專利名稱：光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光伏電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和環(huán)保意識(shí)的覺醒，太陽能的開發(fā)利用日益受到重視，光伏發(fā)電是利用太陽能的主要方式。由于單個(gè)光伏電池的輸出電壓和電流都較小，無法直接滿足并網(wǎng)或大部分用電負(fù)載的用電要求，所以需要將多個(gè)光伏電池通過串并聯(lián)組成光伏組件。光伏發(fā)電站中需要用大量的光伏組件來組成光伏陣列，從而獲取所需的光伏輸出電壓和功率。為了防止熱斑現(xiàn)象出現(xiàn)損壞光伏電池，光伏陣列中還裝設(shè)有旁路二極管和防逆二極管。當(dāng)光伏組件輸出特性一致且光照均勻時(shí)，光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線呈現(xiàn)單峰現(xiàn)象，此時(shí)傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)方法可以很容易跟蹤到最大功率點(diǎn)(MPP)。當(dāng)光伏陣列中存在光照條件不均勻、溫度差、組件特性不一致等影響光伏電池組件輸出特性的因素時(shí)，光伏陣列的輸出P-U特性曲線極有可能呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，此時(shí)光伏陣列的最大輸出功率損失通常明顯大于因光照、溫度等外部環(huán)境因素引起的光伏組件功率損失之和。這是因?yàn)楣夥嚵羞\(yùn)行于MPP并不等同于其內(nèi)部的每個(gè)光伏電池組件都運(yùn)行于MPP，其中存在較大的失配功率損失。失配功率損失定義為在光伏陣列順利跟蹤到并運(yùn)行于光伏陣列MPP的前提下，由于部分光伏電池組件的運(yùn)行點(diǎn)偏離其自身MPP而引入的功率損失。改進(jìn)MPPT方法對(duì)于減少失配功率損失顯然是無能為力，降低或消除失配功率損失必須從光伏陣列的電氣連接結(jié)構(gòu)出發(fā)尋找解決辦法。目前不少電力電子領(lǐng)域的專家和工程師都在研究高效可靠低成本的微變換器，將光伏陣列的集中式功率變換與MPPT控制分解為每個(gè)光伏電池組件的功率變換與MPPT控制，這就消除了失配功率損失產(chǎn)生的基礎(chǔ)。雖然也有學(xué)者提出通過對(duì)光伏陣列的電氣連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)來消除失配功率損失，無奈重構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于繁雜、重構(gòu)優(yōu)化算法計(jì)算復(fù)雜度過大，所以光伏陣列重構(gòu)技術(shù)目前仍停留在理論研究階段。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有光伏電池陣列的由于光伏電池組件輸出特性不匹配而引入的失配功率損失、發(fā)電效率較低的不足，本發(fā)明提供一種有效減少由于光伏電池組件輸出特性不匹配而引入的失配功率損失、發(fā)電效率較高的光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法，所述電氣系統(tǒng)包括完全可重構(gòu)光伏陣列，所述完全可重構(gòu)光伏陣列由M組電氣模塊串聯(lián)而成，所述電氣模塊的兩端接口并聯(lián)光伏組件組或電力導(dǎo)線，每個(gè)光伏組件串聯(lián)有一個(gè)防逆二極管和一個(gè)電流互感器，每個(gè)電氣模塊并聯(lián)一個(gè)電壓互感器；光伏陣列運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量光伏組件的端電壓以及流過的電流，可以根據(jù)光伏組件的數(shù)學(xué)模型快速估算出每個(gè)光伏組件的短路電流Isc;i，i=l，2，3，……，N ；所述重構(gòu)優(yōu)化方法包括以下步驟(I)采集實(shí)時(shí)電壓和電流信號(hào)；當(dāng)電氣模塊端電壓之間的差值超過設(shè)定閾值時(shí)，即認(rèn)為光伏陣列出現(xiàn)了較大的失配功率損失，啟動(dòng)光伏陣列重構(gòu)優(yōu)化程序并進(jìn)行新一輪結(jié)構(gòu)調(diào)整；(2)確定并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L，具體步驟如下計(jì)算光伏陣列的端電壓，端電壓等于陣列中所有串聯(lián)電氣模塊端電壓之和；判斷光伏陣列的端電壓是否在規(guī)定的運(yùn)行電壓范圍內(nèi)，如果不 