CN109613841A - 一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法，该方法包括根据光伏组件单二极管等效模型电路推导出新的光伏组件五参数解析式；将光伏组件连接电压调制模块，提取不同参数时采样不同的电压电流数据点，并将采样数据点代入新解析式进行参数计算；本发明提供的光伏组件模型参数辨识方法可在太阳能光伏组件因故障而使组件的P‑V输出特征呈现多峰状态时，实现无需获知光伏组件的最大功率点、开路电压值、开路电压处dU/dI值，却能准确计算辨识包括光生电流I ph、二极管反向饱和电流I o、二极管理想因子n、串联电阻R s、并联电阻R sh等光伏组件等效模型参数，可为进一步的分析或诊断光伏组件提供数据支撑和理论依据。
Description
技术领域：
本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法。
背景技术：
随着石油、煤炭等不可再生能源的逐渐衰竭枯萎以及对环境污染的日益加重，光伏发电成为了电力行业中的一大发展趋势。伴随着光伏产业的发展，由光伏电站实际运行中发现的问题使得在该领域的理论研究也愈发深入。在光伏电站实际运行中会出现光伏组件受到高大建筑、树叶、积灰等异物的局部遮挡，异物遮挡会使被遮挡的光伏组件不能处于正常工作状态，或成为负载出现发热现象，造成组件的功率损失，即所说的热斑效应，严重时还会造成灾难性事故。故为解决光伏组件局部遮挡所引起的热斑效应，往往会在组件的两端反向并联一个旁路二极管，使得光伏组件在受到局部遮挡时，导通反向并联的旁路二极管从而将受遮挡光伏组件隔离，避免热斑效应发生。而正由于光伏组件中旁路二极管的存在，使得测出的光伏组件I-V特性曲线能够呈现多峰状态。
目前针对光伏组件局部阴影遮挡或者对于出现热斑现象的光伏组件的诊断识别方法主要有两种：利用图像处理技术诊断和针对光伏组件的输出特性诊断。引入图像处理技术可以通过对光伏组件红外图像的分割与滤波处理来明确组件受阴影遮挡的范围大小；一般而言，这类图像处理算法虽有良好的鲁棒性，且可以对不同光照强度与范围的图像进行分割与判断，但却不能够做到实时监控，实施的工程成本也远比针对光伏组件输出特性进行诊断的方法大的多。而针对组件输出特性诊断的理论基础需要依靠光伏组件在局部异物遮挡下的数学模型，模型分为两类，一类模型是以光伏组件为研究基础，分别从组件电流和电压这两个变量来描述组件在受遮挡或者热斑等异常状态的输出特性，显然该模型无法准确反应含有旁路二极管的光伏组件部分受遮挡时的特性；第二类模型以Bishop模型为基础，从单块光伏电池片输出特性出发，能够具体描述出光伏组件的整体输出特性，该模型的实际物理意义虽好，但是在面对出现多峰状态时的光伏组件输出模型时会使该模型中的拟合参数值失去一定的准确性。
有鉴于此，为了更好地研究光伏组件受异物遮挡、热斑等类似的组件异常现象，根据含旁路二极管的光伏组件等效电路模型并以Bishop模型为基础，提出一种当光伏组件I-V特性曲线呈现多峰或不完整形态时，仍可通过采样该光伏组件的电压电流数据点求解出表征光伏组件物理性质的模型参数以满足实际应用需求的方法是十分必要的。
发明内容：
本发明的目的是提供一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法，以求在太阳能光伏组件处于故障状态而使光伏组件的I-V特性曲线呈现多峰或不完整形态时，不再需要知道最大功率点、开路电压值以及开路电压处的dU/dI值，只需通过采样该光伏组件的电压电流数据点即可辨识出表征光伏组件物理性质的模型五参数(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)，而所解模型参数能够为光伏电站的精确运维提供一种实时性好、反映光伏组件是否处在良好运行状态的切实可行方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法，所述参数提取方法具体步骤如下：
(1)根据光伏组件单二极管等效电路模型，推导出新的光伏组件模型五参数解析式，由于在新的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值，因此减少了对光伏组件I-V特性曲线数据完整性的依赖；
