CN108562856A - 太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法 - Google Patents

太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法 Download PDF

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瞿亚运
秦剑华
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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法，检测装置(101)内设置有主控制器(5)和通讯模块一(6)，检测装置(101)的输入端正极经正极连接线连接至输出端正极，检测装置(101)的输入端负极经负极连接线连接至输出端负极，且正极连接线和负极连接线之间连接有电子开关二(2)，电子开关一(1)和偏置电阻(3)串联后连接至正极连接线和负极连接线之间，且正极连接线上套装有电流传感器(4)，所述电子开关一(1)、电子开关二(2)和电流传感器(4)均连接至主控制器(5)。本发明涉及一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法，能够对太阳太阳能电池阵列的健康状态进行在线检测。

Description

太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测装置及方法，尤其是涉及一种采用在线方式对太阳能电池阵列的并联内阻进行测量的装置及方法，属于光伏技术领域。
背景技术
目前，对于太阳能电池阵列而言，太阳能电池阵列的等效内阻作为评价电池健康状态的重要指标会随着电池性能的退化而发生变化，因此根根据该指标可获知太阳能电池阵列的健康状态，从而有助于对光伏电站、以及作为航天器电源系统等主要供电源的太阳能电池阵列进行健康监测，从而保证光伏电站、航天器等的安全稳定运行。
如今，太阳能电池阵列的等效内阻的检测方法大致分为离线检测方法和在线检测方法；
离线的检测方法通常需要将太阳能电池从原有的系统中断开，两种常用离线的太阳电池测量方法包括，伏安特性曲线以及光谱响应曲线。伏安特性曲线可以对太阳电池pn结特性进行分析，并且提取太阳电池的串联电阻、并联电阻以及理想因子。光谱响应特性可以提供太阳电池的光学特性以及载流子复合损耗信息。离线的检测方法所分析的参数包括，电池的等效并联电阻、等效串联电阻、短路电流、开路电压、最大功率以及填充因子。
但是，对于航天器这类特殊环境下应用的系统，显然无法采用离线方式；而且电源系统作为航天器系统中的重要子系统之一，其可靠性与安全性对航天任务起着决定性作用；绝大多数的航天器电源系统采用太阳能电池与蓄电池联合供电作为主电源。在已经发射的航天器的所有故障结果统计中，电源系统的故障占所有航天器故障的近1/3，并且太阳能电池由于受辐照、空间碎片等空间环境因素的影响，其在电源系统的失效中占较高比例；
为此，在线检测方法应运而生，其与离线检测方法相比其最大的特点在于不需要将太阳电池与原有的系统断开；通常在线的检测方法需要的测量参数往往少于离线的检测方法测量的参数，从而促进检测方法取得实际应用并且降低测量的成本；
常规的在线检测方法有：激光束感应电流、热红外辐射、电致发光和超声成像等。这些测量可以用来确定大量不同的故障以及它们在模块中的确切位置，但是，这些方法需要专门的测量设备和测量实验。
从已有的研究成果可以看出，太阳能电池阵列的在线提取的故障特征包括电池的等效串联电阻以及电池的输出功率，但是对于等效并联电阻的在线提取方法却没有研究。而等效并联电阻作为太阳电池的漏电阻，其与太阳电池的健康状态关系密切，并且与电池的等效串联内阻相比，其受外界环境或工作状态的影响更小。
美国伊利诺伊州立大学香槟分校利用太阳能电池物理模型的交流小信号阻性特性参数对太阳能电池串中存在的热斑故障进行监测(文献：E.L.Meyer and E.E.Van Dyk,"Assessing the Reliability and Degradation of Photovoltaic Module PerformanceParameters,"IEEE Transactions on Reliability,vol.53,no.1,pp.83-92,2004.)；其无法直接获得等效并联电阻；
