CN114520630B - 一种基于i-v曲线的光伏组串多峰检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于I‑V曲线的光伏组串多峰检测方法，属于光伏发电技术领域。该多峰检测方法涉及的光伏组串由多个结构相同的光伏组件串联而成。当光伏组串发生失配时，如阴影遮挡、玻璃碎裂、热斑，光伏组串的I‑V曲线出现下凹点，P‑V曲线出现多峰，对I‑V数据进行平滑和插值处理后，利用平行的检测直线簇，通过检测I‑V曲线的畸变来判断多峰。本发明利用I‑V曲线数据能够在线准确判断出光伏组串多峰问题，可用于光伏组串的故障诊断，适用于具备光伏组串I‑V扫描功能的各种规模光伏电站，为运维人员提供告警，提高光伏系统的发电效率和可靠性。

Description

一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法
技术领域
本发明涉及光伏组串多峰检测方法，具体是涉及一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
当光伏组串存在阴影遮挡，玻璃碎裂等故障时，故障组件发生失配，导致整个组串的I-V曲线出现下凹的台阶，P-V曲线出现多峰，严重影响了光伏组串的输出功率，不利于MPPT搜素，使得系统发电量下降。实现串联光伏组串多峰的在线检测，能够对运维人员提供告警，及时清除故障，I-V曲线的台阶检测方法可用于故障诊断，对于提高光伏系统的发电效率具有重要意义。
文献“Diagnostic method for photovoltaic systems based on light I-Vmeasurements”.《Solar Energy》，2015，119：29-44.(“基于I-V测量的光伏系统诊断方法”，《Solar Energy》，2015年第119卷29页-44页)提出一种通过对光伏组串的I-V曲线求导，以求导后曲线上的负峰值点判断曲线的凹凸性，当I-V曲线有微小抖动时可能会影响判断结果。
中国专利“一种串联光伏组件多峰P-U曲线划分区间方法”CN106846436A)提出一种通过对P-U曲线划分区间进行凹凸性判断检测多峰的方法，本方法则直观反映了I-V曲线的凹凸性，后续可用于故障诊断。
中国专利“一种光伏组件的故障诊断方法和装置”(公布号：CN109194286A)提出一种通过光伏组件I-V曲线上的数据点，每五点首尾构成检测直线判断内其余三点到检测直线的距离检测I-V曲线的凹凸性的方法，该方法检测直线斜率一直在变化，每一次检测需要从新计算，计算量较大。
综上所述，现有技术中还存在着以下问题：
1、I-V曲线的抖动影响判断结果；
2、判别方法复杂，诊断结果不直观；
3、计算量大，诊断过程较为耗时。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法，旨在简单准确地诊断出光伏系统由于电流失配故障导致的光伏组串多峰问题，为运维人员提供及时的告警。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法，所述光伏组串由多个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由3个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括d个光伏电池片和一个旁路二极管，d个光伏电池片串联后与旁路二极管反并联；
所述多峰检测方法包括以下步骤：
步骤1，通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组串的I-V输出特性曲线数据，共得到128组数据，对该128组数据按照电压的值从大到小依次进行排序，得到排序后的128组数据，将排序后的128组数据中的任意一组记为排序数据F1(Un，In)，其中，n为排序数据F1(Un，In)的序号，n＝0，1...127，Un为排序电压，In为与排序电压Un对应的排序电流；
在128个排序数据F1(Un，In)中，U0＝VOC，I0＝0且U127＝0，I127＝ISC，其中，VOC为光伏组串的开路电压，ISC为光伏组串的短路电流；
步骤2，对128组排序数据F1(Un，In)中的排序电流In进行N轮平滑处理，其中N为正整数，具体如下：
定义步骤1得到的排序电流In为第0轮平滑排序电流，并改写为I0n，定义第j轮平滑处理后得到的排序电流为第j轮平滑排序电流Ijn，其中，j＝1，2...N，n＝0，1...127；
以第0轮平滑排序电流I0n为起点，按照j＝1，2...N的顺序依次进行平滑处理，第j轮平滑排序电流Ijn的赋值规则如下：
(1)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝1至126时，
若满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝I(j-1)n；
若不满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝(I(j-1)(n-1)+I(j-1)(n+1))/2；
(2)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝0时，则Ij0＝I0；
(3)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝127时，则Ij127＝I127；
N轮平滑处理完成后得到128个第N轮平滑排序电流INn，将该128个第N轮平滑排序电流INn赋值到128组排序数据F1(Un，In)中，并将赋值后的任意一组记为平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)，其中，USmooth_n为平滑电压，ISmooth_n为平滑电流，Usmooth_n＝Un，ISmooth_n＝INn，n＝0，1...127；
