CN113726290B - 一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路、方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光伏运维技术领域，公开了一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路、方法，用于检测光伏组件上是否存在积雪；本发明在改进型的Buck‑Boost电路和继电器矩阵网络的电路设计基础上，通过基于MPPT思想的控制算法检测各光伏组串在当前辐照强度下的最大输出功率或通过调整PWM信号的占空比测量各光伏组串的短路电流，并通过参考光照传感器测量当前阳光辐照状态的参考值判断此时待检测光伏组串是否被积雪覆盖以及被积雪覆盖的程度，无需在光伏系统上外接传感器即可实现精准的积雪自动检测，改造成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及光伏运维技术领域，具体涉及一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路、方法。
背景技术
全球的经济重心位于北半球中高纬度地区，如美国、中国、日本、德国、英国、法国、加拿大等，此类地区的巨大能源消耗以及来自能源转型的碳排放压力，同时也造就了庞大的光伏市场。根据国际能源署IEA的统计，截至2019年末，全球光伏累计装机量达到了623GW，相当于28座三峡大坝的总装功率，市场规模9千多亿元人民币，其中中国、美国、日本、德国的光伏装机量占全球的63.1％。但在中高纬度地区，光伏系统在冬季会遭遇积雪的影响，使其无法高效发电，损失90％～100％的预期发电量，约占全年发电量的25％，屋顶过多的积雪也增加了建筑垮塌的风险。
现有的光伏组件积雪自动检测方式主要有：利用压力传感器检测光伏板表面积雪情况、利用超声波/激光/红外光传感器和接收器配对并通过接收器能否顺利接收到信号判断积雪情况、利用视觉传感器识别图像或颜色来检测是否积雪以及积雪的厚度。
上述光伏组件积雪自动检测方法依赖外加的传感器，为追求精准判断光伏组件的积雪情况，如压力传感器的方案需要在每一块光伏组件上布置压力传感器，对于已安装好的屋顶光伏系统或大规模的地面光伏电站来说改造成本巨大；超声波/激光/红外光传感器和接收器配对的方案需要发射器和接收器精准配合，易发生误判，精密的传感结构存在高成本和频繁的运维需求，也存在现存光伏系统改造成本高的弊端；基于视觉方法的积雪检测方案需要相对更昂贵的视觉/色彩传感器，同时需要高性能处理器能够在较短时间内处理多变的图像信息，或依赖海量数据/已标定的图片集完成机器学习训练以提高判断精确度。
总的来说，目前已公开的积雪自动检测方案存在改造成本高、维护成本高、初期投入成本较高的弊端。鉴于此，本发明提出一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路、方法，能够在满足低改造成本、低维护成本、低初期投入的前提下实现精准的光伏组件积雪自动检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路、方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
光伏组件即光伏板，通常是一个三明治结构，主要由光伏玻璃、太阳能电池片、背板、边框、EVA胶膜、焊带、接线盒等八大主材组成，其中核心是太阳能电池片。太阳能电池片本质上是一个大面积的PN结二极管，具有和硅光电池一样的性质。在黑暗环境时，太阳能电池片等效于普通的二极管，其伏安特性为：
式中Id为流过PN结的电流，又称暗电流，I0为反向饱和电流，q为电子电荷，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，U为加在PN结两端的电压。对于外加正向电压，I随U指数增长，称为正向电流；当外加电压为反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本是个常数。
当硅光电池接受光照时，根据光伏效应，入射光子把处于价带的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端即太阳能电池片两端加负载时就有光生电流流过负载，其中流过的电流：
式中Iph是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻的大小及硅光电池的结构特性有关。
当硅光电池在短路状态时(U＝0)，短路电流为：ISC＝Iph；当硅光电池在开路状态时(I＝0)，开路电压为：
如图2所示是不同光照强度下太阳能电池即硅光电池的伏安特性曲线，硅光电池的短路电流与光照强度呈线性关系，开路电压与光照强度呈对数关系。
