CN110266265A - 一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***及其方法。所述***包括光伏阵列电路、光伏板支路切换电路、旁路电路、电量检测与分析电路和PLC功率优化模块；所述光伏阵列电路包括N行M列的光伏板，每块光伏板先与所述支路切换电路串联，每列光伏板与所述旁路电路并联；每块光伏板均与对应列中的电量检测与分析电路连接，各列电量检测与分析电路均与PLC功率优化模块连接。所述方法包括以下步骤：步骤一、对重构电路的功率进行计算；步骤二、找出功率达到最大时需旁路的列数，保证光伏阵列的输出功率达到最优。基于输出电压和功率要求重构光伏阵列的发电电路，改善非均匀光照下光伏发电的效率。

Description

一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***及其方法

技术领域

本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***及其方法。

背景技术

随着光伏发电***的广泛应用，越来越多的分布式光伏电站和多地形光伏电站将面临复杂多变的光照环境。

光伏阵列在受到树或建筑物等部分遮挡、多云天气以及表面灰尘或者电路损坏等情况下会造成光伏阵列中部分发电板在某些时间不能正常发电，不仅会造成光电转换的能量损失，降低总输出功率，而且会导致电路结构的改变，形成内部“环流”，对被遮光的光伏板成为负载，局部过热而永久性损伤。

现有技术中，单块光伏板是由几十个不等的光伏电池单元串联组成的，解决局部阴影的方法主要是在每个光伏电池两端并联旁路二极管，并且在串联连接的光伏阵列中首位串联防逆流二极管，这样的方法虽然能解决局部阴影对单块板的损伤，但对整个光伏阵列的会造成输出功率降低甚至失配。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***及其方法。

一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，包括光伏阵列电路、光伏板支路切换电路、重构逻辑驱动的旁路电路、电量检测与分析电路和PLC功率优化模块；所述光伏阵列电路包括N行M列的光伏板，所述光伏板先并联成M列光伏板，再将M列光伏板串联；各列中每块光伏板先与所述支路切换电路串联，每列光伏板再与所述旁路电路并联；每块光伏板均与对应列中的电量检测与分析电路连接，各列电量检测与分析电路均与PLC功率优化模块连接。

光伏阵列通过电路切换开关动态改变电路拓扑结构，从而实现在发电过程中电路重构，隔离或旁路因光照遮挡导致发电量低或不发电的光伏板，从而提高光伏***的整体发电功率。

进一步的，所述光伏板支路切换电路包括直流欠流继电器和电路切换开关；每块光伏板均串联一个直流欠流继电器和一个电路切换开关；

所述直流欠流继电器的电流变小到给定阈值时，直流欠流继电器产生隔离信号驱动电路切换开关，将该光伏板隔离出来，停止其供电，并切换到电压限位电路；在光照恢复后，电压限位电路识别出光伏板电压恢复，驱动电路切换开关动作，切换回主电路即光伏阵列电路，恢复发电，光伏阵列电路与负载串联。

进一步的，所述电压限位电路包括与每列光伏板并联的过压继电器。

进一步的，所述重构逻辑驱动的旁路电路包括旁路继电器和与旁路继电器串联的单向二极管；所述旁路继电器与每列光伏板并联；

所述PLC功率优化模块包括PLC控制器，所述PLC控制器与每列光伏板并联；通过PLC功率优化模块改变光伏阵列电路中单一列或若干列的连接与旁路，从而实现***电路结构的重新构建。

进一步的，所述PLC功率优化模块采用串行输入模式，将光伏阵列电路输出的总电流、电压和功率，按照功率最大化逻辑判断隔离光伏板，并重构电路拓扑结构，满足输出直流电压的要求，产生开关信号，驱动电路重构开关实现电路优化运行。

进一步的，所述PLC功率优化模块采用西门子s7-200系列PLC。

进一步的，所述电量检测与分析电路是以每列光伏板为单位，将各列中每块光伏板的接通或断开情况进行检测并将数据传输给PLC功率优化模块，测量各列光伏板的接通状况，接通的光伏板标记为信号1，断开为信号0；采用多位二进制的方式将信号传输给PLC功率优化模块，通过运算分析建立光伏阵列电路中支路开关的邻接矩阵，根据光伏阵列电路的输出总电压和电流，形成反映光伏板通断状态与发电电量变化的电路动态拓扑，使用PLC功率优化模块进行重构运算，并优化光伏阵列电路的整体发电效率。

