CN108509736A - 一种用于故障诊断的光伏组件参数提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用解析法求解光伏组件五参数的方法。由于组件中的旁路二极管的存在，在组件中部分电池片受到遮挡时，其I‑V输出特性会出现多个膝点，因此其I‑V曲线又可分为若干个子I‑V曲线。采用传统解析法只能针对完整的I‑V曲线提取光伏组件五参数，对于由于多膝点而产生的子I‑V曲线，表征该子I‑V特性下的光伏组件五参数，传统利用解析法求解光伏组件无参数的方法均不再适应。本发明所提方法所需计算点不依赖完整的I‑V特性曲线，可用于解决求解多膝点下子I‑V曲线对应组件五参数的问题，为故障诊断提供依据。
Description
技术领域
本发明属于光伏发电技术领域，具体讲涉及一种用于故障诊断的光伏组件参数提取方法。
背景技术
近年来，光伏发电作为国内热门的研发投资领域，引发了一股研究太阳光伏发电的热潮。对于太阳能光伏发电的研究从光生伏特效应发现以来，一直不断进步与发展，国内对光伏领域的研究也日趋深入。
一般来说，一个光伏阵列由光伏组串并联而成，光伏组串又由光伏组件串联而成，一个光伏组件又由固定个数的太阳能电池片串联而成；这类光伏组件之间的串并联连接结合后续电能转换器件，构成了一个初步的光伏发电系统。
然而，光伏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。由于光伏组串由若干个光伏组件串联而成，因此组件与组件之间的失配会带来组串整体输出功率的损失，甚至导致部分组件发生热斑等故障；为减少这类故障的发生，一般在光伏组件封装时即会在若干个串联的太阳能电池片上反向并联一个旁路二极管，其目的在于当组串的整体输出电流大于旁路二极管所并联的太阳能电池片输出的电流时，为电池片提供短路通路，以防电流反向灌入太阳能电池片引发发热甚至烧毁等问题。
旁路二极管一定程度上解决了组件之间因失配而产生的热斑问题，但造成了组串整体输出呈现了非连续变化的性质，表现在旁路二极管导通与关断状态前后，光伏组串的I-V输出特性曲线在该状态点发生突变，光伏组串的P-V输出特性在该状态点出现波谷；综上，一旦光伏组串中有旁路二极管导通，其P-V输出特性即出现多个功率峰值，且单个峰值区间上P-V 曲线不再为该工作状态下的组件从短路电流至开路电压的完整曲线。
目前，一般通过解析法求解光伏组件五参数(光生电流Iph、二极管理想因子n、串联电阻Rs、并联电阻Rsh和二极管反向饱和电流Io)均需要实测以下数据：短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点(Umpp,Impp)以及开路电压处与短路电流处的dU/dI；获得这些数据要求光伏组件提供出完整的从短路电路至开路电压的I-V曲线，然而如前文所述，当组串中因部分组件失配而导致旁路二极管工作时，组件无法提供完整的I-V曲线，因此以目前解析法的手段无法求出光伏组串中各组件的五参数。
光伏组件的五参数较为全面的描述了光伏组件的工作状态与使用性能，因此对于光伏组件的故障诊断来说，提取其五参数是至关重要的，本发明提供了一种组件五参数提取方法，该方法在组件无法提供完整的I-V曲线时，仍可以较好地提取出光伏组件在该工作状态下的五参数，为光伏组件的故障诊断提供了依据。
发明内容
光伏组串的五参数是表征光伏组串工作性能的重要指标，本发明提出一种利用解析法提取光伏组件五参数的方法，其特征在于该光伏组件I-V特性曲线不完整时，仍可以通过采样该光伏组件的部分电压电流数据点求解出表征光伏组件物理性质的五参数(光生电流Iph、二极管反向饱和电流Io、二极管理想因子n、串联电阻Rs、并联电阻Rsh)，具体步骤如下：
(1)根据光伏组件单二极管物理模型，推导出新的光伏组件五参数解析式；由于在该解析式中不再需要最大功率点、开路电压值以及开路电压处的dU/dI，因此减少了对光伏组件完整I-V数据的依赖性；
(2)将单块光伏组件连接至电压调制模块，采样计算五参数所需的7个数据点；
(3)根据光伏组件五参数解析式采样相应电压电流数据点，计算出该光伏组件五参数。
步骤(1)中的光伏组件五参数解析式推导如下：