当我们考察硅光电池的输出功率(即伏安特性曲线上任一工作点与两坐标轴围成的矩形面积)时，发现硅光电池两端加的负载不同，则输出功率不同，且存在一最大输出功率点。如图3所示，当太阳能电池的负载一定时，随着太阳能电池两端电压的变化，电池片的输出功率也会相应变化，同样存在一个最大输出功率点，可以表征当前太阳能电池的光照强度情况。在实验结论的基础上，硅光电池的最大输出功率与光照强度呈线性关系，如图4所示。因此从物理原理出发，有两种方案可以精准地检测光伏组件接收的辐照度，进而准确推断出光伏组件的积雪覆盖程度：①利用光伏组件的短路电流检测积雪程度；②利用光伏组件的最大输出功率检测积雪程度。
本发明基于以上物理原理和实验结论，结合了改进型的Buck-Boost电路、基于MPPT思想的控制算法、继电器矩阵网络，提出了一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路及方法，以解决光伏组件的积雪精确检测问题。
一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，用于检测光伏组件上是否存在积雪，包括：
至少一个光伏组件，依次串联；
Buck-Boost电路，包括由PWM信号控制的可控开关、与光伏组件连接的输入端，以及输出端；
电流电压检测模块，其用于测量Buck-Boost电路输入端和输出端的电压、电流；
参考光照传感器，用于测量当前的阳光辐照强度IRef，并通过与光伏组件的摆放倾角和数量相关的系数推断出无遮盖的光伏组件的最大输出功率kSIRef，其中k为比例系数，S为参考光照传感器与当前待检测的光伏组件总受光面积相关的系数；
继电器矩阵网络连通各个光伏组串，控制接入Buck-Boost电路输入端和输出端的光伏组串编号；控制光伏组串是否与光伏逆变器接通。继电器矩阵网络是由继电器组成的网状电路结构，能够实现随着积雪自动检测方法、除雪进程的推进，将各个光伏组串自由地接入到Buck-Boost电路的输入端或输出端；
控制芯片，与可控开关相连，通过改变PWM信号的占空比，使接入Buck-Boost电路输入端的光伏组件的输出电压，在电压域内由小到大进行全局扫描，得到当前负载状态和辐照状态下光伏组件的最大输出功率Px；通过比较Px与kSIRef的大小，判断光伏组件上的积雪覆盖情况以及覆盖程度。所述控制芯片接收来自电流电压检测模块的信号进行积雪情况和程度的判断，控制继电器矩阵网络的电路状态，给Buck-Boost电路中的可控开关输出PWM信号，控制光伏除雪装置的启停；本发明中基于MPPT思想的控制算法在控制芯片中运行，以此进行积雪状态检测的控制。
Buck-Boost电路是一种DC/DC变换电路，其特点是输出电压与输入电压的极性相反，且输出电压既可低于输入电压亦可高于输入电压，将待检测的光伏组件、光伏组串作为Buck-Boost电路的输入，可以在很大范围内改变其输出的电压大小，即能够实现寻找待检测的光伏组件的最大输出功率点。
Buck-Boost电路的原理图如图5-1所示，原理电路由一电源、可控开关、二极管、电感、电容、负载组成。可控开关通过控制芯片输出的PWM信号调制，整个电路分为两个状态，当可控开关闭合时，等效电路如图5-2所示：在开关闭合后的短期时间内，电路左侧相当于短路状态，电源的电流Is通过电感回到电源处。在这个过程中，二极管等效为断路处理，电感存储了部分电能。当可控开关断开时，等效电路如图5-3所示：电路断开后，电感为实现续流释放存储在电感中的电能，电流的方向不变，可等效为此阶段的电源，二极管等效为导线处理，电流通过负载回到电感，同时电容被充电。
假设一个开关周期为T，其中开关闭合时间为TON，开关断开时间为TOFF，T＝TON+TOFF，可控开关切换频率占空比/>通过KVL在开关闭合期间可列出如下方程：
VS＝VL；
当开关断开时，根据KVL可列出如下方程：
VL＝VO；
其中Δt＝TOFF＝T-TON＝T-DT＝(1-D)T；
在一个完整周期内，电感电流的变化量应该为0，因此：
(ΔiL)开关闭合+(ΔiL)开关断开＝0；
由此得到通过Buck-Boost电路输出的电压与输入电压反向，当PWM信号的占空比D＞0.5时，输出电压大于输入电压；当D＜0.5时，输出电压小于输入电压；当D＝0.5时，输出电压与输入电压相等。在以上方程中，输入电压为VS、输出电压为VO、电感值为L、电感电压为VL、电感的瞬时电流为iL。
进一步地，所述Buck-Boost电路包括IN+端、COM端、OUT-端，其中IN+端、COM端构成Buck-Boost电路的输入端，COM端、OUT-端构成Buck-Boost电路的输出端；输入端的电压与输出端的电压极性相反。
所述Buck-Boost电路是整个积雪自动检测方法的核心，与控制芯片相结合，能够控制接入Buck-Boost电路输入端的光伏组串的输出电压，并根据控制算法改变PWM信号的占空比，使接入Buck-Boost电路输入端的光伏组串的输出电压实现在电压域内由小至大的全局扫描，并得到当前负载状态和辐照状态下的最大输出功率Px；若令PWM信号的占空比为1，则可以得到接入在Buck-Boost电路输入端的光伏组串在当前辐照状态下的短路电流ISC。
