光伏電池組件工作狀態(tài)監(jiān)測研究

李國君 趙愛明 張文臣 張行

摘 要：由于新能源光伏發(fā)電在當(dāng)今電網(wǎng)中愈加重要，因此通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏組件的健康狀況對(duì)于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行意義重大。光伏系統(tǒng)無法對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對(duì)現(xiàn)有最大功率點(diǎn)跟蹤算法MPPT只跟蹤不監(jiān)測的特點(diǎn)，提出以太陽能電池基本電路方程為基礎(chǔ)，構(gòu)建不依賴于變換器及MPPT算法的光伏電池功率輸出曲線模型，結(jié)合電壓-功率輸出特性曲線的特點(diǎn)，采用最小二乘法擬合曲線，精準(zhǔn)得到最大功率點(diǎn)附近的二次曲線數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)最大功率點(diǎn)。通過Matlab對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示，算法準(zhǔn)確有效，可以迅速穩(wěn)定地響應(yīng)環(huán)境變化，適用于各種條件下MPPT的快速、精準(zhǔn)獲取。

關(guān)鍵詞：光伏電池;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);最大功率點(diǎn);最小二乘法擬合;P-V曲線;實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-00-04

0 引 言

光伏發(fā)電作為一種可再生的清潔能源，已成為分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分[1]。由于新能源光伏發(fā)電在電網(wǎng)中已大力普及，因此通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以準(zhǔn)確監(jiān)測光伏系統(tǒng)的性能狀態(tài)對(duì)于保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效運(yùn)行具有重要作用[2]。

傳統(tǒng)的光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)以單數(shù)據(jù)采集為主，在數(shù)據(jù)處理過程中系統(tǒng)無法對(duì)單數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，致使工作數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與平衡性較差?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了光伏遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地采集多通道數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出帶寬較高，輸出信道的均衡性較好，能夠有效提高光伏遠(yuǎn)程故障診斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確檢測和分析能力[3]。

由于光伏P-V輸出特性是具有唯一峰值的非線性曲線，由光伏電池串并聯(lián)組成的光伏陣列最大功率點(diǎn)會(huì)受到外界自然條件的影響，如光強(qiáng)光伏陣列表面溫度，因此如何保證光伏陣列保持在Pmax處運(yùn)行對(duì)于系統(tǒng)的高效輸出具有重要意義[4]。

當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中在變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、跟蹤算法（Maximum Power Point Tracking，MPPT）及并網(wǎng)發(fā)電等方面[5]。光伏電池由于其自身特性，輸出電流和功率均會(huì)受外界環(huán)境的影響，如輻照度和溫度，因此MPPT算法在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題，如誤跟蹤、缺乏定量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證困難、對(duì)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的考慮不足、多峰等。光伏電站監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各類運(yùn)行數(shù)據(jù)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理故障，減少系統(tǒng)故障帶來的損失[6]。

變步長爬坡法與拉格朗日曲線擬合相配合可以快速穩(wěn)定地對(duì)外界環(huán)境的實(shí)時(shí)變化做出反應(yīng)，克服MPPT跟蹤速度與峰值點(diǎn)波動(dòng)之間的矛盾。但此方法僅選取3個(gè)數(shù)值點(diǎn)進(jìn)行擬合，對(duì)采集的運(yùn)行點(diǎn)電壓值具有較高依賴性[7]。

本文基于光伏組件的實(shí)際工作數(shù)據(jù)，在分析光伏電池的功率輸出特性基礎(chǔ)上，結(jié)合P-V曲線的特點(diǎn)，選擇合適的擬合區(qū)域，通過擬合峰值處的二次曲線精準(zhǔn)得到P-V曲線峰值附近的數(shù)學(xué)模型，從而準(zhǔn)確計(jì)算出最大值點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

1 光伏電池模型及P-V曲線特性

1.1 光伏電池模型

光伏電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，其輸出功率是關(guān)于輻照度、器件結(jié)溫的相關(guān)函數(shù)。光伏陣列的基本原理：半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)可使用電流源、二極管并聯(lián)及等效阻抗進(jìn)行模擬。等效電路模型如圖1所示。

由圖2可知，在環(huán)境一定且運(yùn)行正常的情況下，P-V曲線為單峰值函數(shù)，存在最大功率輸出點(diǎn)。在Pmax附近，可以將P-V曲線近似看作擁有極大值點(diǎn)的二次函數(shù)，利用最小二乘法擬合出峰值附近的特性曲線，進(jìn)而得到最大功率點(diǎn)。為了后續(xù)方便，定義靠近MPP的區(qū)域Q為曲線擬合區(qū)域。

