CN103199608B - 提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，对实际工作的光伏发电系统，将串联的光伏电池单元分为若干电池模组，对每一个电池模组并联一个超级电容形成一个带失配补偿电路的电池模组；记电池模组的最佳电压工作区间为U∈(U_L,U_G)，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)内的持续时间为维持时间T，在维持时间T内的超级电容容量为补偿容量C。本发明给出了光伏电池模组最佳工作区间的确定方法以及不同容量超级电容维持模组电压稳定能力的标准即维持时间，提供了选择超级电容容量的思路，确定一定阴影光强条件下，电容补偿容量与模组维持时间之间的匹配关系的方法。

Description

提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术，尤其涉及一种提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法。

背景技术

随着工业的发展，能源危机和生态环境危机迫使各国大力推动可再生能源的快速发展。各国不仅加大了对可再生能源技术发展的支持力度，同时还通过相应的法规和政策强力推动可再生能源市场的快速发展。因此，作为可再生能源的重要组成部分太阳能光伏发电得到了广泛的应用。

任何太阳能发电系统的设计都要考虑阴影遮蔽问题。阴影可以来自于其它建筑物、树木、甚至是太阳能电池板之间也可能存在相互遮挡的阴影。由于城市中建筑物较多且距离往往很近，所以在城市中分布式光伏系统中阴影问题尤为严重。研究表明，阴影对太阳能电池组件性能的影响不可低估。在一个光伏组件中，即使是一片单电池上的小阴影也会对整个组件的功率输出产生巨大影响。这是因为在光伏组件中，并联电池串要求其中的每个电池输出电压相同，而串联电池串要求其中每个电池的输出电流相同。当某个电池受到阴影遮挡后，它的输出特性就会发生明显改变。正是这个输出较小的被遮挡电池限制了整个组件的电流和电压输出，从而导致总输出功率急剧下降。阴影遮蔽损耗是由于光伏发电系统处于失配运行模式下，所谓失配运行模式是指光伏组件中一些光伏电池的输出特性曲线由于承受光照辐射强度不同而出现不一致的工作情况。

对于功率失配现象国外已经有了很多解决方案的研究，近年来国内对此也有了日益关注。现有研究的解决方案基本都是基于利用二极管提供能量散逸通道和电压补偿，主要有两方面的内容：1、利用旁路二极管为串联支路中受阴影影响的模组提供能量散逸通道，提高支路电流范围；2、利用阻断二极管对并联支路中受阴影影响的支路提供电压补偿，提高阵列电压范围。然而这两种方法并不能改善模组输出功率下降的问题，同时会造成光伏电池输出特性曲线扭曲，影响供电稳定性，还会导致传统的功率跟踪方法失效。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，对失配运行下的光伏电池模组利用超级电容进行并联补偿，改善模组受阴影影响时的输出特性，提高输出功率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，对实际工作的光伏发电系统，将串联的光伏电池单元分为若干电池模组，对每一个电池模组并联一个超级电容形成一个带失配补偿电路的电池模组；通过合理配置超级电容容量提高短时阴影下的光伏模组发电能力，具体为：记电池模组的最佳电压工作区间为U∈(U_L,U_G)，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)内的持续时间为维持时间T，在维持时间T内的超级电容容量为补偿容量C。

最佳电压工作区间为U∈(U_L,U_G)一般为功率曲线最大功率点附近斜率较缓区域的电压，当电压U低于U_L或高于U_G后，功率曲线将随电压U的变化出现急剧下降。

光伏发电系统常受到局部阴影影响，串联的光伏电池支路电流和功率下降，处于失配运行状态，考虑到大部分阴影的持续时间较短，因此可以采用电容放电补偿受影响部分的电流，提高串联的光伏电池支路电流和输出功率。并联电容可以起到稳压的作用，根据光伏电池不同光照强度下的标准功率/电压曲线，不同光强下光伏电池的最大功率点电压偏差不大，如果阴影影响前光伏电池处于最大功率点，受影响后由于电容的稳压作用，仍将处于最大功率点附近，与传统方法相比本发明极大地提高了阴影部分的功率输出能力。

受阴影影响时，并联电容放电能够将电池模组的电流补偿到原串联的光伏电池支路的电流大小，因而串联的光伏电池支路电流将不会受到影响，但是电容的放电将导致受阴影影响的电池模组的电压下降，电压下降的过程与电容的容量和阴影部分的光照强度有关。

