专利名称：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；记电池模组的最佳电压工作区间为U G (UuUJ，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间ue (UL, Ug)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 G (UL, Ug) 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Ul或高于Ue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。。之间，优选设定最佳电压工作区间U G (UL, Ug)为U G (0.8U。。，0.84UJ，其中U。。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:(al)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:
权利要求
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；记电池模组的最佳电压工作区间为UG (Uu UJ，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间ue (UL, Ug)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。
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 G (UL, Ug)为U G (0.8U。。，0.84UJ，其中U。。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: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: (al)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:
4.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: (bl)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 G (UL, Ug)； (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Ue (UL, Ug)下限队的时间，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。
全文摘要
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∈(UL,UG)，在阴影条件G下电池模组维持在最佳电压工作区间U∈(UL,UG)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。
文档编号H02J7/35GK103199608SQ20131010693
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者徐青山, 钱海亚, 臧海祥, 司小庆, 陈楷 申请人:东南大学, 江苏省电力公司南京供电公司, 江苏省电力公司, 国家电网公司