所述参考光照传感器的特征是永远不会被积雪覆盖，起到与积雪自动检测方法得到的光伏组串最大输出功率或短路电流做对比的作用。参考光照传感器可以是微型硅光电池、光电探测器、光照度计、小型光伏组件、常规尺寸光伏组件等，朝南方竖直放置，即使遭遇降雪天气也可以免于被积雪或者灰尘覆盖；也可设置保护罩，在不使用参考光照传感器时将其保护起来免于被遮盖；或其他任何易于实现易于联想到的保证其不被积雪覆盖的方法。通过直接对参考光照传感器的电流或电压进行检测，或间接地通过继电器矩阵网络和Buck-Boost电路得到其电流电压参数，可以得到当前环境的阳光辐照强度IRef。假定参考光照传感器竖直朝南放置，那么参考光照传感器与直射太阳光线的夹角，和待检测的光伏组串与直射太阳光线的夹角不同，故利用此参考值，再乘以一个可标定的系数k，再乘以一个与当前待检测的光伏组串总受光面积相关的系数S，则可以得到在当前阳光辐照强度下无遮盖的光伏组串的最大输出功率kSIRef。通过当前环境的阳光辐照强度IRef，结合参考光照传感器的特性和参数，也可以得到在当前阳光辐照强度下无遮盖的光伏组串的短路电流I0。
通过比较上述过程得到的两个结果Px与kSIRef，可以得到待检测的光伏组串的积雪覆盖程度。若Px与kSIRef相差不大，则待检测的光伏组串未被积雪覆盖；若Px≤x·kSIRef，x为比例系数，可设定为20％或者其他值，则待检测的光伏组串被积雪覆盖。也可进一步地设置比例系数区间，如z·kSIRef＜Px≤x·kSIRef表明待检测的光伏组串被薄雪覆盖；Px≤z·kSIRef表明待检测的光伏组串被厚雪覆盖；当然也可通过实验获得界定积雪程度的更细化的比例系数，设置递增数列{an}，如果an·kSIRef＜Px≤an+1·kSIRef，n≥1，则待检测的光伏组串的积雪覆盖等级为n，等级n对应的积雪覆盖厚度大于等级n+1对应的积雪覆盖厚度。
通过比较上述过程得到的两个结果ISC与I0，可以得到待检测的光伏组串的积雪覆盖程度。若ISC与I0相差不大，则待检测的光伏组串未被积雪覆盖；若ISC≤y·I0，y为比例系数，可设定为50％或者其他值，则待检测的光伏组串被积雪覆盖。也可进一步地设置比例系数区间，如m·I0＜ISC≤y·I0表明待检测的光伏组串被薄雪覆盖；ISC≤m·I0表明待检测的光伏组串被厚雪覆盖；当然也可通过实验获得界定积雪程度的更细化的比例系数，设置递增数列{bn}，如果bn·I0＜ISC≤bn+1·I0，n≥1，则待检测的光伏组串的积雪覆盖等级为n，等级n对应的积雪覆盖厚度大于等级n+1对应的积雪覆盖厚度。
进一步地，IN+端与每个光伏组件的正极分别通过一个继电器连接，COM端与每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接；上述继电器组成所述的继电器矩阵网络；COM端与OUT-端连接一负载。
进一步地，各光伏组件共同组成光伏系统；所述积雪自动检测电路包括与市电连接的光伏逆变器，以及用于控制光伏逆变器与光伏系统的通断的继电器。
进一步地，共有N个光伏组件依次串联，N≥2，IN+端与每个光伏组件的正极分别通过一个继电器连接，COM端与每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接，OUT-端与从第二个开始的每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接；上述继电器组成的继电器矩阵网络能够将不同的光伏组件接入到Buck-Boost电路的输入端或者输出端。
进一步地，包括安装在各光伏组件背面的加热负载，所述加热负载连接至Buck-Boost电路的输出端，或者与市电连接。
除雪时，光伏组件本身以及加热负载，均可以通过继电器矩阵网络接入到Buck-Boost电路的输出端，由输入端的光伏组件通电发热除雪；光伏组件和加热负载也可以接入到市电中，通电发热除雪；还可以将市电和光伏自发电结合起来除雪；详细方案在具体实施方式中进行介绍。
一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，用于检测光伏组件上是否存在积雪，将所述积雪自动检测电路中的光伏组件，替换为光伏组串；每个光伏组串包括至少一个光伏组件；光伏组串中包括多个光伏组件时，多个光伏组件依次串联，且第一个光伏组件的正极定义为光伏组串的正极，最后一个光伏组件的负极定义为光伏组串的负极。
本发明的基于MPPT思想的控制算法是在上述电路设计的基础上，通过调节PWM信号的占空比实现对光伏组串最大输出功率的检测。其控制流程如图6所示：控制算法对待检测光伏组件或者光伏组串最大输出功率的判断分为全局寻优和局部寻优两部分，分别实现在全局范围快速定位最大功率区域，在局部区域，即最大功率区域内，精准定位最大功率点。
首先PWM信号的占空比从0开始，以较大的步长逐次递增占空比，每次改变占空比后都记录Buck-Boost电路输入端的输出功率，并与上一次占空比下得到的输出功率进行比较，若功率更大，则记录并刷新当前功率对应的占空比、功率、电压；若功率更小则不做处理。当占空比增加至1(或接近1)时，完成全局寻优，得到全局范围内的最大功率区域所对应的占空比、功率、电压，而后开始局部寻优过程。以全局寻优得到的最大输出功率区域的PWM占空比为中心，在其上增加微小扰动，并记录增加微扰后的功率，若功率比增加微扰前更大，则最大功率点在增加微扰的正方向，并继续在此方向增加微扰；若功率较增加微扰前减小，则最大功率点在增加微扰的反方向，改变微扰的符号后再次增加微扰。当微扰的方向改变2次后，在局部区域找到了当前负载和辐照状态下的最大功率点，并返回最大功率点对应的最大输出功率、PWM占空比、输入端电压。
