CN112187177A - 一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法 - Google Patents

一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法 Download PDF

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Abstract

一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法，其特征是基于太阳电池正反向显式输出特性模型，根据约束电流区间范围内正常电池与故障电池输出电压关系，通过采样光伏组件的电压电流数据点计算出首峰特征参数，利用光伏组件输出叠加特性，对第k峰的数据点在相同电流下进行求解分离，进而计算获得第k峰特性参数。

Description

一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法
技术领域：
本发明设计光伏发电领域，尤其涉及一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法。
背景技术：
太阳能作为一种无消耗燃料，无噪声无污染可持续的可再生能源，是我国能源科技发展的新趋势，是为国家战略规划重点关注领域之一。中国的商用分布式光伏发电技术经过近年来不断发展，已经广泛应用于国内多数电站，但在实际应用中光伏组件容易被建筑、灰尘、异物、阴影等遮挡物遮挡，长时间遮挡会产生热斑现象，影响正常组件的工作状态，加速其老化程度，更会造成组件局部过热引发安全问题，因此使得从技术层面解决运维的瓶颈问题成为分布式光伏发电技术发展最迫切的需求之一。
发明内容：
本发明旨在针对当光伏组件处于故障状态时，其输出特性呈现多峰形式的问题，提出一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法，通过采样光伏组件的电压电流数据点，计算多峰输出特性的特征参数，为光伏电站的精确运维提供一种判定光伏组件工作状态和性能指标方法。
按此目的，本发明拟采用以下技术方案：
基于太阳电池正反向显式输出特性模型，根据约束电流区间范围内正常电池与故障电池输出电压关系，通过采样光伏组件的电压电流数据点计算出首峰特征参数，利用光伏组件输出叠加特性，对第k峰的数据点在相同电流下进行求解分离，进而计算获得第k峰特性参数，具体步骤如下：
步骤1：多峰输出特性曲线的首峰特征参数计算：
太阳电池输出特性显式表达式，如式(1)所示：
Figure BDA0002721664680000011
式(1)中，Y＝(qIoRsh/nκT)exp[qRsh(Iph+Io-I)/nκT]；W表示LambertW函数；U、I分别为太阳电池输出电压和输出电流；q为电子电量；κ为玻尔兹曼常数；T为电池工作温度；Iph为光生电流；Io为二极管反向饱和电流；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；n二极管理想因子；
由式(1)获得首峰中组件电池均处于正常状态下的电压Umodule-normal如式(2)：
Figure BDA0002721664680000021
式(2)中，M为组件内的电池数量；Iph 1为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；Imodule为组件输出电流；
在组件输出电流Imodule大于首峰故障电池光生电流
Figure BDA0002721664680000022
小于正常电池光生电流Iph 1区间范围(即
Figure BDA0002721664680000023
)，令故障状态下组件输出电压和正常状态下组件的输出电压作差，得电压差ΔU如式(3)：
Figure BDA0002721664680000024
式(3)中，
Figure BDA0002721664680000025
为首峰中故障电池数量；
Figure BDA0002721664680000026
为首峰故障电池的并联电阻；
在
Figure BDA0002721664680000027
电流区间，采样A1、B1、C1三个数据点(U1a,I1a)、(U1b,I1b)和(U1c,I1c)，将A1代入式(3)化简得式(4)：
Figure BDA0002721664680000028
式(4)中，F1a＝[(Iph1+Io1-Ia)Rsh1-I1aRs1-n1κTW(Y1a)/q]；同理将B1、C1数据点带入式(3)得到ΔU1b、ΔU1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数
Figure BDA0002721664680000029
和
Figure BDA00027216646800000210
Figure BDA00027216646800000211
在组件输出电流Imodule大于第二峰转折点电流Icutoff2，小于首峰故障电池光生电流
Figure BDA00027216646800000212
区间范围(即
Figure BDA00027216646800000213
)，采样D1、E1、F1和G1四个数据点(U1d,I1d)、(U1e,I1e)、(U1f,I1f)和(U1g,I1g)，根据采样点处故障电池和正常电池输出电压叠加关系，得采样点处m1片故障电池输出电压如式(6)：
Figure BDA00027216646800000214
式(6)中，
Figure BDA00027216646800000215
为D1采样点处对应
Figure BDA00027216646800000216
片故障电池输出电压；
同理得出
Figure BDA0002721664680000031
和
Figure BDA0002721664680000032
根据太阳电池正向输出特性表达式，利用式(7)获得首峰其余三个特性参数，分别为二极管理想因子
Figure BDA0002721664680000033
串联电阻
Figure BDA0002721664680000034
二极管反向饱和电流
Figure BDA0002721664680000035
Figure BDA0002721664680000036
式(7)中：
Figure BDA0002721664680000037
Rsop 1为F1处故障电池等效电阻；
步骤2：多峰输出特性曲线的第k峰特征参数计算
在
Figure BDA0002721664680000038
区间，采样获得Ak～Ck三个数据点，根据光伏组件内部特性与外部输出形式叠加性，由式(8)将第k峰的数据点分离：
Figure BDA0002721664680000039
