CN111460645A - 一种光伏系统故障建模仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏系统故障建模仿真方法，通过模拟具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，通过模拟电流扫描原理，电流步长以一定自适应步长进行增加，计算对应电流下的各电池片的输出电压，从而通过对每个电池片的电压进行叠加，得到整个组串的IV特性曲线，并根据光伏组件旁路二极管开路故障的反向特性引入考虑雪崩击穿的单二极管模型，不仅可以准确的反映光伏组件IV特性曲线的正向特性，而且可以较为精确的表达反向特性的S型趋势，对光伏组件旁路二极管开路故障可以更为精确的建模。

Description

一种光伏系统故障建模仿真方法

技术领域

本发明属于光伏系统技术领域，具体涉及一种光伏系统故障建模仿真方法。

背景技术

在光伏系统中，光伏组件及阵列作为整个发电系统的核心部件，对其建模与仿真，研究不同工况及故障状态下光伏系统的输出特性，是光伏发电系统研究和设计的重要依据，也是研究最大功率点追踪算法，光伏系统故障检测与诊断以及性能评估的首选途径。目前大多数光伏组件及阵列的建模仿真都是在基于电路的仿真软件中建立的，例如MTALAB-Simulink,PSIM,SPS等。然而这种仿真模型具有以下三个缺点：(1)移值能力差；(2)由于大多数基于电路的仿真软件都是商业性的，投资成本较高；(3)计算效率差，电路结构越复杂，计算量越大。由于以上原因则使光伏系统研究及在线故障诊断方法不便于开发，目前也有学者提出了基于代码的快速故障仿真建模方法，但是其仿真的故障类型有限，不可对旁路二极管开路等多种并发故障进行仿真。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光伏系统故障建模仿真方法，可以在不依于电路仿真类软件的情况下，能够仿真出光伏组件，阵列在旁路二极管开路，旁路二极管短路，局部阴影遮挡以及伴随局部阴影遮挡的旁路二极管开路等多种并发故障下的IV特性曲线，具有较强的移植能力，成本低，拓展性强可便于继续开发更多的故障类型。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种光伏系统故障建模仿真方法，用于仿真光伏系统中局部阴影遮挡，旁路二极管短路，旁路二极管开路，线缆老化以及伴随阴影遮挡的旁路二极管短路，伴随阴影遮挡的旁路二极管开路，伴随阴影遮挡的线缆老化的并发故障，包括：

配置光伏系统故障参数，包括光伏系统辐照度矩阵，温度矩阵，旁路二极管状态配置向量，光伏系统线缆老化电阻R_c以及阴影遮挡情况下光伏子串电池片遮挡参数；

根据光伏子串电池片遮挡参数，计算故障下的光伏系统辐照度矩阵；

统计故障后光伏系统中所有电池片中不同辐照度-温度对的个数N_E，并将所有电池片中不同的辐照度-温度对保存在矩阵E中；

计算矩阵E中不同辐照度-温度对下考虑雪崩击穿的单二极管模型中未知的五个参数；

根据光伏子串旁路二极管状态以及不同辐照度-温度对下的五个参数，基于具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，模拟电流扫描过程，计算对应扫描电流下的考虑雪崩击穿和线缆老化的光伏系统电压，进而得到不同故障下的IV特性曲线。

进一步的，所述根据光伏子串电池片遮挡参数，计算故障下的光伏系统辐照度矩阵，包括：

对具有阴影遮挡的电池片辐照度为：G_s＝G×z，

对于无阴影遮挡的电池片辐照度为：G_s＝G，

其中，G表示电池片表面辐照度，z表示阴影遮挡块透光率。

进一步的，所述计算矩阵E中不同辐照度-温度对下考虑雪崩击穿的单二极管模型中未知的五个参数，包括：

根据组件铭牌参数，计算单块电池片的铭牌参数：

V_oc,ref＝V_{oc_stc}/(N_cell*N_sd)

V_mpp,ref＝V_{mpp_stc}/(N_cell*N_sd)

P_mpp,ref＝P_{mpp_stc}/(N_cell*N_sd)

