CN111555714A - 一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，通过计算光伏组串的电流—电压特性曲线中的台阶数来得出功率峰值的数目，假设一个光伏串列中的光伏组件受到了总共M种不同程度的光照，则该串列的电流—电压曲线中存在M个台阶和M‑1个拐点，该串列存在M个局部最大功率点LMPPs，其中有1个为全局最大功率点GMPP。本发明建立了一种利用组串电压和组件电压关系产生最优步进距离从而测量失配信息与功率峰数的方法，能够有效地量化电流—电压特性曲线中存在的峰值的数目与失配的情况。本发明提出的功率峰数测量方法，能够描述超过两个光照强度环境下的阴影信息，不需要额外的光照传感器，使用极少的步数实现了功率峰数的检测。

Description

一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法
技术领域
本发明涉及光伏领域，特别涉及一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法。
背景技术
在现实应用场景中，光伏组串中的某几块光伏电板会不可避免地被周围的树木、云雾、落叶或灰尘遮挡。受遮挡的光伏发电组件会因无法产生电能而以负载状态工作，其组件自身所产生的热量很有可能造成局部热点效应，甚至引起火灾。为了避免这一现象，可在光伏组串中使用旁路二极管。所谓旁路二极管是在电池组件中反向并联于太阳能电池片组两端的二极管。在需要分流时，旁路二极管可以转移电流从而保护过热点的光伏电池。但旁路二极管的引入，会导致遮蔽情况下光伏阵列的功率—电压曲线呈现多峰特性。在此状况下的光伏电板串列的功率—电压曲线存在多个功率峰，这对最大功率点的跟踪增加了难度。如何准确描述这种现象，吸引了许多研究人员的关注。
在文献1(P.Lei,Y.Li,and J.E.Seem,“Sequential esc-based global mpptcontrol for photovoltaic array with variable shading,”IEEE Transactions onSustainable Energy,vol.2,no.3,pp.348–358,July 2011.)与文献2(HEYDARIDOOSTABAD,Hamed,KEYPOUR,Reza,M.R.Khalghani,and M.H.Khooban,“A new approach in mppt forphotovoltaic array based on extremum seeking control under uniform and non-uniform irradiances,”Solar Energy,vol.94,no.4,pp.28–36,2013.)中，极值搜索控制(ESC)用于跟踪局部阴影(PSCs)下的功率峰值。在每个功率梯度内，系统循环中搜索每个局部峰值，但是在系统中计算梯度所需的计算量通常很大。
文献3(A.K.Pati and N.C.Sahoo,“A new approach in maximum power pointtracking for a photovoltaic array with power management system usingfibonacci search algorithm under partial shading conditions,”Energy Systems,vol.7,no.1,pp.145–172,2016)中，Pati和Sahoo提出了一种可用于识别最大功率情况的算法，即使用Fibonacci搜索算法改进每次迭代中的搜索区域。
除了斐波那契搜索，许多软计算方法，如遗传算法(GA)，模拟退火(SA)，蚁群优化(ACO)，布谷鸟搜索(CS)等算法已经被应用解决此类问题。这些算法可以解决多峰情况下最大功率点跟踪问题，但是它们的跟踪性能通常决定于通过初始位置的选取和算法参数的设定，无法保证在所有功率峰中选出全局最大功率点。
发明内容
本发明目的是：提供一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，建立了一种利用组串电压和组件电压关系产生最优步进距离从而测量失配信息与功率峰数的方法，能够有效地量化电流—电压特性曲线中存在的峰值的数目与失配的情况。
本发明的技术方案是：