(一)根据光伏组件单二极管等效电路模型，并基于该模型利用基尔霍夫电流定律(KCL)得到光伏组件电流特性方程；
其中Iph为光生电流，ID为通过二极管的电流，IR为通过并联电阻的电流，Io为二极管反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，n为二极管理想因子，I为光伏组件输出电流，U 为光伏组件输出电压，q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，后文中，令
(二)对(1)式求导，可得：
为替换(2)式中的幂指数式，将(1)式带入(2)式，且Iph≈Isc得：
(三)为获得更多组件参数信息，分别将短路电流点(I＝Isc，U＝0)与开路电压点(I＝0，U＝Uoc) 带入(1)和(2)式，其中Isc为光伏组件短路电流，Uoc为光伏组件开路电压，可得：
(四)由(4)式与(6)式可以消去Iph，可得式(7)：
(五)将(5)式变形可得：
(六)对(7)式进行化简：
化简原则：Rsh≈Rsho＞＞Rs (9)
得到：
(七)由(3)式可得Rs与任一点Rso *的关系，结合(9)式化简如下：
其中I*与U*为光伏组件的电压电流点，由于(12)式涉及化简，U*的取值接近Uoc时计算值较为准确，其中Uoc为组件开路电压值；
(八)将(9)式带入(12)式化简得：
(九)设光伏组件电压点(Ua，Ia)带入(1)式，可得：
将(14)式带入(4)式，消去Iph，可得：
并将(8)式带入(15)式，消去可得：
(十)对(16)式进行化简：
化简原则：与(9)式
得到：
由于已经对(16)式做出了适当化简，因此实际采样点时，Ua的取值一般接近Uoc时计算结果较为准确；
(十一)将(11)带入(17)消去Io，可得：
(十二)将(18)式两边取对数可得：
引入另一个电压调制点(Ub，Ib)，该点不能与(Ua，Ib)重合，且靠近Uoc为宜，最终可消去 (19)式中等号右边的量，可得：
(十三)将(12)式带入(20)式消去Rs，
将n·Vth看做整体变量，得到一个关于n·Vth的一元二次方程：
形如：A(n·Vth)2+B(n·Vth)+C＝0 (21)
其中：
故：
(十四)求出二极管理想因子n后，可以利用式(13)求出串联电阻Rs：
(十五)为求得Io，引入另一电压调制点(Uc，Ic)，该点不能与(Ua，Ia)、(Ub，Ib)重合，根据(1)式可推导出(27)式：
式(27)为二元一次方程，结合Rsho≈Rsh故可得到Io与Iph的表达式：
(十六)结合(5)式求出Rsh表达式：
结合上文公式(25)(26)(28)(29)(30)的光伏组件五参数解析式，需采样的电压电流数据点如下：
①采样求解n·Vth，其中：
结合上式，求出nVth所需的采样点为：
(1)短路电流点(0，Isc)；
(2)短路电流附近点(δV，Isc+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
(3)(Ua，Ia)点，该点电压Ua应靠近Uoc，实际Ua可取0.8Uoc；
(4)(Ub，Ib)点，该点电压Ub应靠近Uoc，且不能等于Ua；
(5)(U*，I*)点，该点电压U*不能等于Ua和Ub，实际U*可取0.7Uoc；
(6)(U*，I*)附近点(δV+U*，I*+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
③求解Rs，由此可见，求Rs所需的采样点与求nVth相同；
③求解Io，计算Io所需的采样点，除了计算nVth所需的6 个点之外，还需采样(Uc，Ic)点，该点的电压值Uc不能等于Ua：
④求解Iph，计算Iph所需的采样点与上述七个采样点相同；
⑤求解Rsh，计算Rsh所需的采样点与上述七个采样点相同；综上所述，计算光伏组件五参数所需的7个采样点为：
a.短路电流点(0，Isc)；
b.短路电流附近点(δV，Isc+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
c.(Ua，Ia)点，该点电压Ua应靠近Uoc，实际Ua可取0.8Uoc；