步骤3，令平滑电压USmooth_n的值保持不变，对平滑电流ISmooth_n进行线性插值；记插值处理后的平滑电流ISmooth_n为插值电流IInt_n，插值电流IInt_n的赋值规则如下计算式如下：
(1)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)序号n＝1至126时，
Figure BDA0003568333040000031
(2)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝0时，则IInt_0＝ISmooth_0；
(3)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝127时，则IInt_127＝ISmooth_127；
插值完成后得到128个插值电流IInt_n，将该128个插值电流IInt_n赋值到128组平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)中，并将赋值后的任意一个记为插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，其中，UInt_n为插值电压，IInt_n为插值电流，Uint_n＝USmooth_n，n＝0，1...127；
步骤4，根据步骤3得到的128组插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，以插值电压UInt_n为横轴，以插值电流IInt_n为纵轴，在平面坐标系中绘制出一条I-V曲线；
步骤5，对步骤4得到的I-V曲线进行畸变检测，具体包括以下步骤：
步骤5.1，作点(UInt_127，IInt_127)和点(UInt_0，IInt_0)之间的连线，并记为直线A0，直线A0的斜率为：
Figure BDA0003568333040000041
然后在[IInt_127，2IInt_127]区间内，以
Figure BDA0003568333040000042
为间距在直线A0的上方作直线A0的平行线，设共得到包括直线A0的Y条直线，其中Q为给定的阈值，记该Y条直线中的任意一条直线为直线At，t＝0，1，...Y-1；
步骤5.2，按照t＝0，1，...Y-1的顺序，将I-V曲线上每一个插值数据F3(UInt_n，IInt_n)对应的数据点与直线At进行比较，并验证该数据点否满足给定的下凹条件；
若在验证过程中，出现了满足下凹条件的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组串存在多峰；
若Y条直线均验证结束，未出现任何一个满足下凹条件的数据点，确认该光伏组串不存在多峰；
所述下凹条件指的是数据点对应的插值数据F3(UInt_n，IInt_n)须同时满足以下三个条件：
IInt_n＜kUInt_n+(b+tQ)；
IInt_n-1＜kUInt_n-1+(b+tQ)，IInt_n+1＜kUInt_n+1+(b+tQ)，IInt_n-1＞0；
IInt_n-4＞kUInt_n-4+(b+tQ)，IInt_n+4＞kUInt_n+4+(b+tQ)，IInt_n-4＞0；
其中，b为直线A0与I-V曲线纵轴的交点到原点的距离，且b＝IInt_127。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可以利用I-V曲线准确判断出光伏组串的多峰问题，可用于故障诊断；
2、可以实现在线检测，方便运维；
3、可实际应用于具有光伏组串I-V扫描功能的各种规模的光伏电站，经济便捷；
4、可提供告警，及时清除故障，提高光伏系统的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中光伏组串结构示意图；
图2为本发明实施例中光伏组件结构示意图；
图3为本发明多峰检测方法的流程图；
图4为光伏组串I-V曲线存在异常点的I-V曲线图；
图5为光伏组串中存在失配的I-V曲线图；
图6为光伏组串中存在失配的P-V曲线图；
图7为本发明多峰检测方法步骤5的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明实施例中光伏组串结构示意图，图2为本发明实施例中光伏组件结构示意图，由图1、图2可见，本发明为一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法，所述光伏组串由多个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由3个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括d个光伏电池片和一个旁路二极管，d个光伏电池片串联后与旁路二极管反并联。
在本实施例中，光伏组串由22个光伏组件串联而成，光伏子串的电池片数d＝20。
图3为本发明多峰检测方法的流程图，由图3可见，所述多峰检测方法包括以下步骤：
步骤1，通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组串的I-V输出特性曲线数据，共得到128组数据，对该128组数据按照电压的值从大到小依次进行排序，得到排序后的128组数据，将排序后的128组数据中的任意一组记为排序数据F1(Un，In)，其中，n为排序数据F1(Un，In)的序号，n＝0，1...127，Un为排序电压，In为与排序电压Un对应的排序电流；
在128个排序数据F1(Un，In)中，U0＝VOC，I0＝0且U127＝0，I127＝ISC，其中，VOC为光伏组串的开路电压，ISC为光伏组串的短路电流。
步骤2，对128组排序数据F1(Un，In)中的排序电流In进行N轮平滑处理，其中N为正整数，具体如下：
定义步骤1得到的排序电流In为第0轮平滑排序电流，并改写为I0n，定义第j轮平滑处理后得到的排序电流为第j轮平滑排序电流Ijn，其中，j＝1，2...N，n＝0，1...127；
以第0轮平滑排序电流I0n为起点，按照j＝1，2...N的顺序依次进行平滑处理，第j轮平滑排序电流Ijn的赋值规则如下：