一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，通过计算光伏组串的电流—电压特性曲线中的台阶数来得出功率峰值的数目，假设一个光伏串列中的光伏组件受到了总共M种不同程度的光照，则该串列的电流—电压曲线中存在M个台阶和M-1个拐点，该串列存在M个局部最大功率点LMPPs，其中有1个为全局最大功率点GMPP。
具体的，计算光伏组串的电流—电压特性曲线中的台阶数的方法为：
假设光伏组串中有Nm个光伏组件，每个光伏组件的最大电压为Voc，每个子范围中不同操作状态的数目等于Ns；首先收集光伏组串的每个光伏组件的工作状态Oij，1≤i≤Ns,1≤j≤Nm；
具体在Voc的每四分之一处测量三个电流—电压特性曲线台阶的启动电流，Oij的值由以下公式确定：
Figure BDA0002475881610000021
其中，Vm为对应模块电压，Vf为设定的阈值电压；设N0为非工作模块的数量，No和Ns分别初始化为Nm和1；
为了测量每一台阶的启动电流，根据组件的开路电压Voc,m，将光伏组串的电流—电压特性曲线分成Ns部分，采样电压由以下公式确定：
Vs＝(4Nm-4No+1)Voc,m/4
在每个光照强度Gi所形成的台阶中，对模块电压Vm和串电流i进行采样，计算O和N0来识别特性失配光伏组串的功率峰数。
进一步的，所述在每个光照强度Gi所形成的台阶中，对模块电压Vm和串电流i进行采样，采用数组Is用来记录每个采样点的电流，其值接近其所在组件处于特定光照强度下的短路电流。
进一步的，设Nu为No新减少至0的个数，从而记录电流为Nu次；持续步进识别阴影信息，直到Vs大于整个光伏组串的开路电压Voc,s。
本发明的优点是：
1.本发明提出的功率峰数检测方法能够描述超过两个光照强度环境下的阴影信息，传统方法仅局限于两种光照的情况；
2.本发明的检测方法不需要额外的光照传感器；
3.本发明使用极少的步数实现了功率峰数的检测。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为受局部遮蔽影响的光伏串列的电流—电压曲线与功率—电压曲线；
图2为局部阴影和均匀光照条件下的组件电压与组串电压关系曲线；
图3为特定局部阴影情况下的阴影信息；
图4阴影模式识别流程图；
图5为实施例中提供的测量结构示意图；
图6为实施例中用于测试的6种不同的光照模式表；
图7为实施例中针对这6种不同的PSCs，本发明方法所产生的测量结果；
图8为本发明测量方法在太阳能光伏电板实际工作环境中搜索功率峰数的过程图。
具体实施方式
本发明提出的一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，能够描述复杂的阴影遮挡情况。
如图1所示，假设一个光伏串列中的光伏组件受到了总共M种不同程度的光照，则该串列的电流—电压曲线中存在M个阶梯和M-1个拐点。在图1中，4个光伏组件分别接受到1kW/m2，0.8kW/m2，0.4kW/m2，0.4kW/m2的光照，即3种不同程度的光照，所以该串列的电流—电压曲线中存在3个阶梯和2个拐点，系统存在3个局部最大功率点LMPPs，其中有1个为全局最大功率点GMPP。
如图2所示，四个光伏组件的组件电压与串压(Vm-Vs)特性，可用于研究局部阴影条件(PSCs)下的光伏组串特性。图2中增加的串电压表示相应的组件被激活。根据Vm-Vs特性，可以得出以下结论：
1.在均匀光照条件(UICs)下，所有组件工作，Vm1、Vm2、Vm3和Vm4在[0，Voc]范围内获得相同的电压值(Nm＝4)。
2.在局部阴影条件(PSCs)下，功率—电压曲线中的最大峰值数等于电流—电压曲线NG中的辐照度水平数。
3.在局部阴影条件(PSCs)下，模块在不同的电压范围内工作。在图2中，3/4的模块在[0，Voc]内被旁路(Vm2＝Vm3＝Vm4≈0V)；1/2的模块(Vm3＝Vm4≈0V)在[Voc，2Voc]内被旁路；在[2Voc，4Voc]内没有模块被旁路。每个子范围中不同操作状态的数目等于Ns。
基于如上事实，本发明提出可以通过计算电流—电压特性曲线中的台阶数来估计功率峰值的数目。这可以通过比较每一台阶的启动电流来完成。考虑图3所示的光伏系统，对四个串联光伏组件的电流—电压特性曲线中观察到3个台阶。
为了确定工作状态Oij(1≤i≤Ns,1≤j≤Nm)，本发明提出在Voc的每四分之一处测量三个电流—电压特性曲线台阶的启动电流。Oij的值由以下公式确定：
Figure BDA0002475881610000041