通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数
Figure BDA00027216646800000310
和
Figure BDA00027216646800000311
在
Figure BDA00027216646800000312
区间，采样获得Dk～Gk四个数据点，利用式(6)-(8)结合太阳电池正向输出特性表达式，获得第k峰的其余特性参数
Figure BDA00027216646800000313
附图说明：
图1为本发明所提一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法流程图；
图2为本发明所需采样点位置示意图；
图3为本发明参数计算结果所绘制的I-V曲线与实验数据对比图；
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。
如图1为光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法流程图，以该流程图为基础，根据约束电流区间范围内正常电池与故障电池输出电压关系，通过采样光伏组件的电压电流数据点计算出首峰特征参数，利用光伏组件输出叠加特性，对第k峰的采样得到的数据点在相同电流下进行求解分离，进而计算获得第k峰特性参数，具体计算步骤分为两步：
步骤1：多峰输出特性曲线的首峰特征参数计算：
太阳电池输出特性显式表达式，如式(1)所示：
Figure BDA0002721664680000041
式(1)中，Y＝(qIoRsh/nκT)exp[qRsh(Iph+Io-I)/nκT]；W表示LambertW函数；U、I分别为太阳电池输出电压和输出电流；q为电子电量；κ为玻尔兹曼常数；T为电池工作温度；Iph为光生电流；Io为二极管反向饱和电流；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；n二极管理想因子；
由式(1)获得首峰中组件电池均处于正常状态下的电压Umodule-normal如式(2)：
Figure BDA0002721664680000042
式(2)中，M为组件内的电池数量；Iph 1为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；Imodule为组件输出电流；
在组件输出电流Imodule大于首峰故障电池光生电流
Figure BDA0002721664680000043
小于正常电池光生电流Iph 1区间范围(即
Figure BDA0002721664680000044
)，令故障状态下组件输出电压和正常状态下组件的输出电压作差，得电压差ΔU如式(3)：
Figure BDA0002721664680000045
式(3)中，
Figure BDA0002721664680000046
为首峰中故障电池数量；
Figure BDA0002721664680000047
为首峰故障电池的并联电阻；
在
Figure BDA0002721664680000048
电流区间，采样A1、B1、C1三个数据点(U1a,I1a)、(U1b,I1b)和(U1c,I1c)，将A1代入式(3)化简得式(4)：
Figure BDA0002721664680000051
式(4)中，F1a＝[(Iph1+Io1-Ia)Rsh1-I1aRs1-n1κTW(Y1a)/q]；同理将B1、C1数据点带入式(3)得到ΔU1b、ΔU1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数
Figure BDA0002721664680000052
和
Figure BDA0002721664680000053
Figure BDA0002721664680000054
在组件输出电流Imodule大于第二峰转折点电流Icutoff2，小于首峰故障电池光生电流
Figure BDA0002721664680000055
区间范围(即
Figure BDA0002721664680000056
)，采样D1、E1、F1和G1四个数据点(U1d,I1d)、(U1e,I1e)、(U1f,I1f)和(U1g,I1g)，根据采样点处故障电池和正常电池输出电压叠加关系，得采样点处m1片故障电池输出电压如式(6)：
Figure BDA0002721664680000057
式(6)中，
Figure BDA0002721664680000058
为D1采样点处对应
Figure BDA0002721664680000059
片故障电池输出电压；
同理得出
Figure BDA00027216646800000510
和
Figure BDA00027216646800000511
根据太阳电池正向输出特性表达式，利用式(7)获得首峰其余三个特性参数，分别为二极管理想因子
Figure BDA00027216646800000512
串联电阻
Figure BDA00027216646800000513
二极管反向饱和电流
Figure BDA00027216646800000514
Figure BDA00027216646800000515
式(7)中：
Figure BDA0002721664680000061
Rsop 1为F1处故障电池等效电阻；
步骤2：多峰输出特性曲线的第k峰特征参数计算
在
Figure BDA0002721664680000062
区间，采样获得Ak～Ck三个数据点，根据光伏组件内部特性与外部输出形式叠加性，由式(8)将第k峰的数据点分离：
Figure BDA0002721664680000063
通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数
Figure BDA0002721664680000064
和
Figure BDA0002721664680000065
在
Figure BDA0002721664680000066
区间，采样获得Dk～Gk四个数据点，利用式(6)-(8)结合太阳电池正向输出特性表达式，获得第k峰的其余特性参数
Figure BDA0002721664680000067
综上所述，在光伏组件I-V曲线约束电流区间范围采样电压电流数据点，计算出首峰特征参数，利用光伏组件输出叠加特性，对第k峰的数据点在相同电流下进行求解分离，进而完成多峰输出特性的光伏组件特征参数计算。采样点位置示意图如图2所示。
为了证明本发明所提出方法的有效性和可靠性，通过开展光伏组件多峰输出特性实验，由图3可知实验采集数据与利用参数计算方法所绘制的I-V曲线的拟合程度较高，说明本方法具有良好的工程应用前景，有利于光伏电站的精准运维。