I_sc,ref＝I_sc,stc

I_mpp,ref＝I_{mpp_stc}

其中，V_oc,ref，V_mpp,ref，P_mpp,ref，I_sc,ref，I_mpp,ref分别为单块电池片铭牌参数的开路电压，最大功率点电压，最大功率点功率，短路电流和最大功率点电流；V_{oc_stc}，V_{mpp_stc}，P_{mpp_stc}，I_sc,stc，I_{mpp_stc}分别为单块组件铭牌参数的开路电压，最大功率点电压，最大功率点功率，短路电流和最大功率点电流；N_sd为单块组件的子串数；N_cell为单个子串的电池片数；

根据单块电池片的铭牌参数，计算单块电池片STC下的五参数：

I_ph,ref≈I_sc,ref

其中，I_ph,ref为单块电池片STC下的光生电流，I_0,ref为单块电池片STC下的二极管饱和电流，V_t,ref为单块电池片STC下的二极管热电压，R_p,ref为单块电池片STC下的等效串联电阻，R_s,ref为单块电池片STC下的等效并联电阻，β为光伏组件STC下开路电压温度系数，α为光伏组件STC下短路电流温度系数，T_ref为光伏组件STC下背板温度，q为电子常数，E_g为禁带宽度，K为玻尔兹曼常数；

将求解的单块电池片STC下的五参数转换至任意辐照度-温度对下的五参数：

R_s＝R_s,ref

其中，G_ref为电池片STC下辐照度，G_s为故障下的电池片辐照度，T_ref为光伏组件STC下背板温度，T为光伏组件背板温度。

进一步的，所述根据光伏子串旁路二极管状态以及不同辐照度-温度对下的五参数，基于具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，模拟电流扫描过程，计算对应扫描电流下的考虑雪崩击穿和线缆老化的光伏系统电压，进而得到不同故障下的IV特性曲线，包括：

扫描电流以一定步长进行增加，对于每次扫描电流，进行计算如下：

根据光伏子串旁路二极管状态，计算考虑雪崩击穿的单块电池片电压；

根据考虑雪崩击穿的单块电池片电压，计算不同环境辐照度-温度对下光伏子串的电压：

其中，V_ssum(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的子串电压，V(i,j)表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下的单块电池片电压，D_ij表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下电池片的个数，N_E表示所有电池片中不同辐照度-温度对的个数；

定义子串中每类辐照度-温度对下电池片的个数相同为同一种子串；

根据光伏子串电压计算光伏系统考虑线缆老化的光伏系统电压：

其中，V_asum表示光伏系统电压，C_D(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的个数，N_v表示子串状态配置不同的子串个数，I为扫描电流，R_c为光伏系统线缆老化电阻；

当光伏系统电压V_asum≥0时，停止扫描；返回扫描电流序列I_out，电压序列V_out，即得到组串在对应故障状态下的IV特性曲线。

进一步的，所述根据光伏子串旁路二极管状态，计算考虑雪崩击穿的单块电池片电压，包括：

判断光伏子串旁路二极管状态D(i,N_E+1)，若光伏子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应光伏子串电压V_ssum(i)>0，则根据考虑雪崩击穿的单二极管模型计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)；若光伏子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应光伏子串电压V_ssum(i)≤0,则此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若光伏子串旁路二极管短路D(i,N_E+1)＝1，则此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若光伏子串旁路二极管开路D(i,N_E+1)＝2，则根据考虑雪崩击穿的单二极管模型计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)。

进一步的，所述考虑雪崩击穿的单二极管模型为：

其中，λ是与雪崩击穿有关的欧姆电流分数，V_Br是反向击穿电压，m是雪崩击穿指数，I为电池片电流，V为电池片电压。

进一步的，所述考虑雪崩击穿的单二极管模型的求解采用牛顿迭代法并引入牛顿下山因子：

牛顿迭代公式为：

其中：V_(n)为第n次迭代的电压值，V_(n+1)第n+1次迭代的电压值；

引入下山因子μ_k，得到改进的牛顿迭代公式：

其中，μ_k从1开始逐渐减半，

直到f(V_(n+1))≤f(V_(n))；

迭代停止条件为|V_(n+1)-V_(n)|<10^-4。

进一步的，所述模拟电流扫描过程中，设定初始扫描电流I＝0，电流以自适应步长ΔI进行增加，V_asum初始值设置为正无穷大，V_ssum初始值设置为正无穷大，设置电流扫描次数k_num，k_num初始值设置为k_num＝1，循环中k_num＝k_num+1。