光伏组件的工作状态由其对应的PSC决定。从这个意义上讲，非工作模块N0的数量可以用来描述模块的工作状态。图4示出阴影识别处理的流程图。No和Ns分别初始化为Nm和1。为了测量每一台阶的启动电流，根据组件Voc,m的开路电压，将光伏组串的电流—电压特性曲线分成Ns部分，采样电压由以下公式确定：
Vs＝(4Nm-4No+1)Voc,m/4
在每个光照强度Gi所形成的台阶中，对模块电压Vm和串电流i进行采样。计算O和NO来识别特性失配光伏组串的功率峰数。一个数组Is用来记录每个采样点的电流，其值接近其所在组件处于特定光照强度下的短路电流。设Nu为No新减少至0的个数，从而记录电流为Nu次。例如，在图3中，m3和m4都接收0.4kW/m2。与G2中的工作状态相比，G3中还有两个模块工作。因此，Is3被记录了两次。
该算法会持续步进识别阴影信息，直到Vs大于整个光伏组串的开路电压Voc,s。
图5为本发明实施例提供的测量结构示意图。为了验证本发明提出的特性失配光伏组串的功率峰数测量方法的有效性。我们采用了Chroma 62020H-150S的光伏仿真电源，能够精确的模拟光伏串列在不同的阴影遮挡环境下的输出特性；测试系统通过一个可编程的电子负载来调节工作点；使用一个控制器控制电子负载用来实现本发明所提出的检测方法。
光伏仿真电源模拟了一个由6个光伏组件组成的串列。图6为用于测试的6种不同的光照模式。图7给出了针对这6中不同的PSCs，本发明所提出的特性失配光伏组串的功率峰数测量方法所产生的测量结果。
图7列出了采用本发明提出的方法搜索到的电流—电压特性曲线中功率峰数特征点(用圆圈标记)。结果表明在给定的六种环境下，本发明能够正确的检测出阴影遮挡信息以及功率峰数信息。
本发明所提出的功率峰数测量算法在不同PSCs下的实验结果：
(a)G1＝G2＝650W/m2，G3＝G4＝100W/m2，T＝33℃；
(b)G1＝900W/m2，G2＝G3＝610W/m2，G4＝100W/m2，T＝31℃；
(c)G1＝G2＝830W/m2，G3＝590W/m2，G4＝390W/m2，T＝29℃。
图8列出了采用本发明提出的方法在太阳能光伏电板实际工作环境中搜索功率峰数的过程(特征点结果使用黑色圆圈表示)。结果表明在给定的不同光照和温度的工作环境下，本发明能够正确的检测出阴影遮挡信息以及功率峰数信息。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，其特征在于，通过计算光伏组串的电流—电压特性曲线中的台阶数来得出功率峰值的数目，假设一个光伏串列中的光伏组件受到了总共M种不同程度的光照，则该串列的电流—电压曲线中存在M个台阶和M-1个拐点，该串列存在M个局部最大功率点LMPPs，其中有1个为全局最大功率点GMPP。
2.根据权利要求1所述的特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，其特征在于，计算光伏组串的电流—电压特性曲线中的台阶数的方法为：
假设光伏组串中有Nm个光伏组件，每个光伏组件的最大电压为Voc，每个子范围中不同操作状态的数目等于Ns；首先收集光伏组串的每个光伏组件的工作状态Oij，1≤i≤Ns,1≤j≤Nm；
具体在Voc的每四分之一处测量三个电流—电压特性曲线台阶的启动电流，Oij的值由以下公式确定：
Figure FDA0002475881600000011
其中，Vm为对应模块电压，Vf为设定的阈值电压；设N0为非工作模块的数量，No和Ns分别初始化为Nm和1；
为了测量每一台阶的启动电流，根据组件的开路电压Voc,m，将光伏组串的电流—电压特性曲线分成Ns部分，采样电压由以下公式确定：
Vs＝(4Nm-4No+1)Voc,m/4
在每个光照强度Gi所形成的台阶中，对模块电压Vm和串电流i进行采样，计算O和N0来识别特性失配光伏组串的功率峰数。
3.根据权利要求2所述的特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，其特征在于，所述在每个光照强度Gi所形成的台阶中，对模块电压Vm和串电流i进行采样，采用数组Is用来记录每个采样点的电流，其值接近其所在组件处于特定光照强度下的短路电流。
4.根据权利要求3所述的特性失配光伏组串的功率峰数测量方法，其特征在于，
设Nu为No新减少至0的个数，从而记录电流为Nu次；持续步进识别阴影信息，直到Vs大于整个光伏组串的开路电压Voc,s。
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