一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统及方法与流程

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统及方法。

背景技术：

当今社会面临的两大问题——环境污染问题和能源危机问题，其中环境问题清晰的呈现在我们每个人的面前，身边的水污染，北京的雾霾等等。石油是人类用得最多的不可再生能源，由于过度的挖掘开采带来了地表塌陷和水污染的问题，而我国消耗的能源75％来自煤炭，且已经日益枯竭，带来了各种环境污染问题，这些不可再生能源的大量开采和利用带来的种种问题已经向人类敲响了警钟。可再生能源之一——太阳能，它的优点是无污染且资源丰富，地球年均光照强度为0.201kW/m2，相当于地球一年可获得来自太阳102000TW的能量。因此，太阳能依靠它得天独厚的优势受到了广泛的关注。太阳能将会在人类生活中扮演着越来越重要的角色。光电转换势不可挡，在国家的领导下，光伏发电产业将得到长久的发展。

在光伏发电系统中，成本和效率问题一直以来都是各位研究者重点关注的问题。因单个光伏电池输出电压和功率等级有限，难以满足实际要求，故需要以串并联的方式组合成光伏阵列再投入到光伏发电系统中使用，而局部阴影对光伏阵列的影响极大，易使光伏阵列出现失配损失现象，甚至出现“热斑效应”而损坏光伏电池，使系统输出功率急剧下降。因此，如何减弱局部阴影对光伏系统的影响成为了热点研究内容。早期出现了采用并联旁路二极管的方法来防止受遮挡光伏电池消耗功率和“热斑效应”的产生，以及应用了阻断二极管以避免电流逆向传输，这种方法较简单，在一定程度上削弱了局部阴影的影响。N.K.Gautam等人对串并联结构(SP)、网状结构(TCT)和桥式结构(BL)三种阵列结构进行了比较，从损失率、最大输出功率、可靠性等方面，证明了由阴影、光伏电池参数偏差等引起的失配问题对TCT和BL结构的影响比SP结构小。之后有学者提出了一种基于直流模块的建筑集成光伏系统的电气结构，即模块式光伏发电系统，每个光伏组件都具有独立的带MPPT功能的DC-DC变换器，这种方法增强了系统抗阴影能力，但因需要的变换器较多而使成本徒增。期间又有学者在阴影条件下比较了光伏发电系统中三种典型的变换器配置结构，即集中式、串式和模块式，发现集中式变换器配置结构更具效率和可靠性，也因其只需要一个中央变换器而更为经济，但其采用的是SP光伏阵列结构，局部阴影时不比TCT和BL结构输出功率高。后来有文献提出了重构式光伏发电系统，即将光伏阵列分为固定部分和活动部分，当固定部分被局部阴影遮挡时，活动部分里的光伏组件将被遮挡的光伏组件替换掉，从而使重构后的光伏阵列没有任何阴影，从而达到提高效率的目的，但在没有局部阴影的情况下，活动部分是被闲置的，浪费了资源，也提高了成本。

综上所述，现有的提高局部阴影情况下光伏系统效率的方法均存在着各自的缺点，其中仅仅采用并联旁路二极管和阻断二极管的方法尽管简单，但其效果并非很明显；模块式光伏发电系统需要的DC-DC变换器较多，从而使成本剧增；而重构式光伏发电系统在晴天情况下产生闲置的光伏阵列，也提高了成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统及方法，能减少局部阴影对整个光伏系统的负面影响，提高光伏系统的发电效率，降低成本。

为解决上述技术问题，本发明采作以下技术方案：

一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统，包括阴影检测模块、DSP控制器、开关组和光伏阵列，阴影检测模块与DSP控制器连接，DSP控制器与开关组连接，开关组与光伏阵列连接。

所述阴影检测模块包括功率检测模块、信号放大模块和电源模块，功率检测模块的输入端分别连接光伏阵列中每一个光伏组件的输出电压端和输出电流端，功率检测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端连接DSP控制器的输入端；电源模块分别提供工作电压给功率检测模块、信号放大模块和DSP控制器。

所述功率检测模块采用功率测量芯片HLW8012。

所述光伏阵列采用TCT结构光伏阵列。

所述开关组包括：每个光伏组件的输入端和输出端各串接一个独立开关，每一列光伏组件的前后相邻两个光伏组件，前一个光伏组件的输入端串接的独立开关和后一个光伏组件的输出端串联的独立开关之间有公共连接点；每一列光伏组件的前后相邻两个光伏组件由一组联动开关进行控制，每组联动开关包括四个联动开关，第一个联动开关与前一个光伏组件及其输入端串接的独立开关形成的串联支路并联，第二个联动开关与后一个光伏组件输出端串接的独立开关和前一个光伏组件及其两端分别串接的独立开关形成的串联支路并联，第三个联动开关与前一个光伏组件的输入端串接的独立开关和后一个光伏组件及其两端串接的独立开关形成的串联支路并联，第四个联动开关与后一个光伏组件及其输出端串接的独立开关形成的串联支路并联。