进一步的，所述模拟电流扫描过程中，根据IV曲线的斜率确定步长ΔI：

设定初始扫描电流I＝0，将组件个数不同的光伏阵列均放缩到单块光伏组件的STC下，确定光伏组件STC下电流序列I_B和电压序列V_B：

I_B＝I

V_B＝V_asum*(V_{oc_stc}/V_oc)

其中，I为扫描电流，V_{oc_stc}为光伏组件STC下开路电压，V_oc为当前阵列的开路电压，V_asum为扫描电流I下的光伏系统电压；

求解单块组件STC下IV曲线的斜率的绝对值：

将斜率Y映射至步长ΔI：

其中，(ΔI_min,Y_min)为斜率下边界对应的点，(ΔI_max,Y_max)为斜率下边界对应的点。

进一步的，所述光伏系统是由多个光伏组件串联而成的单串阵列。

本发明的有益效果是：

本发明的光伏系统故障建模仿真方法，能够较为精确的仿真出光伏组件及阵列局部阴影遮挡、旁路二极管短路，旁路二极管开路，组件老化以及伴随局部阴影遮挡的旁路二极管短路，旁路二极管开路，组件老化等多种并发故障状态下的I-V特性曲线。

本发明通过对子串不同环境参数及旁路二极管开路状态进行统计，减少了计算迭代次数并通过自适应步长调整策略，大大提升了整个模型的计算效率。

通过本发明，对光伏系统的故障分析及研究提供了更加方便快捷的方式，并对后续通过IV特性曲线进行故障诊断，性能评估，电站运维提供了有利的帮助，从而可以进一步提高整个光伏电站的发电效率。

附图说明

图1为本发明的故障仿真类型图；

图2为本发明的故障建模仿真流程图；

图3为本发明的考虑雪崩击穿的单二极管模型与传统单二极管模型单块电池片IV曲线图；

图4为本发明实施例中无故障状态下的光伏组件IV特性曲线仿真；

图5为本发明实施例中局部阴影遮挡以及旁路二极管短路并发故障状态下的光伏组件IV特性曲线仿真；

图6为本发明实施例中局部阴影遮挡以及旁路二极管开路并发故障状态下的光伏组件IV特性曲线仿真。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明提供一种光伏系统故障建模仿真方法，主要是通过模拟具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，通过模拟电流扫描原理，电流步长以一定自适应步长进行增加，计算对应电流下的各电池片的输出电压，从而通过对每个电池片的电压进行叠加，得到整个组串的IV特性曲线，并根据光伏组件旁路二极管开路故障的反向特性引入考虑雪崩击穿的单二极管模型，不仅可以准确的反映光伏组件IV特性曲线的正向特性，而且可以较为精确的表达反向特性的S型趋势，对光伏组件旁路二极管开路故障可以更为精确的建模。

如图1所示，为本发明可以仿真的局部阴影遮挡，旁路二极管短路，旁路二极管开路，线缆老化以及伴随阴影遮挡的旁路二极管短路，伴随阴影遮挡的旁路二极管开路，伴随阴影遮挡的线缆老化等多种并发故障类型。

本发明的光伏系统故障建模仿真方法，其建模仿真流程如图2所示，包括：

首先，配置光伏组件建模仿真参数，设每个光伏组件有N_sd个旁路二极管，每个旁路二极管对应一个子串，则整个光伏组件由N_sd个子串串联而成，每个子串又由N_cell个电池片串联而成，整个光伏阵列由m个光伏组件串并联而成(本故障建模仿真方法目前只考虑由多个光伏组件串联而成的单串阵列)。故配置组串并联串数N_P＝1,则整个光伏阵列即组串中子串个数N_sub＝m×N_sd；配置光伏组件STC下短路点电流I_{sc_ref},开路点电压V_{oc_ref},最大功率点电流I_{mpp_ref},最大功率点电压V_{mpp_ref}以及最大功率点P_{mpp_ref}，短路电流温度系数α，开路电压温度系数β等出厂铭牌参数。仿真模型的输入为组串电池片辐照度矩阵