所述电量检测与分析电路连接EM231模块作为拓展。

当光照恢复使得光伏板的电压升高到一定程度后，过压继电器产生被隔离光伏板恢复供电的信号，驱动电路切换开关动作，形成一种投切互锁的逻辑控制电路；当一组并联光伏板都被隔离时，旁路继电器闭合，整个并联光伏板组被隔离。在工程应用时需要考虑现场工作情况，譬如光伏***安装位置的地理环境和生态环境，通过现场实际光照变化情况确定欠流和过压继电器的工作范围，使得光伏板在遮挡时和光照正常时的电流和电压参数与实际工况一致，保证旁路继电器能够正确工作。

本发明的重构逻辑是以并联光伏板运行情况来估算每组并联光伏板产生的总电流值，通过将各电流值由小至大的排序，计算在输出总电流(总电流是一个估算值，大小和光伏阵列连接光伏板最少的列的数量成正比例关系)的并联光伏列依次旁路后电路重构***的总输出功率，确定功率最大时需要旁路的并联光伏列。

本发明引入投切互锁的逻辑控制电路，通过电路结构的设计，保证光伏板发生光照遮挡情况时准确及时与光伏发电电路断开连接，并切换到与电压限位电路连接；光照遮挡可能会导致一块或多块光伏板输出电流降低，这些光伏板需要全部与主电路断开连接，同时与电压限位电路并联。当光照恢复后，电压限位电路将信号输出给电路切换开关，将所有并联的光伏板恢复与主电路的连接，再由直流欠流继电器来确定各光伏板的电流输出情况，将其中仍被遮挡光伏板与主电路断开连接。

以上投切互锁的逻辑控制电路实现了光伏板在遮挡和光照正常情况下的自动切换，并将每列光伏板的接通断开情况以二进制的信息传输给PLC模块，由PLC实现逻辑运算，以每组并联的光伏板作为被控单元，计算输出最大电能所需隔离的光伏列；采用旁路继电器作为执行机构，旁路这些发电电流低的光伏列，从而实现光伏阵列输出功率的改善。

此外，每个旁路继电器均串联二极管实现线路的单向导通，防止光伏板与旁路电路组成闭合回路而短路。光伏板支路切换电路能够保证被遮挡的光伏板与主电路及时断开连接，从而避免了光伏板因光照不足光生电压过低而引发的内部环流。

一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构方法，包括以下步骤：

步骤一、采用PLC功率优化模块对光伏阵列电路的输出功率进行预估；

步骤二、通过PLC的逻辑运算，找出功率达到最大时需旁路的列数，并将这些其旁路处理，使光伏阵列电路的输出功率达到最优。

进一步的，步骤一的预估程如下：

设光伏阵列电路的每列并联光伏板数量为M块，N组并联光伏板依次串联，N和M值均不小于3，则所有光伏板正常发电时有：

(1)输出的总电压为

V_i为并联的光伏板两端节点电压，i表示一列并联的光伏板，i＝1，2，…，N，根据光伏发电输出电压的要求V_minr≤V≤V_maxr，即输出电压允许在额定最小V_minr和最大电压V_maxr之间变化；

(2)输出的总电流为

I_i为单个并联节点输出电流，i＝1，2，…，N；单个并联节点电流为

设每个并联支路电流I_ij占节点总电流的比例为k_ij，则：

I_ij＝k_ijI

其中m代表单一列光伏板中正常工作的光伏板的数量，M代表单一列总的光伏板数量，且

(3)光伏阵列电路输出的总功率为：

当单个光伏板因光照被遮挡导致支路电流I_ij降低时会引起总输出电流I变小，从而降低整个电路总的发电功率P，PLC控制器通过对光伏板遮蔽的数目来推算出各列的输出电流和整体的输出电压，当遮蔽情况发生后I_ij变小，此时PLC控制器通过逻辑运算，选择合适的n＝1，2，…，N和m_i＝1，2，…，M，来提高P，即：

其中n^*和分别代表输出功率达到最大时的未被旁路的光伏列数量和发电电流最小的光伏列中正常工作的光伏板数量，n表示未被旁路量的光伏列数，m_i表示每组并联光伏板正常发电的数目。

