CN109711077B - 一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，包括：将八块规格尺寸性能参数一致的切半光伏组件串联，构成切半光伏组串；依次遮挡组件的半块；构建切半光伏组串遮挡条件下组件与旁路二极管连接的简化模型；根据简化模型，建立切半遮挡组串的特性曲线方程，绘制其特性曲线；切半组串的特性曲线呈现两层阶梯下降的形状，有两个峰值；已知切半遮挡组串中的参数，得到切半遮挡组串在第一个波峰及第二个波峰的近似关系。本发明可以通过建立切半光伏组串遮挡模型，判断逆变器是否追踪到全局最大功率点，为切半组串的实际遮挡实验提供参考，填补切半组串遮挡条件下模型研究的空白。
Description
技术领域
本发明专利涉及光伏组件技术，具体涉及一种光伏切半组件遮挡条件下建模方法。
背景技术
太阳能是取之不尽，用之不竭，清洁无污染并可再生的绿色环保能源。利用太阳能发电，无可比拟的清洁性、高度的安全性、能源的相对广泛性和充足性、长寿命以及免维护性等其他常规能源所不具备的优点，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。
近年来，我国光伏行业不断加快技术创新提升组件输出功率，相继开发出叠片组件、双面组件、切半组件等多类型的组件产品。封装后的光伏组件的输出功率低于所有电池片的功率之和。这主要来源于组件封装过程中的光学损失和电学损失。前者由焊带遮光、玻璃和EVA等封装材料导致的反射和吸收损失，后者是电池失配、焊带电阻、汇流带电阻、焊接不良引起的接触电阻、接线盒电阻等引起的功率损失。可用CTM值来衡量电池封装成为组件带来的效率损失，即组件输出功率与电池片功率总和的比值，CTM值越大就表示组件封装导致的功率损失越大。
切半组件是将标准规格的电池片通过激光对切后先串再并，通过每根主栅的电流降为原来的一半，功率损耗就变为原来的1/4，从而降低了组件内阻导致的功率损失。切半组件由于内部功率损失较小，封装效率高，可提高CTM1％以上，并带来5-10W的功率提升。切半组件工作温度低，结构上一分为二，在应对阴影遮挡抗热斑效应方面有着得天独厚的优势。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种光伏切半组串遮挡条件下建模方法，包括以下步骤：(1)将八块规格尺寸性能参数一致的竖装切半光伏组件串联，构成切半光伏组串；(2)依次遮挡其中一块组件的半块、两块组件的半块、三块组件的半块……八块组件的半块；(3)构建切半光伏组串遮挡条件下组件与旁路二极管连接的简化模型；(4)根据简化模型，建立切半遮挡组串的特性曲线方程，绘制其I-V及P-V特性曲线；切半组串的I-V特性曲线呈现两层阶梯下降的形状，P-V曲线有两个峰值；(5)已知切半遮挡组串中的总串联组件数目、被遮挡的组件数目、切半组件在STC下最大功率点的电流电压等参数，得到切半遮挡组串在第一个波峰的电压、电流及第二个波峰的电压、电流等近似关系。
所述步骤(1)，以八块规格尺寸电参性能一致的竖装切半组件串联为例，建立切半光伏组串遮挡条件下的模型。可将切半组件串联数目扩展为N，N大于等于2，并且N不能超过逆变器所能串联的最大组件数目。
所述步骤(2)，依次遮挡其中一块组件的半块、两块组件的半块、三块组件的半块……八块组件的半块，遮挡组件的半块是将竖装组件中间汇流条以下的全部电池片遮挡，采用黑色反光背板遮挡。
所述步骤(3)，为构建切半光伏组串遮挡条件下组件与旁路二极管连接的简化模型，首先对切半组件模型做如下假设：组件输出电流与太阳辐射强度成正比；忽略温度对组件性能的影响；忽略太阳辐射强度对电压的影响。将一块遮挡后的切半组件简化为中间汇流条以上的半块组件与一个旁路二极管D并联。以遮挡四块为例，切半组串的遮挡简化模型即为遮挡后剩余的四个上半块组件分别并联一个旁路二极管D，再与未遮挡的四个完整的切半组件串联。
根据切半遮挡组串的简化模型，特性曲线方程用关于电流的分段函数表示：
其中，Iarr、Varr为切半遮挡组串的输出电流、电压；Isc1、Voc为切半光伏组件在STC条件下的短路电流、开路电压；Isc2为切半光伏组件被遮挡后剩余的上半块组件在STC条件下的短路电流，近似于0.5倍的Isc1；Ns2为旁路二极管D导通前参与发电的串联组件数，即切半组串的总组件数目；Ns1为旁路二极管D导通后参与发电的串联组件数。以遮挡四块为例，Ns2＝8，Ns1＝4。