d.(Ub，Ib)点，该点电压Ub应靠近Uoc，且不能等于Ua；
e.(U*，I*)点，该点电压U*不能等于Ua和Ub，实际U*可取0.7Uoc；
f.(U*，I*)附近点(δV+U*，I*+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
g.(Uc，Ic)点，该点的电压值Uc不能等于Ua。
光伏组串由若干个光伏组件串联，实际过程中，由于部分阴影遮挡或组件之间参数失配等问题，光伏组串的输出P-V特性曲线会出现多峰，多峰即意味着组件的I-V曲线不再是从短路电流到开路电压的完后只能曲线，因此，采用传统用于处理单峰P-V曲线的组件五参数求解方法不再适用；本发明针对组串输出多峰P-V曲线的情况，提出一种新的五参数求解方法，该方法可以提取出光伏组串中各种工作状态下组件的五参数，从而作为评价各个光伏组件工作状态与性能的依据。
附图说明
图1为光伏组件等效电路拓扑结构图；
图2为本发明所需采样点位置示意图；
图3为本发明针对提取的光伏组件五参数的仿真I-V曲线与实测I-V曲线对比图；
具体实施方式
本发明提供了一种利用解析法提取光伏组件五参数的方法，结合光伏组件等效电路，推导出提取组串中组件五参数的解析公式。本发明所提方法适用于在光伏组件无法获知其完整的P-V曲线时提取其五参数，因此拓展了光伏组串P-V曲线输出多峰时的组件五参数提取方法。
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1。
若干个光伏组件串联称为光伏组串，光伏组串中，旁路二极管之所以导通，是因为该旁路二极管所反向并联的失配光伏组件输出电流小于其余正常组件的输出电流，当组串两端电压逐渐增加，正常组件的输出电流相应减小，当其电流值减小至失配光伏组件的短路电流时，旁路二极管由导通切换为截止状态，此时由正常光伏组件与失配光伏组件共同为负载输出电流；综上所述，光伏组件输出I-V曲线呈现多膝点，每个膝点之间即为不完整的I-V特性曲线，因此传统的解析法求解光伏组件五参数中需要采样的开路电压点、开路电压点处的dU/dI无法获知，从而采用传统的解析法无法求解此时组件的五参数。
为避免上述两个采样点的采集问题，本发明提出了一种新的光伏组件五参数求解方法，该方法分为三个步骤：
步骤一：推导光伏组件五参数解析公式；
步骤二：根据五参数解析式采样相应的计算点；
步骤三：处理计算采样点数据，带入步骤一中公式求出五参数；
步骤一中解析推导如下：
(一)、根据光伏组件单二极管等效电路模型，并基于该模型利用基尔霍夫电流定律(KCL) 得到光伏组件电流特性方程；
其中Iph为光生电流，ID为通过二极管的电流，IR为通过并联电阻的电流，Io为二极管反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，n为二极管理想因子，I为光伏组件输出电流，U 为光伏组件输出电压，q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，后文中，将
(二)、对(1)式求导，可得：
为解决(2)式中的幂指数式，由公式(1)可得：
又Iph≈Isc，将其带入式(2)(3)可得出式(4)：
(三)、为获得更多组件参数信息，将短路电流点(I＝Isc，U＝0)和开路电压点(I＝0，U＝Uoc) 带入(1)和(2)式，可得：
(四)、由(5)式与(7)式可以消去Iph，可得下式：
(五)、将(6)式变形可得：
(六)、对(8)式进行化简：
化简原则：Rsh≈Rsho＞＞Rs
得到：
(七)、由(4)式可得Rs与任一点的的关系为：
由于Io数量级相对于Isc等可以忽略，且故式(12)可化简为式(13)
其中I*与U*为光伏组件的电压电流点，为该点处的-dU/dI，由于(13)式涉及化简，U*的取值接近Uoc时计算值较为准确，其中Uoc为组件开路电压值；
(八)、继续化简式(13)
由于Rsh≈Rsho，故式(13)可化简为：
(九)、设光伏组件电压点(Ua，Ia)带入(1)式，可得：
将(15)式带入(4)式，消去Iph，可得：
并将(8)式带入(16)式，消去可得：