进一步的，步骤二是根据光伏阵列电路特点，采用迭代搜索算法来确定最优的串并联光伏阵列电路结构，具体过程如下：

1)当光伏板退出发电且光伏阵列电路输出的总电流I或总功率P降低时启动搜索过程，根据并联光伏板输出电流I_i跟光伏板数目m_i成正比，即：

I_i＝I₀m_i

I₀代表单块光伏板的输出电流，I_norm代表单块光伏板正常工作时的输出电流，计算光伏阵列电路的总输出功率：

选择最大输出功率且满足：

2)些时，则确定对应的n^*，数量，否则，继续搜索比较；

3)根据n^*和的值，重构光伏阵列电路

当光伏板被遮挡则被旁路退出，使整个并联光伏板列组发电数量低于某个值，PLC功率优化模块将整列并联的光伏板旁路退出，则光伏阵列电路的输出功率为：

随着退出的光伏板列数数量增加，总输出电压也会降低，输出电流最低的整列光伏板逐渐被旁路，总输出电流会增加；通过步骤1)和步骤2)，找出功率达到最大时需旁路的列数，然后PLC功率优化模块控制旁路继电器开关，将对应的整列光伏板旁路处理，保证光伏阵列电路的输出功率达到最优。

本发明的有益效果是：本发明主要解决的是光伏阵列电路重构***在局部光照被遮挡情况下的功率优化问题，通过电路结构的重构，能有效地提升光伏阵列的发电功率，并且本发明中采用的光伏板支路切换电路能够保证被遮挡的光伏板与主电路及时断开连接，从而避免了光伏板因光照不足光生电压过低而引发的内部环流。

附图说明

图1为实施例的电路可重构的光伏阵列结构拓扑图；

图2为实施例的PLC逻辑电路控制框图；

图3为实施例的10×9光伏发电***在某一遮蔽情况下的光伏阵列拓扑图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，如图1-2所示，包括：光伏阵列电路、光伏板支路切换电路、重构逻辑驱动的旁路电路、电能检测与分析电路和PLC功率优化模块。

光伏阵列电路采用先并联后串联的连接方式，组成m×n光伏阵列，将m个光伏板并联视为一个单元组。每个单元组的光伏板均串联一个直流欠流继电器和一个电路切换开关，每个单元组与一个带有过压继电器的电压限位电路并联；当光伏板的光照被遮挡时，输出电流降低使得直流欠流继电器产生隔离信号驱动电路切换开关，停止该光伏板供电；当光照恢复使得光伏板的电压升高到一定程度后，电压限位电路产生被隔离光伏板恢复供电的信号，驱动电路切换开关动作，形成一种投切互锁的逻辑控制电路；当一组并联光伏板都被隔离时，与之并联的旁路继电器会自动闭合，整个并联光伏板组被隔离。在工程应用时需要考虑现场工作情况，譬如光伏发电***安装位置的地理环境和生态环境，通过现场实际光照变化情况确定欠流和过压继电器的工作范围，使得光伏板在遮挡时和光照正常时的电流和电压参数与实际工况一致，保证旁路继电器能够正确工作。

光伏阵列电路遇到部分光照被遮挡的情况时，光伏板的输出电流会降低，电流值下降到一定程度时，表明遮挡情况较为严重，此时被遮蔽的光伏板中串联的欠流继电器会将该光伏板与主电路断开连接，改变电路结构，通过电路切换将被遮挡的面板与电压限位电路并联。当光照恢复后，光伏板输出电压会恢复，这样电压限位电路检测到恢复电压，产生开关信号驱动继电器使面板与主电路的恢复连接。此过程实现了光伏阵列电路在光照被部分遮挡时并联支路的自动切换，自主改变发电的拓扑结构。

电路结构上，如图1所示，每一组并联光伏板，采用过压保护继电器和欠流继电器组成投切互锁的逻辑控制电路，由过压保护继电器控制整列并联光伏板的接通状态，与每块光伏板串联的欠流继电器来控制单一光伏板是否需要断开连接。从而达到光照减弱，光伏板输出电流降低，自动断开；光照恢复，光伏板输出电压升高，自动接通。

以上被遮挡的光伏板自动接通或断开电路，将会改变光伏阵列电路总输出电流、电压和功率。如果某部分并联光伏板全部因遮挡而自动断开，***将完全处于断路状态，或者其输出电流过低时，***整体的输出电流也会受到影响，输出功率降低。

为了避免上诉情况并提高***整体发电功率，如图2所示，投切互锁的逻辑控制电路将每组并联光伏板电路的接通状态(单列中正常连接的光伏板的数量)通过二进制的方式串行输入PLC功率优化模块，经PLC运算后得出最优的旁路策略，控制继电器开关旁路掉相应输出电流值较低的某列或几列光伏板串。

