CN203251245U - 光伏阵列动态组态优化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光伏阵列动态组态优化系统，包括相连接的主电路、控制电路，所述主电路包括固定部分光伏阵列组件、开关矩阵、可调整部分光伏阵列组件，固定部分光伏阵列组件通过开关矩阵与可调整部分光伏阵列组件连接，控制电路包括主控板、驱动电路、检测电路；主控板通过驱动电路分别与固定部分光伏阵列组件、可调整部分光伏阵列组件连接，可调整部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接，固定部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接；本实用新型将组态优化控制策略应用到光伏组件水平，基于DSP主控板建立光伏阵列动态组态优化系统，根据采样数据实时自动更新，成本低、简单实用。

Description

光伏阵列动态组态优化系统

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏阵列技术领域，尤其涉及一种光伏阵列动态组态优化系统。 

背景技术

太阳能作为一种新能源，与传统的能源相比具有储量丰富、分布广泛、清洁环保等优点，因此，它的研究与应用越来越受当今社会的重视。 

传统的光伏阵列的串并联结构是固定的，当阴影发生时，阵列中的光伏组件特性会互相影响，导致光伏阵列的输出功率减少。为减小阴影的影响，使光伏阵列根据自身的工作状态实时自动调整其连接方式，即动态组态优化，是提高光伏阵列输出功率的重要方法。现有技术还提出了一种基于模型预测控制的组态优化方法来实现光伏阵列最大输出功率控制，但该文献只通过实际例子对东、南、西3个方向安装的光伏组件进行交叉重新组态。现有技术将光伏阵列分为固定部分和可调整部分，通过开关矩阵将两部分连接，其控制策略分别采用冒泡法和基于模型的控制算法对开关矩阵进行控制。现有技术中对控制策略进行改进，但是这些方法都是基于太阳能电池元，而不是作为光伏阵列基本单元的光伏组件。现有技术将开关矩阵置于光伏阵列和集中逆变器之间，在总体阵列结构TCT一定的情况下，根据光强均衡算法，改变阵列中组件的位置，选出能传递最大功率的阵列组态，从这些组态中选出需调整组件数量最少的组态作为最优组态。但所需要的开关器件和检测元件较多。现有技术中电气阵列重构控制器可以感受光强的高中低，但可供选择的光伏阵列只有并联、串联、串并联三种组态。 

现有技术的组态优化控制算法中控制对象是太阳能电池元，而多数光伏阵列是通过光伏组件的串并联连接实现的，硬件平台是基于MATLAB和记录数据、采集和存档管理的硬件设备Agilent Data Acquisition/Switch Unit34907A进行通信、控制，整个硬件平台成本较高；组态优化开始的条件是不断检测第一行的输出电压V₁和整个阵列的输出电压V_out，当V₁＜δV或V_out-(m×V₁)<δV时，判断出现局部阴影，启动组态优化控制策略。组态优化的控制准确度和稳定性很大程度上取决于δV的大小，现有技术的δV需要根据外部环境实时更新，难度较大。 

发明内容

本实用新型为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种光伏阵列动态组态优化系统；本实用新型将组态优化控制策略应用到光伏组件水平，基于DSP主控板建立光伏阵列动 态组态优化系统，实验平台成本较低、简单实用，使δV通过简单的算法根据采样数据实时自动更新。 

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的： 

一种光伏阵列动态组态优化系统，包括相连接的主电路、控制电路，所述主电路包括固定部分光伏阵列组件、开关矩阵、可调整部分光伏阵列组件，固定部分光伏阵列组件通过开关矩阵与可调整部分光伏阵列组件连接，控制电路包括主控板、驱动电路、检测电路；主控板通过驱动电路分别与固定部分光伏阵列组件、可调整部分光伏阵列组件连接，可调整部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接，固定部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接。 

所述主控板为DSP主控板。本实用新型基于TI公司的TMS320F2812DSP主控板建立光伏阵列动态组态优化系统作为实验平台，成本低、简单实用。 

当固定部分光伏阵列组件的某一行被阴影遮挡时，将可调整部分光伏阵列组件受光照较好的模组并联到该行来提高电流，减小阴影的影响，提高整个阵列的最大输出功率。 

在组态优化过程中，由于固定部分的存在，光伏阵列提供的电压电流可以满足与之相连器件的正常工作；所需的电压和电流传感器的总数为2m+1,开关数目为2m²，光伏阵列只需一个集中式的最大功率跟踪器。 

开关矩阵中的开关为电磁式继电器开关。电磁继电器控制简单，易于维护，能够实现控制电路与主电路电气隔离。 

考虑到光伏阵列的电压电流等级，本实用新型选用的电磁继电器的型号为BPM2-SS-212L，额定电流为5A，额定电压为30VDC，采用ULN2003实现对继电器的控制逻辑。 