微扰即微小扰动，所述大步长是相对微扰而言的，大步长对应的占空比数值比微扰对应的占空比数值大，两者的数值均可根据需要人为设定。
本发明还包括光伏逆变器；所述光伏逆变器为常见商用光伏逆变器，其接在光伏组件积雪自动检测电路的后端，当对光伏组串进行积雪检测时，将断开与光伏逆变器的连接，使光伏系统离网，防止因检测过程中改变电路状态对电网产生冲击或其他意外危险。
本发明还包括光伏除雪装置，在具体实施方式中进行说明。
本发明中的光伏组件积雪自动检测方法按照如图7所示的工作流程进行：初始状态时光伏系统在正常发电状态工作，当检测到输入光伏逆变器的电流小于设定的阈值时，认为光伏系统的正常发电受到了影响；通过参考光照传感器得到当前的阳光辐照状态，当阳光辐照强度大于设定阈值时，说明输入光伏逆变器的电流减小是因为光伏系统被积雪覆盖，排除了黑夜和阴天等非积雪导致的弱辐照强度因素的影响。此外，若利用光伏组件自身作为除雪能源，此操作可以判断出当前的阳光辐照状态是否足够支持光伏组件自身完成除雪任务的功率需求；若阳光辐照强度合适，则通过控制方法将参考光照传感器获得的阳光辐照值转换为利于各个光伏组串进行积雪检测的功率阈值或短路电流阈值；从第一个光伏组串开始，通过基于MPPT思想的控制算法判断当前编号的光伏组串是否被积雪覆盖及积雪覆盖程度，若没被积雪覆盖，则通过继电器矩阵网络切换至下一个光伏组串对其检测，若被积雪覆盖，则通过光伏除雪装置对当前编号的光伏组串进行除雪操作，完成除雪后通过继电器矩阵网络切换至下一个光伏组串对其检测，直至全部光伏组串都被检测和除雪完成。
上述流程中对于光伏组串的积雪自动检测可以使用检测最大输出功率的方法或检测短路电流的方法，也可以将检测最大输出功率的方法与检测短路电流的方法结合起来；光伏系统中包括N个光伏组串时，用检测最大输出功率的方法对前面N-1个光伏组串进行积雪检测，用检测短路电流的方法对第N个光伏组串进行积雪检测。
本发明中的检测方法，既可以适用于光伏组件积雪检测，也可以适用于光伏组串积雪检测。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1.本发明在改进型的Buck-Boost电路和继电器矩阵网络的电路设计基础上，通过基于MPPT思想的控制算法检测各光伏组串在当前辐照强度下的最大输出功率或通过调整PWM信号的占空比测量各光伏组串的短路电流，并通过参考光照传感器测量当前阳光辐照状态的参考值判断此时待检测光伏组串是否被积雪覆盖以及被积雪覆盖的程度，无需在光伏系统上外接传感器即可实现精准的积雪自动检测，改造成本低廉。
2.参考光照传感器除微型硅光电池、光电探测器、光照度计、小型光伏组件外还可以采用常规的光伏组件，能够实现以常规光伏组件为全部能源供应的离网的光伏组件积雪自动检测。
附图说明
图1为本发明光伏组件积雪自动检测电路的整体结构图；
图2为不同光照强度下太阳能电池的伏安特性曲线；
图3为太阳能电池的伏安特性曲线以及输出功率与电压的关系；
图4为不同温度下太阳能电池输出功率与阳光辐照强度的关系；
图5-1为Buck-Boost电路原理图；
图5-2为开关闭合时Buck-Boost等效电路；
图5-3为开关断开时Buck-Boost等效电路；
图6为本发明基于MPPT思想的控制算法流程图；
图7为本发明光伏组件积雪自动检测方法的工作流程图；
图8为本发明Buck-Boost电路与光伏组串(组件数量不同)连接模式图；
图9为改进型的Buck-Boost电路；
图10为Buck-Boost电路输出端固定一负载、各光伏组串中光伏组件数量不同的无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路结构图；
图11为以光伏组串作为Buck-Boost电路输出端负载、各光伏组串中光伏组件数量不同的无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路结构图；
图12为Buck-Boost电路输出端固定一负载、各光伏组串中光伏组件数量相同的无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路结构图；
图13为以光伏组串作为Buck-Boost电路输出端负载、各光伏组串中光伏组件数量相同的无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路结构图；
图14为市电与光伏自发电混合除雪电路结构图(各组串组件数量不同)；
图15为市电与光伏自发电混合除雪电路结构图(各组串组件数量相同)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