(1)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝1至126时，
若满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝I(j-1)n；
若不满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝(I(j-1)(n-1)+I(j-1)(n+1))/2；
(2)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝0时，则Ij0＝I0；
(3)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝127时，则Ij127＝I127；
N轮平滑处理完成后得到128个第N轮平滑排序电流INn，将该128个第N轮平滑排序电流INn赋值到128组排序数据F1(Un，In)中，并将赋值后的任意一组记为平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)，其中，USmooth_n为平滑电压，ISmooth_n为平滑电流，USmooth_n＝Un，ISmooth_n＝INn，n＝0，1...127。
图4为光伏组串I-V曲线存在异常点的I-V曲线图，横坐标轴为光伏组串的电压，纵坐标轴为光伏组串的电流，光伏组串I-V曲线中可能存在的异常的上凸点或下凹点，因此会对I-V曲线的下凹检测造成影响，所以对其进行N次平滑处理，以消除异常的上凸点或下凹点。在本实施例中，N＝30，即共进行了30轮的平滑处理。
步骤3，令平滑电压USmooth_n的值保持不变，对平滑电流ISmooth_n进行线性插值；记插值处理后的平滑电流ISmooth_n为插值电流IInt_n，插值电流IInt_n的赋值规则如下计算式如下：
(1)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)序号n＝1至126时，
Figure BDA0003568333040000071
(2)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝0时，则IInt_0＝ISmooth_0；
(3)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝127时，则IInt_127＝ISmooth_127；
插值完成后得到128个插值电流IInt_n，将该128个插值电流IInt_n赋值到128组平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)中，并将赋值后的任意一个记为插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，其中，UInt_n为插值电压，IInt_n为插值电流，Uint_n＝USmooth_n，n＝0，1...127。
步骤4，根据步骤3得到的128组插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，以插值电压UInt_n为横轴，以插值电流IInt_n为纵轴，在平面坐标系中绘制出一条I-V曲线。
步骤5，对步骤4得到的I-V曲线进行畸变检测，具体包括以下步骤：
步骤5.1，作点(UInt_127，IInt_127)和点(UInt_0，IInt_0)之间的连线，并记为直线A0，直线A0的斜率为：
Figure BDA0003568333040000072
然后在[IInt_127，2IIen_127]区间内，以
Figure BDA0003568333040000073
为间距在直线A0的上方作直线A0的平行线，设共得到包括直线A0的Y条直线，其中Q为给定的阈值，记该Y条直线中的任意一条直线为直线At，t＝0，1，...Y-1；
步骤5.2，按照t＝0，1，...Y-1的顺序，将I-V曲线上每一个插值数据F3(UInt_n，IInt_n)对应的数据点与直线At进行比较，并验证该数据点否满足给定的下凹条件；
若在验证过程中，出现了满足下凹条件的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组串存在多峰；
若Y条直线均验证结束，未出现任何一个满足下凹条件的数据点，确认该光伏组串不存在多峰；
所述下凹条件指的是数据点对应的插值数据F3(UInt_n，IInt_n)须同时满足以下三个条件：
IInt_n＜kUInt_n+(b+tQ)；
IInt_n-1＜kUInt_n-1+(b+tQ)，IInt_n+1＜kUInt_n+1+(b+tQ)，IInt_n-1＞0；
IInt_n-4＞kUInt_n-4+(b+tQ)，IInt_n+4＞kUInt_n+4+(b+tQ)，IInt_n-4＞0；
其中，b为直线A0与I-V曲线纵轴的交点到原点的距离，且b＝IInt_127。
图5为光伏组串中存在失配组件的I-V曲线图，当光伏组串中的光伏组件存在失配时，失配光伏组串的I-V曲线出现下凹点特征，较正常I-V曲线而言，失配光伏组串的I-V曲线发生畸变。
图6为光伏组串中存在失配组件的P-V曲线图，其中横坐标轴为光伏组串的电压，纵坐标轴为光伏组串的功率，由图6可见，失配光伏组串的P-V曲线出现多峰特征。
图7为本发明多峰检测方法步骤5的示意图。从图中可见，当检测到直线Ax时，失配光伏组串I-V曲线上出现了满足上述下凹条件的数据点，即该数据点的UInt_i和IInt_i同时满足以下三个条件：
IInt_i＜kUInt_i+(b+xQ)；
IInt_i-1＜kUInt_i-1+(b+xQ)，IInt_i+1＜kUInt_i+1+(b+xQ)，IInt_i-1＞0；
IInt_i-4＞kUInt_i-4+(b+xQ)，IInt_t+4＞kUInt_t+4+(b+xQ)，IInt_t-4＞0；
该下凹条件的满足说明出现了落在直线Ax下方的数据点。从图7上看，有3个数据点落在直线Ax下方，I-V曲线出现了下凹段，停止验证，确认该光伏组串存在多峰。

