CN108011587B - 一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，其特征在于应用一种均压电路实现对光伏组件之间的动态均压，从而解决因部分阴影遮挡而导致的组件由电源转化为负载而导致的热斑问题。实现所提出光伏组件阴影遮挡故障处理方法的系统包括均压电路、电流检测模块及控制器三个模块。其中均压电路包括均压电容C、滤波电感L和开关管Q1、Q2、Q3和Q4。组件轻微失配时，均压电路启动工作，实现组件与组件之间的动态均压，并通过滤波电感稳定输出电流，最终达到组件之间的功率平衡；组件之间严重失配时，开关管体二极管导通，故障组件被短路。本发明利用电容的充放电特性和开关管体二极管反向导通特性，实现了光伏组件阴影遮挡不同程度故障的处理与解决。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体讲涉及一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法。
背景技术
大量化石燃料的使用，不仅给全球大气造成了大量的污染，而且也是全球变暖的元凶之一。太阳能资源作为清洁能源之一，可以有效缓解化石燃料发电带来的危害。
光伏电池组件的发电会受到外界环境的干扰，具体而言主要为光强与环境温度的影响，光照强度降低、环境温度上升，都会导致组件输出电能降低。此外，组件内部由于生产工艺水平的不同而导致的串联失配问题，亦会导致整体输出电能降低。以光强因素为例，当组串中部分组件因受到遮挡而导致光照减少后，其输出将大大降低，当遮挡达到一定程度时，组件对外输出电压为负，即该组件由电源变为负载，最终导致该组件发热形成热斑，严重时可能烧毁该组件。
目前常用的太阳能电池组件处理阴影遮挡故障的方法均为反向并联旁路二极管法，当故障组件因受遮挡或内部参数发生改变而导致其产生负压达到二极管阈值电压时，反向并联的旁路二极管导通，将受遮挡组件短路，从而切断故障。旁路二极管大大减少了光伏组件热斑发生的可能性，与此同时，引入旁路二极管会导致以下缺陷：组件在受到微小故障时往往无法触发旁路二极管，导致这类故障无法切除，长时间也会造成热斑。
旁路二极管虽然一定程度上解决了阴影遮挡而造成的组件之间电流失配问题，但无法对所有因组件电流失配导致的故障现象做出反应与处理。本专利提出的光伏电池组件阴影遮挡故障处理方法，可在组件之间轻微失配时将正常光伏组件与受阴影遮挡影响的光伏组件的输出电压均衡化，达到防止受阴影遮挡影响的光伏组件变为负载的目的，相比于传统的旁路二极管保护法，其可以针对光伏组件之间的轻微电流失配做出故障处理，从而能够更加全面地解除因阴影遮挡而导致的组件故障问题。
发明内容
为了克服旁路二极管的不足，本发明提出了一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，通过对均压电路的控制实现了对光伏组串中组件之间的电压均衡，防止部分组件因电流失配转化为负载而导致的发热问题。
按此目的提出的一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，拟采用以下技术方案：
一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，其特征在于控制一种均压电路实现对受阴影遮挡光伏组件的功率平衡和故障解列；实现所提出光伏组件阴影遮挡故障处理方法的系统包括均压电路、控制器和电流检测装置三个部分；
所述均压电路包括：均压电容C、滤波电感L、电流传感装置、开关管Q1、Q2、Q3和Q4；
所述开关管Q1、Q2、Q3和Q4均采用N沟道MOSFET，每个开关管内本身并联有体二极管；
所述滤波电感L用于平滑组串整体输出电流；
所述控制器用于控制均压电路中开关管的通断；
所述电流检测装置用于检测均压电容C上的电流；
设正常光伏组件PV1的输出电流为I1，受阴影遮挡影响的光伏组件PV2的输出电流为I2，由于阴影遮挡的原因，PV2在一定工作条件下的输出电流会小于PV1相应的输出电流，设补偿电流 ΔI=I1-I2，所述光伏组件阴影遮挡故障处理方法在具体操作时包括以下步骤：
Ⅰ.判断均压电容C上电流，若有电流流经均压电容C，则控制器启动对均压电路的控制，均压电路参与工作，且由两种工作模式交替运行；在工作模式1：均压电容C、滤波电感L与开关管Q1和Q3串联，且连接处与前级光伏组件PV1的输出端并联；在工作模式2：均压电容C、滤波电感L与开关管Q2和Q4串联，且连接处与前级光伏组件PV2的输出端并联；
(1)当所述方法中均压电路处于工作模式1时，均压电容C与正常光伏组件PV1并联，电容处于充电状态，储存PV1相对于PV2多产生的能量，补偿电流ΔI由正到负流入均压电容C，避免其反向流入受阴影遮挡影响的光伏组件PV2，此时PV1与PV2均可正常工作；