随着光伏电池所受太阳辐射强度下降，最大功率点电压并不是恒定的，而是在下降过程中向左移动，但最大功率点与开路电压的比值变化较小，所以可在确定最佳工作区间时近似选择开路电压的一段固定比例内。考察嘉盛公司，京瓷公司和尚德公司的典型太阳能电池板数据，可知常用的太阳能电池板最大功率点电压都在0.8～0.84U_oc之间，优选设定最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)为U∈(0.8U_oc,0.84U_oc)，其中U_oc为电池模组的开路电压；

随着补偿容量的增加，一定阴影光强下的维持时间也会变长，从增加维持时间，提高对阴影情况的补偿能力来看，补偿容量越大越好；但是过大的补偿容量将会使得安装设备的费用增加，影响光伏发电系统的经济性；另外，补偿容量过大会造成电容充电困难，每次光伏系统启动或从阴影中恢复时都需要给电容补充大量的电量，造成系统启动延时严重以及电能浪费等问题。所以在实际使用中需要确定安装多大的补偿容量，安装后对阴影的耐受程度能达到多大的水平，即确定补偿容量和维持时间的匹配关系。

具体在，在给定阴影条件G和补偿电容C的情况下，第i个电池模组的维持时间T可以通过下述方法确定：

(a1)对带失配补偿电路的电池模组进行失配补偿数学模型的建模，包括相并联的电容支路和光伏电池支路，根据电容伏安特性，电容支路有：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Ci}}=C\frac{d{U}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}\\ I_{\mathrm{Ci}}\·R_m+U_{\mathrm{Ci}}=U_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

如图1所示，其中，I_Ci为电容支路的放电电流；U_Ci为并联电容两端电压；R_m为电容支路的放电电阻；t为电容放电时间；U_i为电容支路两端的电压，也等于光伏电池支路两端的电压；

光伏电池支路有：

$I_i=I_{\mathrm{PH}}-I_0(e^{\frac{q(U_i+I_i\·N_s\·R_s)}{n\·k\·N_s\·T}}-1)---\left(2\right)$

其中，I_i为光伏电池支路的电流；n为二极管的理想因数，通常取为1.3；k是玻尔兹曼常数，为1.38×10^-23J/K；q为电子的电荷量，1.6×10^-19C；N_s为光伏电池支路中所包含的光伏电池单元的个数；R_s为光伏电池支路中光伏电池单元的串联电阻，可以通过带入最大功率点的电压和电流求得；I₀为二极管逆向饱和电流，可以通过开路情况下的等式条件求得，即I_i＝0，U_i＝U_oc，U_oc为开路电压，可得I_PH为光生电流，取I_PH等于光伏电池支路的短路电流I_SC，G为太阳辐照强度，STC表示标准测试条件下的数据，一般由厂家提供；

整个电池模组有：

I＝I_i+I_Ci     (3)

式(1)(2)(3)联立得到电池模组的失配补偿数学模型为一组微分方程组；

(a2)在给定阴影条件G下，将补偿电容C带入电池模组的失配补偿数学模型中，在5s的时间区间内利用龙格库塔法对微分方程组进行求解，得到5s内各个时间点的电压数组U和电流数组I，并将时间点存储在时间点数组t内；

(a3)将电压数组U中的每一个元素都减去最佳电压工作区间的下限U_L并取绝对值，存储在数组U_temp内；

(a4)在数组U_temp中寻找最小的元素，记该元素的编号为m；

(a5)在时间点数组t中寻找对应编号为m的元素，该元素的值t₀即为给定阴影条件G下、对应补偿电容C的维持时间T，即T＝t₀。

阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系，即电容容量的选择标准，可以通过在设定的补偿电容C区间内连续取点、求取各点的维持时间T，以及在设定的阴影条件G区间内连续取点、求取各点的维持时间T的方法确定，具体包括如下步骤：

(b1)取两个相串联的电池模组，分别给两个电池模组施加标准光照条件，确定工作电压和工作电流，使两个电池模组均工作于光伏电池支路最大功率点处；

(b2)确定两个电池模组的最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)；

(b3)给定两个电池模组的补偿电容C，将一个电池模组的光照条件下降至给定阴影条件G并持续一定时间，利用龙格库塔法对该电池模组的失配补偿数学模型进行求解，确定达到该电池模组最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)下限U_L的时间，该时间即为维持时间T；

(b4)改变给定阴影条件G，保持补偿电容C不变，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足阴影条件G区间内的点；

(b5)保持给定阴影条件G不变，改变补偿电容C，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足补偿电容C区间内的点；

(b6)根据步骤(b3)、(b4)和(b5)的求解结果，得到阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系。

有益效果：本发明提供的提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，相对于现有技术，存在如下优势：1)利用并联二极管流通电流，将会导致阴影模组电压下降到反向二极管导通电压，此时该模组将处于消耗能量状态，使整个光伏阵列输出功率出现大幅下降；采用超级电容补偿方案后，阴影持续时间内电容放电补偿电流，阴影模组的功率将不会出现大幅下降，阴影效应过后阴影模组将会对电容进行充电，等待下一次阴影出现，因此与二极管补偿相比本方案可以维持功率平稳，防止大范围功率波动出现；2)并联二极管补偿方案，当出现阴影时，受影响模组将会出现大幅度电压下降，使总输出特性出现严重畸变，I-V特性扭曲，P-V特性出现多峰值和阶梯，影响供电稳定性，可能会导致所接负载不正常工作，也不利于最大功率点的跟踪，利用超级电容补偿方案，可以在阴影出现的持续时间内维持阴影模组的输出电压稳定，改善输出特性，保证供电的稳定性，也便于控制和功率跟踪；3)阴影影响时模组提高的功率有一部分是由电容的放电功率提供的，该部分的电能将需要在阴影影响结束后重新由电网或光伏系统进行补充；但是电容补偿的作用在于维持电压稳定，阴影模组得以继续工作在最大功率点附近输出功率，即阴影模组的功率输出能力得到了极大地提高。

附图说明

图1为本发明的等效电路图；

图2为本发明在阴影影响下，电池模组在5s内工作点变化曲线，其中，阴影条件为：光强0.5kw/m²，补偿电容C为10F；

图3为一定阴影条件下，补偿电容C和维持时间T的匹配关系求解流程图；

图4为补偿电容在0～55F之间取值，步长0.5F；阴影条件在0.3～0.8kw/m²之间取值，步长0.02kw/m²，按本发明提供方法求得的阴影条件、补偿容量和维持时间之间本匹配关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

下面结合附图和一个实例对本发明进行进一步说明。设定这样的实例场景，标准测试情况下有带电容补偿的SPG1786型光伏电池模组1和电池模组2均正常工作在最大功率点，补偿电容容量C为10F，本发明的补偿电路示意图如图1所示。t＝0时刻电池模组1受到阴影条件G影响，光照强度由标准辐射强度1000kw/m²下降到500kw/m²，电池模组2所受光照强度不变。下面说明此场景下维持时间T的求法：

(a1)对带失配补偿电路的电池模组进行失配补偿数学模型的建模，包括相并联的电容支路和光伏电池支路，所用光伏电池模组的参数可以通过查阅厂商相关技术手册得到。根据电容伏安特性，

电容支路有：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{C1}=C\frac{d{U}_{C1}}{\mathrm{dt}}\\ I_{C1}\·R_m+U_{C1}=U_1\end{array}\right.---\left(1\right)$

如图1所示，其中，I_C1为电容支路的放电电流；U_C1为并联电容两端电压；R_m为电容支路的放电电阻；t为电容放电时间；U₁为电容支路两端的电压，也等于光伏电池支路两端的电压；

光伏电池支路有：

$I_1=I_{\mathrm{PH}}-I_0(e^{\frac{q(U_1+I_1\·N_s\·R_s)}{n\·k\·N_s\·T}}-1)---\left(2\right)$

其中，I₁为光伏电池支路的电流；n为二极管的理想因数，通常取为1.3；k是玻尔兹曼常数，为1.38×10^-23J/K；q为电子的电荷量，1.6×10^-19C；N_s为光伏电池支路中所包含的光伏电池单元的个数，对于SPG1786型太阳能电池模组来说，N_s＝48；R_s为光伏电池支路中光伏电池单元的串联电阻，可以通过带入最大功率点的电压和电流求得；I₀为二极管逆向饱和电流，可以通过开路情况下的等式条件求得；I_PH为光生电流，取I_PH等于光伏电池支路的短路电流I_SC，G为太阳辐照强度，STC表示标准测试条件下的数据，一般由厂家提供；

整个电池模组有：

I＝I₁+I_C1     (3)

得到电池模组的失配补偿数学模型为一组微分方程组。

(a2)在给定阴影条件G下，将补偿电容C带入电池模组的失配补偿数学模型中，在5s的时间区间内利用龙格库塔法对微分方程组进行求解，得到5s内各个时间点的电压数组U和电流数组I，并将时间点存储在时间点数组t内。

具体求解过程为：将方程组(1)、(2)和(3)联立，带入电阻电容和最大功率点数据I＝7.51A，这样一共有四个未知数I_C1、U_C1、U₁和I₁，进行消元整理后得到一个关于I₁的一阶常微分方程：

$\frac{I_1-I}{C}=(-\frac{\mathrm{nk}{N}_{s}T}{q}\·\frac{1}{I_{\mathrm{SC}}-I_1+I_0}-N_s{R}_s+R_m)\·\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

方程(4)的初始条件为：I₁(0)＝7.51，t(0)＝0。

光伏电池支路功率为P_S＝P₁+P₂，由于电池模组2不受阴影影响，因此其输出功率P₂恒定为最大功率178.6W，电池模组1受到阴影影响，其输出电流瞬间下降到原来的一般左右，电压开始缓慢下降。但是由于电容的补偿作用，电池模组2的并联单元输出电路并无改变，仍然为最大功率点电流7.51A，该并联单元的输出功率为P₁＝U₁×I_m，利用龙格库塔法求解微分方程(4)得到的结果如表1所示：

表1 工作点变化特性求解结果(光强0.5kw/m²，补偿电容C为10F)

根据表1绘制出电压电流曲线如图2所示，图2反映了太阳能电池伏安特性的工作点变化情况，其中实线是5s内阴影模组工作点的变化轨迹，虚线是太阳能电池伏安特性曲线。在标准光强照射下电池工作于最大功率点I₁＝7.51A，U₁＝23.8V，即图2中的M点，当太阳辐射强度下降到0.5kw/m²后，太阳能电池的输出电流瞬间下降到原来的50％左右，即图2中的A点，随后电容开始放电，整个电池模组电压逐渐下降，太阳能电池的工作点将沿着伏安特性曲线开始向左侧移动，5s内由A点移动到B点。

表1同时反映了有电容补偿时整个串联光伏电池支路的输出功率随时间的变化情况，电池模组1光照强度下降到0.5kw/m²后，支路的输出功率由最大功率357.34W开始近似成线性下降，在5s后下降到343.27W，下降到了最大功率93.7％处，因此看出补偿电容可以在一段时间内维持功率恒定。

(a3)将电压数组U中的每一个元素都减去最佳电压工作区间的下限0.8U_oc并取绝对值，存储在数组U_temp内；

(a4)在数组U_temp中寻找最小的元素，记该元素的编号为m；

(a5)在时间点数组t中寻找对应编号为m的元素，该元素的值t₀即为给定阴影条件G下、对应补偿电容C的维持时间T，即T＝t₀＝0.750s。

实际应用中超级电容失配补偿需要关注下面两个方面的问题：(1)对于给定阴影条件G，需要在给定的时间t₀内将模组电压维持在最佳工作区间内需要安装的补偿电容C；(2)对于给定的补偿电容C，假设阴影条件G的条件下，能够在多长时间内将模组电压维持在最佳工作区间内；

为了能够回答上面两个问题，需要确定阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系，即如何选择合适的电容；可以通过在设定的补偿电容C区间内连续取点、求取各点的维持时间T，以及在设定的阴影条件G区间内连续取点、求取各点的维持时间T的方法确定；补偿电容在0～55F之间取值，步长0.5F；阴影条件在0.3～0.8kw/m²之间取值，步长0.02kw/m²，确定匹配关系步骤如下：

(b1)取两个相串联的电池模组，分别给两个电池模组施加标准光照条件，确定工作电压和工作电流，使两个电池模组均处于最大功率点；

(b2)确定两个电池模组的最佳工作范围，考察嘉盛公司，京瓷公司和尚德公司的典型太阳能电池板数据，可知常用的太阳能电池板最大功率点电压都在0.8～0.84U_oc之间，本案设定最佳电压工作区间为U∈(0.8U_oc,0.84U_oc)；

(b3)给定两个电池模组的补偿电容C，将一个电池模组的光照条件下降至给定阴影条件G并持续一定时间，利用龙格库塔法求解，确定达到该电池模组最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)下限U_L的时间，该时间即为维持时间T；

(b4)改变给定阴影条件G，保持补偿电容C不变，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足阴影条件G区间内的点；

(b5)保持给定阴影条件G不变，改变补偿电容C，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足补偿电容C区间内的点；

((b6)根据步骤(b3)、(b4)和(b5)的求解结果，得到阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系。具体算法流程如图3所示，求解匹配关系的结果如图4所示。