一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的方法，采用如上所述的一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统，包括以下步骤：

S010：所述阴影检测模块分别对光伏阵列中每个光伏组件的输出电压和输出电流进行实时采样，经过处理后分别输出各光伏组件的功率信号；

S020：信号放大模块接收步骤S010所得的功率信号分别进行放大处理后传送给DSP控制器；

S030：DSP控制器接收步骤S020放大处理后的功率信号并判断光伏组件是否被遮挡，若功率值小于正常值则该光伏组件被阴影遮挡，反之不被遮挡；

S040：DSP控制器根据离散化规则控制所述开关组的关断，使被阴影遮挡的光伏组件与未被阴影遮挡的光伏组件实现位置互换，使阴影离散化；

S050：循环执行上述步骤S010至步骤S040。

所述离散化规则为：对光伏阵列的光伏组件进行顺序编号，若无阴影遮挡，则保持各开关初始状态；若有局部阴影遮挡，则将被阴影遮挡的双数编号的光伏组件与无阴影遮挡的单数编号光伏组件的位置进行互换，保证光伏阵列中双数编号的光伏组件无阴影遮挡；或者反之，将被阴影遮挡的单数编号的光伏组件与无阴影遮挡的双数编号光伏组件的位置进行互换，保证光伏阵列中单数编号的光伏组件无阴影遮挡；若局部阴影消失，则恢复开关初始状态。

本发明的优点在于：

本发明系统及方法能实时减少局部阴影对整个光伏系统的负面影响，使光伏阵列最大输出功率增加约20％，有效提高了光伏系统的发电效率，与模块式和重构式光伏发电系统相比，该方法更有效，更易于实现。

附图说明

图1为本发明一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统的结构示意图；

图2为本发明的控制系统在阴影摭挡局部时的状态示意图；

图3为图1中阴影检测模块的结构示意图；

图4为本发明实施例1的光伏阵列在阴影离散化前后的输出P_U特性曲线图；

图中，A为离散后的输出P_U特性曲线，B为离散前的输出P_U特性曲线。

图5为本发明实施例2的光伏阵列在阴影离散化前后的输出P_U特性曲线图；

图中，C为离散后的输出P_U特性曲线，D为离散前的输出P_U特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不构成对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统，包括阴影检测模块P1、DSP控制器P2、开关组P3和光伏阵列，阴影检测模块P1与DSP控制器P2连接，DSP控制器P2与开关组P3连接，开关组P3与光伏阵列连接。

本实施例所述光伏阵列采用5行2列的TCT结构光伏阵列，光伏阵列中一共包含10个光伏组件P4，并从第一列开始从上到下分别对这10个光伏组件P4顺序编号。

如图3所示，所述阴影检测模块P1包括功率检测模块、信号放大模块和电源模块，功率检测模块的输入端分别连接每一个光伏组件P4的输出电压端和输出电流端，功率检测模块的输出端连接信号放大模块的输入端，信号放大模块的输出端连接DSP控制器P2的输入端；电源模块分别提供工作电压给功率检测模块、信号放大模块和DSP控制器P2。所述功率检测模块采用功率测量芯片HLW8012。

如图1所示，所述开关组P3包括：每个光伏组件的输入端和输出端各串接一个独立开关，如光伏组件1的输入端串接独立开关S₁′，输出端串接独立开关S₁；光伏组件2的输入端串接独立开关S₂′，输出端串接独立开关S₂，其余光伏组件与此类似。每一列光伏组件的前后相邻两个光伏组件，前一个光伏组件的输入端串接的独立开关和后一个光伏组件的输出端串联的独立开关之间有公共连接点，如独立开关S₁′和独立开关S₂有公共连接点A，独立开关S₂′和独立开关S₃有公共连接点B。每一列光伏组件的前后相邻两个光伏组件由一组联动开关进行控制，每组联动开关包括四个联动开关，第一个联动开关与前一个光伏组件及其输入端串接的独立开关形成的串联支路并联，第二个联动开关与后一个光伏组件输出端串接的独立开关和前一个光伏组件及其两端分别串接的独立开关形成的串联支路并联，第三个联动开关与前一个光伏组件的输入端串接的独立开关和后一个光伏组件及其两端串接的独立开关形成的串联支路并联，第四个联动开关与后一个光伏组件及其输出端串接的独立开关形成的串联支路并联。如：联动开关S₂₁并联在光伏组件1的输出端和公共连接点A之间，联动开关S₂₂并联在光伏组件2的输出端和独立开关S₁的输出端之间，联动开关S₂₃并联在光伏组件1的输入端和公共连接点B之间，联动开关S₂₄并联在光伏组件2的输入端和公共连接点A之间。

