光伏组件串并联损失评估方法、装置以及计算机设备与流程
本申请涉及光伏电站技术领域，特别是涉及一种光伏组件串并联损失评估方法、装置以及计算机设备。
背景技术：
随着光伏电站建设技术的发展，对于光伏电站降低损失、提高系统效率的需求越来越迫切。对于具体项目，在选定光伏电站的电池组件规格并安装到现场后，理论上总存在串联和并联损失，这是在组件制造中或工程设计建设中必然存在的失配现象，已是业内已公认的事实。
然而，目前的串并联损失分析基本来源于经验估计，很少能针对具体项目的各种不同因素进行具体分析，因此严重影响光伏电站系统效率的计算精度。
技术实现要素：
基于此，有必要针对上述现有技术中采用经验估计串并联损失误差较大的技术问题，提供一种准确度较高的光伏组件串并联损失评估方法、装置以及计算机设备。
为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种光伏组件串并联损失评估方法，包括：
根据光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，其中光伏电站包括若干个串联和/或并联的光伏组件；
采用电路分析的方法分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失。
在其中一个实施例中，还包括：根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数。
在其中一个实施例中，根据串联损失调整光伏电站的配置参数，包括：根据串联损失降低串联的若干个光伏组件的短路电流的离散率；或者当两个串联的光伏组件的短路电流的离散率大于第一预设值时，降低两个串联的光伏组件的内阻值以减少串联损失。
在其中一个实施例中，根据并联损失调整光伏电站的配置参数，包括：根据并联损失降低并联的若干个光伏组件的开路电压的离散率；或者当两个并联的光伏组件的开路电压的离散率大于第二预设值时，降低两个并联的光伏组件之间的电缆长度以减少并联损失。
在其中一个实施例中，根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数，包括：优先考虑根据并联损失调整光伏电站的配置参数以降低并联损失。
在其中一个实施例中，采用电路分析的方法计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失，包括：通过如下公式计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失：
在其中一个实施例中，采用电路分析的方法计算光伏电站直流等效电路模型的并联损失，包括：通过如下公式计算光伏电站直流等效电路模型的并联损失：
在其中一个实施例中，第i个光伏组件的等效电动势为第i个光伏组件的开路电压。
另一方面，本申请实施例还提供了一种光伏组件串并联损失评估装置，包括：
等效电路模型建立模块，用于根据光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，其中，光伏电站包括若干个串联和/或并联的光伏组件；
计算模块，用于采用电路分析的方法分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失。
又一方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。
上述光伏组件串并联损失评估方法、装置以及计算机设备，通过光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，并采用电路分析的方法通过上述公式分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失，从而可以得出准确的计算结果，不仅提高了串并联损失的计算精度，且对系统效率的计算精度提供了更准确的支撑。
附图说明
图1为一个实施例中光伏组件串并联损失评估方法的流程示意图；
图2为一个实施例中光伏组件i-w/v曲线示意图；
图3为一个实施例中直流等效电路模型示意图；
图4为一个实施例中多块组件串联的直流等效电路模型示意图；
图5为一个实施例中组件并联的等效电路模型示意图；
图6(a)为一个实施例中并联电路简化模型示意图；
图6(b)为另一个实施例中并联电路简化模型示意图；
图7为另一个实施例中光伏组件串并联损失评估方法的流程示意图；
图8一个实施例中光伏组件串并联损失评估装置的结构框图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
对于具体项目而言，并联损失和串联损失具体如何计算，以及如何通过外部合理布线减少该种损失带来的影响目前少有研究。且由于这些损失带来的各方面效应均是负面的，降损的实际需求强烈，且降损提效的措施需从设计阶段即开始考虑，这就对整个系统在建设前的理论分析、损失的具体数值、如何布线或安装可以降低损失等问题提出了迫切的解决需求。
基于此，本申请实施例提供了一种光伏组件串并联损失评估方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤102，根据光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型。
由于光伏电站的每个组串由多个光伏组件串联而成、或并成而成、或者串并联而成，而在串联的每个组件内部，其i-v特性不同，因此，在多个组件串联时会因其内阻不同、短路电流不一或电动势不一致等电气特性差异造成串联损失。