(2)当所述方法中均压电路处于工作模式2时，均压电容C与受阴影遮挡影响的光伏组件PV2并联，电容处于放电状态，释放出在工作模式1中所储存的能量，补偿电流ΔI由负到正流出均压电容，此时正常光伏组件PV1的输出电流等于补偿电流ΔI与受阴影遮挡影响的组件PV2输出电流I2之和，其值等于I1，此时PV1与PV2均可正常工作；
Ⅱ.判断均压电容C上的电流，若无电流流经均压电容C，则控制器解除对均压电路的控制，此时光伏组件状态可分为两种情况：
PV1组件与PV2组件均正常工作，此时两者输出电流相等，因此无补偿电流产生；
PV1组件与PV2组件之间补偿电流过大，导致PV2两端电压为负电路中开关管固有的体二极管导通，故障组件被短路，从而解除故障。
所述光伏组件阴影遮挡故障处理方法，可以实现对受阴影遮挡影响的光伏组件的在不同故障程度下的故障处理；采用旁路二极管通过短路受遮挡组件的方式解决电流不均的方法，由于二极管有其导通阈值电压，故对于组件之间轻微的电流差异无法做出故障解列，若长时间存在组件间轻微的电流差异，则会引发组件发热进而导致热斑；相较于旁路二极管并联方法，该方法对于组件之间轻微电流差异以及组件之间较大电流差异都会给出相应的故障处理方案，充分避免了阴影遮挡导致的组件故障。
与当下的旁路二极管保护方式相比，本发明的有益效果在于：
1）实现对光伏组件因遮挡而产生不同程度故障的全响应，有助于解决组件与组件之间的轻微失配问题；
2）均压电路具有良好的高频特性，具有功率密度大的优点，可集成在组件接线盒中，减小体积。
附图说明
图1为采用均压电路实现光伏组件阴影遮挡故障处理方法的系统示意图；
图2为光伏组件等效电路拓扑结构图；
图3为光伏组件受阴影遮挡故障处理方法流程图；
图4为本发明所提方法均压电路结构图；
图5为本发明所提出方法中均压电路在工作模式1下电路电流流向示意图；
图6为本发明所提出方法中均压电路在工作模式2下电路电流流向示意图；
图7为本发明所提方法电路中均压电容C的电压电流稳定工作波形。
具体实施方式：
以下结合附图及实例对本发明做进一步描述。应当理解的是，此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，采用一种均压电路实现光伏组件阴影遮挡故障处理方法的系统示意图如图1所示，实现所提出故障处理方法的系统包括均压电路、电流检测模块和控制器。
太阳电池是利用P-N结的光伏效应将光能转化为电能的，在光照情况下，电流的电流-电压特性表现为二极管的特点，即电流随电压指数变化。如果将太阳能电池视为恒流源，将半导体材料体电阻、电极与半导体材料接触电阻和界面处载流子的复合电阻视为串联电阻，将电池边缘漏电流和电池金属桥漏电流等效为并联电阻，可获得太阳能电池等效电路参见图2。
由太阳能组件等效模型可以得出太阳能电池输出特性的电流方程表达式如公式(1)：
(1)
公式（1）中：I输出电流(A)，U输出电压(V)，Iph光生电流(A)，Rs串联电阻(Ω)，Rp并联电阻(Ω)，a二极管理想常数，Io 二极管反向饱和漏电流(A)，q电荷量1.6×10-19C，K玻尔兹曼常数1. 38×10-23J / K；T 环境温度(℃)。
值得注意的是，组件的光生电流与组件接收到的辐照强度近似成正比，因此，当两块组件串联后，若其中一块组件受到阴影遮挡而导致其光生电流减少时，正常光伏组件的光生电流将大于受阴影遮挡影响的光伏组件产生的光生电流，由此产生的电流差将从受遮挡组件的串联电阻与并联电阻流过，且电流方向发生改变，因此受遮挡组件对外输出电压为负，即由电源变为负载，继而发热导致部分组件热斑的产生，热斑的产生不但会对组件输出电能产生影响，更严重的情况下会烧毁组件。因此，针对这类由阴影遮挡导致的光伏组件故障，可按照如下步骤进行故障诊断与处理，故障处理方法流程图如图3所示：
步骤一：电流检测模块检测均压电路中均压电容C上电流；
步骤二：控制器接收电流检测模块传来的数据，对其作出判断，若均压电容C上有电流，控制器控制开关管Q1、Q3和Q2、Q4分别交替导通，均压电路开始工作；若均压电容C上无电流，控制器解除对均压电路的控制，开关管Q1、Q2、Q3和Q4利用其固有的体二极管实现对故障组件的短路解列。
当均压电容有电流经过时，故障处理的原理如下：
定义补偿电流△I为I1-I2，其中I1为正常光伏组件PV1输出电流，I2为受遮挡组件输出电流；定义IC为均压电容C上的电流；
引入均压电容C，使得受遮挡组件可与正常发电组件的输出电压达到动态平衡，又由能量守恒定律可知，此时组件之间的电流也相应达到平衡，此时补偿电流不会反向流入受遮挡组件，而是为均压电容交替充放电，为解决该方法中造成的输出电流周期脉动，在均压电容旁串联有滤波电感，以减少输出电流的脉动。
实现光伏组件阴影遮挡故障处理的均压电路拓扑如图4所示。
具体来说，均压电路模块工作时，电压均衡过程包括以下两个工作模式：
（1）工作模式1：