(十)、对(17)式进行化简：
化简原则：
得到：
由于已经对(17)式做出了适当化简，因此实际采样点时，Ua的取值一般接近Uoc时计算结果较为准确；
(十一)、将(15)带入(18)消去Io，可得：
(十二)、将(19)式两边取对数可得：
引入另一个电压调制点(Ub，Ib)，该点不能与(Ua，Ia)重合，且靠近Uoc为宜，得到：
(十三)、联立式(20)与式(21)可得：
(十四)、将(13)式带入(22)式消去Rs，
将n·Vth看做整体变量，得到一个关于n·Vth的一元二次方程：
形如：A(n·Vth)2+B(n·Vth)+C＝0 (23)
其中：
故：
(十五)、求出二极管理想因子n后，可以利用式(13)求出串联电阻Rs：
(十六)、为求得Io，引入另一电压调制点(Uc，Ic)，该点不能与(Ua，Ia)、(Ub，Ib)重合，根据(1)式可推导出(29)式：
式(29)为二元一次方程，结合Rsho≈Rsh故可得到Io与Iph的表达式：
(十七)、结合(5)式求出Rsh表达式：
步骤二中，根据推导公式，我们可以明确求出光伏组件五参数所需要的点如下：
①短路电流点(0，Isc)；
②短路电流附近点(δV，Isc+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
③(Ua，Ia)点，该点电压Ua应靠近Uoc，实际Ua可取0.8Uoc；
④(Ub，Ib)点，该点电压Ub应靠近Uoc，且不能等于Ua；
⑤(U*，I*)点，该点电压U*不能等于Ua和Ub，实际U*可取0.7Uoc；
⑥(U*，I*)附近点(δV+U*，δI+I*)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
⑦(Uc，Ic)点，该点的电压值Uc不能等于Ua。
根据采样所需的七个点结合式(27)(28)(30)(31)(32)可以求出光伏组件的五参数。
综上所述，在光伏组件I-V曲线缺失开路电压附近I-V输出特性曲线时，依旧可以采用上述七个采样点依据五参数解析公式计算得出光伏组件在该状态下的五参数。七个采样点位置示意图如图2所示。
为验证该方法的准确性与可靠性，根据经典实验数据求出按该方法求出曲线数据与测试数据做对比，结果验证了该方法的可行性，实验数据与仿真数据对比如图3所示。由图3可知该方法的准确性较高，可以较为准确地求出光伏组件五参数，因此本发明所提出方法具有一定实用性。
Claims (4)
1.一种用于故障诊断的光伏组件参数提取方法，其特征在于该光伏组件I-V特性曲线不完整时，仍可以通过采样该光伏组件的部分电压电流数据点求解出表征光伏组件物理性质的五参数(光生电流Iph、二极管反向饱和电流Io、二极管理想因子n、串联电阻Rs、并联电阻Rsh)，具体步骤如下：
(1)根据光伏组件单二极管物理模型，推导出新的光伏组件五参数解析式；由于在该解析式中不再需要最大功率点、开路电压值以及开路电压处的dU/dI，因此减少了对光伏组件完整I-V数据的依赖性；
(2)将单块光伏组件连接至电压调制模块，采样计算五参数所需的7个数据点；
(3)将采样点数据带入步骤(1)的光伏组件五参数解析式，计算出该光伏组件五参数。
2.根据权利要求1所述的利用解析法提取光伏组件五参数的方法，步骤(1)中的光伏组件五参数解析式推导如下：
①根据光伏组件单二极管等效电路模型，并基于该模型利用基尔霍夫电流定律(KCL)得到光伏组件电流特性方程；
其中，Iph为光生电流，ID为通过二极管的电流，IR为通过并联电阻的电流，Io为二极管反向饱和电流，Rs为串联电阻，Rsh为并联电阻，n为二极管理想因子，I为光伏组件输出电流，U为光伏组件输出电压，q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，后文中，令
②对(1)式求导，可得：
为替换(2)式中的幂指数式，将(1)式带入(2)式，且Iph≈Isc得：
③为获得更多组件参数信息，分别将短路电流点(I＝Isc，U＝0)与开路电压点(I＝0，U＝Uoc)带入(1)和(2)式，其中Isc为光伏组件短路电流，Uoc为光伏组件开路电压，可得：
④由(4)式与(6)式可以消去Iph，可得式(7)：