光伏组件是光伏系统中用于发电的基本单元，光伏组件依次串联；光伏组串则是为便于对整个光伏系统进行快速的积雪检测、清除而人为划分的含有一定数量的光伏组件的小组。光伏组串按编号依次排列，每个光伏组串含有一定数量的光伏组件，不同编号的光伏组串中的光伏组件数量可以相同亦可以不同。
如图8所示，将Buck-Boost电路抽象为一个三端口电路，三个端口分别为IN+端、COM端、OUT-端，其中COM端同时作为IN-和OUT+存在，即IN+端与COM端构成了Buck-Boost电路的输入端，COM端与OUT-端构成了Buck-Boost电路的输出端，通过可控开关的通断进行改变。在原理图的基础上，改进型的Buck-Boost电路设计如图9所示，基本原理与现有Buck-Boost电路相同，其中包括了输入端与输出端的电流检测模块。
实施例1：
以包含20个光伏组件的光伏系统为例，为实现本发明所述的积雪检测功能，可采用一种如图10所示的电路结构，继电器矩阵网络连接的各个光伏组串中光伏组件数量不同，随着光伏组串序号的增加，光伏组件数量递增，如光伏组串0包含2个光伏组件、光伏组串1和光伏组串2均包含1个光伏组件、光伏组串3包含2个光伏组件、光伏组串4包含3个光伏组件、光伏组串5包含4个光伏组件、光伏组串6包含7个光伏组件，Buck-Boost电路输出端固定连接一负载。
当通过电流传感器A1检测到输入光伏逆变器的电流减小后，通过参考光照传感器排除黑夜或阴天等非积雪引起的发电功率降低后，控制芯片逐个光伏组串地进行积雪检测，精准定位被积雪覆盖的组串。当对光伏组串0检测积雪程度时，将继电器k01、k02闭合，光伏组串0接入到Buck-Boost电路输入端，此时通过控制芯片运行基于MPPT思想的控制算法，检测光伏组串0的最大输出功率，并与通过参考光照传感器标定得到的用于判断光伏组串0积雪程度的功率阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，开始进行光伏组串1的检测，将k01、k02断开，同时闭合继电器k11、k12；以与上述相同的流程对光伏组串1是否积雪以及积雪程度进行检测。以此类推，直至完成全部光伏组串的积雪检测。
实施例2：
以包含20个光伏组件的光伏系统为例，为实现本发明所述的积雪检测功能，可采用一种如图11所示的电路结构，其特征是继电器矩阵网络连接的各个光伏组串中光伏组件数量不同，随组串序号增加组件数量递增，如光伏组串0包含2个光伏组件、光伏组串1和光伏组串2均包含1个光伏组件、光伏组串3包含2个光伏组件、光伏组串4包含3个光伏组件、光伏组串5包含4个光伏组件、光伏组串6包含7个光伏组件，Buck-Boost电路的输出端通过一系列继电器与不同的光伏组串相连接，此方案利用待检测组串的下一组串作为Buck-Boost电路的输出端负载。
当通过电流传感器A1检测到输入光伏逆变器的电流减小后，通过参考光照传感器排除黑夜或阴天等非积雪引起的发电功率降低后，控制芯片逐个光伏组串地进行积雪检测，精准定位被积雪覆盖的组串。当对光伏组串0检测时，将继电器k01、k02、k03闭合，光伏组串0接入到Buck-Boost电路输入端，而光伏组串1接入到Buck-Boost电路输出端，因Buck-Boost电路对输出电压的反向，相当于光伏组串0的输出电压经Buck-Boost电路调制后正极与光伏组串1的正极相连，负极与光伏组串1的负极相连，此时光伏组串1相当于一个负载，后面实施例5中会讲到，可以利用光伏组串0提供能源为光伏组串1反向通电并除雪。通过控制芯片运行基于MPPT思想的控制算法，检测光伏组串0的最大输出功率，并与通过参考光照传感器定标得到的用于判断光伏组串0积雪程度的功率阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，开始进行光伏组串1的检测。将k01、k02、k03断开，同时闭合继电器k11、k12、k13，以与上述相同的流程对光伏组串1的积雪程度进行检测。以此类推，当进行到最后一个组串即光伏组串6时，其后续无其他的光伏组串，此时利用光伏组串的短路电流对积雪程度进行检测。将继电器k61、k62闭合，光伏组串6接入到Buck-Boost电路输入端，通过控制芯片输出占空比为1的PWM信号，此时Buck-Boost电路的状态如图5-2所示，在电路中电流状态稳定后，电感可近似为导线处理，则实现了对光伏组串6的短路操作。通过电流传感器A2测量光伏组串6的短路电流，并与通过参考光照传感器定标得到的用于判断光伏组串6积雪程度的电流阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，则完成了整个光伏系统的积雪检测以及除雪操作。
实施例3：
如图12所示，实施例3与实施例1的区别在于：继电器矩阵网络连接的各个光伏组串中光伏组件数量相同，且光伏组串由1开始编号。