在規(guī)定運(yùn)行電壓范圍內(nèi)，則需要調(diào)整并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ;當(dāng)測(cè)量的光伏陣列端電壓小于規(guī)定直流電壓范圍的下限，則減少并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ;當(dāng)測(cè)量的光伏陣列端電壓大于規(guī)定直流電壓范圍的上限，則增加并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ;(3)確定光伏組件的分組方案，將N塊光伏組件按短路電流之和盡可能相等的原則分為(M-L)組，具體步驟如下根據(jù)測(cè)量得到的光伏組件端電壓和端電流，計(jì)算此時(shí)光伏組件的短路電流Isc;i，i=l，2，3，……，N ;計(jì)算剩余(M-L)組電氣模塊光伏短路電流理想值為= i);第一輪光伏組件的分配中，將短路電流最大的(M-L)個(gè)光伏組件分配給剩余的(M-L)組電氣模塊；第二輪光伏組件的分配中，將剩余未分配光伏組件中短路電流最大的(M-L-f)個(gè)光伏組件分別分配給剩余的(M-L-f)組電氣模塊，其中f為光伏組件短路電流之和已經(jīng)達(dá)到Is。。的電氣模塊數(shù)量；直至所有光伏組件分配完畢；(4)形成當(dāng)前運(yùn)行條件下的光伏陣列重構(gòu)策略，并將重構(gòu)信號(hào)釋放到電氣連接開關(guān)的切換控制系統(tǒng)中，將所有光伏組件準(zhǔn)確并聯(lián)到對(duì)應(yīng)的電氣模塊接口中，并將L個(gè)電氣模塊接口通過電力導(dǎo)線短接。進(jìn)一步，所述步驟(3)中，分配過程中，如果某一電氣模塊中的光伏組件短路電流之和超過上述理想短路電流值Is。。，保持分配給該電氣模塊的最后一個(gè)光伏組件不變，接下來的分配中，該組電氣模塊不再參與分配光伏組件?；蛘呤撬霾襟E(3)中，分配過程中，如果某一電氣模塊中的光伏組件短路電流之和超過上述理想短路電流值1-，放棄分配給該電氣模塊的最后一個(gè)光伏組件，替代為使該電氣模塊短路電流超過1-的短路電流最小的光伏組件，此后該電氣模塊不再參與剩余光伏組件的分配。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在本發(fā)明無需測(cè)量每個(gè)組件所處的外部環(huán)境量(輻照度、溫度等)，也無需求解復(fù)雜的優(yōu)化問題，只需要采集少量的幾個(gè)電壓信號(hào)以及每個(gè)組件的電流信號(hào)，通過簡(jiǎn)單的短路電流計(jì)算和排序即可獲得令人滿意的光伏陣列重構(gòu)優(yōu)化策略，可以有效提高光伏陣列在復(fù)雜運(yùn)行條件下的發(fā)電效率，降低發(fā)電成本。


圖1是完全可重構(gòu)光伏陣列的結(jié)構(gòu)及測(cè)量控制系統(tǒng)的示意圖。圖2是光伏陣列重構(gòu)優(yōu)化算法流程圖。圖3是光伏組件分組方案一流程圖。
圖4是光伏組件分組方案二流程圖。圖5是運(yùn)行條件變化前后光伏陣列的重構(gòu)方案示例的示意圖，其中，(a)為光伏陣列運(yùn)行狀態(tài)(一)，(b)為光伏陣列運(yùn)行狀態(tài)(二)，(C)為光伏陣列運(yùn)行狀態(tài)(三)。圖6是光伏陣列在重構(gòu)前后的輸出功率-電壓特性曲線的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。參照?qǐng)D1 圖6，一種光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)優(yōu)化方法，可重構(gòu)光伏陣列的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)量控制系統(tǒng)如圖1所示，光伏陣列由M組電氣模塊(包含一個(gè)旁路二極管及二極管兩端引出的兩個(gè)端口)串聯(lián)而成，電氣模塊的兩端接口可以并聯(lián)光伏組件組，也可以并聯(lián)電力導(dǎo)線(此時(shí)相當(dāng)于該兩端電氣模塊接口短路)。電氣模塊接口并聯(lián)電力導(dǎo)線，相當(dāng)于減少光伏陣列中串聯(lián)的光伏組件數(shù)，起到降低光伏陣列端電壓的目的。是否接入電力導(dǎo)線，取決于光伏陣列的實(shí)際輸出端電壓，光伏陣列的端電壓應(yīng)滿足光伏陣列輸出端連接電路對(duì)直流電壓的要求。當(dāng)L個(gè)電氣模塊接口并聯(lián)電力導(dǎo)線時(shí)，那么剩余(M-L)個(gè)電氣模塊接口將并聯(lián)光伏組件模塊。如果光伏陣列中安裝有N塊光伏組件，那么這N塊光伏組件將被分成(M-L)組后分別并聯(lián)到剩余的(M-L)個(gè)電氣模塊接口上，此時(shí)，光伏陣列中剩余的M-L個(gè)電氣模塊接口將分別并聯(lián)有n1、n2、……、叫、……nM<塊光伏組件，且
權(quán)利要求