(2)将故障状态下的太阳能光伏组件连接至电压调制模块，采样得到计算模型五参数时所需数据点；所述的电压调制模块为外接装置；
(3)将步骤(2)中所述的计算模型五参数时所需数据点数据带入步骤(1)中所述的新的光伏组件模型五参数解析式，完成太阳能光伏组件模型五参数的辨识计算。
进一步，所述步骤(1)中新的光伏组件模型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，如式(1)所示：
所述公式(1)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为玻尔兹曼常数且
②对式(1)式求导，可得：
将式(1)带入式(2)，令Iph≈Isc得：
③由于式(1)为隐式方程，故引入Lambert W函数，变化式(1)得：
④将式(4)带入式(3)，得：
对式(5)进行简化，可得到式(6)：
⑤式(5)揭示了Lambert W函数与dU/dI之间的关系，将关系式(6)回代式(4)得：
⑥由式(7)可得光伏组件输出电压、电流以及dU/dI之间与五参数的联系，考虑到：
Rsh≈Rsho＞＞Rs (8)
式(8)中，Rsho为短路电流点处的-dU/dI，根据式(8)对式(7)做出相应化简，可得：
⑦设ΔU＝U1-U2，ΔI＝I1-I2，将式(9)线性化得：
⑧根据所述式(10)，可计算二极管理想因子n的表达式为：
⑨将式(8)带入式(3)化简，且由于Io远小于I，故亦可将其约去，得：
⑩根据所述式(12)，可以得出计算串联电阻Rs的表达式：
引入I-V曲线上任意两个电压调制点(U1，I1)和(U2，I2)，根据式(1)可推导出式(14)
所述式(14)为二元一次方程，故结合Rsho≈Rsh可得到Io与Iph的表达式：
为获得更多组件参数信息，将短路电流点(I＝Isc，U＝0，其中Isc为光伏组件短路电流)带入式(2)，可得并联电阻Rsh的表达式：
优选的，在求解二极管理想因子n时，结合所述式(11)，所需的采样数据点为：数据点一，短路电流点(0，Isc)；数据点二，短路电流附近点(δU，Isc+δI)；数据点三，(U4，I4)点，所述电压U4应在0.5Uoc以内；数据点四，(U4，I4)附近点(U4+δU，I4+δI)；数据点五，(U3，I3)点，所述电压U3应在0.5Uoc以内；数据点六，(U3，I3)附近点(U3+δU，I3+δI')；数据点七，(U2，I2)点，所述电压U2应在0.5Uoc以内；数据点八，(U2，I2)附近点(U2+δU，I2+δI″)；数据点九，(U1，I1)点，所述电压U1应在0.5Uoc以内；数据点十，(U1，I1)附近点(U1+δU，I1+δI″′)，以上所述δU皆为电压调制模块调制电压值得最小步长。
优选的，在求解串联电阻Rs时，结合所述式(13)，所需的采样数据点为：数据点十一，(U5，I5)点，所述电压U3应在0.7Uoc左右；数据点十二，(U5，I5)附近点(U5+δU，I5+δI″″)，所述δU为电压调制模块调制电压值得最小步长。
进一步，在求解二极管反向饱和电流Io、光生电流Iph、并联电阻Rsh时无需更多的采样点数据。
附图说明：
图1为本发明的故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法流程示意图。
图2为表征光伏组件物理性质的模型五参数示意图。
图3为所需采样数据点在I-V曲线所处位置示意图。
图4为以本发明方法提取的五参数所绘制的IV、PV曲线与实际IV、PV曲线比较图。
具体实施方式：
以下结合附图及实施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，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
如附图1所示的故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法流程示意图，当所测光伏组件I-V特性曲线呈现多峰或不完整时，通过采样光伏组件电压电流数据点辨识表征光伏组件等效模型的五参数的具体步骤为为三步：
