CN108509737A - 一种光伏组串内各失配组件的参数提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏组串内各失配组件的参数提取方法，该方法可用于光伏组串在其P‑V输出曲线上呈现多个功率峰值时，提取每个峰值下参与工作组件的光生电流、二极管反向饱和电流、二极管理想因子、串联电阻和并联电阻五个参数。以此五参数为基础，该方法可利用一个组串下不同组件五参数数值的变化来判断组件工作状况，因此，该方法也可用于光伏组串的故障诊断。

Description

一种光伏组串内各失配组件的参数提取方法

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串内各失配组件的参数提取方法。

背景技术

化石能源作为当前社会最主要的能源之一，但是其也暴露了诸多问题，如巨大的空气污染以及日益匮乏的原材料，与此同时，其也会是全球变暖的元凶之一；太阳能资源作为新能源之一，具有环保无污染的特点，尤其是光伏领域，目前得到世界各国的广泛研究。

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，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，即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。

光伏组件的光生电流I_ph、二极管理想因子A、二极管反向饱和电流I_o、串联电阻R_s以及并联电阻R_sh五参数(后文简称“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，本发明提出了一种针对光伏组串I-V输出特性表现多峰时，提取出每个峰下对应的光伏组件五参数值的方法，以期更全面具体表现光伏组串中各组件的不同工作特性，为故障诊断提供相应依据。

发明内容

本发明提出一种光伏组串内各失配组件的参数提取方法，其特征在于针对一个光伏组串内的各失配组件的五参数进行分离提取，首先定义本发明中的几个固有名词：

峰：光伏组串输出功率-电压(P-V)曲线中，功率P的极大值称为峰；

等效开路电压点：以组串开路电压除以组串旁路二极管个数为电压基准，等效开路电压为该电压基准的整数倍，并在相邻两个等效开路电压点之间有且仅有一个峰；

起点：短路电流点，即组串输出电压为零的工作点；

终点：开路电压点，即组串输出电流为零的工作点；

峰值区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个峰值区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以等效开路电压点、起点和终点为准；

转折点：在光伏组串功率-电压(P-V)曲线中，功率P的两个极大值之间最小值对应的工作点称为转折点；

组件区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个组件区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以转折点、起点和终点为准；

本发明所提方法步骤如下：

(1)扫描光伏组件的I-V和P-V输出曲线，确定峰、等效开路电压以及峰值区间；

(2)在每个峰值区间内确定转折点，并以转折点为根据确定组件区间；

(3)在组件区间内按解析法规律采样数据点，并对采样点中电压数据进行相应处理；

(4)将采样数据带入光伏组件五参数解析公式求解五参数。

步骤(1)中具体算法步骤为：

①采样测出待测组串整体开路电压U_oc，按待测组串中反向并联旁路二极管个数N依次采样并按以下方式分组：

第一组：{处的 处的}；

第二组：{处的 处的}；

以此类推，直至第N组：{处的 处的}；

同时设每组中第一个为第二个为i∈N⁺且i∈[1,N]

②以上一步中各分组的测量值与作为比较量，在第i组中，若则说明该区间内不存在峰，若则说明该区间内存在峰，并将此时的该组的作为新的区间分界点，所有新的区间分界点可记为

③设现有k个峰值区间，并将上一步中新的区间分界点作为峰值区间的始末点。

步骤(2)中具体算法步骤为：

①以每个峰值区间的右端点为起始计算点，从右向左依次计算各点的并比较该点与上一点的值，若该点的值比上一采样点的值大，则继续向左采样；

②当采样点的比上一采样点的值小，则找到该转折点；

③整合新的区间，将上一步中寻找到的转折点结合起点和终点作为组件区间的始末点，单个组串的组件区间与峰值区间个数相同，故现有k个组件区间。

步骤(3)(4)的具体算法步骤如下：

在每个组件区间内按解析法公式所需点采样，根据组串中各组件反向并联二极管的工作原理，可以明确在以原点为起点计数，第k个组件区间内含有k种工作在不同状态下的组件，其中第1至第k-1种工作状态下的组件五参数在上一组件区间内执行参数提取后已知，第k 种工作状态下的组件在该区间内才开始工作，因此需要提取的是第k种工作状态下组件的五参数；提取该状态下组件五参数需要得到该组件的部分电压电流点，然而采样得到的是整个组串的电压，因此需要对组串电压进行处理，最终得到第k种工作状态下组件的电压。