Claims (1)

1.一种基于I-V曲线的光伏组串多峰检测方法，所述光伏组串由多个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由3个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括d个光伏电池片和一个旁路二极管，d个光伏电池片串联后与旁路二极管反并联；
其特征在于，所述多峰检测方法包括以下步骤：
步骤1，通过带有I-V扫描功能的逆变器获取光伏组串的I-V输出特性曲线数据，共得到128组数据，对该128组数据按照电压的值从大到小依次进行排序，得到排序后的128组数据，将排序后的128组数据中的任意一组记为排序数据F1(Un，In)，其中，n为排序数据F1(Un，In)的序号，n＝0，1…127，Un为排序电压，In为与排序电压Un对应的排序电流；
在128个排序数据F1(Un，In)中，U0＝VOC，I0＝0且U127＝0，I127＝ISC，其中，VOC为光伏组串的开路电压，ISC为光伏组串的短路电流；
步骤2，对128组排序数据F1(Un，In)中的排序电流In进行N轮平滑处理，其中N为正整数，具体如下：
定义步骤1得到的排序电流In为第0轮平滑排序电流，并改写为I0n，定义第j轮平滑处理后得到的排序电流为第j轮平滑排序电流Ijn，其中，j＝1，2…N，n＝0，1…127；
以第0轮平滑排序电流I0n为起点，按照j＝1，2…N的顺序依次进行平滑处理，第j轮平滑排序电流Ijn的赋值规则如下：
(1)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝1至126时，
若满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝I(j-1)n；
若不满足I(j-1)(n-1)≤I(j-1)n≤I(j-1)(n+1)，则Ijn＝(I(j-1)(n-1)+I(j-1)(n+1))/2；
(2)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝0时，则Ij0＝I0；
(3)当排序数据F1(Un，In)的序号n＝127时，则Ij127＝I127；
N轮平滑处理完成后得到128个第N轮平滑排序电流INn，将该128个第N轮平滑排序电流INn赋值到128组排序数据F1(Un，In)中，并将赋值后的任意一组记为平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)，其中，USmooth_n为平滑电压，ISmooth_n为平滑电流，USmooth_n＝Un，ISmooth_n＝INn，n＝0，1…127；
步骤3，令平滑电压USmooth_n的值保持不变，对平滑电流ISmooth_n进行线性插值；记插值处理后的平滑电流ISmooth_n为插值电流IInt_n，插值电流IInt_n的赋值规则如下计算式如下：
(1)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)序号n＝1至126时，
Figure FDA0003568333030000021
(2)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝0时，则IInt_0＝ISmooth_0；
(3)当平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)的序号n＝127时，则IInt_127＝ISmooth_127；
插值完成后得到128个插值电流IInt_n，将该128个插值电流IInt_n赋值到128组平滑数据F2(USmooth_n，ISmooth_n)中，并将赋值后的任意一个记为插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，其中，UInt_n为插值电压，IInt_n为插值电流，Uint_n＝USmooth_n，n＝0，1…127；
步骤4，根据步骤3得到的128组插值数据F3(UInt_n，IInt_n)，以插值电压UInt_n为横轴，以插值电流IInt_n为纵轴，在平面坐标系中绘制出一条I-V曲线；
步骤5，对步骤4得到的I-V曲线进行畸变检测，具体包括以下步骤：
步骤5.1，作点(UInt_127，IInt_127)和点(UInt_0，IInt_0)之间的连线，并记为直线A0，直线A0的斜率为：
Figure FDA0003568333030000022
然后在[IInt_127，2IInt_127]区间内，以
Figure FDA0003568333030000023
为间距在直线A0的上方作直线A0的平行线，设共得到包括直线A0的Y条直线，其中Q为给定的阈值，记该Y条直线中的任意一条直线为直线At，t＝0，1，...Y-1；
步骤5.2，按照t＝0，1，...Y-1的顺序，将I-V曲线上每一个插值数据F3(UInt_n，IInt_n)对应的数据点与直线At进行比较，并验证该数据点否满足给定的下凹条件；
若在验证过程中，出现了满足下凹条件的数据点，则证明I-V曲线有下凹点，停止验证，确认该光伏组串存在多峰；
若Y条直线均验证结束，未出现任何一个满足下凹条件的数据点，确认该光伏组串不存在多峰；
所述下凹条件指的是数据点对应的插值数据F3(UInt_n，IInt_n)须同时满足以下三个条件：
IInt_n＜kUInt_n+(b+tQ)；
IInt_n-1＜kUInt_n-1+(b+tQ)，IInt_n+1＜kUInt_n+1+(b+tQ)，IInt_n-1＞0；
IInt_n-4＞kUInt_n-4+(b+tQ)，IInt_n+4＞kUInt_n+4+(b+tQ)，IInt_n-4＞0；
其中，b为直线A0与I-V曲线纵轴的交点到原点的距离，且b＝IInt_127。
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