元素G_ij代表第i个子串中第j个电池片的辐照度，组串电池片温度矩阵

为N_sub×N_cell维的矩阵，元素T_ij代表第i个子串中第j个电池片的温度，旁路二极管状态配置向量

表示1×N_sub维数组，元素S(i)＝0表示第i个子串的旁路二极管正常，元素S(i)＝1表示第i个子串的旁路二极管短路，元素S(i)＝2表示第i个子串的旁路二极管开路，组串线缆老化电阻R_c，输出为组件或阵列在对应故障状态下的IV特性曲线。

所述建模方法具体包括以下步骤：

步骤一：配置故障参数，配置组串各电池片环境参数，即组串电池片辐照度矩阵

温度矩阵

以及阴影遮挡状况下对应子串电池片遮挡参数设置[x y z]，x表示阴影遮挡块长度配置，y表示阴影遮挡块宽度配置，z表示阴影遮挡块透光率配置(为便于仿真目前假定x，y均为正整数且最小单位为一块电池片)，配置组串旁路二极管状态，即旁路二极管状态配置向量

配置组串线缆老化电阻R_c。

步骤二：通过输入的阴影遮挡状况下，对应子串电池片遮挡参数[x y z]，重新配置组串各电池片环境参数，根据阴影遮挡块长度配置x，宽度配置y，确定对应组串遮挡电池片的个数N_shdow＝x*y，对具有阴影遮挡的电池片计算其辐照度G_s＝G×z，对于无阴影遮挡的电池片计算其辐照度G_s＝G，得到故障下的整个光伏系统辐照度矩阵

配置电池片背板温度矩阵

作为仿真模型的环境参数输入。

步骤三：统计所有电池片中不同辐照度，温度对的个数N_E，并将所有电池片中不同的辐照度-温度对保存在矩阵

矩阵C用于保存所有子串不同辐照度-温度对下的电池片的个数以及子串旁路二极管状态，

元素C_ij(j∈[1,N_E])表示第i个子串中第j类辐照度-温度对下电池片的个数，C(i,NE+1)表示第i个子串的旁路二极管状态。矩阵D用于保存去除矩阵C中重复行向量的矩阵，

N_v表示矩阵C中不同的行向量的个数，矩阵C_D用于保存D中每一行向量在C中的个数，

步骤四：计算矩阵E中不同辐照度-温度下改进单二极管模型中未知的五个参数光生电流I_ph，二极管饱和电流I₀，二极管热电压V_t，等效并联电阻R_s，等效串联电阻R_p；具体计算如下：

需先根据组件铭牌参数，开路点电压V_{oc_stc},最大功率点电压V_{mpp_stc}以及最大功率点P_{mpp_stc}除以一块光伏组件的电池片个数N_cell*N_sd，求解出单块电池片的铭牌参数，例如：单块电池片开路点电压，V_oc,ref＝V_{oc_stc}/(N_cell*N_sd)，即得到单块电池片的铭牌参数开路点电压V_oc,ref，最大功率点电压V_mpp,ref，最大功率点功率P_mpp,ref，短路电流I_sc,ref＝I_sc,stc，最大功率点电流I_mpp,ref＝I_{mpp_stc}，短路电流温度系数α，开路电压温度系数β等出厂铭牌参数。

根据单块电池片的铭牌参数，求解出电池片STC下的五参数，光生电流I_ph,ref，二极管饱和电流I_0,ref，二极管热电压V_t,ref，等效并联电阻R_s,ref，等效串联电阻R_p,ref，求解过程如下式(1)-(5)所示：

I_ph,ref≈I_sc,ref (1)

为求解矩阵E中不同辐照度，温度下改进单二极管模型中未知的五个参数，光生电流I_ph，二极管饱和电流I₀，二极管热电压V_t，等效并联电阻R_s，等效串联电阻R_p，需根据式(6)-(10)，将上述求解出的STC下的五参数转换至任意辐照度-温度下的五参数：

R_s＝R_s,ref (8)

其中，K玻尔兹曼常数，K＝1.38×10^-23，q为电子常数，q＝1.60×10^-19，E_g为禁带宽度，E_g＝1.12，G_ref为STC下辐照度，G_ref＝1000w/m²，T_ref为STC下组件背板温度，T_ref＝25+273.15，T为组件背板温度。

步骤五：根据子串旁路二极管状态以及求解得到的不同辐照度-温度对下的五参数代入电池片改进的单二极模型，求解恒定电流下每一种环境参数下电池片的电压V_each，并对所有不同环境参数配置下的电压进行叠加得到整个组串的电压V_asum，并在叠加过程中考虑线缆老化电阻R_c带来的压降，从而得到整个组件或阵列在局部阴影遮挡，不同旁路二极管状态下以及线缆老化状态下的IV特性曲线。