光伏阵列电路中各组并联光伏板在光照遮挡时是否接入主电路是由并联节点输出电压、电流的大小决定的，不受PLC功率优化模块的控制，于是当某一列光伏板被旁路时，遇到光照恢复的情况，光伏板会自动接通与旁路电路组成闭合回路，形成反向电流而造成短路。因此需要在旁路继电器的电路中串联二极管，来防止电流反向导通，电路结构如图1所示。

电路重构的计算和PLC逻辑运算如下：

步骤一、采用PLC功率优化模块对光伏阵列电路的输出功率进行预估；；

设光伏阵列电路的每组并联光伏板数量为M块，N组并联光伏板依次串联，组成N行M列光伏阵列电路，则所有光伏板正常发电时有：

(1)输出的总电压为

V_i为并联的光伏板两端节点电压，i表示一列并联的光伏板，i＝1，2，…，N，根据光伏发电输出电压的要求V_minr≤V≤V_maxr，即输出电压允许在额定最小V_minr和最大电压V_maxr之间变化；

(2)输出的总电流为

I_i为单个并联节点输出电流，i＝1，2，…，N；单个并联节点电流为

设每个并联支路电流I_ij占节点总电流的比例为k_ij，则：

I_ij＝k_ijI

其中m代表单一列光伏板中正常工作的光伏板的数量，M代表单一列总的光伏板数量，且

(3)光伏阵列电路输出的总功率为：

当单个光伏板因光照被遮挡导致支路电流I_ij降低时会引起总输出电流I变小，从而降低整个电路总的发电功率P，PLC控制器通过对光伏板遮蔽的数目来推算出各列的输出电流和整体的输出电压，当遮蔽情况发生后I_ij变小，此时PLC控制器通过逻辑运算，选择合适的n＝1，2，…，N和m_i＝1，2，…，M，来提高P，即：

其中n^*和分别代表输出功率达到最大时的未被旁路的光伏列数量和发电电流最小的光伏列中正常工作的光伏板数量，n表示未被旁路量的光伏列数，m_i表示每组并联光伏板正常发电的数目。

步骤二、通过PLC的逻辑运算，找出功率达到最大时需旁路的列数，并将这些其旁路处理，使光伏阵列电路的输出功率达到最优。

具体是，根据光伏阵列电路特点，采用迭代搜索算法来确定最优的串并联光伏阵列电路结构，具体过程如下：

1)当光伏板退出发电且光伏阵列电路输出的总电流I或总功率P降低时启动搜索过程，根据并联光伏板输出电流I_i跟光伏板数目m_i成正比，即：

I_i＝I₀m_i

I₀代表单块光伏板的输出电流，I_norm代表单块光伏板正常工作时的输出电流，计算光伏阵列电路的总输出功率：

选择最大输出功率且满足：

2)当时，则确定对应的n^*,数量，否则，继续搜索比较；

3)根据n^*和的值，重构光伏阵列电路

当光伏板被遮挡则被旁路退出，使整个并联光伏板列组发电数量低于某个值，PLC功率优化模块将整列并联的光伏板旁路退出，则光伏阵列电路的输出功率为：

随着退出的并联光伏板组数量增加，总输出电压也会降低。通过PLC逻辑运算，得出功率达到最大值时的n^*值与值，并将各列中连接的光伏板数量低于的列旁路处理。

为了避免电流变化可能造成的浪涌现象，可以通过PLC功率优化模块设置旁路继电器延迟时间，将电流较小的部分每隔一段时间依次旁路，使***的电流变化趋于平缓。

表1列出了9×10(9列10行)光伏阵列在2、4、5、6组并联光伏板发生光照遮挡时电路重构功率计算表，设并联光伏板正常发电时电压均可近似为V_m。遮挡情况如图3所示，其中表1中m₁、m₂...m₉具体指第一列、第二列...第九列光伏板的数量，图3中阴影部分代表因遮挡而断开的光伏板，图中的X代表10，如1X代表第一列第十行，最终***重构前输出功率20V_mI₀，重构后为54V_mI₀，比重构前提高了2.7倍。

表1电路重构功率计算

以上所述仅为本发明的说明性实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，所述电路重构***包括：光伏阵列电路、光伏板支路切换电路、重构逻辑驱动的旁路电路、电量检测与分析电路和PLC功率优化模块；所述光伏阵列电路包括N行M列的光伏板，每一列中的N块光伏板为并联连接，列与列之间再串联连接；每块光伏板均独立地与一个所述支路切换电路串联，每列光伏板再与所述旁路电路并联；每列光伏板对应设有一个电量检测与分析电路，每列光伏板中的每块光伏板均与本列中的电量检测与分析电路连接，各列电量检测与分析电路均与PLC功率优化模块连接。