(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6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，辨识计算出光伏组件模型五参数。
所述步骤(1)重要组成部分，新的光伏组件模型五参数解析式推导可分为如下12个步骤：
步骤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
步骤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：
步骤3：由于公式(1)为隐式方程，故引入Lambert W函数解决该问题，得：
步骤4：将(4)式带入(3)式，可得：
经过对(5)式的简化，可得到式(6)：
步骤5：式(5)揭示了Lambert W函数与dU/dI之间的关系，将关系式(6)回代入式(4)：
步骤6：由式(7)可得光伏组件输出电压、电流以及dU/dI之间与五参数的联系，考虑到：
Rsh≈Rsho＞＞Rs (8)
式(8)中，Rsho为短路电流点处的-dU/dI，根据式(8)针对式(7)做出相应化简，可得：
步骤7：设ΔU＝U1-U2，ΔI＝I1-I2，通过变换，将式(9)线性化：
由式(10)可知，以为自变量，为因变量，两者呈线性关系，且斜率即为nVth，截距为Rsh+Rs。
步骤8：根据式(10)，计算二极管理想因子n的表达式为：
步骤9：将式(8)带入式(3)化简，且由于Io远小于I，故亦可将其约去，得：
步骤10：根据式(12)，可以得出计算串联电阻Rs的表达式：
由于(13)式涉及化简，U5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；
步骤11：为求得Io，引入I-V曲线上任意两个电压调制点(直接可以选之前采样过的点)(U1，I1)和(U2，I2)，根据(1)式可推导出(14)式：
式(14)为二元一次方程，结合Rsho≈Rsh故可得到Io与Iph的表达式：
步骤12：为获得更多组件参数信息，将短路电流点(I＝Isc，U＝0带入(2)式，其中Isc为光伏组件短路电流，可得：
在利用所述步骤1至步骤12求解光伏组件模型五参数时，每种参数需要采样相应的电压电流数据点，所需采样的数据点在I-V曲线中位置如附图3所示：
提取求解二极管理想因子n时，结合所述步骤8中的式(11)，所需的采样数据点为：
数据点一，短路电流点(0，Isc)；
数据点二，短路电流附近点(δU，Isc+δI)；
数据点三，(U4，I4)点，所述电压U4应在0.5Uoc以内；
数据点四，(U4，I4)附近点(U4+δU，I4+δI)；
数据点五，(U3，I3)点，所述电压U3应在0.5Uoc以内；
数据点六，(U3，I3)附近点(U3+δU，I3+δI')；
数据点七，(U2，I2)点，所述电压U2应在0.5Uoc以内；
数据点八，(U2，I2)附近点(U2+δU，I2+δI″)；
数据点九，(U1，I1)点，所述电压U1应在0.5Uoc以内；
数据点十，(U1，I1)附近点(U1+δU，I1+δI″′)，以上所述δU皆为电压调制模块调制电压值得最小步长；
提取求解串联电阻Rs时，结合所述步骤10中的式(13)，所需的采样数据点为：
数据点十一，(U5，I5)点，所述电压U3应在0.7Uoc左右；
数据点十二，(U5，I5)附近点(U5+δU，I5+δI″″)，所述δU为电压调制模块调制电压值得最小步长；
提取求解二极管反向饱和电流Io时，结合所述步骤11中的式(15)，无需更多采样点数据；
提取求解光生电流Iph时，结合所述步骤11中的式(16)，无需更多采样点数据；
提取求解并联电阻Rsh时，结合所述步骤12中的式(17)，无需更多采样点数据。
以所述方法提取出的光伏组件模型五参数绘制出的I-V、P-V曲线与同一光伏组件实际绘制出的I-V、P-V曲线比较如附图4所示，两条曲线具有非常高的拟合度。
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方法都被本文权利要求包含。
Claims (3)