切半遮挡组串的I-V特性曲线呈现两层阶梯下降的形状，P-V曲线有两个峰值。确定切半组串中总的串联组件数N以及组串中被遮挡的组件块数Ns，并且已知切半组件在STC下的最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im，得到切半遮挡组串在第一个峰值点的电压Vm1、电流Im1、功率Pm1及第二个峰值点的电压Vm2、电流Im2、功率Pm2等近似关系：
Vm1≈(N－Ns)*Vm
Im1≈Im
Vm2≈N*Vm
Im2≈0.5*Im
Pm1≈(N－Ns)*Vm*Im
Pm2≈0.5*N*Vm*Im
有益效果：切半光伏组件受到周围树木、建筑物、云层阴影以及表面积灰的影响，局部阴影时有发生。此时，切半组件的输出P-V特性呈现多峰的特性，使逆变器的MPPT跟踪不能准确找到全局最大功率点，导致光能的利用率降低。切半光伏组件作为一种新型的组件形式，目前国内的专利及文献中，关于切半组件遮挡条件下的模型研究仍然是空白的。本发明专利提出一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，为今后的切半组件理论模型及实际遮挡实验提供参考。
附图说明
图1为现有常规切半光伏组件的电路结构示意图；
图2为切半组串的遮挡示意图，以遮挡四块组件为例；
图3为切半遮挡组串的简化模型示意图；
图4为切半遮挡组串在STC条件下的I-V及P-V特性曲线示意图；
图5为便携式I-V曲线测试仪测试的切半组串遮挡不同块数时STC下的I-V及P-V特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明专利的技术方案作进一步的阐述。
附图1为现有一种常用的切半光伏组件的结构示意图，一般采用上下两串并联后再串联的连接形式，上下两串共用一个二极管，共计六串。这样的电路结构在切半组件下半块发生阴影遮挡无功率输出时，上半块组件仍能够输出功率，而常规整片组件在这种遮挡情况下无功率输出。并且，从竖装切半组件最下面一行的全部电池片横向遮挡90％，逐渐向上增大遮挡面积，一直到完全遮住下半块组件，在这片阴影遮挡区间内下半块组件都不能输出功率。
参照附图2和3，以遮挡四块组件为例。将八块规格尺寸性能参数一致的竖装切半组件串联，用黑色反光背板遮挡前四块组件中间汇流条以下的全部电池片，前四块组件中间汇流条以上的全部电池片均未遮挡，后四块切半组件也未遮挡。用PV1表示前四块遮挡组件的输出功率，PV2表示后四块未遮挡组件的输出功率。对于一块遮挡后的切半组件，忽略下半块遮挡组件，将其简化为一个上半块未遮挡组件与一个旁路二极管D并联。切半遮挡组串的简化模型即为遮挡后剩余的四个上半块组件分别与一个旁路二极管D并联，再与未遮挡的四个完整的切半组件串联。
附图4是切半遮挡组串在STC条件下的输出I-V和P-V特性曲线。在I-V特性曲线上，Isc1为单块的切半光伏组件STC下的短路电流，Isc2为单块的切半光伏组件被遮挡后剩余的上半块组件STC下的短路电流，近似于0.5倍的Isc1；下面以遮挡四块组件为例，对特性曲线进行详细描述。
当切半遮挡组串的输出电流Iarr<Isc2时，四块遮挡组件的旁路二极管D均不导通，八块组件共同输出功率PV1+PV2，组串的输出电压Varr为八块组件的电压之和；当Iarr>Isc2时，四块遮挡组件的旁路二极管D均导通，四块遮挡组件被旁路掉，只有四块未遮挡组件输出功率PV2，组串的输出电压Varr为四块未遮挡组件的电压之和，四块未遮挡组件STC下的输出特性曲线即整个组串的输出。P-V特性曲线呈现驼峰的形状，存在m1和m2两个最大功率峰值点。阴影遮挡导致切半遮挡组串的输出I-V曲线呈现两层阶梯下降的形状，P-V曲线有两个峰值点。切半遮挡组串的数学模型用关于电流的分段函数表示为：
其中，Iarr、Varr为切半遮挡组串的输出电流、电压；Isc1、Voc为单块的切半光伏组件在STC条件下的短路电流、开路电压；Isc2为单块的切半光伏组件被遮挡后剩余的上半块组件在STC条件下的短路电流，近似于0.5倍的Isc1；Ns2为旁路二极管D导通前参与发电的串联组件数；Ns1为旁路二极管D导通后参与发电的串联组件数。遮挡四块时，Ns2＝8，Ns1＝4。
P-V曲线上两个最大功率峰值点m1、m2的电压、电流、功率用下述近似关系表示：
Vm1≈(N－Ns)*Vm
Im1≈Im
Vm2≈N*Vm
Im2≈0.5*Im
Pm1≈(N－Ns)*Vm*Im
