省略了风向，气压、湿度传感器。

测量功率采用上海安科瑞公司的三相功率变送器测量。此变送器额定输入电压为380V，因此不需要电压互感器直接并联到市电即可采样电压信号。电流信号采用开合式电流互感器。考虑到逆变器最大输出电流不到20A而功率变送器额定输入电流为1A，因此采用变比20/1的电流互感器。功率变送器输出信号为4~20mA电流信号，于是在记录仪侧并联电阻转化为电压信号测量。

采用0.5级精度的电流互感器，确保电流采样的精确度。

另外考虑到户外复杂的天气状况，所有不防水的设备都必须固定于防水箱中。以免造成设备损坏。

考虑到非固定实验平台需要精简设备，采用额定功率2500W的插线板，此插线板有三个插座，每个插座均有开关。固定插线板在防水箱给直流辅助电源和数据记录仪供电。考虑到直流电源和数据记录仪的功率很小，因此插线板上的开关满足要求。风速温度传感器需要直流电源。直流电源也固定在防水箱中。

与固定实验平台不同，非固定实验平台要尽量减少设备。在选择传感器时尽量选择输出信号是模拟电压或模拟电流的。这样就可以省去信号变送器。且所所有设备都在实验现场安装，通常是楼顶。具体流程框图如图2。

因此，预测光伏发电的功率，根据天气预报来预测光伏发电的发电量，这样就可以给电网提供可靠的信息，从而减小调度难度，良好保证了电网的经济运行。提高光伏组件模型的精度就必须建立精确的光伏组件工作温度模型。进一步提高光伏发电系统系统发电预测的精确性，为电网调度提供参考。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描述：

图1为固定实验平台示意图；

图2为非固定实验平台示意图；

图3为非固定实验平台现场接线图；

图4为固定辐射计所用工件设计图；

图5为固定风速传感器所用工件设计图；

图6为一月七月辐射强度示意图；

图7为回归系数A,B的示意图；

图8为辐射强度线性回归图；

图9为风速线性回归图；

图10为郑州的数据。

具体实施方式

下面结合图1至图10对本发明技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一：一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，建立光伏组件工作温度与环境温度、辐射强度和风速的非线性模型。

根据能量守恒定律得到含参数的方程，再通过数据分析得到参数的值。

根据大量数据通过数理统计的方法进行线性拟合，最终得到线性模型。

对于线性模型：

PV电池的工作温度的最简单的显式公式表示随环境温度和入射太阳辐射强度的变化

这种线性表达仅适用于无电负载和无风，尺寸参数k，称为罗斯系数，它等于比率，也就是说，它是（）对的斜率。

如下显式方程

这些方程都可以写成

其中A,B,C是系数。或者在无风地区，可以简化为

因此可以使用最小二乘法对大量数据进行线性回归分析。从而直接得出工作温度的显式方程。

对于非线性模型：

由能量守恒定律，在单位面积的光伏组件上

分离工作温度到等式右边

当光伏组件运行于开路工况时，，则有

以下标0代表光伏电池板在标称工作条件下（NOCT）并且工作在开路状态，以代表，上式可以改写为

在实际运行时，光伏逆变器总是在最大功率跟踪，于是

此时，

联立即可得到和的表达式

因此只需测量开路且工作在NCOT状态下的板温和环温，一系列辐射强度、板温、环温和光伏组件效率即可得到和的值。实际实验时可以不在NCOT状态记录开路时的数据。通过实验数据可以拟合关于辐射强度的回归方程。散热系数就复杂一些。它还与风速有关，还需要拟合风速和散热系数的方程。

固定实验平台的设计如下：

其中并网发电系统的运行数据由SMA Sunny Boy Control Plus 完成。各传感器输出信号不同，有数字信号也有模拟输出，有电压信号也有电流信号。考虑到信号的传输距离较远，电流以外的其他信号容易在传输中受到干扰，因此所有输出信号都采用相应的信号变送器将信号统一调理为4~20mA的电流信号，数据采集装置采用数据记录仪完成，数据记录仪既可独立工作存储历史数据也可与监控计算机保持连接，可以持续记录传感器数据并保存到数据库中。

