提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法
2023-08-13 16:15:36 2
專利名稱：提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法
技術領域：
本發明涉及太陽能發電技術，尤其涉及一種提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法。
背景技術：
隨著工業的發展，能源危機和生態環境危機迫使各國大力推動可再生能源的快速發展。各國不僅加大了對可再生能源技術發展的支持力度，同時還通過相應的法規和政策強力推動可再生能源市場的快速發展。因此，作為可再生能源的重要組成部分太陽能光伏發電得到了廣泛的應用。任何太陽能發電系統的設計都要考慮陰影遮蔽問題。陰影可以來自於其它建築物、樹木、甚至是太陽能電池板之間也可能存在相互遮擋的陰影。由於城市中建築物較多且距離往往很近，所以在城市中分布式光伏系統中陰影問題尤為嚴重。研究表明，陰影對太陽能電池組件性能的影響不可低估。在一個光伏組件中，即使是一片單電池上的小陰影也會對整個組件的功率輸出產生巨大影響。這是因為在光伏組件中，並聯電池串要求其中的每個電池輸出電壓相同，而串聯電池串要求其中每個電池的輸出電流相同。當某個電池受到陰影遮擋後，它的輸出特性就會發生明顯改變。正是這個輸出較小的被遮擋電池限制了整個組件的電流和電壓輸出，從而導致總輸出功率急劇下降。陰影遮蔽損耗是由於光伏發電系統處於失配運行模式下，所謂失配運行模式是指光伏組件中一些光伏電池的輸出特性曲線由於承受光照輻射強度不同而出現不一致的工作情況。對於功率失配現象國外已經有了很多解決方案的研究，近年來國內對此也有了日益關注。現有研究的解決方案基本都是基於利用二極體提供能量散逸通道和電壓補償，主要有兩方面的內容:1、利用旁路二極體為串聯支路中受陰影影響的模組提供能量散逸通道，提高支路電流範圍；2、利用阻斷二極體對並聯支路中受陰影影響的支路提供電壓補償，提高陣列電壓範圍。然而這兩種方法並不能改善模組輸出功率下降的問題，同時會造成光伏電池輸出特性曲線扭曲，影響供電穩定性，還會導致傳統的功率跟蹤方法失效。
發明內容
發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，對失配運行下的光伏電池模組利用超級電容進行並聯補償，改善模組受陰影影響時的輸出特性，提高輸出功率。技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，對實際工作的光伏發電系統，將串聯的光伏電池單元分為若干電池模組，對每一個電池模組並聯一個超級電容形成一個帶失配補償電路的電池模組；記電池模組的最佳電壓工作區間為U G (UuUJ，在陰影條件G下電池模組維持在最佳電壓工作區間ue (UL, Ug)內的持續時間為維持時間T，在維持時間T內的超級電容容量為補償容量C。
最佳電壓工作區間為U G (UL, Ug) 一般為功率曲線最大功率點附近斜率較緩區域的電壓，當電壓U低於Ul或高於Ue後，功率曲線將隨電壓U的變化出現急劇下降。光伏發電系統常受到局部陰影影響，串聯的光伏電池支路電流和功率下降，處於失配運行狀態，考慮到大部分陰影的持續時間較短，因此可以採用電容放電補償受影響部分的電流，提高串聯的光伏電池支路電流和輸出功率。並聯電容可以起到穩壓的作用，根據光伏電池不同光照強度下的標準功率/電壓曲線，不同光強下光伏電池的最大功率點電壓偏差不大，如果陰影影響前光伏電池處於最大功率點，受影響後由於電容的穩壓作用，仍將處於最大功率點附近，與傳統方法相比本發明極大地提高了陰影部分的功率輸出能力。受陰影影響時，並聯電容放電能夠將電池模組的電流補償到原串聯的光伏電池支路的電流大小，因而串聯的光伏電池支路電流將不會受到影響，但是電容的放電將導致受陰影影響的電池模組的電壓下降，電壓下降的過程與電容的容量和陰影部分的光照強度有關。隨著光伏電池所受太陽輻射強度下降，最大功率點電壓並不是恆定的，而是在下降過程中向左移動，但最大功率點與開路電壓的比值變化較小，所以可在確定最佳工作區間時近似選擇開路電壓的一段固定比例內。考察嘉盛公司，京瓷公司和尚德公司的典型太陽能電池板數據，可知常用的太陽能電池板最大功率點電壓都在0.8 0.84U。。之間，優選設定最佳電壓工作區間U G (UL, Ug)為U G (0.8U。。，0.84UJ，其中U。。