一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统的方法，采用如上所述的一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的控制系统，包括以下步骤：

S010：所述阴影检测模块分别对光伏阵列中每个光伏组件的输出电压和输出电流进行实时采样，经过处理后分别输出各光伏组件的功率信号；

S020：信号放大模块接收步骤S010所得的功率信号分别进行放大处理后传送给DSP控制器；

S030：DSP控制器接收步骤S020放大处理后的功率信号并判断光伏组件是否被遮挡，若功率值小于正常值则该光伏组件被阴影遮挡，反之不被遮挡；

S040：DSP控制器根据离散化规则控制所述开关组的关断，使被阴影遮挡的光伏组件与未被阴影遮挡的光伏组件实现位置互换，使阴影离散化；

S050：循环执行上述步骤S010至步骤S040，提高光伏阵列的实时输出功率。

所述离散化规则为：对光伏阵列的光伏组件进行顺序编号，若无阴影遮挡，则保持各开关初始状态；若有局部阴影遮挡，则将被阴影遮挡的双数编号的光伏组件与无阴影遮挡的单数编号光伏组件的位置进行互换，保证光伏阵列中双数编号的光伏组件无阴影遮挡；或者反之，将被阴影遮挡的单数编号的光伏组件与无阴影遮挡的双数编号光伏组件的位置进行互换，保证光伏阵列中单数编号的光伏组件无阴影遮挡；若局部阴影消失，则恢复开关初始状态。

所述各开关的初始状态如图1所示，所有独立开关初始状态均为闭合状态，所有联动开关的初始状态均为断开状态。

实施例1：

如图2所示，本实施例的TCT结构光伏阵列被云朵形成的阴影摭挡局部，阴影检测模块检测出光伏阵列中的光伏组件2、光伏组件3、光伏组件7、光伏组件8均被阴影遮挡，DSP控制器根据阴影检测模块的检测结果，控制各开关组中开关的关断来实现阴影离散化，因离散化后要保证双数编号的光伏组件没有阴影遮挡，故此时只需将光伏组件2和光伏组件8分别跟其它没有阴影遮挡的单数编号光伏组件进行位置交换，即同时断开独立开关S₁、独立开关S₁′、独立开关S₂和独立开关S₂′并同时闭合联动开关S₂₁、联动开关S₂₂、联动开关S₂₃和联动开关S₂₄，即可实现光伏组件2与光伏组件1交换。同时断开独立开关S₈、独立开关S₈′、独立开关S₉和独立开关S₉′并同时闭合联动开关S₈₁、联动开关S₈₂、联动开关S₈₃和联动开关S₈₄，即可实现光伏组件8与光伏组件9交换，最终实现阴影离散化。

如图4所示，阴影离散化前，光伏阵列的最大输出功率点P_A处功率值为2593.0W，最大功率点P_A处电压值为143.2V，阴影离散化后，光伏阵列的最大输出功率点P_B处功率值变为3247.0W，最大功率点P_B处电压值为243.5V。可见，阴影离散化后，光伏阵列的最大输出功率值增加了654.0W，即增加了20.1％。

实施例2：

本实施例的TCT结构光伏阵列被山体形成的阴影摭挡局部，阴影检测模块检测出光伏阵列中的光伏组件3、光伏组件4和光伏组件9均被阴影遮挡，DSP控制器根据阴影检测模块的检测结果，控制各开关组中开光的关断来实现阴影离散化，因离散化后要保证双数编号的光伏组件没有阴影遮挡，故此时只需将光伏组件4跟其它没有阴影遮挡的单数编号光伏组件进行位置交换，即同时断开独立开关S₄、独立开关S₄′、独立开关S₅和独立开关S₅′并同时闭合联动开关S₅₁、联动开关S₅₂、联动开关S₅₃和联动开关S₅₄，即可实现光伏组件4与光伏组件5交换，最终实现阴影离散化。

如图5所示，阴影离散化前，光伏阵列的最大输出功率点P_C处功率值为2670.0W，最大功率点P_C处电压值为255.9V，阴影离散化后，光伏阵列的最大输出功率点P_D处功率值变为3302.0W，最大功率点P_D处电压值为247.9V。可见，阴影离散化后，光伏阵列的最大输出功率值增加了632.0W，即增加了19.1％。

通过以上实施例可得以下结论：

本发明一种局部阴影下提高光伏阵列输出效率的系统及方法，能使光伏阵列最大输出功率增加约20％，能实时减少局部阴影对整个光伏系统的负面影响，有效提高了光伏系统的发电效率。