固定测量实验平台可记录板温，环境温度，相对湿度，风速，风向，气压，斜面辐射强度，水平辐射强度和三相功率。所用传感器及变送器如下表。数据记录仪与PC机连接，可以在数据记录仪显示屏上读出当前各气象参数数据，也可以从PC机上得到历史记录曲线和历史记录数据。PC机使用Lab VIEW软件管理数据。

对比于实验平台，非固定实验平台就需要性能更好的数据记录仪，可以直接保存数据为电子表格，且有内部时钟。最终选取日置电机公司的LR8431-30型数据采集仪，使用U盘为记录介质。这种数据记录仪体积小，功能强大。具备定时开始/结束记录数据功能。且内部集成热电偶测量电路，具备自动冷端补偿的能力。采用U盘记录数据方便后期处理。系统内部含有时钟模块，每一条数据都有年月日时分秒数据。

辐射强度的测量采用的是Licor公司的硅光辐射计，这种辐射计对比于热电辐射计响应速度快，测量精度高且体积，重量更小，方便携带。

板温测量采用T型热电偶，配合数据记录仪不需要其他信号处理电路。测量精度高。实际现场采用胶带粘贴到光伏阵列背板上即可。操作方便。

风速，温度传感器与固定式实验平台相同。但是省略了风向，气压、湿度传感器。

测量功率采用上海安科瑞公司的三相功率变送器测量。此变送器额定输入电压为380V，因此不需要电压互感器直接并联到市电即可采样电压信号。电流信号采用开合式电流互感器。考虑到逆变器最大输出电流不到20A而功率变送器额定输入电流为1A，因此采用变比20/1的电流互感器。功率变送器输出信号为4~20mA电流信号，于是在记录仪侧并联电阻转化为电压信号测量。

采用0.5级精度的电流互感器，确保电流采样的精确度。

另外考虑到户外复杂的天气状况，所有不防水的设备都必须固定于防水箱中。以免造成设备损坏。

考虑到非固定实验平台需要精简设备，采用额定功率2500W的插线板，此插线板有三个插座，每个插座均有开关。固定插线板在防水箱给直流辅助电源和数据记录仪供电。考虑到直流电源和数据记录仪的功率很小，因此插线板上的开关满足要求。风速温度传感器需要直流电源。直流电源也固定在防水箱中。

与固定实验平台不同，非固定实验平台要尽量减少设备。在选择传感器时尽量选择输出信号是模拟电压或模拟电流的。这样就可以省去信号变送器。且所所有设备都在实验现场安装，通常是楼顶。具体流程框图如图2。

因此，预测光伏发电的功率，根据天气预报来预测光伏发电的发电量，这样就可以给电网提供可靠的信息，从而减小调度难度，良好保证了电网的经济运行。提高光伏组件模型的精度就必须建立精确的光伏组件工作温度模型。进一步提高光伏发电系统系统发电预测的精确性，为电网调度提供参考。本发明从环境温度、太阳辐射强度、风速等因素出发提出了两种预测模型；通过大量历史数据拟合的线性模型以及通过能量守恒定律推倒出的非线性模型，并且设计了两种实验平台用于采集数据，可深度揭示光伏组件工作温度的影响因素，充分反映气象因子对光伏组件工作温度的影响，有助于提高光伏电站发电预报的精确度。

实施例二：武汉实验测量平台数据库中记录了2015年全年的西三楼楼顶18kWp并网光伏电站的气象和电气数据。所有数据均预处理过，采用高斯分布3σ原则剔除3σ之外的数据。从散点图来看，基本无离群值。从历史数据来看，武汉的平均风速非常小。因此，为了简化分析，我们采用式

以月为单位进行回归分析，选取两个个月的数据，结果见图6，

根据以上分析，可以发现回归系数A,B和月份有明显的对应关系。统计见图7：

在考虑风速影响时，以七月为例，分析风速对工作温度的影响。根据式2-26

见图8图9。

得到武汉七月数据拟合的公式

接下来分析郑州的数据见图10。

因为实验数据为九月上旬，以月份x=8.33,带人回归系数B分布曲线，B=0.0459。与实验数据误差7.52%。回归系数A误差较大，河南回归曲线相当于武汉回归曲线整体向上平移约2℃。对于工作温度，总误差约10%。