检测电路的测量元件为霍尔电压传感器，型号为VSM025A，从电压传感器出来的信号经过调理电路进入A/D转换引脚。 

本实用新型的有益效果： 

1.本实用新型将组态优化控制策略应用到光伏组件水平； 

2.3.本实用新型采用主控板为DSP主控板建立光伏阵列动态组态优化系统作为实验平台，成本低、简单实用，根据采样数据实时自动更新。 

附图说明

图1组态优化控制系统的总体设计框图； 

图2组态优化控制系统算法流程图； 

图3开关矩阵示意图； 

图4继电器的驱动电路； 

图5电压调理电路。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。 

一种光伏阵列动态组态优化系统，包括相连接的主电路、控制电路，所述主电路包括固定部分光伏阵列组件、开关矩阵、可调整部分光伏阵列组件，固定部分光伏阵列组件通过开关矩阵与可调整部分光伏阵列组件连接，控制电路包括主控板、驱动电路、检测电路； 

主控板通过驱动电路分别与固定部分光伏阵列组件、可调整部分光伏阵列组件连接，可调整部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接，固定部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接。 

所述主控板为DSP主控板。本实用新型基于TI公司的TMS320F2812DSP主控板建立光伏阵列动态组态优化系统作为实验平台，成本低、简单实用，能达到好的控制效果。 

当固定部分光伏阵列组件的某一行被阴影遮挡时，将可调整部分光伏阵列组件受光照较好的模组并联到该行来提高电流，减小阴影的影响，提高整个阵列的最大输出功率。 

在组态优化过程中，由于固定部分的存在，光伏阵列提供的电压电流可以满足与之相连器件的正常工作；所需的电压和电流传感器的总数为2m+1,开关数目为2m²，光伏阵列采用一个集中式的最大功率跟踪器。 

开关矩阵中的开关为电磁式继电器开关。电磁继电器控制简单，易于维护，能够实现控制电路与主电路电气隔离。 

考虑到光伏阵列的电压电流等级，本实用新型选用的电磁继电器的型号为BPM2-SS-212L，额定电流为5A，额定电压为30VDC，采用ULN2003实现对继电器的控制逻辑。 

检测电路的测量元件为霍尔电压传感器，型号为VSM025A，从电压传感器出来的信号经过调理电路进入A/D转换引脚。 

本实用新型的工作原理、工作过程及试验说明： 

1.局部阴影对光伏阵列输出特性的影响 

忽略雪崩击穿的影响，光伏电池的等效电路方程为： 

$I=I_{\mathrm{PH}}-I_S\&lsqb;\exp (\frac{q(V+{\mathrm{IR}}_S)}{{\mathrm{kT}}_{C}A}-1)\&rsqb;-\frac{V+{\mathrm{IR}}_S}{R_{\mathrm{SH}}}---\left(1\right)$

一般光伏电池，串联电阻R_s很小，并联电阻R_sh很大，因此在进行理想电路计算时可以忽略不计，由此可得理想光伏电池的电路方程_[11]： 

$I=I_{\mathrm{PH}}-I_S\&lsqb;\exp (\frac{\mathrm{qV}}{{\mathrm{kT}}_{C}A}-1)\&rsqb;---\left(2\right)$

由式(2)可得，负载电压 

$V=\frac{{\mathrm{AkT}}_C}{q}\ln (\frac{I_{\mathrm{PH}}-I}{I_S}+1)---\left(3\right)$

进行开路实验时，光伏电池的开路电压为 

$V_{\mathrm{OC}}=\frac{\mathrm{Ak}{T}_C}{q}\ln (\frac{I_{\mathrm{PH}}-I}{I_S}+1)\&ap;\frac{\mathrm{Ak}{T}_C}{q}\ln \left(\frac{I_{\mathrm{PH}}}{I_S}\right)---\left(4\right)$

其中，I负载电流；I_PH光生电流；I_S反向饱和电流；V负载电压；R_s串联电阻；k是波尔兹曼常数，1.38*10-23J/K；q是电子电荷量，1.6*10-19C；T_C太阳能电池元的温度；A为二极管的品质因数，取值在1～2之间；R_SH并联电阻；V_oc开路电压。 

由于短路电流I_PH与太阳辐射强度G近似成正比，由式(4)可知，光伏电池的开路电压V_oc与太阳辐射强度G的对数成正比。 

本实用新型进行了三个试验，分别是：局部阴影对光伏组件开路电压的影响；局部阴影对TCT连接方式的光伏阵列的输出特性的影响；负载对局部阴影中的光伏阵列输出特性的影响。 