Claims (1)

1.一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法，其特征是基于太阳电池正反向显式输出特性模型，根据约束电流区间范围内正常电池与故障电池输出电压关系，通过采样光伏组件的电压电流数据点计算出首峰特征参数，根据光伏组件输出叠加特性，对第k峰的数据点在相同电流下进行求解分离，进而计算获得第k峰特性参数，具体步骤如下：
步骤1：多峰输出特性曲线的首峰特征参数计算：
太阳电池输出特性显式表达式，如式(1)所示：
Figure FDA0002721664670000011
式(1)中，Y＝(qIoRsh/nκT)exp[qRsh(Iph+Io-I)/nκT]；W表示LambertW函数；U、I分别为太阳电池输出电压和输出电流；q为电子电量；κ为玻尔兹曼常数；T为电池工作温度；Iph为光生电流；Io为二极管反向饱和电流；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻；n二极管理想因子；
由式(1)获得首峰中组件电池均处于正常状态下的电压Umodule-normal如式(2)：
Figure FDA0002721664670000012
式(2)中，M为组件内的电池数量；Iph 1为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；Imodule为组件输出电流；
在组件输出电流Imodule大于首峰故障电池光生电流
Figure FDA0002721664670000013
小于正常电池光生电流Iph 1区间范围(即
Figure FDA0002721664670000014
)，令故障状态下组件输出电压和正常状态下组件的输出电压作差，得电压差ΔU如式(3)：
Figure FDA0002721664670000015
式(3)中，
Figure FDA0002721664670000016
为首峰中故障电池数量；
Figure FDA0002721664670000017
为首峰故障电池的并联电阻；
在
Figure FDA0002721664670000018
电流区间，采样A1、B1、C1三个数据点(U1a,I1a)、(U1b,I1b)和(U1c,I1c)，将A1代入式(3)化简得式(4)：
Figure FDA0002721664670000019
式(4)中，F1a＝[(Iph1+Io1-Ia)Rsh1-I1aRs1-n1κTW(Y1a)/q]；同理将B1、C1数据点带入式(3)得到ΔU1b、ΔU1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数
Figure FDA00027216646700000110
和
Figure FDA00027216646700000111
Figure FDA0002721664670000021
在组件输出电流Imodule大于第二峰转折点电流Icutoff2，小于首峰故障电池光生电流
Figure FDA0002721664670000022
区间范围(即
Figure FDA0002721664670000023
)，采样D1、E1、F1和G1四个数据点(U1d,I1d)、(U1e,I1e)、(U1f,I1f)和(U1g,I1g)，根据采样点处故障电池和正常电池输出电压叠加关系，得采样点处
Figure FDA0002721664670000024
片故障电池输出电压如式(6)：
Figure FDA0002721664670000025
式(6)中，
Figure FDA0002721664670000026
为D1采样点处对应
Figure FDA0002721664670000027
片故障电池输出电压；
同理得出
Figure FDA0002721664670000028
和
Figure FDA0002721664670000029
根据太阳电池正向输出特性表达式，利用式(7)获得首峰其余三个特性参数，分别为二极管理想因子
Figure FDA00027216646700000210
串联电阻
Figure FDA00027216646700000211
二极管反向饱和电流
Figure FDA00027216646700000212
Figure FDA00027216646700000213
式(7)中：
Figure FDA00027216646700000214
Rsop 1为F1处故障电池等效电阻；
步骤2：多峰输出特性曲线的第k峰特征参数计算
在
Figure FDA0002721664670000031
区间，采样获得Ak～Ck三个数据点，根据光伏组件内部特性与外部输出形式叠加性，由式(8)将第k峰的数据点分离：
Figure FDA0002721664670000032
通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数
Figure FDA0002721664670000033
和
Figure FDA0002721664670000034
在
Figure FDA0002721664670000035
区间，采样获得Dk～Gk四个数据点，利用式(6)-(8)结合太阳电池正向输出特性表达式，获得第k峰的其余特性参数
Figure FDA0002721664670000036
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