当通过电流传感器A1检测到输入光伏逆变器的电流减小后，通过参考光照传感器排除黑夜或阴天等非积雪引起的发电功率降低，控制芯片逐个光伏组串地进行积雪检测，精准定位被积雪覆盖的组串。当对光伏组串1检测积雪程度时，将继电器k11、k12闭合，光伏组串1接入到Buck-Boost电路输入端，此时通过控制芯片运行基于MPPT思想的控制算法，检测光伏组串1的最大输出功率，并与通过参考光照传感器定标得到的用于判断光伏组串1积雪程度的功率阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，开始进行光伏组串2的检测。将k11、k12断开，同时闭合继电器k21、k22，以与上述相同的流程对光伏组串2的积雪程度进行检测。以此类推，直至完成全部光伏组串的积雪检测。
实施例4：
如图13所示，实施例4与实施例2的区别在于：继电器矩阵网络连接的各个光伏组串中光伏组件数量相同，且光伏组串由1开始编号。
当通过电流传感器A1检测到输入光伏逆变器的电流减小后，通过参考光照传感器排除黑夜或阴天等非积雪引起的发电功率降低后，控制芯片逐个光伏组串地进行积雪检测，精准定位被积雪覆盖的组串。当对光伏组串1检测积雪程度时，将继电器k11、k12、k13闭合，光伏组串1接入到Buck-Boost电路输入端，而光伏组串2接入到Buck-Boost电路输出端，因Buck-Boost电路对输出电压的反向，相当于光伏组串1的输出电压经Buck-Boost电路调制后正极与光伏组串2的正极相连，负极与光伏组串2的负极相连，此时光伏组串2相当于一个负载。通过控制芯片运行基于MPPT思想的控制算法，检测光伏组串1的最大输出功率，并与通过参考光照传感器定标得到的用于判断光伏组串1积雪程度的功率阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，开始进行光伏组串2的检测。将k11、k12、k13断开，同时闭合继电器k21、k22、k23，以与上述相同的流程对光伏组串2的积雪程度进行检测。以此类推，当进行到最后一个组串即光伏组串5时，其后续无其他的光伏组串，此时利用光伏组串的短路电流对积雪程度进行检测。将继电器k51、k52闭合，光伏组串5接入到Buck-Boost电路输入端，通过控制芯片输出占空比为1的PWM信号，此时Buck-Boost电路的状态如图5-2所示，在电路中电流状态稳定后，电感可近似为导线处理，则实现了对光伏组串5的短路操作。通过电流传感器A2测量光伏组串5的短路电流，并与通过参考光照传感器定标得到的用于判断光伏组串5积雪程度的电流阈值比较，确定其是否积雪、积雪程度。若积雪，对其进行除雪操作；若无积雪，则完成了整个光伏系统的积雪检测以及除雪操作。
实施例5：
本发明还可以通过光伏除雪装置实现除雪。
光伏除雪装置，可以通过以下方式实现：
(1)光伏组件背板贴附具有电加热功能的器件，如碳膜加热片、电热丝等；
(2)光伏组件上安装机械刮除装置如轨道式的机器人、类似汽车雨刮器的机械装置；
(3)将光伏组件反向通电使其自发热除雪；
其中使用光伏组件反向通电的除雪方法，在经济性和改造成本方面具有优势，即方式(3)。
本发明提供了五种优选的，能够与本发明中的积雪自动检测电路、检测方法相适配的实施例。
实施例5-1：
光伏组件反向通电：以光伏组件自身为能源。如图11所示，实施例2判断某光伏组串存在积雪时，以光伏组串1为例，光伏组串0作为除雪的能源接入在Buck-Boost电路输入端，继电器k01、k02闭合，光伏组串1作为负载接入在Buck-Boost电路输出端，继电器k03闭合。通过本发明所述基于MPPT思想的控制算法可以精确定位光伏组串0的最大功率输出点，保证对被积雪覆盖的光伏组串1高效供能除雪。待除雪的光伏组串由其前序所有光伏组串共同供能除雪，值得注意的是，通过在光伏系统中合理划分光伏组串，可以使供能光伏组件数量：待除雪光伏组件数量≈2：1，实现高效除雪。为更清晰地说明，首先以光伏组串1的除雪举例，光伏组串0作为除雪的能源接入在Buck-Boost电路输入端，继电器k01、k02闭合，光伏组串1作为负载接入在Buck-Boost电路输出端，继电器k03闭合，令2个光伏组件对1个光伏组件供能除雪。随着除雪进程的推进，加入供能端的组串数量变多，除雪的效率会提高。以光伏组串6的除雪举例，光伏组串0～5作为除雪的能源接入在Buck-Boost电路输入端，继电器k01、k52闭合，光伏组串6作为负载接入在Buck-Boost电路输出端，继电器k53闭合，令13个光伏组件对7个光伏组件供能除雪。除雪效率逐级提高。
如图13所示，实施例4中各个光伏组串包括相同数量的光伏组件时，当通过光伏组串1完成对光伏组串2的反向通电除雪后，仍可实现供能光伏组件数量与待除雪光伏组件数量之比约等于2∶1，如光伏组串1与光伏组串2对光伏组串3除雪、光伏组串2与光伏组串3对光伏组串4除雪，以此类推；2∶1的比例关系只是为了快速除雪，1∶1在原理上也可以实现相应的功能，但耗时会更长；3∶1则会加快除雪速度。对本实施例所述的供能端光伏组件数量与负载端光伏组件数量的比值，仅为示例性的描述，不应视为限制，本领域技术人员可根据实际除雪需求进行设置。
本实施例中的光伏除雪装置即为光伏组串本身。
实施例5-2：
光伏组件反向通电：以市电为能源。如图12、13所示，实施例3和实施例4各个光伏组串中光伏组件数量相同，当通过本发明基于MPPT思想的控制算法判断某光伏组串被积雪覆盖后，可以市电为能源对该组串进行反向通电除雪。市电通过滤波整流电路转为直流，升压后反向接通在待除雪的组串两端实现组件均匀升温除雪(图中未画出滤波整流电路及升压电路)。