(1)为验证局部阴影对光伏组件开路电压的影响，本实用新型于2012年1月11日下午3：00-3：30之间进行遮阴试验。太阳能电池板选用基宇光能有限公司的产品。在标准测试条件下的开路电压V_oc=21.333V，短路电流I_sc=0.370A，最大输出功率P_m=5.296W，最大功率点处的电压V_m=17.201V，最大功率点处的电流I_m=0.308A。 

由于该型号的电池板没有旁路二极管，为更好的体现光伏阵列的实际情况，本实用新型将肖特基二极管反并联到光伏电池板，即肖特基二极管的负极接电池板的正极，肖特基二极管的正极接电池板的负极。未被遮挡时，单个模组的开路电压V_oc=19.25V。从上到下，每次遮挡增加一行，直至组件全部被遮挡，开路电压的变化如表1所示。 

由表1可知，当局部阴影发生时，光伏组件的开路电压减小；阴影的面积越大，开路电压越小。因此，可以基于开路电压的大小，判断那一个光伏组件受到的光照较好，哪一个光伏组件被遮挡，从而为组态优化控制提供依据。 

表1局部阴影对光伏组件开路电压的影响 

(2)为验证局部阴影对TCT连接方式的光伏阵列的输出特性的影响，本实用新型于2012年3月21日上午10:00-10:30之间对3*3TCT组态的光伏阵列进行遮阴试验，负载为1000Ω的大功率电阻，光伏阵列的遮挡情况分别为：①光伏阵列被遮挡一个模组，被遮挡的模组面积分别为4行、8行、12行和16行。②光伏阵列同时有两个模组被遮挡，被遮挡的两个模组面积均为4行、8行、12行和16行。光伏阵列每一行的输出电压和总输出电压分别设为V₁、V₂、V₃和V_out，试验结果如表2所示。 

由表2可知，以TCT方式连接的光伏阵列被遮挡的面积越大，被遮挡的行输出的电压越小，而未被遮挡的行输出电压变化不大，因而，光伏阵列总的输出电压随之减小。 

表2局部阴影对TCT连接方式的光伏阵列输出特性的影响(1000Ω) 

(3)为验证负载对局部阴影下光伏阵列输出特性的影响，本实用新型将负载为1000Ω的大功率电阻改为100Ω并进行遮阴试验，试验结果如表3所示。 

表3局部阴影对TCT连接方式的光伏阵列输出特性的影响(100Ω) 

由表3可知，当光伏阵列某一行的遮挡面积从零开始增加时，其输出特性与表2相同；与表2不同的是，遮挡面积增加到一定值后，被遮挡的行产生的电压为负值，但遮挡面积再增加，阵列总输出电压基本不变。 

试验2和试验3中，光伏阵列在阴影条件下呈现不同的输出特性，是因为负载的影响。 

当负载电阻较大时，要求光伏阵列提供的电流较小；当负载电阻较小时，要求光伏阵列 提供的电流较大。当光伏阵列的某行被遮挡时，该行的通过电流能力减小，但流过该行的电流值仍是其它未被遮挡的行产生的电流。 

试验2和试验3的测试条件基本相同，试验2负载所需的电流较小，试验3所需的电流较大，因此，阴影条件下，流过试验2被遮挡的行的电流小于该行的短路电流，故该行电压为正值；而流过试验3的被遮挡行的电流大于该行的短路电流，故该行的输出电压为负值。 

由表2和表3可知，在阴影面积增大过程中，未被遮挡的其它行输出电压变化不大，这表明TCT组态的光伏阵列，行与行之间的影响较小。 

基于光伏组件的组态优化控制系统的总体设计框图如图1所示。 

2组态优化控制系统算法设计 

结合试验2和3的试验结果，为提高局部阴影下TCT组态的光伏阵列的输出功率，把受光照较好的组件并联到被遮挡的行，提高该行的输出电压。 

组态优化控制系统控制算法的流程图，如图2所示。 

光伏阵列的初始状态是，可调整部分的每一行分别并联到对应的固定部分的每一行。 

(1)判断进行组态优化的条件是否满足：设光伏阵列第1,2,3行的工作电压分别为V₁,V₂,V₃，整体输出电压V_out=V₁+V₂+V₃。现有技术中的V₁和V_out是随外部环境变化而变化的，因而确定难度较大。本实用新型提出的组态优化条件是，若满足下列条件之一，即|V₁-V_ave|＜ΔV，|V₂-V_ave|＜ΔV，|V₃-V_ave|＜ΔV，其中V_ave=(V₁+V₂+V₃)/3，即若每行的输出电压与三行输出的平均值之差在一定范围内，则不需调整，若超出该范围则需进行组态优化。ΔV是由A/D转换器的误差和克服外部环境突变引起的电压扰动决定的，折中考虑系统控制的灵敏度和稳定性，本系统设定的ΔV为0.876V。 