1.一種光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于所述電氣系統(tǒng)包括完全可重構(gòu)光伏陣列，所述完全可重構(gòu)光伏陣列由M組電氣模塊串聯(lián)而成，所述電氣模塊的兩端接口并聯(lián)光伏組件組或電力導(dǎo)線，每個(gè)光伏組件串聯(lián)有一個(gè)防逆二極管和一個(gè)電流互感器，每個(gè)電氣模塊并聯(lián)一個(gè)電壓互感器； 光伏陣列運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量光伏組件的端電壓以及流過的電流，可以根據(jù)光伏組件的數(shù)學(xué)模型快速估算出每個(gè)光伏組件的短路電流Isc;i，i=l，2，3，……，N ； 所述重構(gòu)優(yōu)化方法包括以下步驟 (1)采集實(shí)時(shí)電壓和電流信號(hào)；當(dāng)電氣模塊端電壓之間的差值超過設(shè)定閾值時(shí)，即認(rèn)為光伏陣列出現(xiàn)了較大的失配功率損失，啟動(dòng)光伏陣列重構(gòu)優(yōu)化程序并進(jìn)行新一輪結(jié)構(gòu)調(diào)整； (2)確定并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L，具體步驟如下計(jì)算光伏陣列的端電壓，端電壓等于陣列中所有串聯(lián)電氣模塊端電壓之和；判斷光伏陣列的端電壓是否在規(guī)定的運(yùn)行電壓范圍內(nèi)，如果不在規(guī)定運(yùn)行電壓范圍內(nèi)，則需要調(diào)整并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ;當(dāng)測(cè)量的光伏陣列端電壓小于規(guī)定直流電壓范圍的下限，則減少并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ;當(dāng)測(cè)量的光伏陣列端電壓大于規(guī)定直流電壓范圍的上限，則增加并聯(lián)電力導(dǎo)線的電氣模塊數(shù)量L ； (3)確定光伏組件的分組方案，將N塊光伏組件按短路電流之和盡可能相等的原則分為(M-L)組，具體步驟如下根據(jù)測(cè)量得到的光伏組件端電壓和端電流，計(jì)算此時(shí)光伏組件的短路電流Isc;i，i=l，2，3，……，N ;計(jì)算剩余(M-L)組電氣模塊光伏短路電流理想值為 =i);第一輪光伏組件的分配中，將短路電流最大的(M-L)個(gè)光伏組件分配給剩余的(M-L)組電氣模塊；第二輪光伏組件的分配中，將剩余未分配光伏組件中短路電流最大的(M-L-f)個(gè)光伏組件分別分配給剩余的(M-L-f)組電氣模塊，其中f為光伏組件短路電流之和已經(jīng)達(dá)到Is。。的電氣模塊數(shù)量；直至所有光伏組件分配完畢； (4)形成當(dāng)前運(yùn)行條件下的光伏陣列重構(gòu)策略，并將重構(gòu)信號(hào)釋放到電氣連接開關(guān)的切換控制系統(tǒng)中，將所有光伏組件準(zhǔn)確并聯(lián)到對(duì)應(yīng)的電氣模塊接口中，并將L個(gè)電氣模塊接口通過電力導(dǎo)線短接。
2.如權(quán)利要求1所述的光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(3)中，分配過程中，如果某一電氣模塊中的光伏組件短路電流之和超過上述理想短路電流值1-，保持分配給該電氣模塊的最后一個(gè)光伏組件不變，接下來的分配中，該組電氣模塊不再參與分配光伏組件。
3.如權(quán)利要求1所述的光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法，其特征在于所述步驟(3)中，分配過程中，如果某一電氣模塊中的光伏組件短路電流之和超過上述理想短路電流值1-，放棄分配給該電氣模塊的最后一個(gè)光伏組件，替代為使該電氣模塊短路電流超過1-的短路電流最小的光伏組件，此后該電氣模塊不再參與剩余光伏組件的分配。
全文摘要
一種光伏電池陣列完全可重構(gòu)電氣系統(tǒng)的重構(gòu)優(yōu)化方法，將光伏陣列中的光伏組件分組并聯(lián)于對(duì)應(yīng)的光伏陣列串聯(lián)連接電氣模塊兩端，當(dāng)電氣模塊端電壓之間的差值超過設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)光伏陣列重構(gòu)程序，基于重構(gòu)后每組光伏組件短路電流之和近似相等的基本原則，通過重構(gòu)優(yōu)化算法快速調(diào)整光伏電池陣列中光伏電池或組件單元的電氣連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明改善光伏陣列輸出功率-電壓(P-U)特性，使其呈現(xiàn)接近于單峰的狀態(tài)，從而一方面降低對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤方法的要求，提高M(jìn)PPT跟蹤準(zhǔn)確度；另一方面減少光伏陣列中由于光伏組件輸出P-U特性失配引起的功率損失，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出功率。
文檔編號(hào)G05F1/67GK103064459SQ20121056067
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者戚軍, 張曉峰 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)