文献(S.Kaplanis and E.Kaplani,"Energy Performance and DegradationOver 20Years Performance of BP c-Si PV Modules,"Simulation Modelling Practiceand Theory,vol.19,no.4,pp.120 1-1211,Apr.2011.)以太阳能电池板内发生开路故障为例，采用太阳能电池的低频阻抗作为特征参数进行分析，对太阳能电池板内的太阳能电池单元发生开路故障的各种可能情况进行分析，给出了太阳能电池阵内发生故障的单元数与低频阻抗之间的相关关系。由于在实际太阳能系统中，太阳能电池与负载存在电气连接，因此，难以在线独立测得太阳能系统的阻抗特征，关于太阳能电池故障特征如何在线提取方法在文献中鲜有提及；且该文献为美国犹他州立大学与圣地亚国家实验室研究利用SSTDR反射法对太阳能系统的阻抗值进行测量，由于SSTDR反射法存在入射信号频率高(几十Mhz)的特点，并且太阳能电池实际物理模型中存在固有的寄生电容(uF)(文献c.Radue andE.van Dyk,"Acomparison of degradation in three amorphous silicon PV moduletechnologies,"Solar Energy Materials and Solar Cells,vol.94,no.3,pp.617-622,Mar.2010.中记载)，因此，利用SSTDR测量太阳电池阻抗值的变化并不是最佳的方法；因此如今业界尚缺能够直接对等效并联内阻进行测量并构建基于此参数的检测装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种结构简单、检测方便且能够进行在线检测的太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置及其检测方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，所述装置包含有安装于太阳能电池阵列背板上的检测装置，检测装置内设置有主控制器和通讯模块一，所述检测装置的输入端接太阳能电池阵列的正负极，检测装置的输出端接负载；检测装置的输入端正极经正极连接线连接至输出端正极，检测装置的输入端负极经负极连接线连接至输出端负极，且正极连接线和负极连接线之间连接有电子开关二，电子开关一和偏置电阻串联后连接至正极连接线和负极连接线之间，且正极连接线上套装有电流传感器，所述电子开关一、电子开关二和电流传感器均连接至主控制器。
本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，所述电子开关一和电子开关二均为MOS管。
本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，所述装置还包含有控制装置，所述控制装置包含有副控制器，所述副控制器上连接有通讯模块二、输入模块和显示模块，所述通讯模块一和通讯模块二通讯相连。
一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测方法，所述方法包含有以下步骤：
步骤1、主控制器控制电子开关一闭合、电子开关二断开，待电流稳定后通过电流传感器获取电流I1，由于电子开关一的阻抗和偏置电阻的阻值均为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V1；
由太阳能电池阵列的等效电路图可知I＝Iph-Id-Ip；其中：太阳能电池的输出电流为I，光生电流为Iph、二极管的电流为Id、并联电阻电流为Ip；所以此时I1＝Iph-Id1-Ip1；Id1为当太阳能电池的输出电流为I1时二极管的电流；Ip1为当太阳能电池的输出电流为I1时并联电阻电流；
步骤2、主控制器控制电子开关二闭合，延时后再将电子开关一断开，待电流稳定后通过电流传感器获取电流I2，由于电子开关二的阻抗为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V2；
此时，I2＝Iph-Id2-Ip2；Id2为当太阳能电池的输出电流为I2时二极管的电流；Ip2为当太阳能电池的输出电流为I2时并联电阻电流；
步骤3、主控制器对获得以及计算得到的数据(I1，V1)和(I2，V2)进行并联内阻运算，或者主控制器将电流信号I1和I2通过网络发送至副控制器计算得到V1和V2后再进行并联内阻运算；
并联内阻运算的方法为：将方程式I1＝Iph-Id1-Ip1和I2＝Iph-Id2-Ip2相减，得到I1-I2＝(Ip2-Ip1)+(Id2-Id1)，通过控制电子开关一、电子开关二和偏置电阻的阻抗使得太阳能电池阵列的等效二极管处于死区电压范围内，此时Id2≈Id1，因此变换等式得到并联内阻
步骤4、断开电子开关二后太阳能电池阵列正常供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用太阳能电池阵列的等效电路中二极管的PN结在死区电压范围内的导通电流很小且近似相等的特点，采用PN结死区电压范围内两相邻静态工作点的电压电流信号，实现太阳能电池阻抗特征的在线测量，该方法与基于反射法的阻抗测量方法相比，具有测量简单，可在线实现的优点。
附图说明
图1为本发明涉及的一种太阳能电池板的等效原理图。
图2为二极管的伏安特性曲线图。
图3为本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置的电路框图。