Pm2≈0.5*N*Vm*Im
其中，N为组串中的串联组件数，即Ns2；Ns为组串中受遮挡的光伏组件数目，即N-Ns1；Vm、Im为单块的切半光伏组件在STC条件下的最大功率点电压、电流；Vm1、Im1、Pm1为组串在第一个峰值点的电压、电流、功率；Vm2、Im2、Pm2为组串在第二个峰值点的电压、电流、功率。通过这种近似关系，比较两个峰值点功率值大小，可以判断切半遮挡组串的全局最大功率点位于第一个或第二个峰值点。
实施例1：
采用意大利HT公司生产的IV400W便携式I-V曲线测试仪进行现场实验，测试切半光伏组串在不同遮挡情况下的输出特性曲线及电参性能。共有九种实验测试方案，将八块切半组串依次遮挡一块组件的下半块、两块组件的下半块、三块组件的下半块……八块组件的下半块以及八块组件均未遮挡。现场实验采用的8块切半组件在STC下的电性能参数如表1。HT设备在正式测试前，做以下准备工作：(1)在设备的设置界面输入该切半组件STC下的电参及温度系数；(2)根据切半电池片类型，选择相应的标准片，并将标准片安装在组件型材上，确保标准片和被测组件在同一平面上；(3)在被测组件正中央电池片的背面，用胶带固定HT设备的温度采集热电偶；(4)八块组件串联，将HT设备两条引出线的MC4端头分别连接组串的正负极。HT设备的显示屏可观察实时辐照度，当辐照达到700W/㎡以上时，即可进行数据采集。HT设备自动将采集到的实测电参及曲线通过辐照度及温度系数校准转化为STC下的电参及曲线。测试完成后，通过HT设备配套的Topview软件，导出九种实验测试在STC条件下的I-V、P-V曲线及电参。
表1实验用切半组件STC电参
表2反映的是HT测试所得STC下全局最大功率点的电参、近似关系式计算的两个峰值点电参、测试最大功率值与模型最大功率值的相对误差。从近似关系式计算的两个峰值点电参可以看出，遮挡一块、两块、三块时，全局最大功率点位于第一个峰值点；遮挡五块、六块、七块时，全局最大功率点位于第二个峰值点；而遮挡四块时，两个峰值点的最大功率值近似相等，将这两个峰值点都视为全局最大功率点。对比表2中测试与模型的最大功率值误差可知，其最大相对误差不超过5％，因此该切半遮挡组串近似模型具有一定的可靠性。
表2HT测试的最大功率点电参、近似关系式计算电参及相对误差
附图5是HT记录的切半组串遮挡不同块数时STC下的I-V和P-V特性曲线。可以看出，八块组件均未遮挡时，光伏组串输出为单峰特性，短路电流近似等于单块切半组件STC下的Isc。随着被遮挡组件数的增加，P-V曲线的第一个峰值点电压Vm1和功率Pm1呈大幅度下降趋势，与理论模型分析一致；P-V曲线的第二个峰值点电压Vm2和功率Pm2以较小幅度下降，Vm2接近八块均无遮挡时的最大功率点电压，Im2接近八块均无遮挡时最大功率点电流的一半；全局最大功率点由高电流低压区移向低电流高压区(即第一个峰值点移到第二个峰值点)。当被遮挡组件数等于组串总数时，即组串受到全局遮挡，光伏组串输出为单峰特性，短路电流近似等于单块切半组件Isc的一半，最大功率点电压接近八块均无遮挡时的最大功率点电压，最大功率点电流约为单块切半组件Im的一半。
Claims (10)
1.一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将八块规格尺寸性能参数一致的竖装切半光伏组件串联，构成光伏组串；
(2)依次遮挡其中一块组件的半块、两块组件的半块、三块组件的半块，直至八块组件的半块；
(3)构建切半光伏组串遮挡条件下组件与旁路二极管连接的简化模型；
(4)根据简化模型，建立切半遮挡组串的特性曲线方程，绘制其I-V及P-V特性曲线；切半遮挡组串的I-V特性曲线呈现两层阶梯下降的形状，P-V曲线有两个峰值；
(5)已知切半遮挡组串中的总串联组件数目、被遮挡的组件数目、切半组件在STC下的参数，得到切半遮挡组串在第一个波峰的电压、电流及第二个波峰的电压、电流的近似关系。
2.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(1)，以八块规格尺寸电参性能一致的竖装切半组件串联为例，建立切半光伏组串遮挡条件下的模型，可将切半组件串联数目扩展为N，N大于等于2，并且N不能超过逆变器所能串联的最大组件数目。
3.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(2)，依次遮挡其中一块组件的半块、两块组件的半块、三块组件的半块，直至八块组件的半块，遮挡组件的半块是将竖装组件中间汇流条以下的全部电池片遮挡，采用黑色反光背板遮挡。