具体如下：

通过模拟具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，通过模拟电流扫描原理，电流步长以一定自适应步长进行增加，对于以一定自适应步长增加的电流I，根据其对应子串的旁路二极管状态以及电池片环境参数配置，带入考虑雪崩击穿的单二极管模型计算出子串对应不同环境参数下的电池片的电压，而后乘以不同配置子串的个数，得到整个组串的电压。

电流I以一定自适应步长增加，叠加单块电池片电压至到组串电压小于等于0停止；若出现伴随阴影遮挡的旁路二极管开路状态则被遮挡的电池片叠加至短路电流I_sc时，该电池片则相当于负载，电压会出现负压情况则继续进行电压叠加，至到组串电压小于等于0时停止。

针对旁路二极管开路故障，电池片易出现负压情况，为准确表达电池片IV特性曲线反向特性的S型趋势，故引入考虑雪崩击穿的单二极管模型，如式(11)所示，对旁路二极管开路故障精确建模与仿真：

其中，λ是与雪崩击穿有关的欧姆电流分数，λ＝0.002Ω^-1，V_Br是反向击穿电压，V_Br＝-21.29V，m是雪崩击穿指数，m＝3。

如图3所示，为本发明采用的考虑雪崩击穿的单二极管模型与传统单二极管模型区别，New model表示考虑雪崩击穿的单二极管模型的单块电池片IV特性曲线，one diodemodel表示传统单二极管模型的单块电池片IV特性曲线，在正向特性时两种模型具有较高的重合度，单在表征反向特性时，虑学崩击穿的单二极管模型更加趋向与理论IV曲线的S型趋势，传统单二极管模型更加趋向于线性表达，故在建立有关旁路二极管开路故障仿真时，具有更好的精度。

上述步骤中，IV曲线电流扫描过程具体如下：

步骤51：设定初始扫描电流I＝0，电流以自适应步长ΔI进行增加，V_asum初始值设置为正无穷大，之后V_asum用于保存扫描过程中的组串电压，V_ssum用于保存扫描过程中的子串电压，

表示保存扫描电流I等于某一值时第i个子串的电压，初始值V_ssum设置为正无穷大，k_num表示电流扫描次数，初始值设置为k_num＝1，循环中k_num＝k_num+1。

步骤52：根据式(11)计算不同环境参数以及旁路二极管状态下，对应扫描电流I下电池片电压V，初始状态矩阵D中子串状态配置不同的个数i＝1；初始矩阵E中环境参数不同的个数，j＝1，V(i,j)表示在扫描电流I恒定时，第i个子串状态配置下，第j个环境参数下通过改进单二极管模型求得的单块电池片的电压。

步骤53：判断子串旁路二极管状态D(i,N_E+1)的状态，若子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应子串电压V_ssum(i)>0，则计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)；若子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应子串电压V_ssum(i)≤0,则计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若子串旁路二极管短路D(i,N_E+1)＝1，则计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若子串旁路二极管开路D(i,N_E+1)＝2，则计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)。

步骤54：计算不同辐照度-温度对以及旁路二极管状态下子串的电压V_ssum(i)：

其中，V_ssum(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的子串电压，V(i,j)表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下的单块电池片电压，D_ij表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下电池片的个数，N_E表示所有电池片中不同辐照度-温度对的个数。定义子串中每类辐照度-温度对下电池片的个数相同为同一种子串。

步骤55：计算整个组串的电压V_asum同时考虑线缆老化因素R_c：

其中，C_D(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的个数，N_v表示子串状态配置不同的子串个数。

步骤56：当组串电压V_asum≥0时，停止扫描；返回扫描电流序列I_out，电压序列V_out，即得到组串在对应故障状态下的IV特性曲线。

为了提高仿真模型精度即增加IV曲线扫描的点数并且可以加快模型计算速度，提高仿真效率，采用自适应步长调整策略，根据IV曲线的斜率确定电流增量ΔI的值如下：

设定初始扫描电流I＝0，将组件个数不同的光伏阵列均放缩到单块组件的STC下，组件STC下电流序列I_B，电压序列V_B：

I_B(k_num)＝I

V_B(k_num)＝V_asum*(V_{oc_stc}/V_oc)