正常光伏组件PV1通过开关管Q1、Q3和均压电容C、滤波电感L构成回路，PV1由于光生电流较大，其相同时间产生的电能多，此时正常光伏组件PV1相对于受阴影遮挡影响的光伏组件PV2多发出的电能存储在均压电容C上，表现为补偿电流流入均压电容C为其充电，此时有IC=I1- I2，其中IC=△I，电流方向如图5所示，从而避免补偿电流注入受阴影遮挡影响的光伏组件而造成发热；
（2）工作模式2：
受阴影遮挡影响的光伏组件通过开关管Q2、Q4和均压电容C、滤波电感L构成回路，在工作模式1中存储的能量开始释放，表现为补偿电流流出均压电容C，电容放电，此时有I2+IC=I1，其中IC=△I，电流方向如图6所示，从而避免补偿电流注入受遮挡组件而造成发热。
开关管Q1、Q3和Q2、Q4互补导通，占空比为0.5；实际上均压电路模块为组件与组件之间的补偿电流提供了旁路，从而避免了因补偿电流反向流入受遮挡组件而产生的故障现象。
实现动态平衡后，均压电容C的电压与电流如图7所示。
当均压电容C上没有电流流过时，故障处理的原理如下：
当正常光伏组件PV1与受阴影遮挡影响的光伏组件PV2之间的补偿电流过大时，PV2两端的负电压值也会相应增大；由图4所示的电路结构可知，每个开关管自身的体二极管都相当于反向并联在光伏组件上，一旦组件两端负电压值达到体二极管的导通阈值电压，体二极管导通，故障组件被短路，从而避免故障组件因两端负压过大而产生的发热损坏。
与目前的旁路二极管保护方式相比，本发明可以实现对光伏组件因遮挡而产生不同程度故障的全响应，有助于解决组件与组件之间的轻微电流失配问题；同时针对组件之间较为严重的失配，仍然可以利用开关管反向并联的体二极管实现故障组件短路解列，因此全面地避免了组件受阴影遮挡故障的产生。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。由于本发明的范围由所附权利要求书定义，而非由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包含。
Claims (2)
1.一种光伏组件阴影遮挡故障处理方法，其特征在于控制一种均压电路实现对受阴影遮挡光伏组件的功率平衡和故障解列；实现所提出光伏组件阴影遮挡故障处理方法的系统包括均压电路、控制器和电流检测模块三个部分；
所述均压电路包括：均压电容C、滤波电感L、开关管Q1、Q2、Q3和Q4；
所述开关管Q1、Q2、Q3和Q4均采用N沟道MOSFET，每个开关管内本身并联有体二极管；
所述控制器用于控制均压电路中开关管的通断；
所述电流检测模块用于检测均压电容C上的电流；
设正常光伏组件PV1的输出电流为I1，受阴影遮挡影响的光伏组件PV2的输出电流为I2，由于阴影遮挡的原因，PV2在一定工作条件下的输出电流会小于PV1相应的输出电流，设补偿电流ΔI＝I1-I2，所述光伏组件阴影遮挡故障处理方法在具体操作时包括以下步骤：
Ⅰ.判断均压电容C上电流，若有电流流经均压电容C，则启动控制器控制均压电路，均压电路参与工作，且由两种工作模式交替运行；在工作模式1：均压电容C、滤波电感L与开关管Q1和Q3串联，且连接处与前级光伏组件PV1的输出端并联；在工作模式2：均压电容C、滤波电感L与开关管Q2和Q4串联，且连接处与前级光伏组件PV2的输出端并联；
(1)当所述方法中均压电路处于工作模式1时，均压电容C与正常光伏组件PV1并联，电容处于充电状态，储存PV1相较于PV2多产生的能量，补偿电流ΔI由正到负流入均压电容C，避免其反向流入受阴影遮挡影响的光伏组件PV2，此时PV1与PV2均可正常工作；
(2)当所述方法中均压电路处于工作模式2时，均压电容C与受阴影遮挡影响的光伏组件PV2并联，电容处于放电状态，释放出在工作模式1中所储存的能量，补偿电流ΔI由负到正流出均压电容，此时PV1的输出电流等于补偿电流ΔI与PV2输出电流I2之和，其值等于I1，此时PV1与PV2均可正常工作；
Ⅱ.判断均压电容C上的电流，若无电流流经均压电容C，则控制器解除对均压电路的控制，此时光伏组件状态可分为两种情况：
(1)PV1与PV2均正常工作，此时两者输出电流相等，因此无补偿电流产生；
(2)PV1与PV2之间补偿电流过大，导致PV2两端电压为负，电路中开关管固有的体二极管导通，故障组件被短路，从而解除故障。
2.根据权利要求1所述光伏组件阴影遮挡故障处理方法，其特征在于，实现对受阴影遮挡影响的光伏组件的在不同故障程度下的故障处理；采用旁路二极管通过短路受遮挡组件的方式解除故障。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Ru Inventor after: Wei Jiuyu Inventor after: Wei Dong Inventor after: Huang Xin Inventor before: Wei Jiuyu Inventor before: Wei Dong Inventor before: Huang Xin |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |