一種提高光伏陣列發電效率的方法
2023-06-03 04:41:46
一種提高光伏陣列發電效率的方法
【專利摘要】提高光伏陣列發電效率的方法：首先將光傳感器分散布置於光伏陣列之中，設置圖像採集裝置的安裝位置，將圖像及與其同步的輻照度測量數據經過通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心，光伏發電控制中心對光伏陣列運行圖像進行分析處理，辨識出局部陰影是否存在，及其分布的範圍；然後結合光傳感器同步測量的輻照度數據，估計光伏陣列中各個位置的輻照度；最後基於每塊光伏組件(光伏電池)的輻照度數據，利用重構優化方法計算光伏陣列的最優結構，並調整光伏陣列的連接方式。本發明不僅可以提高局部陰影條件下光伏陣列的發電效率，簡化光伏功率變換裝置對最大功率點跟蹤方法(Maximum?Power?Point?Tracking，MPPT)的要求，顯著提高MPPT的跟蹤準確度，而且所需的傳感器數量非常少、局部陰影辨識精度較高、重構優化效果好。
【專利說明】一種提高光伏陣列發電效率的方法
【技術領域】:
[0001]本發明涉及光伏發電系統中光伏陣列遭遇局部陰影時的重構技術，屬於光伏發電運行控制【技術領域】。
【背景技術】:
[0002]太陽能光伏發電技術，因其清潔無汙染、安裝方便、不受地域限制、運行維護簡單等諸多優點，成為繼風力發電之後的主要新能源發電方式。隨著各國光伏補貼政策的逐漸退出，光伏發電系統的高效運行對於降低光伏電力成本變得更為重要。
[0003]光伏發電系統中的光伏陣列由大量光伏電池以一定的串並聯結構組成，具有光電轉換功能。光伏陣列的最大功率輸出能力與其所處的環境和自身的陣列結構密切相關。當光伏陣列採取集中輸出功率控制時，局部陰影環境將對其輸出外特性產生顯著影響。局部陰影不僅削弱部分光伏組件潛在的最大功率輸出能力，而且會導致光伏組件之間出現功率失配現象而引入更多的功率損失，此外還會給最大功率點跟蹤(Maximum Power PointTracking, MPPT)控制帶來困難，若MPPT出現誤跟蹤，光伏陣列發電效率將進一步降低。
[0004]通過光伏陣列重構可以有效消除局部陰影條件下光伏組件之間的功率失配現象，然而光伏陣列重構需要獲取所有參與重構的光伏組件的光照和溫度數據。考慮到光伏陣列中溫度差異不大且溫度對光伏組件輸出特性影響較小，因此可以不考慮光伏陣列中的溫度差異。受局部陰影影響，光伏陣列中光伏組件的光照可能存在較大差異，從而導致光伏組件輸出特性出現顯著差異。若要掌握整個光伏陣列的局部陰影狀況，通常需要安裝大量的光傳感器，以實現對輻照度的精細化測量。大量的傳感器意味著建設成本高和系統複雜，對局部陰影測量精細度要求越高，傳感器的數量亦將成倍增加。
【發明內容】
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[0005]本發明針對大規模光伏陣列重構優化過程中光照數據難以實時準確獲取的問題，利用圖像處理技術和計算機仿真分析相結合的方式來獲取光伏陣列實時運行光照數據，並通過優化得到光伏陣列的最優運行結構。該方法只需要少量光傳感器就可以實現高精度、快速的光伏陣列輻照度分布數據測量，重構優化計算得到的光伏陣列結構能顯著提高光伏發電系統的發電效率，降低光伏發電MPPT控制難度。
[0006]為了實現上述技術目標，本發明提出的技術方案包含光伏陣列、光傳感器、圖像採集裝置、通信網絡、開關矩陣及其控制器、旁路二極體、光伏功率變換裝置和光伏發電系統控制中心。光伏陣列中的全部或部分光伏組件連接至開關矩陣，由開關矩陣決定光伏組件的連接方式，重構後的光伏陣列通過功率變換裝置向負載供電或者與外部電網並聯。開關矩陣的連接方式受控於光伏發電系統控制中心，光伏發電控制中心接收來自於光伏陣列的圖像信息和光傳感器測量信息，通過圖像處理技術辨識出當前光伏陣列中每個光伏組件的輻照度，並利用重構優化算法確定開關矩陣控制器的輸出控制信號，由開關矩陣控制器控制開關矩陣的連接方式，最終構造出當前運行條件下的最優光伏陣列結構，使其具有最小的失配功率損失。