然后我们考虑风速的影响，对数据进行分析，采用二阶线性回归分析，结果如下

对比武汉七月数据拟合的公式

P用于确定某个因子是否显著；通常与 alpha 值 0.05 进行比较。如果P值低于0.05，则该因子是显著的。从P值来看，辐射强度和风速的P值分别为3.3814×10^-166和0.987589258。辐射强度的P值远远小于0.05，所以辐射强度对光伏组件工作温度的影响起主导作用。

综合以上分析得出河南地区光伏组件工作温度线性预测模型为

其中(x为月份)

A=-0.0837x ² + 1.0507x - 1.7377

B= 0.0012x ² - 0.0144x + 0.0826

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

实施例二：

一种实时气象信息与电信息采集装置，包括固定实验平台、非固定实验平台和辅助电源单元；

所述的辅助电源单元用于给固定实验平台、非固定实验平台供电；

所述固定实验平台的气象数据与电数据采集单元包括板温测量传感器、环境温度测量传感器、湿度传感器、风速传感器、风向传感器、气压传感器、斜面辐射强度传感器、水平辐射强度传感器和采集功率的三相功率变送器，所述风向传感器通过风向变送器与数据记录仪连接，所述风速传感器通过风速变送器与数据记录仪连接，所述板温测量传感器、环境温度测量传感器、湿度传感器、气压传感器、斜面辐射强度传感器、水平辐射强度传感器和采集功率的三相功率变送器均与数据记录仪连接，数据记录仪与监控计算机连接。

所述非固定实验平台的气象数据与电数据采集单元包括板温测量传感器、环境温度测量传感器、风速测量传感器、斜面辐射强度测量传感器和采集功率的三相功率变送器，所述板温测量传感器、环境温度测量传感器、风速测量传感器、斜面辐射强度测量传感器和采集功率的三相功率变送器均与非固定数据记录仪连接，非固定数据记录仪采用日置电机公司的LR8431-30型数据采集仪。LR8431-30型数据采集仪使用U盘为记录介质。

所述辅助电源单元采用逆变器。

斜面辐射强度测量传感器的测量采用的是Licor公司的硅光辐射计，

板温测量传感器测量采用T型热电偶。

测量功率采用上海安科瑞公司的三相功率变送器测量。

信号调理变送单元用于将所有输出信号都采用相应的信号变送器将信号统一调理为4~20mA的电流信号；

信号调理变送单元采用变送器。

对于固定实验平台，数据采集处理单元模拟的电流信号转化为数字信号与监控计算机通信，写入数据库。

对于非固定实验平台，所述的数据采集处理单元模拟的电流信号转化为数字信号以电子表格的形式写入储存介质。

数据采集处理单元采用模数转换器。

所述储存介质采用U盘。

全数字无纸化记录，对运行情况可以实时监测。

固定实验平台的设计如下：

其中并网发电系统的运行数据由SMA Sunny Boy Control Plus 完成。各传感器输出信号不同，有数字信号也有模拟输出，有电压信号也有电流信号。考虑到信号的传输距离较远，电流以外的其他信号容易在传输中受到干扰，因此所有输出信号都采用相应的信号变送器将信号统一调理为4~20mA的电流信号，数据采集装置采用数据记录仪完成，数据记录仪既可独立工作存储历史数据也可与监控计算机保持连接，可以持续记录传感器数据并保存到数据库中。

固定测量实验平台可记录板温，环境温度，相对湿度，风速，风向，气压，斜面辐射强度，水平辐射强度和三相功率。所用传感器及变送器如下表。数据记录仪与PC机连接，可以在数据记录仪显示屏上读出当前各气象参数数据，也可以从PC机上得到历史记录曲线和历史记录数据。PC机使用Lab VIEW软件管理数据。表1 传感器信息统计表