1.一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法，其特征在于当太阳能光伏组件处于故障状态而使光伏组件的I-V特性曲线呈现多峰或不完整形态时，仍可通过采样该光伏组件的电压电流数据点求解出表征光伏组件物理性质的模型五参数(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等效电路模型，推导出新的光伏组件模型五参数解析式，在所述新的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值，减少了对光伏组件I-V特性曲线完整性的依赖；
(2)将故障状态下的太阳能光伏组件连接至电压调制模块，采样得到计算模型五参数时所需数据点；
(3)将步骤(2)中所述计算模型五参数时所需数据点的数据代入步骤(1)中所述的新的光伏组件模型五参数解析式，完成太阳能光伏组件模型五参数的辨识计算。
2.根据权利要求1所述的一种故障状态下的太阳能光伏组件参数辨识方法，步骤(1)中所述新的光伏组件模型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，如式(1)所示：
所述公式(1)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为玻尔兹曼常数且
②对式(1)式求导，可得：
将式(1)带入式(2)，令Iph≈Isc得：
③由于式(1)为隐式方程，故引入Lambert W函数，变化式(1)得：
④将式(4)带入式(3)，得：
对式(5)进行简化，可得到式(6)：
⑤式(5)揭示了Lambert W函数与dU/dI之间的关系，将关系式(6)回代式(4)得：
⑥由式(7)可得光伏组件输出电压、电流以及dU/dI之间与五参数的联系，考虑到：
Rsh≈Rsho＞＞Rs (8)
式(8)中，Rsho为短路电流点处的-dU/dI，根据式(8)对式(7)做出相应化简，可得：
⑦设ΔU＝U1-U2，ΔI＝I1-I2，将式(9)线性化得：
⑧根据所述式(10)，可计算二极管理想因子n的表达式为：
⑨将式(8)带入式(3)化简，且由于Io远小于I，故亦可将其约去，得：
⑩根据所述式(12)，可以得出计算串联电阻Rs的表达式：
引入I-V曲线上任意两个电压调制点(U1，I1)和(U2，I2)，根据式(1)可推导出式(14)
所述式(14)为二元一次方程，故结合Rsho≈Rsh可得到Io与Iph的表达式：
为获得更多组件参数信息，将短路电流点(I＝Isc，U＝0，其中Isc为光伏组件短路电流)带入式(2)，可得并联电阻Rsh的表达式：
3.根据权利要求1所述的新的光伏组件模型五参数解析式，所需采样的电压电流数据点如下：
①提取求解二极管理想因子n时，结合权利要求2中所述的式(11)，所需的采样数据点为：
数据点一，短路电流点(0，Isc)；
数据点二，短路电流附近点(δU，Isc+δI)；
数据点三，(U4，I4)点，所述电压U4应在0.5Uoc以内；
数据点四，(U4，I4)附近点(U4+δU，I4+δI)；
数据点五，(U3，I3)点，所述电压U3应在0.5Uoc以内；
数据点六，(U3，I3)附近点(U3+δU，I3+δI')；
数据点七，(U2，I2)点，所述电压U2应在0.5Uoc以内；
数据点八，(U2，I2)附近点(U2+δU，I2+δI”)；
数据点九，(U1，I1)点，所述电压U1应在0.5Uoc以内；
数据点十，(U1，I1)附近点(U1+δU，I1+δI”')，以上所述δU皆为电压调制模块调制电压值得最小步长；
②提取求解串联电阻Rs时，结合权利要求2中所述的式(13)，所需的采样数据点为：
数据点十一，(U5，I5)点，所述电压U3应在0.7Uoc左右；
数据点十二，(U5，I5)附近点(U5+δU，I5+δI””)，所述δU为电压调制模块调制电压值得最小步长；
③提取求解二极管反向饱和电流Io时，结合权利要求2中所述的式(15)，无需更多采样点数据；
④提取求解光生电流Iph时，结合权利要求2中所述的式(16)，无需更多采样点数据；
⑤提取求解并联电阻Rsh时，结合权利要求2中所述的式(17)，无需更多采样点数据。
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