CN103475267A - 一种提高光伏阵列发电效率的方法 - Google Patents

一种提高光伏阵列发电效率的方法 Download PDF

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Abstract

提高光伏阵列发电效率的方法：首先将光传感器分散布置于光伏阵列之中，设置图像采集装置的安装位置，将图像及与其同步的辐照度测量数据经过通信网络传送到光伏发电***控制中心，光伏发电控制中心对光伏阵列运行图像进行分析处理，辨识出局部阴影是否存在，及其分布的范围；然后结合光传感器同步测量的辐照度数据，估计光伏阵列中各个位置的辐照度；最后基于每块光伏组件(光伏电池)的辐照度数据，利用重构优化方法计算光伏阵列的最优结构，并调整光伏阵列的连接方式。本发明不仅可以提高局部阴影条件下光伏阵列的发电效率，简化光伏功率变换装置对最大功率点跟踪方法(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的要求，显著提高MPPT的跟踪准确度，而且所需的传感器数量非常少、局部阴影辨识精度较高、重构优化效果好。

Description

一种提高光伏阵列发电效率的方法
技术领域：
本发明涉及光伏发电***中光伏阵列遭遇局部阴影时的重构技术，属于光伏发电运行控制技术领域。
背景技术：
太阳能光伏发电技术，因其清洁无污染、安装方便、不受地域限制、运行维护简单等诸多优点，成为继风力发电之后的主要新能源发电方式。随着各国光伏补贴政策的逐渐退出，光伏发电***的高效运行对于降低光伏电力成本变得更为重要。
光伏发电***中的光伏阵列由大量光伏电池以一定的串并联结构组成，具有光电转换功能。光伏阵列的最大功率输出能力与其所处的环境和自身的阵列结构密切相关。当光伏阵列采取集中输出功率控制时，局部阴影环境将对其输出外特性产生显著影响。局部阴影不仅削弱部分光伏组件潜在的最大功率输出能力，而且会导致光伏组件之间出现功率失配现象而引入更多的功率损失，此外还会给最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制带来困难，若MPPT出现误跟踪，光伏阵列发电效率将进一步降低。
通过光伏阵列重构可以有效消除局部阴影条件下光伏组件之间的功率失配现象，然而光伏阵列重构需要获取所有参与重构的光伏组件的光照和温度数据。考虑到光伏阵列中温度差异不大且温度对光伏组件输出特性影响较小，因此可以不考虑光伏阵列中的温度差异。受局部阴影影响，光伏阵列中光伏组件的光照可能存在较大差异，从而导致光伏组件输出特性出现显著差异。若要掌握整个光伏阵列的局部阴影状况，通常需要安装大量的光传感器，以实现对辐照度的精细化测量。大量的传感器意味着建设成本高和***复杂，对局部阴影测量精细度要求越高，传感器的数量亦将成倍增加。
发明内容：
本发明针对大规模光伏阵列重构优化过程中光照数据难以实时准确获取的问题，利用图像处理技术和计算机仿真分析相结合的方式来获取光伏阵列实时运行光照数据，并通过优化得到光伏阵列的最优运行结构。该方法只需要少量光传感器就可以实现高精度、快速的光伏阵列辐照度分布数据测量，重构优化计算得到的光伏阵列结构能显著提高光伏发电***的发电效率，降低光伏发电MPPT控制难度。
为了实现上述技术目标，本发明提出的技术方案包含光伏阵列、光传感器、图像采集装置、通信网络、开关矩阵及其控制器、旁路二极管、光伏功率变换装置和光伏发电***控制中心。光伏阵列中的全部或部分光伏组件连接至开关矩阵，由开关矩阵决定光伏组件的连接方式，重构后的光伏阵列通过功率变换装置向负载供电或者与外部电网并联。开关矩阵的连接方式受控于光伏发电***控制中心，光伏发电控制中心接收来自于光伏阵列的图像信息和光传感器测量信息，通过图像处理技术辨识出当前光伏阵列中每个光伏组件的辐照度，并利用重构优化算法确定开关矩阵控制器的输出控制信号，由开关矩阵控制器控制开关矩阵的连接方式，最终构造出当前运行条件下的最优光伏阵列结构，使其具有最小的失配功率损失。
本发明的实施步骤如下：
(1)确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
(2)在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电***控制中心；
(3)用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电***控制中心；
(4)图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电***控制中心；
(5)光伏发电***控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度；并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
(6)光伏发电***控制中心的计算机通过优化计算得到当前光照条件下光伏阵列的最优结构；
(7)光伏发电***控制中心将最优光伏阵列结构信息发送给开关矩阵的控制器，由其控制开关矩阵来实时调整光伏阵列的运行结构，使光伏阵列运行于最优结构。
本发明不仅可以提高局部阴影条件下光伏阵列的发电效率、简化光伏功率变换装置对MPPT控制的要求，显著提高MPPT的跟踪准确度，而且所需的传感器数量非常少、局部阴影辨识精度高、重构优化效果好。
附图说明：
图1 光伏阵列重构***框架结构
图2 光伏阵列重构优化实现流程图
图3a 实施例中无阴影时的光伏阵列图像
图3b 实施例中有局部阴影时的光伏阵列图像
图4a 实施例中无阴影时光伏阵列辐照度辨识结果
图4b 实施例中有局部阴影时光伏阵列辐照度辨识结果
图5a 实施例中无阴影时光伏阵列的重构优化运行结构
图5b 实施例中有局部阴影时光伏阵列的重构优化运行结构
图6 实施例中光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线
具体实施方式：
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
光伏阵列重构***框架结构如图1所示，分别在阵列的四周和中心位置布置光传感器，并在指定位置安装摄像机一台，光传感器测量的辐照度数据和摄像机拍摄的光伏阵列图像将被实时传送到光伏发电***控制中心进行光伏阵列辐照度辨识。光伏发电控制中心根据辐照度分布数据辨识结果，利用重构优化算法确定开关矩阵控制器的输出控制信号，由开关矩阵控制器控制开关矩阵的连接方式，最终构造出当前运行条件下的最优光伏阵列结构，使其具有最小的失配功率损失。
具体实施流程如图2所示，包括如下步骤：
(1)确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
(2)在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电***控制中心；
(3)用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电***控制中心；
(4)图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电***控制中心；
(5)光伏发电***控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度；并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
(6)光伏发电***控制中心的计算机通过优化计算得到当前光照条件下光伏阵列的最优结构；
(7)光伏发电***控制中心将最优光伏阵列结构信息发送给开关矩阵的控制器，由其控制开关矩阵来实时调整光伏阵列的运行结构，使光伏阵列运行于最优结构。
假设摄像机拍摄到某光伏阵列无阴影时的图像如图3(a)所示，有局部阴影时的图像如图3(b)所示，光伏组件编号分别用1-1、1-2、……、1-10、2-1、2-2、……2-10表示。根据汇集到光伏发电***控制中心的图像信息与辐照度测量信息，辨识得到光伏组件辐照度数据列于图4中。根据辐照度分布数据辨识结果，光伏发电***控制中心可以计算出光伏阵列的重构优化结构，并发送指令给开关矩阵控制器由其控制开关矩阵的连接方式。本实施例中，光伏阵列无阴影时对应的重构优化结构如图5(a)所示，有局部阴影时对应的重构优化结构如图5(b)所示。
图6是实施例中光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线，横坐标U是光伏阵列的端电压，纵坐标P是光伏阵列的输出功率。无阴影时，与图5(a)所示光伏阵列结构对应的P-U特性曲线呈单峰状，最大输出功率为P1；有局部阴影时，与图5(a)所示光伏阵列结构对应的P-U特性曲线呈双峰状，最大输出功率为P3，除此之外还存在另一个峰值功率P4；有局部阴影时，若及时采取重构优化措施，此时的光伏阵列结构如图5(b)所示，与之对应的P-U特性曲线如图6中曲线“有局部阴影时(重构优化后)”所示，其最大输出功率为P2。由此可见，基于辐照度辨识技术和重构优化技术，光伏阵列的最大输出功率显著提高，本实施例中由P3(P4)提高至P2。此外，通过光伏阵列重构优化，其输出P-U特性曲线由双峰变化为近似单峰状，这为简化MPPT方法、提高MPPT跟踪精度奠定了基础。