其中，I为扫描电流，V_{oc_stc}为光伏组件STC下的开路电压，V_oc为当前阵列的开路电压即当扫描电流I为0时求解得到的阵列的电压，V_asum为对应扫描电流I下的组串电压。

求解单块组件STC下IV曲线的斜率的绝对值：

将斜率Y映射至步长ΔI并设置上下边界，下边界(ΔI_min,Y_min)，上边界(ΔI_max,Y_max)。利用两点式建立步长与斜率的线性函数关系：

当组件STC下I-V曲线斜率绝对值越小，电流增量ΔI越小，I-V曲线斜率越大则电流增量ΔI越大。通过自适应步长调整，使IV曲线扫描点数均匀提高仿真精度，减少扫描点数节省计算时间，提高仿真效率。

步骤57：:考虑雪崩击穿的单二极管模型超越方程求解采用牛顿迭代法并引入牛顿下山因子，

牛顿迭代公式：

其中：

牛顿迭代法对于初始值的要求很高，若初始值的选取偏离所求根较远则可能发散；

为防止迭代发散，引入下山因子μ_k(0≤μ_k≤1)，得到改进的牛顿迭代公式：

其中，μ_k从1开始逐渐减半，

直到f(V_(n+1))≤f(V_(n))则“下山成功”使函数满足单调性，保证函数的稳定下降；如果找不到使单调性成立的μ_k，则“下山失败”需要重新选取初值计算。

迭代的初始值V₍₀₎为上一轮求解得到的电压值；

迭代停止条件为|V_(n+1)-V_(n)|<10^-4；牛顿迭代法在解的附近具有二阶收敛加快了模型求解速度，减少了仿真时间。

实施例

建立单块组件的模型(N_sd＝3，N_cell＝20)，组件型号为TMS-240，其中组件铭牌参数为STC下短路点电流I_{sc_stc}＝8.62A，开路点电压V_{oc_stc}＝37.3V，最大功率点电流I_{mpp_stc}＝8.1A，最大功率点电压V_{mpp_stc}＝29.7V以及最大功率点P_{mpp_stc}＝240W，短路电流温度系数α＝0.047％/℃，开路电压温度系数β＝-0.32％/℃，在计算机(处理器：Intel(R)Core(TM)i7-9750H CPU@2.60GHZ)的Matlab编译环境中进行仿真。图4为采用本发明方法仿真得到的无故障状态下的光伏组件IV特性曲线仿真；对于无故障的模型参数输入，G:,:＝594表示组串辐照度矩阵G中所有子串电池片的辐照度为594W/m2，T:＝48.14表示组串电池片温度矩阵T中所有子串电池片的温度为48.14℃，遮挡参数配置[]为空则表示无阴影遮挡故障，子串旁路二极管S(1:3)＝0则表示第一个子串到第三个子串的旁路二极管状态均为正常，仿真时间为8ms，仿真得到的无故障状态的IV曲线与理论无故障状态下的IV曲线趋势相同。图5为采用本发明方法仿真得到的局部阴影遮挡以及旁路二极管短路并发故障状态下的光伏组件IV特性曲线，对于该故障的模型参数输入，G:,:＝594表示组串辐照度矩阵G中所有子串电池片的辐照度为594W/m2，T:＝48.14表示组串电池片温度矩阵T中所有子串电池片的温度为48.14℃，遮挡参数配置[1,5,0.6]表示第一个子串中有5个电池片有阴影遮挡，透光率为0.6即辐照度矩阵G中第一个子串前5个电池片的辐照度G_shdow＝594×0.6＝356.4W/m²，其余电池片辐照度G＝594W/m2，伴随旁路二极管短路S(1)＝1，S(2:3)＝0表示第一个子串的旁路二极管短路，第二以及第三个子串的旁路二极管正常，仿真时间8ms，由于子串旁路二极管短路以及局部阴影遮挡导致仿真得到的IV曲线开路电压下降以及产生台阶。图6为采用本发明方法仿真得到的局部阴影遮挡以及旁路二极管开路并发故障状态下的光伏组件IV特性曲线，对于该故障的模型参数输入，G:,:＝594表示组串辐照度矩阵G中所有子串电池片的辐照度为594W/m2，T:＝48.14表示组串电池片温度矩阵T中所有子串电池片的温度为48.14℃，遮挡参数配置[1,5,0.6]表示第一个子串中有5个电池片有阴影遮挡，透光率为0.6即辐照度矩阵G中第一个子串前5个电池片的辐照度G_shdow＝594×0.6＝356.4W/m²，其余电池片辐照度G＝594W/m2，伴随旁路二极管开路S(1)＝2，S(2:3)＝0表示第一个子串的旁路二极管开路，第二以及第三个子串的旁路二极管正常，仿真时间16ms，发生局部阴影遮挡以及旁路二极管开路并发故障时，I-V曲线短路点电流以及MPP点下降，严重影响了组件的发电效率。