本实施例中的光伏除雪装置即为市电以及控制市电通断的继电器。
实施例5-3：
电加热法：以光伏组件自身为能源。如图10、图12所示，实施例1和实施例3中，将电加热法所需的碳膜加热片、电阻丝等安装在光伏组件背板上，并作为负载连接至Buck-Boost电路输出端；当通过本发明的基于MPPT思想的控制算法判断某光伏组串被积雪覆盖后，以实施例1中光伏组串6被积雪覆盖举例，控制继电器k01、k52闭合，通过被积雪覆盖的组串的前序所有组串对负载供能使其发热，清除光伏组件表面的积雪。随着除雪进程的推进，加入供能端的组串数量变多，负载的发热功率增大，除雪的效率会提高。
本实施例中的光伏除雪装置即为光伏组串本身以及加热负载。
实施例5-4：
电加热法：以市电为能源。如图10、11、12、13所示(其中图11、13未画出电加热所需的碳膜加热片等负载)，实施例1、2、3、4中，电加热法所需的碳膜加热片、电阻丝等安装在光伏组件背板上，并连接至市电；各个光伏组串中光伏组件数量相同或不同均可使用。当通过本发明的基于MPPT思想的控制算法判断某光伏组串被积雪覆盖后，以市电为能源对该组串中的碳膜加热片、电阻丝等器件供能，使其发热除雪。
本实施例中的光伏除雪装置为市电和加热负载。
实施例5-5：
市电与光伏自发电混合除雪。在上述以光伏组件自身为能源的除雪实施例中，存在第一个光伏组串的积雪无法自动清除的问题，可行的方案是将第一个组串的光伏组件特殊安装，如竖直放置，使其无法被积雪覆盖；如在实施例5-1、图11中，将光伏组串0的2个光伏组件竖直安装；或者使用可变倾角支架，通过改变光伏支架的倾角使雪滑落；或者通过人为的手段清除最初一个光伏组串的积雪，在这种情况中，光伏组串0可充当参考光照传感器，同时此种方式可实现完全离网的积雪自动检测和清除。
为了实现整体积雪检测和除雪过程的自动化，避免上述特殊放置光伏组件增加的改造成本，可通过市电与光伏自发电结合的方式，节约电能的同时自动化地完成积雪检测和清除任务。
在检测到光伏系统被积雪覆盖后，通过市电完成第一个光伏组串的除雪，即得到了为其他光伏组串除雪的初始能源，而后的积雪检测和除雪过程参照上述实施例的方式完成。如图14、图15所示，当利用市电为第一个光伏组串除雪时，控制继电器ks1、ks2闭合，将第一个光伏组串接入Buck-Boost电路输出端，同时将滤波整流后的市电接入Buck-Boost电路输入端，将整流为直流电后的市电升压，以一定的功率供给第一个光伏组串除雪。
本发明所述积雪自动检测方法及电路，以及为更清晰说明发明内容而提供的实施例，不仅仅适用于小规模光伏系统，可以将每个组串的光伏组件数量扩大，继承或包含本发明思想的解决方案还可用于大规模的光伏系统中，如集中式光伏地面电站和工商业光伏屋顶等。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (12)
1.一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，用于检测光伏组件上是否存在积雪，其特征在于，包括：
至少一个光伏组件，依次串联；
Buck-Boost电路，包括由PWM信号控制的可控开关、与光伏组件连接的输入端，以及输出端；
电流电压检测模块，其用于测量Buck-Boost电路输入端和输出端的电压、电流；
参考光照传感器，用于测量当前的阳光辐照强度IRef，并通过与光伏组件的摆放倾角和数量相关的系数推断出无遮盖的光伏组件的最大输出功率kSIRef，其中k为比例系数，S为参考光照传感器与当前待检测的光伏组件总受光面积相关的系数；
继电器矩阵网络，通过继电器分别将不同的光伏组件接入到Buck-Boost电路的输入端；
控制芯片，与可控开关相连，通过改变PWM信号的占空比，使接入Buck-Boost电路输入端的光伏组件的输出电压，在电压域内由小到大进行全局扫描，得到当前负载状态和辐照状态下光伏组件的最大输出功率Px；通过比较Px与kSIRef的大小，判断光伏组件上的积雪覆盖程度。
2.根据权利要求1所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：所述Buck-Boost电路包括IN+端、COM端、OUT-端，其中IN+端、COM端构成Buck-Boost电路的输入端，COM端、OUT-端构成Buck-Boost电路的输出端；输入端的电压与输出端的电压极性相反。
3.根据权利要求2所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：IN+端与每个光伏组件的正极分别通过一个继电器连接，COM端与每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接；上述继电器组成所述的继电器矩阵网络能够将不同的光伏组件接入到Buck-Boost电路的输入端；COM端与OUT-端连接一负载。