在并联汇集的每个组件内部，其i-v特性也不同，外部的电缆长度亦不同，但在汇集点，汇集母线会将所有电压拉平，而逆变器mppt(maximumpowerpointtracking，最大功率点追踪控制太阳能控制器)需保证最大功率输出，由于不同的回路特性，带来的问题就是逆变器的一路mppt难以实现多路不同特性并联组串的适应匹配，从而导致组件并联损失。但是，通常对于组串式逆变器，其同一路mppt一般不超过3个组串，因此并联损失不明显，而对于集中式逆变器，其同一路mppt会对应20多路组串，从而并联损失较多。
又由于光伏电站在正太阳时区间内所发生的失配损失占其发电时间段的绝大部分，在正太阳时区间内，光伏电站的组件电气特性相对稳定，电站出力相对理想化，由此带来分析问题的便利和模型可简化。据此，通过对正太阳时阶段组件串联和并联损失可分别建立简单计算模型，即建立独立的直流等效电路模型，逐一分析计算其损失数据。
具体的，由于光伏组件在启动时和稳定运行时的电气特性不同，启动时电流基本维持不变而电压持续增加，稳定运行时电流急速下降但电压维持不变，其电路特性为一种非线性直流源，图2所示为某组件i-w/v曲线图，可说明此特性。但是，虽然光伏组件的特性为非线性源，但在某一具体功率工作状态下，短时间区间内其工作特性则接近线性源，因此可以使用线性源的分析方法建立等效电路模型。
步骤104，采用电路分析的方法分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失。
具体的，本实施例分别通过串联损失和并联损失对其进行说明。对于单个组件构成的组串，其直流等效电路模型如图3所示，在本实施例中，其最大功率应工作在负荷与内阻一致的情况，即可由以下公式表示：
当光伏组串由多块组件串联而成时，故可以建立如图4所示的直流等效电路模型来模拟多块组件串联的情况。具体的，对于多块组件组成的组串，其最大输出功率应为：
若每块组件都是单独输出最大功率，则总功率为：
将公式(2)减去公式(3)，即可得出串联损失值：
因此，在本实施例中，对于光伏电站中的串联损失可以通过上述公式(4)直接计算得出，由于在计算过程中需要考虑串联组件的具体内阻、电动势等电气特性，从而极大的提高了串联损失的计算精度。
为了进一步验证公式(4)的准确性，在本实施例中可以使用数学归纳法对公式(4)进行证明，过程如下：
当n＝1时，p1＝0，这个结果是显然的，因为无串联即无串联损失。
当n+1存在时，公式(4)的方程式减号左侧的展开式为：
公式(4)的方程式减号右侧的展开式为：
对比上述公式(5)和(6)可以发现，所得数据结果完全一致，由此可以判断，公式(4)的展开式是充分准确的。
在一个实施例中，对于某一个固定时刻，组串等同于恒流源或恒压源，对于此类电源，由电路原理分析可知，外部负载回路需提供匹配电阻来适应电源侧内阻，方可得到最大功率，匹配电阻的理论值应为某一时刻对应的电源内阻值，据此可以建立如图5所示的组件并联的等效电路模型，其中，ε总为光伏组串电动势，r总为内阻加外部线损，rl总为逆变器直流侧匹配电阻。当n个逆变器对每一个光伏组串均采用独立mppt跟踪时，理论上每一路组串均有一个匹配电阻与其对应[5]，故n个组件串所得最大功率可通过如下关系式表示：
对于某些光伏逆变器，如集中式逆变器，其一路mppt会对应接入多路光伏组串，因此其电气原理图也会发生调整，带来的计算结果也会大相径庭。如图6(a)和图6(b)所示，ε1～εn或i1～in为n路并联组串，r1～rn为每一路组串的内阻值加外部线损，rl为逆变器直流侧匹配电阻，其阻值随组串内阻值的变化而变化，且电路内有多个电源及电阻。则根据电路叠加原理及戴维南诺顿等效原理，图6(a)和图6(b)最终可以等效为如图5所示的直流等效电路模型，其中：
在此等效电路的情况下，理论最大功率为：
将上述公式(10)减去公式(7)即可以得出在单路mppt的情况下，组件串的并联损失值为：
其中，分子的展开项数量为：
因此，在本实施例中，对于光伏电站中的并联损失可以通过上述公式(11)直接计算得出，由于在计算过程中需要考虑并联组件的电动势、内阻加外部线损、以及逆变器直流侧匹配电阻等电气特性，从而极大的提高了串联损失的计算精度。
为了进一步验证公式(11)的准确性，在本实施例中可以使用数学归纳法对公式(11)进行证明及校验，过程如下：
当n＝1时，p2＝0，显然，这个结果是准确的，因为此时是没有任何相关回路发生并联，则并联损失无从谈起。
当n+1的情况出现时，将公式(11)采用n+1代入，则有如下结果：
同时，将n+1代入公式(12)，有如下结果：
对比上述公式(14)和(15)可以发现，两式完全相等，综上可以判定展开公式(12)是充分准确的。
本申请的光伏组件串并联损失评估方法，通过光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，并采用电路分析的方法通过上述公式分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失，从而可以得出准确的计算结果，不仅提高了串并联损失的计算精度，且对系统效率的计算精度提供了更准确的支撑。
在一个实施例中，如图7所示，上述光伏组件串并联损失评估方法还可以包括如下步骤：
步骤106，根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数。
由于在计算光伏电站中的串联损失或并联损失时需要考虑组件的具体电气特性，因此，在本实施例中，还可以根据计算的串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数，从而达到降低损失的目的。
具体的，对于串联损失而言，理论上在每块光伏组件短路电流一致的情况下，不存在串联损失，此时无论组件的电动势和内阻如何，只会影响其他类型损失而不会产生串联损失。而对于光伏组件串中的所有组件，其短路电流离散度越小则串联损失越小，也即组件短路电流的离散率越低(短路电流所在区域越集中)，则串联损失越小，因此可以通过控制组件短路电流的离散率来达到降低串联损失的目的。