為電池模組的開路電壓；隨著補償容量的增加，一定陰影光強下的維持時間也會變長，從增加維持時間，提高對陰影情況的補償能力來看，補償容量越大越好；但是過大的補償容量將會使得安裝設備的費用增加，影響光伏發電系統的經濟性；另外，補償容量過大會造成電容充電困難，每次光伏系統啟動或從陰影中恢復時都需要給電容補充大量的電量，造成系統啟動延時嚴重以及電能浪費等問題。所以在實際使用中需要確定安裝多大的補償容量，安裝後對陰影的耐受程度能達到多大的水平，即確定補償容量和維持時間的匹配關係。具體在，在給定陰影條件G和補償電容C的情況下，第i個電池模組的維持時間T可以通過下述方法確定:(al)對帶失配補償電路的電池模組進行失配補償數學模型的建模，包括相併聯的電容支路和光伏電池支路，根據電容伏安特性，電容支路有:
權利要求
1.提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，其特徵在於:對實際工作的光伏發電系統，將串聯的光伏電池單元分為若干電池模組，對每一個電池模組並聯一個超級電容形成一個帶失配補償電路的電池模組；記電池模組的最佳電壓工作區間為UG (Uu UJ，在陰影條件G下電池模組維持在最佳電壓工作區間ue (UL, Ug)內的持續時間為維持時間T，在維持時間T內的超級電容容量為補償容量C。
2.根據權利要求1所述的提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，其特徵在於:所述最佳電壓工作區間U G (UL, Ug)為U G (0.8U。。，0.84UJ，其中U。。為電池模組的開路電壓。
3.根據權利要求1所述的提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，其特徵在於:在給定陰影條件G和補償電容C的情況下，第i個電池模組的維持時間T通過下述方法確定: (al)對帶失配補償電路的電池模組進行失配補償數學模型的建模，包括相併聯的電容支路和光伏電池支路，根據電容伏安特性，電容支路有:
4.根據權利要求1所述的提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，其特徵在於:陰影條件G、補償電容C和維持時間T的匹配關係，通過在設定的補償電容C區間內連續取點、求取各點的維持時間T，以及在設定的陰影條件G區間內連續取點、求取各點的維持時間T的方法確定，具體包括如下步驟: (bl)取兩個相串聯的電池模組，分別給兩個電池模組施加標準光照條件，確定工作電壓和工作電流，使兩個電池模組均工作於光伏電池支路最大功率點處； (b2)確定兩個電池模組的最佳電壓工作區間U G (UL, Ug)； (b3)給定兩個電池模組的補償電容C，將一個電池模組的光照條件下降至給定陰影條件G並持續一定時間，利用龍格庫塔法對該電池模組的失配補償數學模型進行求解，確定達到該電池模組最佳電壓工作區間Ue (UL, Ug)下限隊的時間，該時間即為維持時間T ; (b4)改變給定陰影條件G，保持補償電容C不變，重複步驟(b3)確定維持時間T，直至取足陰影條件區間內的點； (b5)保持給定陰影條件G不變，改變補償電容C，重複步驟(b3)確定維持時間T，直至取足補償電容區間內的點； (b6)根據步驟(b3)、(b4)和(b5)的求解結果，得到陰影條件G、補償電容C和維持時 間T的匹配關係。
全文摘要
本發明公開了一種提高短時陰影下光伏模組抗失配能力的超級電容補償方法，對實際工作的光伏發電系統，將串聯的光伏電池單元分為若干電池模組，對每一個電池模組並聯一個超級電容形成一個帶失配補償電路的電池模組；記電池模組的最佳電壓工作區間為U∈(UL,UG)，在陰影條件G下電池模組維持在最佳電壓工作區間U∈(UL,UG)內的持續時間為維持時間T，在維持時間T內的超級電容容量為補償容量C。本發明給出了光伏電池模組最佳工作區間的確定方法以及不同容量超級電容維持模組電壓穩定能力的標準即維持時間，提供了選擇超級電容容量的思路，確定一定陰影光強條件下，電容補償容量與模組維持時間之間的匹配關係的方法。
文檔編號H02J7/35GK103199608SQ20131010693
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月29日 優先權日2013年3月29日
發明者徐青山, 錢海亞, 臧海祥, 司小慶, 陳楷 申請人:東南大學, 江蘇省電力公司南京供電公司, 江蘇省電力公司, 國家電網公司