Claims (1)

1.提高光伏阵列发电效率的方法，涉及光伏阵列、光传感器、图像采集装置、通信网络、开关矩阵及其控制器、旁路二极管、光伏功率变换装置和光伏发电***控制中心，具体包括如下步骤：
步骤1，确定光伏阵列的分布范围、光伏组件的排列位置，并作标记；
步骤2，在光伏阵列中分散安装光传感器，在光伏阵列上方安装图像采集装置，并将它们的安装位置信息存储于光伏发电***控制中心；
步骤3，用光传感器测量其安装地点的辐照度，辐照度数据及其采集时间信息经通信网络传送到光伏发电***控制中心；
步骤4，图像采集装置拍摄光伏阵列的运行图像，图像及其拍摄时间信息通过通信网络传送到光伏发电***控制中心；
步骤5，光伏发电***控制中心对光伏阵列的图像进行分析，辨识局部阴影的分布范围和均匀程度；并结合图像拍摄时光传感器采集的光伏阵列的辐照度数据，拟合出光伏阵列中各个位置的辐照度数据；
步骤6，光伏发电***控制中心的计算机通过优化计算得到当前光照条件下光伏阵列的最优结构；
步骤7，光伏发电***控制中心将最优光伏阵列结构信息发送给开关矩阵的控制器，由其控制开关矩阵来实时调整光伏阵列的运行结构，使光伏阵列运行于最优结构。
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