根据图4可以方便地获得前述问题的答案，对于问题(1)，首先在阴影光强，维持时间平面内找到点(G,t₀)，作垂直于该平面的垂线，与图4的曲面相交于点M，点M在电容容量轴上的投影记为应取的补偿容量C；同理对于问题(2)，首先找到点(C,G)，作垂线与该平面的垂线，与图4的曲面相交于点N，点N在纵轴维持时间上的投影记为能够维持在最佳工作区间内的时间t₀。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，其特征在于：对实际工作的光伏发电系统，将串联的光伏电池单元分为若干电池模组，对每一个电池模组并联一个超级电容形成一个带失配补偿电路的电池模组；通过合理配置超级电容容量提高短时阴影下的光伏模组发电能力，具体为：记电池模组的最佳电压工作区间为U∈(U_L,U_G)，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)内的持续时间为维持时间T，在维持时间T内的超级电容容量为补偿容量C；

在给定阴影条件G和补偿电容C的情况下，第i个电池模组的维持时间T通过下述方法确定：

(a1)对带失配补偿电路的电池模组进行失配补偿数学模型的建模，包括相并联的电容支路和光伏电池支路，根据电容伏安特性，电容支路有：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Ci}}=C\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{Ci}}}{\mathrm{dt}}\\ I_{\mathrm{Ci}}\·R_m+U_{\mathrm{Ci}}=U_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I_Ci为电容支路的放电电流；U_Ci为并联电容两端电压；R_m为电容支路的放电电阻；t为电容放电时间；U_i为电容支路两端的电压，也等于光伏电池支路两端的电压；

光伏电池支路有：

$I_i=I_{\mathrm{PH}}-I_0(e^{\frac{q(U_i+I_i\·N_s\·R_s)}{n\·k\·N_s\·T}}-1)---\left(2\right)$

其中，I_i为光伏电池支路的电流；n为二极管的理想因数；k是玻尔兹曼常数；q为电子的电荷量；N_s为光伏电池支路中所包含的光伏电池单元的个数；R_s为光伏电池支路中光伏电池单元的串联电阻；I₀为二极管逆向饱和电流；I_PH为光生电流，取I_PH等于光伏电池支路的短路电流I_SC，G为太阳辐照强度，STC表示标准测试条件下的数据；

整个电池模组有：

I＝I_i+I_Ci    (3)

式(1)(2)(3)联立得到电池模组的失配补偿数学模型为一组微分方程组；

(a2)在给定阴影条件G下，将补偿电容C带入电池模组的失配补偿数学模型中，在5s的时间区间内利用龙格库塔法对微分方程组进行求解，得到5s内各个时间点的电压数组U和电流数组I，并将时间点存储在时间点数组t内；

(a3)将电压数组U中的每一个元素都减去最佳电压工作区间的下限U_L并取绝对值，存储在数组U_temp内；

(a4)在数组U_temp中寻找最小的元素，记该元素的编号为m；

(a5)在时间点数组t中寻找对应编号为m的元素，该元素的值t₀即为给定阴影条件G下、对应补偿电容C的维持时间T，即T＝t₀。

2.根据权利要求1所述的提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，其特征在于：所述最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)为U∈(0.8U_oc,0.84U_oc)，其中U_oc为电池模组的开路电压。

3.根据权利要求1所述的提高短时阴影下光伏模组抗失配能力的超级电容补偿方法，其特征在于：阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系，通过在设定的补偿电容C区间内连续取点、求取各点的维持时间T，以及在设定的阴影条件G区间内连续取点、求取各点的维持时间T的方法确定，具体包括如下步骤：

(b1)取两个相串联的电池模组，分别给两个电池模组施加标准光照条件，确定工作电压和工作电流，使两个电池模组均工作于光伏电池支路最大功率点处；

(b2)确定两个电池模组的最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)；

(b3)给定两个电池模组的补偿电容C，将一个电池模组的光照条件下降至给定阴影条件G并持续一定时间，利用龙格库塔法对该电池模组的失配补偿数学模型进行求解，确定达到该电池模组最佳电压工作区间U∈(U_L,U_G)下限U_L的时间，该时间即为维持时间T；

(b4)改变给定阴影条件G，保持补偿电容C不变，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足阴影条件G区间内的点；

(b5)保持给定阴影条件G不变，改变补偿电容C，重复步骤(b3)确定维持时间T，直至取足补偿电容C区间内的点；

(b6)根据步骤(b3)、(b4)和(b5)的求解结果，得到阴影条件G、补偿电容C和维持时间T的匹配关系。