[0007]本發明的實施步驟如下:
[0008](I)確定光伏陣列的分布範圍、光伏組件的排列位置，並作標記；
[0009](2)在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像採集裝置，並將它們的安裝位置信息存儲於光伏發電系統控制中心；
[0010](3)用光傳感器測量其安裝地點的輻照度，輻照度數據及其採集時間信息經通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心；
[0011](4)圖像採集裝置拍攝光伏陣列的運行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心；
[0012](5)光伏發電系統控制中心對光伏陣列的圖像進行分析，辨識局部陰影的分布範圍和均勻程度；並結合圖像拍攝時光傳感器採集的光伏陣列的輻照度數據，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數據；
[0013](6)光伏發電系統控制中心的計算機通過優化計算得到當前光照條件下光伏陣列的最優結構；
[0014](7)光伏發電系統控制中心將最優光伏陣列結構信息發送給開關矩陣的控制器，由其控制開關矩陣來實時調整光伏陣列的運行結構，使光伏陣列運行於最優結構。
[0015]本發明不僅可以提高局部陰影條件下光伏陣列的發電效率、簡化光伏功率變換裝置對MPPT控制的要求，顯著提高MPPT的跟蹤準確度，而且所需的傳感器數量非常少、局部陰影辨識精度高、重構優化效果好。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0016]圖1光伏陣列重構系統框架結構
[0017]圖2光伏陣列重構優化實現流程圖
[0018]圖3a實施例中無陰影時的光伏陣列圖像
[0019]圖3b實施例中有局部陰影時的光伏陣列圖像
[0020]圖4a實施例中無陰影時光伏陣列輻照度辨識結果
[0021]圖4b實施例中有局部陰影時光伏陣列輻照度辨識結果
[0022]圖5a實施例中無陰影時光伏陣列的重構優化運行結構
[0023]圖5b實施例中有局部陰影時光伏陣列的重構優化運行結構
[0024]圖6實施例中光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線
【具體實施方式】:
[0025]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
[0026]光伏陣列重構系統框架結構如圖1所示，分別在陣列的四周和中心位置布置光傳感器，並在指定位置安裝攝像機一臺，光傳感器測量的輻照度數據和攝像機拍攝的光伏陣列圖像將被實時傳送到光伏發電系統控制中心進行光伏陣列輻照度辨識。光伏發電控制中心根據輻照度分布數據辨識結果，利用重構優化算法確定開關矩陣控制器的輸出控制信號，由開關矩陣控制器控制開關矩陣的連接方式，最終構造出當前運行條件下的最優光伏陣列結構，使其具有最小的失配功率損失。
[0027]具體實施流程如圖2所示，包括如下步驟:
[0028](I)確定光伏陣列的分布範圍、光伏組件的排列位置，並作標記；
[0029](2)在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像採集裝置，並將它們的安裝位置信息存儲於光伏發電系統控制中心；
[0030](3)用光傳感器測量其安裝地點的輻照度，輻照度數據及其採集時間信息經通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心；
[0031](4)圖像採集裝置拍攝光伏陣列的運行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心；
[0032](5)光伏發電系統控制中心對光伏陣列的圖像進行分析，辨識局部陰影的分布範圍和均勻程度；並結合圖像拍攝時光傳感器採集的光伏陣列的輻照度數據，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數據；
[0033](6)光伏發電系統控制中心的計算機通過優化計算得到當前光照條件下光伏陣列的最優結構；
[0034](7)光伏發電系統控制中心將最優光伏陣列結構信息發送給開關矩陣的控制器，由其控制開關矩陣來實時調整光伏陣列的運行結構，使光伏陣列運行於最優結構。
[0035]假設攝像機拍攝到某光伏陣列無陰影時的圖像如圖3(a)所示，有局部陰影時的圖像如圖3(b)所示，光伏組件編號分別用1-1、1_2、……、1-10、2-1、2-2、……2_10表示。根據匯集到光伏發電系統控制中 心的圖像信息與輻照度測量信息，辨識得到光伏組件輻照度數據列於圖4中。根據輻照度分布數據辨識結果，光伏發電系統控制中心可以計算出光伏陣列的重構優化結構，並發送指令給開關矩陣控制器由其控制開關矩陣的連接方式。本實施例中，光伏陣列無陰影時對應的重構優化結構如圖5(a)所示，有局部陰影時對應的重構優化結構如圖5(b)所示。
[0036]圖6是實施例中光伏陣列的輸出功率-電壓(P-U)特性曲線，橫坐標U是光伏陣列的端電壓，縱坐標P是光伏陣列的輸出功率。無陰影時，與圖5(a)所示光伏陣列結構對應的P-U特性曲線呈單峰狀，最大輸出功率為P1 ;有局部陰影時，與圖5(a)所示光伏陣列結構對應的P-U特性曲線呈雙峰狀，最大輸出功率為P3，除此之外還存在另一個峰值功率P4 ;有局部陰影時，若及時採取重構優化措施，此時的光伏陣列結構如圖5(b)所示，與之對應的P-U特性曲線如圖6中曲線「有局部陰影時(重構優化後)」所示，其最大輸出功率為P2。由此可見，基於輻照度辨識技術和重構優化技術，光伏陣列的最大輸出功率顯著提高，本實施例中由P3(P4)提高至P2。此外，通過光伏陣列重構優化，其輸出P-U特性曲線由雙峰變化為近似單峰狀，這為簡化MPPT方法、提高MPPT跟蹤精度奠定了基礎。
【權利要求】
1.提高光伏陣列發電效率的方法，涉及光伏陣列、光傳感器、圖像採集裝置、通信網絡、開關矩陣及其控制器、旁路二極體、光伏功率變換裝置和光伏發電系統控制中心，具體包括如下步驟: 步驟1，確定光伏陣列的分布範圍、光伏組件的排列位置，並作標記； 步驟2，在光伏陣列中分散安裝光傳感器，在光伏陣列上方安裝圖像採集裝置，並將它們的安裝位置信息存儲於光伏發電系統控制中心； 步驟3，用光傳感器測量其安裝地點的輻照度，輻照度數據及其採集時間信息經通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心； 步驟4，圖像採集裝置拍攝光伏陣列的運行圖像，圖像及其拍攝時間信息通過通信網絡傳送到光伏發電系統控制中心； 步驟5，光伏發電系統控制中心對光伏陣列的圖像進行分析，辨識局部陰影的分布範圍和均勻程度；並結合圖像拍攝時光傳感器採集的光伏陣列的輻照度數據，擬合出光伏陣列中各個位置的輻照度數據； 步驟6，光伏發電系統控制中心的計算機通過優化計算得到當前光照條件下光伏陣列的最優結構； 步驟7，光伏發電系統控制中心將最優光伏陣列結構信息發送給開關矩陣的控制器，由其控制開關矩陣來實時調整光伏陣列的運行結構，使光伏陣列運行於最優結構。
【文檔編號】H02N6/00GK103475267SQ201310353378
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月14日 優先權日:2013年8月14日
【發明者】戚軍, 張曉峰 申請人:浙江工業大學