需要说明的是，在本发明中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，用于仿真光伏系统中局部阴影遮挡，旁路二极管短路，旁路二极管开路，线缆老化以及伴随阴影遮挡的旁路二极管短路，伴随阴影遮挡的旁路二极管开路，伴随阴影遮挡的线缆老化的并发故障，包括：

配置光伏系统故障参数，包括光伏系统辐照度矩阵，温度矩阵，旁路二极管状态配置向量，光伏系统线缆老化电阻R_c以及阴影遮挡情况下光伏子串电池片遮挡参数；

根据光伏子串电池片遮挡参数，计算故障下的光伏系统辐照度矩阵；

统计故障后光伏系统中所有电池片中不同辐照度-温度对的个数N_E，并将所有电池片中不同的辐照度-温度对保存在矩阵E中；

计算矩阵E中不同辐照度-温度对下考虑雪崩击穿的单二极管模型中未知的五个参数；

根据光伏子串旁路二极管状态以及不同辐照度-温度对下的五个参数，基于具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，模拟电流扫描过程，计算对应扫描电流下的考虑雪崩击穿和线缆老化的光伏系统电压，进而得到不同故障下的IV特性曲线。

2.根据权利要求1所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述根据光伏子串电池片遮挡参数，计算故障下的光伏系统辐照度矩阵，包括：

对具有阴影遮挡的电池片辐照度为：G_s＝G×z，

对于无阴影遮挡的电池片辐照度为：G_s＝G，

其中，G表示电池片表面辐照度，z表示阴影遮挡块透光率。

3.根据权利要求1所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述计算矩阵E中不同辐照度-温度对下考虑雪崩击穿的单二极管模型中未知的五个参数，包括：

根据组件铭牌参数，计算单块电池片的铭牌参数：

V_oc,ref＝V_{oc_stc}/(N_cell*N_sd)

V_mpp,ref＝V_{mpp_stc}/(N_cell*N_sd)

P_mpp,ref＝P_{mpp_stc}/(N_cell*N_sd)

I_sc,ref＝I_sc,stc

I_mpp,ref＝I_{mpp_stc}

其中，V_oc,ref，V_mpp,ref，P_mpp,ref，I_sc,ref，I_mpp,ref分别为单块电池片铭牌参数的开路电压，最大功率点电压，最大功率点功率，短路电流和最大功率点电流；V_{oc_stc}，V_{mpp_stc}，P_{mpp_stc}，I_sc,stc，I_{mpp_stc}分别为单块组件铭牌参数的开路电压，最大功率点电压，最大功率点功率，短路电流和最大功率点电流；N_sd为单块组件的子串数；N_cell为单个子串的电池片数；

根据单块电池片的铭牌参数，计算单块电池片STC下的五参数：

I_ph,ref≈I_sc,ref

其中，I_ph,ref为单块电池片STC下的光生电流，I_0,ref为单块电池片STC下的二极管饱和电流，V_t,ref为单块电池片STC下的二极管热电压，R_p,ref为单块电池片STC下的等效串联电阻，R_s,ref为单块电池片STC下的等效并联电阻，β为光伏组件STC下开路电压温度系数，α为光伏组件STC下短路电流温度系数，T_ref为光伏组件STC下背板温度，q为电子常数，E_g为禁带宽度，K为玻尔兹曼常数；