(2)若不满足组态优化的条件，则等待下一次组态优化判断。 

(3)若满足组态优化的条件，断开开关矩阵，调整阵列组态，以提高输出功率，步骤如下： 

①测量可调整部分每一行的开路电压并按降序排列，重新编号使V_ocA1＞V_ocA2＞V_ocA3。 

②测量固定部分每一行的电压，并将其按升序排列，重新编号使V₁＜V₂＜V₃。 

③将未被使用的可调整部分具有最大开路电压的光伏组件并联接到固定部分具有最小电压的一行。重复步骤2、3，直到可调整部分的所有组件都被并联到固定部分。 

(4)持续检测V₁、V₂和V₃，当阴影改变方向或形状，满足组态优化条件时，开始组态优化。 

3开关矩阵的设计 

本实用新型固定部分的光伏组件数量为9个，即3行3列TCT结构，可调整部分光伏组 件是3个独立的光伏组件。开关矩阵的作用是根据实际情况，通过光伏阵列动态组态优化控制策略，将可调整部分的光伏组件并联连接到固定部分的某行，从而提高光伏阵列的输出功率。开关矩阵示意图如图3所示，当S(1，3)=1时，代表将位于可调整部分的第三行的组件并联连接到固定部分的第一行。 

由于电磁继电器控制简单，易于维护，实现了控制电路与主电路电气隔离。本实用新型选用电磁式继电器作为开关。考虑到光伏阵列的电压电流等级，本实用新型选用的电磁继电器的型号为BPM2-SS-212L，额定电流为5A，额定电压为30VDC。 

4驱动电路的设计 

本实用新型通过ULN2003，实现对继电器的控制逻辑。继电器的驱动电路如图4所示。 

5采样电路的设计 

本实用新型选用的测量元件为霍尔电压传感器，型号为VSM025A，从电压传感器出来的信号经过如图5所示的电压调理电路进入A/D转换引脚，其中R_M是霍尔电压传感器的测量电阻。 

6实验结果分析 

将光伏阵列的固定部分光伏阵列组件和可调整部分光伏阵列组件通过开关矩阵连接，并将采样信号送入DSP，驱动信号由DSP送入驱动电路。 

未被遮挡时，通过TCT组态方式连接的光伏阵列输出的电压为50V，当光伏阵列的第二行的三个模组被完全遮挡，光伏阵列的输出电压为36V。 

通过本实用新型的组态优化控制策略，可调整部分光伏阵列组件的3个光伏组件均并联连接到第二行，调整后的输出电压为44V。本实验的负载为100Ω的大功率电阻，通过动态组态优化控制策略，输出功率提高25.6%。 

由上述实验可知，本实用新型的动态组态优化控制策略能有效提高阴影下光伏阵列的输出功率。这是因为，通过将可调整部分的模组并联到固定部分被阴影遮挡的某一行，提高了该行通过电流的能力，从而减小了阴影的影响，提高整个阵列的输出功率。 

上述虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。 

Claims (7)

1.一种光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，包括相连接的主电路、控制电路，所述主电路包括固定部分光伏阵列组件、开关矩阵、可调整部分光伏阵列组件，固定部分光伏阵列组件通过开关矩阵与可调整部分光伏阵列组件连接，控制电路包括主控板、驱动电路、检测电路，主控板通过驱动电路分别与固定部分光伏阵列组件、可调整部分光伏阵列组件连接，可调整部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接，固定部分光伏阵列组件通过检测电路、保护电路与主控板连接。

2.如权利要求1所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述主控板为DSP主控板。

3.如权利要求1所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述固定部分光伏阵列组件的某一行被阴影遮挡时，将可调整部分光伏阵列组件受光照较好的模组并联到该行来提高电流，减小阴影的影响，提高整个阵列的最大输出功率。

4.如权利要求1所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述固定部分光伏阵列组件提供的电压电流满足与之相连器件的正常工作，所需的电压和电流传感器的总数为2m+1,开关数目为2m²，光伏阵列采用一个集中式的最大功率跟踪器。

5.如权利要求1所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述开关矩阵中的开关为电磁式继电器开关，以能够实现控制电路与主电路电气隔离。

6.如权利要求5所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述电磁继电器的型号为BPM2-SS-212L，额定电流为5A，额定电压为30VDC，采用ULN2003实现对继电器的控制逻辑。

7.如权利要求1所述的光伏阵列动态组态优化系统，其特征是，所述检测电路的测量元件为霍尔电压传感器，型号为VSM025A，从电压传感器出来的信号经过调理电路进入A/D转换引脚。

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