由于组串中组件以串联形式连接，结合测得组串的电流以及已经求解出的光伏组件五参数，分别带入式(1)可以求出第1至第k-1种不同工作状态下的组件在当前电流下的电压，

式(1)中I_ph为光生电流，Io为二极管反向饱和电流，R_s为串联电阻，R_sh为并联电阻，A 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，令q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，W代表LambertW函数；

又根据电压串联相加原理，有：

U₁+U₂+U₃...+U_k-1+U_k＝U_tot (2)

其中U₁至U_k为第1至第k种工作状态下组件的两端的电压，U_tot为组串两端电压，因此，可得出

U_k＝U_tot-(U₁+U₂+U₃...+U_k-1) (3)

最终，可计算出在第k个组件区间下第k种工作状态下的组件实际电压电流值为(U_k，I_tot)，其中由于组串中各个组件串联，因此I_tot为组串中流过各个组件的实测电流值；将处理后的 (U_k，I_tot)采样点数据带入解析公式，该种工作状态下的组件五参数即可求得。

根据本发明所提出的光伏组串内各失配组件的参数提取方法，可以获知光伏组串内各组件的五参数，在光伏组串的故障诊断中，其可以作为诊断组串中各个组件工作状态的依据。

附图说明

图1为光伏组件等效电路拓扑结构图；

图2为本发明所提方法中名词定义示意图；

图3为本发明所提方法中寻找多峰区间的流程图；

图4为本发明所提方法中寻找转折点和组件区间的流程图；

图5为本发明所提方法中计算组件五参数的流程图；

具体实施方式

本发明提供了一种光伏组串内各失配组件的参数分离方法；通过该方法，可以将组串中相互失配的组件五参数相互分离并提取，以其作为光伏组串故障诊断的依据。

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，可获得太阳能电池单二极管等效电路，该等效电路模型参见图1。

由图1所示太阳能组件等效模型，结合基尔霍夫电流定律(KCL)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)：

公式(1)中：I为输出电流(A)，U为输出电压(V)，I_ph为光生电流(A)，R_s为串联电阻(Ω)， R_sh为并联电阻(Ω)，A为二极管理想常数，I_o为二极管反向饱和电流(A)，q为电荷量1.6× 10^-19C，K为玻尔兹曼常数1.38×10^-23J/K；T为环境温度(℃)。

由于组件之间性能参数的失配或单个旁路二极管下组件受到阴影遮挡，不同光伏组件在相同输出电压的情况下输出电流是不同的，因此，如果这些组件相互串联，相同电压条件下输出电流小的组件会成为负载而发热，因此若干个组件会反向并联一个旁路二极管，在组件输出电流达不到整体输出电流时提供电流旁路，与此同时该组件也被短路。

结合组串输出特性，首先对以下定义做出说明：

峰：光伏组串输出功率-电压(P-V)曲线中，功率P的极大值称为峰；

等效开路电压点：以组串开路电压除以组串旁路二极管个数为电压基准，等效开路电压为该电压基准的整数倍，并在相邻两个等效开路电压点之间有且仅有一个峰；

峰值区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个峰值区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以等效开路电压点、起点和终点为准；

起点：短路电流点，即组串输出电压为零的工作点；

终点：开路电压点，即组串输出电流为零的工作点；

转折点：在光伏组串功率-电压(P-V)曲线中，功率P的两个极大值之间最小值对应的工作点称为转折点；

组件区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个组件区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以转折点、起点和终点为准；

上述的名词定义如图2所示。

旁路二极管的存在，组串的输出特性也因此发生了很大的改变，在旁路二极管导通前后，组串中参与工作的组件是不同的，故其I-V和P-V输出特性也发生了改变，具体表现为组串I-V出现多个转折点，且每个转折点对应的即为旁路二极管由导通变为截止的状态转换，同时也说明了在转折点之后又有新的组件参与工作；组串P-V曲线也因此出现多个功率峰值，一个峰值下有若干个不同状态的组件共同工作，但是相邻两个峰值区间之间内工作的组件必然相差一种且只有一种，根据这一性质，依次采样各个组件区间并计算出每个组件区间内新加入工作组件的五参数，具体步骤如下：