⑤将(5)式变形可得：
⑥对(7)式进行化简：
化简原则：Rsh≈Rsho＞＞Rs (9)
得到：
⑦由(3)式可得Rs与任一点Rso *的关系，结合(9)式化简如下：
其中I*与U*为光伏组件的电压电流点，由于(12)式涉及化简，U*的取值接近Uoc时计算值较为准确，其中Uoc为组件开路电压值；
⑧将(9)式带入(12)式化简得：
⑨设光伏组件电压点(Ua，Ia)带入(1)式，可得：
将(14)式带入(4)式，消去Iph，可得：
并将(8)式带入(15)式，消去可得：
⑩对(16)式进行化简：
化简原则：与(9)式
得到：
由于已经对(16)式做出了适当化简，因此实际采样点时，Ua的取值一般接近Uoc时计算结果较为准确；
将(11)带入(17)消去Io，可得：
将(18)式两边取对数可得：
引入另一个电压调制点(Ub，Ib)，该点不能与(Ua，Ia)重合，且靠近Uoc为宜，最终可消去(19)式中等号右边的量，可得：
将(12)式带入(20)式消去Rs，
将n·Vth看做整体变量，得到一个关于n·Vth的一元二次方程：
形如：A(n·Vth)2+B(n·Vth)+C＝0 (21)
其中：
故：
求出二极管理想因子n后，可以利用式(13)求出串联电阻Rs：
为求得Io，引入另一电压调制点(Uc，Ic)，该点不能与(Ua，Ia)、(Ub，Ib)重合，根据(1)式可推导出(27)式：
式(27)为二元一次方程，结合Rsho≈Rsh故可得到Io与Iph的表达式：
结合(5)式求出Rsh表达式：
3.结合权利要求书所述2中的光伏组件五参数解析式，采样相应的电压电流数据点：
①采样求解n·Vth，其中：
结合上式，求出nVth所需的采样点为：
(1)短路电流点(0，Isc)；
(2)短路电流附近点(δV，Isc+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
(3)(Ua，Ia)点，该点电压Ua应靠近Uoc，实际Ua可取0.8Uoc；
(4)(Ub，Ib)点，该点电压Ub应靠近Uoc，且不能等于Ua；
(5)(U*，I*)点，该点电压U*不能等于Ua和Ub，实际U*可取0.7Uoc；
(6)(U*，I*)附近点(δV+U*，I*+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
②求解Rs，由此可见，求Rs所需的采样点与求nVth相同；
③求解Io，计算Io所需的采样点，除了计算nVth所需的6个点之外，还需采样(Uc，Ic)点，该点的电压值Uc不能等于Ua：
④求解Iph，计算Iph所需的采样点与上述七个采样点相同；
⑤求解Rsh，计算Rsh所需的采样点与上述七个采样点相同；
综上所述，计算光伏组件五参数所需的7个采样点为：
a.短路电流点(0，Isc)；
b.短路电流附近点(δV，Isc+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
c.(Ua，Ia)点，该点电压Ua应靠近Uoc，实际Ua可取0.8Uoc；
d.(Ub，Ib)点，该点电压Ub应靠近Uoc，且不能等于Ua；
e.(U*，I*)点，该点电压U*不能等于Ua和Ub，实际U*可取0.7Uoc；
f.(U*，I*)附近点(δV+U*，I*+δI)，其中，δV为电压调制模块调制电压值得最小步长，从而
g.(Uc，Ic)点，该点的电压值Uc不能等于Ua。
4.在光伏组串受到局部阴影遮挡的情况下，由于旁路二极管的存在，组串输出的P-V特性曲线呈现多峰，相对应的I-V曲线也呈现多阶梯状，其中每一个阶梯对应一种工作状态下的组件；由于每个阶梯的I-V曲线段实际上不是完整的从短路电流到开路电压的曲线段，采用常规的五参数解析法无法计算出该工作状态下的组件五参数；采用权利要求书1、2和3所述方法可以有效避免没有完整I-V曲线无法计算光伏组件五参数的问题，因此其对于P-V输出特性呈现多峰的光伏组串具有较好的适应性，可以计算出每个峰对应的组件五参数，进而为组件故障诊断提供理论依据。
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