4.根据权利要求2所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：共有N个光伏组件依次串联，N≥2，IN+端与每个光伏组件的正极分别通过一个继电器连接，COM端与每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接，OUT-端与从第二个开始的每个光伏组件的负极分别通过一个继电器连接；上述继电器组成的继电器矩阵网络能够将不同的光伏组件接入到Buck-Boost电路的输入端或者输出端。
5.根据权利要求2所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：包括安装在各光伏组件背面的加热负载，所述加热负载连接至Buck-Boost电路的输出端，或者与市电连接。
6.根据权利要求1所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：各光伏组件共同组成光伏系统；所述积雪自动检测电路包括与市电连接的光伏逆变器，以及用于控制光伏逆变器与光伏系统的通断的继电器。
7.根据权利要求1所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，其特征在于：所述参考光照传感器包括微型硅光电池、光电探测器、光照度计、小型光伏组件、常规尺寸光伏组件中的任意一种。
8.一种无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路，用于检测光伏组件上是否存在积雪，其特征在于：将权利要求1-7中任一项所述积雪自动检测电路中的光伏组件，替换为光伏组串；每个光伏组串包括至少一个光伏组件；光伏组串中包括多个光伏组件时，多个光伏组件依次串联，且第一个光伏组件的正极为该光伏组串的正极，最后一个光伏组件的负极为该光伏组串的负极。
9.一种如权利要求8所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路的检测方法，当输入光伏逆变器的电流小于设定的阈值，且参考光照传感器得到的阳光辐照强度大于阈值时，通过继电器矩阵网络将光伏组串N接入到Buck-Boost电路的输入端，并对光伏组串N进行如下步骤：
PWM信号的占空比从0开始，以设定的大步长逐次递增；
每次改变PWM信号占空比后，记录Buck-Boost电路输入端的输出功率，即光伏组串N的输出功率；并与上一次占空比下得到的功率进行比较，若本次的功率更大，则记录并刷新当前功率对应的占空比、功率、电压；若功率更小则不做处理；
当占空比增加至1，或者增加至X时，完成全局寻优，得到全局范围内的最大功率区域所对应的占空比、功率、电压；其中0.8＜X＜1；
以全局范围内得到的最大功率区域的PWM信号占空比为中心，增加微扰，并记录增加微扰后的功率；
若功率比增加微扰前更大，则最大功率点在增加微扰的方向，并继续在此方向增加微扰；
若功率较增加微扰前减小，则最大功率点在增加微扰的反方向，改变微扰的符号后再次增加微扰；
当微扰的方向改变两次后，即在局部范围找到了当前负载和辐照状态下的最大功率点，并返回最大功率点对应的光伏组串最大输出功率Px、PWM信号占空比、Buck-Boost电路输入端电压；
以参考光照传感器测量的当前阳光辐照强度值为基础，推算当前阳光辐照强度下、无遮盖的光伏组串的最大输出功率kSIRef；
比较Px和kSIRef，若Px≤x·kSIRef，x为比例系数，则光伏组串N被积雪覆盖；
N＝N+1，即通过继电器矩阵网络将下一组光伏组串接入到Buck-Boost电路的输入端；
重复上述步骤，直至完成所有光伏组串的积雪检测。
10.根据权利要求9所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路的检测方法，其特征在于：设置递增数列{an}；如果an·kSIRef＜Px≤an+1·kSIRef，n≥1，则待检测的光伏组串的积雪覆盖等级为n，等级n对应的积雪覆盖厚度大于等级n+1对应的积雪覆盖厚度。
11.一种如权利要求8所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路的检测方法，当输入光伏逆变器的电流小于设定的阈值，且参考光照传感器得到的阳光辐照强度大于阈值时，通过继电器矩阵网络将光伏组串N接入到Buck-Boost电路的输入端，并对光伏组串N进行如下步骤：
控制PWM信号的占空比为1，测量光伏组串N的短路电流ISC；
以参考光照传感器测量的当前阳光辐照强度值为基础，标定得到用于判断光伏组串N积雪程度的电流阈值I0；
如果ISC≤y·I0，y为比例系数，则光伏组串N被积雪覆盖；
N＝N+1，即通过继电器矩阵网络将下一组光伏组串接入到Buck-Boost电路的输入端；
重复上述步骤，直至完成所有光伏组串的积雪检测。
12.根据权利要求11所述无需外接传感器的光伏组件积雪自动检测电路的检测方法，其特征在于：设置递增数列{bn}；如果bn·I0＜ISC≤bn+1·I0，n≥1，则待检测的光伏组串的积雪覆盖等级为n，等级n对应的积雪覆盖厚度大于等级n+1对应的积雪覆盖厚度。
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