4.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，竖装切半组件中间汇流条以下的全部电池片遮挡后，下半块组件不能再输出功率，并且，从竖装切半组件最下面一行的全部电池片横向遮挡90％，逐渐向上增大遮挡面积，一直到完全遮住下半块组件，在这片阴影遮挡区间内下半块组件都不能输出功率。
5.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(3)，为构建切半光伏组串遮挡条件下组件与旁路二极管连接的简化模型，首先对切半组件模型做如下假设：组件输出电流与太阳辐射强度成正比；忽略温度对组件性能的影响；忽略太阳辐射强度对电压的影响，将一块遮挡后的切半组件简化为中间汇流条以上的半块组件与一个旁路二极管D并联，以遮挡四块为例，切半组串的遮挡简化模型即为遮挡后剩余的四个上半块组件分别并联一个旁路二极管D，再与未遮挡的四个完整的切半组件串联。
6.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(4)中，切半遮挡组串的数学模型用关于电流的分段函数表示：
其中，Iarr、Varr为切半遮挡组串的输出电流、电压；Isc1、Voc为切半光伏组件在STC条件下的短路电流、开路电压；Isc2为切半光伏组件被遮挡后剩余的上半块组件在STC条件下的短路电流，近似于0.5倍的Isc1；Ns2为旁路二极管D导通前参与发电的串联组件数，即切半组串的总组件数目；Ns1为旁路二极管D导通后参与发电的串联组件数，以遮挡四块为例，Ns2＝8，Ns1＝4。
7.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(4)，切半组串的I-V特性曲线呈现两层阶梯下降的形状，P-V曲线有两个峰值。
8.根据权利要求1所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，所述步骤(5)，确定切半组串中总的串联组件数N以及组串中被遮挡的组件块数Ns，并且已知切半组件在STC下的最大功率点电压Vm和最大功率点电流Im，得到切半遮挡组串在第一个峰值点的电压Vm1、电流Im1、功率Pm1及第二个峰值点的电压Vm2、电流Im2、功率Pm2的近似关系：
Vm1≈(N－Ns)*Vm
Im1≈Im
Vm2≈N*Vm
Im2≈0.5*Im
Pm1≈(N－Ns)*Vm*Im
Pm2≈0.5*N*Vm*Im。
9.根据权利要求7所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，通过这种近似关系，比较两个峰值点的功率大小，可以判断切半遮挡组串的全局最大功率点位于第一个或第二个峰值点。
10.根据权利要求7所述的一种切半光伏组串遮挡条件下建模方法，其特征在于，切半遮挡组串在现场实验过程中，可根据逆变器显示屏读取的组串最大功率点电压、电流、功率参数，判断组串的实际输出位于第几个峰值点，并结合模型的近似关系式，判断该峰值点是否是全局最大功率点。
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Effective date of registration: 20230627 Address after: 213031 Tianhe PV Industrial Park No. 2, Xinbei District, Changzhou, Jiangsu Patentee after: TRINASOLAR Co.,Ltd. Patentee after: TRINA SOLAR( CHANGZHOU) TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: 213022 Tianhe Road, Tianhe Photovoltaic Industrial Park, Xinbei District, Changzhou City, Jiangsu Province Patentee before: TRINASOLAR Co.,Ltd. |
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