图4为本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置中的太阳能电池板的正面结构示意图。
图5为本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置中的太阳能电池板的背面结构示意图。
图6为本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测方法的流程示意图。
图7为本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测方法的时序图。
图8为I-V 400W太阳能板分析仪的测试结果。
图9为实际光照条件下太阳能板分析仪测试曲线。
其中：
检测装置101、控制装置102；
电子开关一1、电子开关二2、偏置电阻3、电流传感器4、主控制器5、通讯模块一6、通讯模块二7、副控制器8、输入模块9、显示模块10。
具体实施方式
参见图1～9，本发明涉及的一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，所述装置包含有安装于太阳能电池阵列背板上的检测装置101，检测装置101内设置有主控制器5和通讯模块一6，所述检测装置101的输入端接太阳能电池阵列的正负极，检测装置101的输出端接负载；检测装置101的输入端正极经正极连接线连接至输出端正极，检测装置101的输入端负极经负极连接线连接至输出端负极，且正极连接线和负极连接线之间连接有电子开关二2，电子开关一1和偏置电阻3串联后连接至正极连接线和负极连接线之间，且正极连接线上套装有电流传感器4，所述电子开关一1、电子开关二2和电流传感器4均连接至主控制器5；
优选的，所述电子开关一1和电子开关二2均为MOS管；
进一步的，所述装置还包含有控制装置102，所述控制装置102包含有副控制器8，所述副控制器8上连接有通讯模块二7、输入模块9和显示模块10，所述通讯模块一6和通讯模块二7通讯相连；
本发明一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测方法，所述方法包含有以下步骤：
步骤1、主控制器5控制电子开关一1闭合、电子开关二2断开，待电流稳定后通过电流传感器4获取电流I1，由于电子开关一1的阻抗和偏置电阻3的阻值均为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V1；
由图1的太阳能电池阵列的等效电路图可知I＝Iph-Id-Ip；其中：太阳能电池的输出电流为I，光生电流为Iph、二极管的电流为Id、并联电阻电流为Ip；所以此时I1＝Iph-Id1-Ip1；Id1为当太阳能电池的输出电流为I1时二极管的电流；Ip1为当太阳能电池的输出电流为I1时并联电阻电流；
步骤2、主控制器5控制电子开关二2闭合，延时后再将电子开关一1断开，待电流稳定后通过电流传感器4获取电流I2，由于电子开关二2的阻抗为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V2；
此时，I2＝Iph-Id2-Ip2；Id2为当太阳能电池的输出电流为I2时二极管的电流；Ip2为当太阳能电池的输出电流为I2时并联电阻电流；
步骤3、主控制器5对获得以及计算得到的数据(I1，V1)和(I2，V2)进行并联内阻运算，或者主控制器5将电流信号I1和I2通过网络发送至副控制器8计算得到V1和V2后再进行并联内阻运算；
并联内阻运算的方法为：将方程式I1＝Iph-Id1-Ip1和I2＝Iph-Id2-Ip2相减，得到I1-I2＝(Ip2-Ip1)+(Id2-Id1)，通过控制电子开关一1、电子开关二2和偏置电阻3的阻抗使得太阳能电池阵列的等效二极管处于死区电压范围内，此时Id2≈Id1，因此变换等式得到并联内阻
步骤4、断开电子开关二(2)后太阳能电池阵列正常供电
具体的分析为：
参见图1的太阳能电池阵列的等效电路图，太阳能电池的输出电流I由三部分组成，分别为光生电流Iph、流过二极管的电流Id以及并联电阻电流Ip：
I＝Iph-Id-Ip………………………………………………(1)
光生电流Iph：
流过二极管的电流Id：
并联电阻电流Ip：
将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)中获取：
由图所示的二极管的伏安特性可知，当二极管的电压处于死区电压范围内时，此时正向导通电流很小，且几乎保持不变；因此，利用处于死区电压内的两个不同工作点进行作差运算，即可消除二极管导通电流的影响；
假设，两工作点分别为(I1,V1)(I2,V2)，代入式(5)，可得
参见图2，由前述分析可知，等效二极管的电压处于死区电压范围内，因此式(6)与式(7)中两项的很小且几乎相等。
将式(6)及式(7)做差，可得
所以，太阳能电池等效内阻