第一步：扫描得出光伏组串的I-V、P-V曲线，划分峰值区间

由于单块组件I-V曲线中，令单个组件中，R_so的值随着电压的增大而减小，由上文可知，在每个转折点前后都有新的组件参与工作，因此R_so的单调性也会发生改变，因此根据这一性质，我们可以根据采样I-V曲线上点的dU/dI 作为判别多峰的依据。

首先初步筛选分区，由于出现多峰是旁路二极管造成的，单个组串出现多峰个数最大不会超过旁路二极管的个数，因此首先以旁路二极管个数以及组串整体开路电压作为分区标准；采样测出待测组件整体开路电压U_oc，按待测组串中反向并联旁路二极管个数N依次采样并按以下方式分组：

第一组：{处的 处的}；

第二组：{处的 处的}；

以此类推，直至第N组：{处的 处的}；

同时设每组中第一个为第二个为i∈N⁺且i∈[1,N]

在采样这些点后，以各分组的测量值与作为比较量，根据R_so的单调性原理，在第i组中，若则说明区间采样的两个点R_so值满足单调递减，因此不存在峰；若则说明该区间内采样的两个点R_so值不满足单调递减，那个说明R_so在该区间内出现了先减小后增大的过程，因此存在峰，将此时的该组的作为新的区间分界点，所有新的区间分界点可记为并设现有k个峰值区间，寻找多峰区间的流程图如图3所示。第二步：寻找每个分区的转折点，划分组件区间

直观来看，可以明确在转折点处不存在dU/dI，即转折点处的左导数和右导数不相等，根据这一性质，我们可以重新划分出组件区间；同样根据图2可知，组串上各点的R_so值变化规律在转折点处会发生突变，变现为转折点左侧的R_so会比右侧的R_so小，从而不再满足单调递减性质；根据这一规律，以每个峰值区间的右端点为起始计算点，从右向左依次计算各点的 R_so，并比较该点与上一点的R_so值，若该点的R_so值比上一采样点的R_so值大，则继续向左采样；当采样点的R_so比上一采样点的R_so值小，则找到该转折点；最后，整合新的区间，将第二步中的转折点结合起点终点作为组件区间的始末点，单个组串的组件区间与峰值区间个数相同，故现有k个组件区间；

寻找组件区间的流程图如图4所示。

第三步：采样数据，并对采样电压进行处理

第二步中已经找出所有的组件区间，在每个组件区间内按解析法公式所需点采样，根据组串中各组件反向并联二极管的工作原理，可以明确在以原点为起点计数，第k个组件区间内含有k种工作在不同状态下的组件，其中第1至第k-1种工作状态下的组件五参数在上一个组件区间内已经提取出来，且在上一个组件区间均已经参加工作，第k种工作状态下的组件在该组件区间内才开始工作，因此需要提取的是第k种工作状态下的组件五参数，提取该状态下组件五参数需要得到该组件的电压电流点，然而采样得到的是整个组串的电压，因此需要对组串电压进行运算处理，最终得到第k种工作状态下组件的电压。

由于组串中组件以串联形式连接，故根据式(2)

式(2)中，I_ph为光生电流，I_o为二极管反向饱和电流，R_s为串联电阻，R_sh为并联电阻， A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，令q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，W代表LambertW函数；

结合测得组串的电流以及已经求解出的光伏组件五参数，分别带入式(2)可以求出第1 至第k-1种不同工作状态下的组件在当前电流下的电压，又根据电压串联相加原理，有：

U₁+U₂+U₃...+U_k-1+U_k＝U_tot (3)

其中U₁至U_k为第1至第k种工作状态下组件的两端的电压，U_tot为组串两端电压，因此，可得出

U_k＝U_tot-(U₁+U₂+U₃...+U_k-1) (4)

最终，可计算出在第k个组件区间下第k种工作状态下的组件实际电压电流值为(U_k，I_tot)，其中I_tot为组串实测电流值；将处理后的(U_k，I_tot)采样点数据带入解析公式，第k种工作状态下的组件五参数即可求得，计算光伏组件五参数的流程图如图5所示。

综上所述，组串中各个不同工作状态下的组件可以通过本发明所提出方法求解出其五参数，最终可以求得组串中所有工作状态下组件的五参数，以此五参数为判断依据，可以根据其数值的大小变化判断出组串中各个组件的工作状态，因此该方法可以作为光伏组串的故障诊断方式之一。

Claims (4)