对于两个串联的光伏组件的短路电流的离散率大于第一预设值时，则还可以通过降低该两个串联的光伏组件的内阻值以达到减少串联损失。
对于并联损失而言，理论上在每个光伏组串电动势一致的情况下，不存在并联损失，此时无论外部布线如何，只会影响线损而不会产生并联损失。而对于
而对于光伏组件串中的所有组件，其开路电压(或电动势)离散度越小则并联损失越小，也即组件开路电压(或电动势)的离散率越低(开路电压或电动势所在区域越集中)，则并联损失越小，因此可以通过控制组件开路电压或电动势的离散率来达到降低并联损失的目的。
对于两个并联的光伏组件的开路电压(或电动势)的离散率大于第二预设值时，则还可以通过降低该两个并联的光伏组件之间的电缆长度以减少并联损失。
以下通过具体的实测工程案例进一步说明并验证本申请的上述方法，如下表1为某大型光伏集团公司一大型地面电站实测某一组串中各光伏组件的电气数据，如表1：
根据上述公式(4)进行计算可得其串联损失：
若本案例的组件为250w组件，由以上串联损失计算可知，最终20块组件组成的单个组串的串联损失只有0.16w，折算到百分比的话不到千分之一，因此组串的串联损失在选择同批次组件时可忽略。
如下表2为某电站16组并联组串数据，如表2：
将上述数据代入公式(11)进行计算可得其并联损失：
根据上述实测工程案例可知，由于串联损失在整个失配损失中占比较小，基本可以忽略计算，而对于并联损失，则可以通过上述公式(11)快速计算。对于计算所需的组件实际参数可以由工厂提供的批次测试报告获得，将数据进行组合模拟出适配的组串，同一个规格的组件经过一次计算基本可以确定其并联损失的大致范围，为设计阶段的理论计算提供快速精确的途径。
对于工程建设，在条件允许的情况，可以优先考虑采用降低并联损失的途径，比如可以降低每个组串的开路电压离散率来避免大比例的并联失配；可以通过调整每一个组串的电缆长度来降低失配等等。对于后期的工程应用或计算机辅助设计等也能起到积极的作用。
应该理解的是，虽然图1和图7的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1和图7中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图8所示，提供了一种光伏组件串并联损失评估装置，包括：
等效电路模型建立模块801，用于根据光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，其中，光伏电站包括若干个串联和/或并联的光伏组件；
计算模块802，用于采用电路分析的方法分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失。
在一个实施例中，还包括配置参数调整模块803，用于根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数。
在一个实施例中，配置参数调整模块803具体用于，根据串联损失降低串联的若干个光伏组件的短路电流的离散率；或者当两个串联的光伏组件的短路电流的离散率大于第一预设值时，降低两个串联的光伏组件的内阻值以减少串联损失。
在一个实施例中，配置参数调整模块803具体用于，根据并联损失降低并联的若干个光伏组件的开路电压的离散率；或者当两个并联的光伏组件的开路电压的离散率大于第二预设值时，降低两个并联的光伏组件之间的电缆长度以减少并联损失。
关于光伏组件串并联损失评估装置的具体限定可以参见上文中对于光伏组件串并联损失评估方法的限定，在此不再赘述。上述光伏组件串并联损失评估装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储计算所需的组件实际参数。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种光伏组件串并联损失评估方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
根据光伏电站在工作状态下的线性源特性建立光伏电站直流等效电路模型，其中光伏电站包括若干个串联和/或并联的光伏组件；
采用电路分析的方法分别计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失或并联损失。
在一个实施例中，还包括：根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数。
在一个实施例中，根据串联损失调整光伏电站的配置参数，包括：根据串联损失降低串联的若干个光伏组件的短路电流的离散率；或者当两个串联的光伏组件的短路电流的离散率大于第一预设值时，降低两个串联的光伏组件的内阻值以减少串联损失。
在一个实施例中，根据并联损失调整光伏电站的配置参数，包括：根据并联损失降低并联的若干个光伏组件的开路电压的离散率；或者当两个并联的光伏组件的开路电压的离散率大于第二预设值时，降低两个并联的光伏组件之间的电缆长度以减少并联损失。
在一个实施例中，根据串联损失或并联损失调整光伏电站的配置参数，包括：优先考虑根据并联损失调整光伏电站的配置参数以降低并联损失。
在一个实施例中，采用电路分析的方法计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失，包括：通过如下公式计算光伏电站直流等效电路模型的串联损失：
在一个实施例中，采用电路分析的方法计算光伏电站直流等效电路模型的并联损失，包括：通过如下公式计算光伏电站直流等效电路模型的并联损失：
在一个实施例中，第i个光伏组件的等效电动势为第i个光伏组件的开路电压。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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