CN112187177B - 一种光伏组件多峰输出特性的特征参数计算方法 - Google Patents

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：

式(1)中，Y＝(qI_oR_sh/nκT)exp[qR_sh(I_ph+I_o-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；I_ph为光生电流；I_o为二极管反向饱和电流；R_s为串联电阻；R_sh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U_{module-normal}如式(2)：

式(2)中，M为组件内的电池数量；I_{ph 1}为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；I_module为组件输出电流；

在组件输出电流I_module大于首峰故障电池光生电流小于正常电池光生电流I_{ph 1}区间范围(即/>)，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)：

式(3)中，为首峰中故障电池数量；/>为首峰故障电池的并联电阻；

在电流区间，采样A₁、B₁、C₁三个数据点(U_1a,I_1a)、(U_1b,I_1b)和(U_1c,I_1c)，将A₁代入式(3)化简得式(4)：

式(4)中，F_1a＝[(I_ph1+I_o1-I_a)R_sh1-I_1aR_s1-n₁κTW(Y_1a)/q]；同理将B₁、C₁数据点带入式(3)得到ΔU_1b、ΔU_1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数和/>

在组件输出电流I_module大于第二峰转折点电流I_cutoff2，小于首峰故障电池光生电流区间范围(即/>)，采样D₁、E₁、F₁和G₁四个数据点(U_1d,I_1d)、(U_1e,I_1e)、(U_1f,I_1f)和(U_1g,I_1g)，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)：

式(6)中，为D₁采样点处对应/>片故障电池输出电压；

同理得出和/>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/>串联电阻/>二极管反向饱和电流/>

式(7)中：

R_{sop 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

在区间，采样获得A_k～C_k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：

通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数和/>在区间，采样获得D_k～G_k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/>

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：

式(1)中，Y＝(qI_oR_sh/nκT)exp[qR_sh(I_ph+I_o-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；I_ph为光生电流；I_o为二极管反向饱和电流；R_s为串联电阻；R_sh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U_{module-normal}如式(2)：

式(2)中，M为组件内的电池数量；I_{ph 1}为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；I_module为组件输出电流；

在组件输出电流I_module大于首峰故障电池光生电流小于正常电池光生电流I_{ph 1}区间范围(即/>)，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)：

式(3)中，为首峰中故障电池数量；/>为首峰故障电池的并联电阻；

在电流区间，采样A₁、B₁、C₁三个数据点(U_1a,I_1a)、(U_1b,I_1b)和(U_1c,I_1c)，将A₁代入式(3)化简得式(4)：

式(4)中，F_1a＝[(I_ph1+I_o1-I_a)R_sh1-I_1aR_s1-n₁κTW(Y_1a)/q]；同理将B₁、C₁数据点带入式(3)得到ΔU_1b、ΔU_1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数和/>

在组件输出电流I_module大于第二峰转折点电流I_cutoff2，小于首峰故障电池光生电流区间范围(即/>)，采样D₁、E₁、F₁和G₁四个数据点(U_1d,I_1d)、(U_1e,I_1e)、(U_1f,I_1f)和(U_1g,I_1g)，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)：

式(6)中，为D₁采样点处对应/>片故障电池输出电压；

同理得出和/>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/>串联电阻/>二极管反向饱和电流/>

式(7)中：

R_{sop 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

在区间，采样获得A_k～C_k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：

通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数和/>在区间，采样获得D_k～G_k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/>

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：

式(1)中，Y＝(qI_oR_sh/nκT)exp[qR_sh(I_ph+I_o-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；I_ph为光生电流；I_o为二极管反向饱和电流；R_s为串联电阻；R_sh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U_{module-normal}如式(2)：

式(2)中，M为组件内的电池数量；I_{ph 1}为首峰下的光生电流，首峰特征参数以下标1表示；I_module为组件输出电流；

在组件输出电流I_module大于首峰故障电池光生电流小于正常电池光生电流I_{ph 1}区间范围(即/>)，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)：

式(3)中，为首峰中故障电池数量；/>为首峰故障电池的并联电阻；

在电流区间，采样A₁、B₁、C₁三个数据点(U_1a,I_1a)、(U_1b,I_1b)和(U_1c,I_1c)，将A₁代入式(3)化简得式(4)：

式(4)中，F_1a＝[(I_ph1+I_o1-I_a)R_sh1-I_1aR_s1-n₁κTW(Y_1a)/q]；同理将B₁、C₁数据点带入式(3)得到ΔU_1b、ΔU_1c，通过式(5)求解首峰电池的特征参数和/>

在组件输出电流I_module大于第二峰转折点电流I_cutoff2，小于首峰故障电池光生电流区间范围(即/>)，采样D₁、E₁、F₁和G₁四个数据点(U_1d,I_1d)、(U_1e,I_1e)、(U_1f,I_1f)和(U_1g,I_1g)，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/>片故障电池输出电压如式(6)：

式(6)中，为D₁采样点处对应/>片故障电池输出电压；

同理得出和/>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/>串联电阻/>二极管反向饱和电流/>

式(7)中：

R_{sop 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

在区间，采样获得A_k～C_k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：

通过式(3)-(5)计算获得第k峰三个特征参数和/>在/>区间，采样获得D_k～G_k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/>