将求解的单块电池片STC下的五参数转换至任意辐照度-温度对下的五参数：

R_s＝R_s,ref

其中，G_ref为电池片STC下辐照度，G_s为故障下的电池片辐照度，T_ref为光伏组件STC下背板温度，T为光伏组件背板温度。

4.根据权利要求3所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述根据光伏子串旁路二极管状态以及不同辐照度-温度对下的五参数，基于具有IV特性曲线扫描功能的光伏逆变器的扫描原理，模拟电流扫描过程，计算对应扫描电流下的考虑雪崩击穿和线缆老化的光伏系统电压，进而得到不同故障下的IV特性曲线，包括：

扫描电流以一定步长进行增加，对于每次扫描电流，进行计算如下：

根据光伏子串旁路二极管状态，计算考虑雪崩击穿的单块电池片电压；

根据考虑雪崩击穿的单块电池片电压，计算不同环境辐照度-温度对下光伏子串的电压：

其中，V_ssum(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的子串电压，V(i,j)表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下的单块电池片电压，D_ij表示第i个子串状态配置下第j类辐照度-温度对下电池片的个数，N_E表示所有电池片中不同辐照度-温度对的个数；

定义子串中每类辐照度-温度对下电池片的个数相同为同一种子串；

根据光伏子串电压计算光伏系统考虑线缆老化的光伏系统电压：

其中，V_asum表示光伏系统电压，C_D(i)表示光伏系统中第i个子串状态配置的个数，N_v表示子串状态配置不同的子串个数，I为扫描电流，R_c为光伏系统线缆老化电阻；

当光伏系统电压V_asum≥0时，停止扫描；返回扫描电流序列I_out，电压序列V_out，即得到组串在对应故障状态下的IV特性曲线。

5.根据权利要求4所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述根据光伏子串旁路二极管状态，计算考虑雪崩击穿的单块电池片电压，包括：

判断光伏子串旁路二极管状态D(i,N_E+1)，若光伏子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应光伏子串电压V_ssum(i)>0，则根据考虑雪崩击穿的单二极管模型计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)；若光伏子串旁路二极管正常D(i,N_E+1)＝0并且对应光伏子串电压V_ssum(i)≤0,则此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若光伏子串旁路二极管短路D(i,N_E+1)＝1，则此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)＝0；若光伏子串旁路二极管开路D(i,N_E+1)＝2，则根据考虑雪崩击穿的单二极管模型计算此时扫描电流I下的电池片电压V(i,j)。

6.根据权利要求5所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述考虑雪崩击穿的单二极管模型为：

其中，λ是与雪崩击穿有关的欧姆电流分数，V_Br是反向击穿电压，m是雪崩击穿指数，I为电池片电流，V为电池片电压。

7.根据权利要求6所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述考虑雪崩击穿的单二极管模型的求解采用牛顿迭代法并引入牛顿下山因子：

牛顿迭代公式为：

其中：V_(n)为第n次迭代的电压值，V_(n+1)第n+1次迭代的电压值；

引入下山因子μ_k，得到改进的牛顿迭代公式：

其中，μ_k从1开始逐渐减半，μ_k＝1，

直到f(V_(n+1))≤f(V_(n))；

迭代停止条件为|V_(n+1)-V_(n)|<10^-4。

8.根据权利要求4所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述模拟电流扫描过程中，设定初始扫描电流I＝0，电流以自适应步长ΔI进行增加，V_asum初始值设置为正无穷大，V_ssum初始值设置为正无穷大，设置电流扫描次数k_num，k_num初始值设置为k_num＝1，循环中k_num＝k_num+1。

9.根据权利要求4所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述模拟电流扫描过程中，根据IV曲线的斜率确定步长ΔI：

设定初始扫描电流I＝0，将组件个数不同的光伏阵列均放缩到单块光伏组件的STC下，确定光伏组件STC下电流序列I_B和电压序列V_B：

I_B＝I

V_B＝V_asum*(V_{oc_stc}/V_oc)

其中，I为扫描电流，V_{oc_stc}为光伏组件STC下开路电压，V_oc为当前阵列的开路电压，V_asum为扫描电流I下的光伏系统电压；

求解单块组件STC下IV曲线的斜率的绝对值：

将斜率Y映射至步长ΔI：

其中，(ΔI_min,Y_min)为斜率下边界对应的点，(ΔI_max,Y_max)为斜率下边界对应的点。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种光伏系统故障建模仿真方法，其特征在于，所述光伏系统是由多个光伏组件串联而成的单串阵列。

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