1.一种光伏组串内各失配组件的参数提取方法，其特征在于针对一个光伏组串内的各失配组件的光生电流I_ph、二极管理想因子A、二极管反向饱和电流Io、串联电阻R_s以及并联电阻R_sh五参数(后文简称“五参数”)进行提取，首先定义本发明中的几个固有名词：

峰：光伏组串输出功率-电压(P-V)曲线中，功率P的极大值称为峰；

等效开路电压点：以组串开路电压除以组串旁路二极管个数为电压基准，等效开路电压为该电压基准的整数倍，并在相邻两个等效开路电压点之间有且仅有一个峰；

起点：短路电流点，即组串输出电压为零的工作点；

终点：开路电压点，即组串输出电流为零的工作点；

峰值区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个峰值区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以等效开路电压点、起点和终点为准；

转折点：在光伏组串功率-电压(P-V)曲线中，功率P的两个极大值之间最小值对应的工作点称为转折点；

组件区间：针对光伏组串的电压进行区间划分，每个组件区间内的峰有且仅有一个，且区间起始点以转折点、起点和终点为准；

本发明所提方法步骤如下：

(1)扫描光伏组件的I-V和P-V输出曲线，确定峰、等效开路电压以及峰值区间；

(2)在每个峰值区间内确定转折点，并以转折点为根据确定组件区间；

(3)在组件区间内按解析法规律采样数据点，并对采样点中电压数据进行相应处理；

(4)将采样数据带入光伏组件五参数解析公式求解五参数。

2.权利要求书1中步骤(1)中具体算法步骤为：

①采样测出待测组串整体开路电压U_oc，按待测组串中反向并联旁路二极管个数N依次采样并按以下方式分组：

第一组：

第二组：

以此类推，直至第N组：

同时设每组中第一个为第二个为i∈N+且i∈[1,N]

②以上一步中各分组的测量值与作为比较量，在第i组中，若则说明该区间内不存在峰，若则说明该区间内存在峰，并将此时的该组的作为新的区间分界点，所有新的区间分界点可记为

③设现有k个峰值区间，并将上一步中新的区间分界点作为峰值区间的始末点。

3.权利要求书1中步骤(2)中具体算法步骤为：

①以每个峰值区间的右端点为起始计算点，从右向左依次计算各点的并比较该点与上一点的值，若该点的值比上一采样点的值大，则继续向左采样；

②当采样点的比上一采样点的值小，则找到该转折点；

③整合新的区间，将上一步中寻找到的转折点结合起点和终点作为组件区间的始末点，单个组串的组件区间与峰值区间个数相同，故现有k个组件区间。

4.权利要求书1中步骤(3)(4)中具体算法步骤说明如下：

在每个组件区间内按解析法公式所需点采样，根据组串中各组件反向并联二极管的工作原理，可以明确在以原点为起点计数，第k个组件区间内含有k种工作在不同状态下的组件，其中第1至第k-1种工作状态下的组件五参数在上一组件区间内执行参数提取后已知，第k种工作状态下的组件在该区间内才开始工作，因此需要提取的是第k种工作状态下的组件五参数，提取该状态下组件五参数需要得到该组件的部分电压电流点，然而采样得到的是整个组串的电压，因此需要对组串电压进行处理，最终得到第k种工作状态下组件的电压。

由于组串中组件以串联形式连接，结合测得组串的电流以及已经求解出的光伏组件五参数，分别带入式(1)可以求出第1至第k-1种不同工作状态下的组件在当前电流下的电压，

式(1)中I_ph为光生电流，I_o为二极管反向饱和电流，R_s为串联电阻，R_sh为并联电阻，A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，令q为电子电荷常数，T为环境温度，k为玻尔兹曼常数，W代表LambertW函数；

又根据电压串联相加原理，有：

U₁+U₂+U₃...+U_k-1+U_k＝U_tot (2)

其中U₁至U_k为第1至第k种工作状态下组件的两端的电压，U_tot为组串两端电压，因此，可得出：

U_k＝U_tot-(U₁+U₂+U₃...+U_k-1) (3)

最终，可计算出在第k个组件区间下第k种工作状态下的组件实际电压电流值为(U_k，I_tot)，其中由于组串中各个组件串联，因此I_tot为组串中流过各个组件的实测电流值；将处理后的(U_k，I_tot)采样点数据带入解析公式，该种工作状态下的组件五参数即可求得。