对比于实验平台，非固定实验平台就需要性能更好的数据记录仪，可以直接保存数据为电子表格，且有内部时钟。最终选取日置电机公司的LR8431-30型数据采集仪，使用U盘为记录介质。这种数据记录仪体积小，功能强大。具备定时开始/结束记录数据功能。且内部集成热电偶测量电路，具备自动冷端补偿的能力。采用U盘记录数据方便后期处理。系统内部含有时钟模块，每一条数据都有年月日时分秒数据。

辐射强度的测量采用的是Licor公司的硅光辐射计，这种辐射计对比于热电辐射计响应速度快，测量精度高且体积，重量更小，方便携带。

板温测量采用T型热电偶，配合数据记录仪不需要其他信号处理电路。测量精度高。实际现场采用胶带粘贴到光伏阵列背板上即可。操作方便。

风速，温度传感器与固定式实验平台相同。但是省略了风向，气压、湿度传感器。

测量功率采用上海安科瑞公司的三相功率变送器测量。此变送器额定输入电压为380V，因此不需要电压互感器直接并联到市电即可采样电压信号。电流信号采用开合式电流互感器。考虑到逆变器最大输出电流不到20A而功率变送器额定输入电流为1A，因此采用变比20/1的电流互感器。功率变送器输出信号为4~20mA电流信号，于是在记录仪侧并联电阻转化为电压信号测量。

采用0.5级精度的电流互感器，确保电流采样的精确度。

另外考虑到户外复杂的天气状况，所有不防水的设备都必须固定于防水箱中。以免造成设备损坏。

考虑到非固定实验平台需要精简设备，采用额定功率2500W的插线板，此插线板有三个插座，每个插座均有开关。固定插线板在防水箱给直流辅助电源和数据记录仪供电。考虑到直流电源和数据记录仪的功率很小，因此插线板上的开关满足要求。风速温度传感器需要直流电源。直流电源也固定在防水箱中。

与固定实验平台不同，非固定实验平台要尽量减少设备。在选择传感器时尽量选择输出信号是模拟电压或模拟电流的。这样就可以省去信号变送器。且所所有设备都在实验现场安装，通常是楼顶。具体流程框图如图2。传感器选择如下

表2 传感器信息表

Claims (10)

1.一种气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，其特征在于：建立光伏组件工作温度与环境温度、辐射强度和风速的非线性模型。

2.如权利要求1所述的气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，其特征在于：根据能量守恒定律得到含参数的方程，再通过数据分析得到参数的值。

3.根据权利要求1所述的气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，其特征在于，由能量守恒定律，在单位面积的光伏组件上

（1）

分离工作温度到等式右边

（2）

当光伏组件运行于开路工况时，，则有

（3）

以下标0代表光伏电池板在标称工作条件下（NOCT）并且工作在开路状态，以代表，式（2-3）可以改写为

（4）

在实际运行时，光伏逆变器在最大功率跟踪，于是

此时，

（5）

（6）。

4.根据权利要求1所述的气象相关的光伏组件工作温度预测的方法，其特征在于，和的表达式

（7）

（8）。

5.如权利要求1-3的光伏组件工作温度预测方法所使用的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：包括传感器单元、信号调理变送单元、固定实验平台、非固定实验平台、数据采集处理单元和辅助电源单元；所述的辅助电源单元用于给传感器单元、信号调理变送单元、数据采集处理单元供电。

6.如权利要求4的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：所述固定实验平台的气象数据与电数据采集单元包括板温，环境温度，相对湿度，风速，风向，气压，斜面辐射强度，水平辐射强度和三相功率数据的采集、

如权利要求5的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：所述非固定实验平台的气象数据与电数据采集单元包括板温，环境温度，风速，斜面辐射强度和三相功率数据的采集。

7.如权利要求6的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：所述的信号调理变送单元用于将所有输出信号都采用相应的信号变送器将信号统一调理为4~20mA的电流信号。

8.如权利要求7的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：对于固定实验平台，所述的数据采集处理单元模拟的电流信号转化为数字信号与PC机通信，写入数据库。

9.如权利要求8的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：对于非固定实验平台，所述的数据采集处理单元模拟的电流信号转化为数字信号以电子表格的形式写入储存介质。

10.如权利要求9的光伏组件工作温度预测系统，其特征在于：全数字无纸化记录，对运行情况可以实时监测。