从式(9)得出，利用太阳能电池阵列的两个相邻工作点的电压、电流参数即可对太阳能电池的等效内阻进行估算；只要两个相邻工作点满足前提条件：两工作点相近且处于死区电压范围内，以保证寄生的二极管流过的电流尽可能小且相等；该前提条件通过选取合理的电子开关一和电子开关二的阻抗值，以及微组织的偏置电阻即可实现。
下面，对本专利的计算方案进行实验验证：
(一)实验对象：实验选择东鋆公司EN156P-72-325太阳能电池板为测试对象，太阳能电池板的参数如表所示。
表EN156P-72-325太阳能电池板参数
首先利用惠特公司的XJCM-9A太阳能模组光模拟器与测试器对太阳能组件进行测试，得到太阳能组件的实际等效并联内阻值。
表测试结果
(二)实验方法：
实验测试仪器选择I-V 400W太阳能板分析仪对太阳能组件进行检测得到如图8所示的测试结果；
图中，由下往上的三条曲线分别代表为：实际光照条件下太阳能板分析仪测试曲线；将实际测试等效至STC状态下的外特性曲线；太阳能板标定值对应的外特性曲线。
参见图9，其为实际光照条件下太阳能板分析仪测试曲线；
以图中实际光照条件下的测得的外特性曲线(绿色)为分析对象，选取工作点(I1,V1),(I2,V2)如图所示。
其中：
(I1,V1)为(0.544V，4.806589A)；
(I2,V2)为(0.5445V,4.806587A)。
则实验测试得到的太阳能电池板的参数为
表实际值与实验测试值对比
因此，针对太阳电池板内阻抗特征难以提取的问题，利用PN结死区电压范围内的二极管导通电流很小且近似相等的特点，采用PN结死区电压范围内两相邻静态工作点的电压电流信号，实现太阳能电池阻抗特征的在线测量符合误差要求，该方法与基于反射法的阻抗测量方法相比，具有测量简单，可在线实现的优点。
另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，其特征在于：所述装置包含有安装于太阳能电池阵列背板上的检测装置(101)，检测装置(101)内设置有主控制器(5)和通讯模块一(6)，所述检测装置(101)的输入端接太阳能电池阵列的正负极，检测装置(101)的输出端接负载；检测装置(101)的输入端正极经正极连接线连接至输出端正极，检测装置(101)的输入端负极经负极连接线连接至输出端负极，且正极连接线和负极连接线之间连接有电子开关二(2)，电子开关一(1)和偏置电阻(3)串联后连接至正极连接线和负极连接线之间，且正极连接线上套装有电流传感器(4)，所述电子开关一(1)、电子开关二(2)和电流传感器(4)均连接至主控制器(5)。
2.如权利要求1所述一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，其特征在于：所述电子开关一(1)和电子开关二(2)均为MOS管。
3.如权利要求1所述一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测装置，其特征在于：所述装置还包含有控制装置(102)，所述控制装置(102)包含有副控制器(8)，所述副控制器(8)上连接有通讯模块二(7)、输入模块(9)和显示模块(10)，所述通讯模块一(6)和通讯模块二(7)通讯相连。
4.一种太阳能电池阵列并联内阻的在线检测方法，其特征在于：所述方法包含有以下步骤：
步骤1、主控制器(5)控制电子开关一(1)闭合、电子开关二(2)断开，待电流稳定后通过电流传感器(4)获取电流I1，由于电子开关一(1)的阻抗和偏置电阻(3)的阻值均为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V1；
由太阳能电池阵列的等效电路图可知I＝Iph-Id-Ip；其中：太阳能电池的输出电流为I，光生电流为Iph、二极管的电流为Id、并联电阻电流为Ip；所以此时I1＝Iph-Id1-Ip1；Id1为当太阳能电池的输出电流为I1时二极管的电流；Ip1为当太阳能电池的输出电流为I1时并联电阻电流；
步骤2、主控制器(5)控制电子开关二(2)闭合，延时后再将电子开关一(1)断开，待电流稳定后通过电流传感器(4)获取电流I2，由于电子开关二(2)的阻抗为已知量，电流电阻相乘即得到此时的电压V2；
此时，I2＝Iph-Id2-Ip2；Id2为当太阳能电池的输出电流为I2时二极管的电流；Ip2为当太阳能电池的输出电流为I2时并联电阻电流；
步骤3、主控制器(5)对获得以及计算得到的数据(I1，V1)和(I2，V2)进行并联内阻运算，或者主控制器(5)将电流信号I1和I2通过网络发送至副控制器(8)计算得到V1和V2后再进行并联内阻运算；
并联内阻运算的方法为：将方程式I1＝Iph-Id1-Ip1和I2＝Iph-Id2-Ip2相减，得到I1-I2＝(Ip2-Ip1)+(Id2-Id1)，由于太阳能电池阵列的等效二极管处于死区电压范围内，此时Id2≈Id1，因此变换等式得到并联内阻
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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