2.根据权利要求1的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，还包括电压限位电路，所述电压限位电路包括与每列光伏板并联的过压继电器；所述光伏板支路切换电路包括直流欠流继电器和电路切换开关；每块光伏板均串联一个直流欠流继电器和一个电路切换开关；

所述直流欠流继电器的电流变小到给定阈值时，直流欠流继电器产生隔离信号驱动电路切换开关，将该光伏板隔离出来，停止其供电，并切换到电压限位电路；在光照恢复后，电压限位电路识别出光伏板电压恢复，驱动电路切换开关动作，切换回主电路即光伏阵列电路，恢复发电。

3.根据权利要求1的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，所述重构逻辑驱动的旁路电路包括旁路继电器和与旁路继电器串联的单向二极管；所述旁路继电器与每列光伏板并联。

4.根据权利要求1的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，所述PLC功率优化模块包括PLC控制器，所述PLC控制器与每列光伏板并联；

所述PLC功率优化模块采用串行输入模式，将光伏阵列电路输出的总电流、电压和功率，按照功率最大化逻辑判断隔离光伏板，并重构电路拓扑结构，满足输出直流电压的要求，产生开关信号，驱动电路重构开关实现电路优化运行。

5.根据权利要求1的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，所述PLC功率优化模块采用西门子s7-200系列PLC。

6.根据权利要求1的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构***，其特征在于，所述电量检测与分析电路是以每列光伏板为单位，将各列中每块光伏板的接通或断开情况进行检测并将数据传输给PLC功率优化模块；所述电量检测与分析电路连接EM231模块作为拓展。

7.一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用PLC功率优化模块对光伏阵列电路的输出功率进行预估；

步骤二、通过PLC功率优化模块的重构运算，找出功率达到最大时需旁路的列数，并将这些列旁路处理，使光伏阵列电路的输出功率达到最优。

8.根据权利要求7所述的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构方法，其特征在于，步骤一的预估过程如下：

设光伏阵列电路的每列并联光伏板数量为M块，N组并联光伏板依次串联，N和M值均不小于3，则所有光伏板正常发电时有：

(1)输出的总电压为

V_i为并联的光伏板两端节点电压，i表示一列并联的光伏板，i＝1，2，…，N，根据光伏发电输出电压的要求V_minr≤V≤V_maxr，即输出电压允许在额定最小V_minr和最大电压V_maxr之间变化；

(2)输出的总电流为

I_i为单个并联节点输出电流，i＝1，2，…，N；单个并联节点电流为

设每个并联支路电流I_ij占节点总电流的比例为k_ij，则：

I_ij＝k_ijI

其中m代表单一列光伏板中正常工作的光伏板的数量，M代表单一列总的光伏板数量，且

(3)光伏阵列电路输出的总功率为：

当单个光伏板因光照被遮挡导致支路电流I_ij降低时会引起总输出电流I变小，从而降低整个电路总的发电功率P，PLC控制器通过对光伏板遮蔽的数目来推算出各列的输出电流和整体的输出电压，当遮蔽情况发生后I_ij变小，此时PLC控制器通过逻辑运算，选择n＝1，2，…，N和m_i＝1，2，…，M，以提高P，即：

其中n^*和分别代表输出功率达到最大时的未被旁路的光伏列数量和发电电流最小的光伏列中正常工作的光伏板数量，n表示未被旁路量的光伏列数，m_i表示每组并联光伏板正常发电的数目。

9.根据权利要求7所述的一种光照部分被遮挡的光伏阵列电路重构方法，其特征在于，步骤二是根据光伏阵列电路特点，采用迭代搜索算法来确定最优的串并联光伏阵列电路结构，具体过程如下：

1)当光伏板退出发电且光伏阵列电路输出的总电流I或总功率P降低时启动搜索过程，根据并联光伏板输出电流I_i跟光伏板数目m_i成正比，即：

I_i＝I₀m_i

I₀代表单块光伏板的输出电流，I_norm代表单块光伏板正常工作时的输出电流，计算光伏阵列电路的总输出功率：

选择最大输出功率且满足：

2)当时，则确定对应的n^*，数量，否则，继续搜索比较；

3)根据n^*和的值，重构光伏阵列电路

当光伏板被遮挡则被旁路退出，使整个并联光伏板列组发电数量低于某个值，PLC功率优化模块将整列并联的光伏板旁路退出，则光伏阵列电路的输出功率为：