1.2 光伏P-V曲線影響因素

光伏電池組件的P-V特性受多方面因素的影響，如溫度、光照、負(fù)載情況等，都會(huì)使其輸出功率發(fā)生變化。當(dāng)然，不同條件下的Pmax具體位置也不同。

由圖3、圖4可知，在一定的環(huán)境條件下，光伏電池P-V曲線為單峰函數(shù)，存在最大功率點(diǎn)。如圖在同一溫度和光照下，光伏組件有且只有一個(gè)Pmax。當(dāng)溫度T不變時(shí)，最大短路電流與輻照度成正比，最大開路電壓波動(dòng)較小，同時(shí)，電池組件輸出功率增大。當(dāng)輻照強(qiáng)度不變時(shí)，最大開路電壓與溫度成反比，最大短路電流基本不變，同時(shí)，電池組件輸出功率降低。

1.3 最小二乘法擬合原理

數(shù)據(jù)擬合不要求曲線（面）通過所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，而是反映整體的變化趨勢。

對(duì)給定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi， yi）（i=1， 2， …， n）可以構(gòu)造二次多項(xiàng)式。擬合二次曲線，主要采用偏微分方法求出系數(shù)[9]。

2 P-V曲線二次擬合特征研究

2.1 二次曲線分度點(diǎn)擬合曲線最大值的影響研究

光伏電池的P-V特性曲線可分為三部分，如圖5所示。在Ⅰ段，曲線近似為一斜率為正值的直線;在Ⅱ段，（Um-?U）

在Pmax最大功率點(diǎn)附近，可以將P-V特性曲線近似看作擁有極大值點(diǎn)的二次函數(shù)，可利用最小二乘法擬合出峰值附近的特性曲線，進(jìn)而求得最大功率點(diǎn)[7]。

在上述實(shí)際二次曲線擬合中，使用不同區(qū)域的P-V曲線數(shù)據(jù)，所擬合出的二次曲線有著較大的差異，因此，擬合區(qū)域Q的選取決定了二次曲線擬合的準(zhǔn)確性。圖6反映了不同擬合區(qū)域所擬合出的二次曲線。在圖6中，曲線1是電池組件的P-V關(guān)系曲線，曲線2是選取V=（0.85 Vm，Vm，1.16 Vm）三個(gè)點(diǎn)所擬合的曲線，曲線3是選取V=（0.91 Vm，Vm，1.07 Vm）三個(gè)點(diǎn)所擬合的曲線，曲線4是選取V=（0.95 Vm，Vm，1.04 Vm）三個(gè)點(diǎn)所擬合的曲線。分析可知，距離最大功率點(diǎn)越近的擬合區(qū)域（曲線3、曲線4）所擬合的曲線準(zhǔn)確性越高;反之，選取遠(yuǎn)離MPP的樣本點(diǎn)時(shí)（曲線2），具有較大擬合誤差。通過計(jì)算可得選取擬合區(qū)域?yàn)镼 =（0.95 Vm，1.06 Vm）時(shí)，在該區(qū)域下擬合曲線的最大值與實(shí)際Pmax之間誤差較小。

2.2 系統(tǒng)最大功率點(diǎn)電壓區(qū)域Q快速定位

外界環(huán)境及工作條件一定且無特殊情況時(shí)，光伏電池有且僅有一個(gè)最大功率點(diǎn)輸出，對(duì)該輸出特性進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)T保持不變，而光強(qiáng)變化時(shí)，P-V運(yùn)行曲線如圖7所示。

由圖7可知，Pmax分布在較窄的電壓范圍內(nèi)，可以粗略的看作分布在同一直線上，保持電壓不變，若在一定溫度條件下光伏組件的Pmax大致對(duì)應(yīng)的電壓保持恒定，則可對(duì)其進(jìn)行等效代替。

雖然固定的參考電壓并不完全等于某一強(qiáng)度下的系統(tǒng)最大功率點(diǎn)電壓，但可以固定到最大功率點(diǎn)附近，以此來提高二次曲線擬合的精準(zhǔn)度。

根據(jù)分析驗(yàn)證，在變化不大的外界溫度和光照條件下，光伏電池Um和光伏電池開路電壓Uoc存在近似的線性關(guān)系[10]：

式中k的值介于0.7～0.8之間?？梢?，只要知道光伏電池開路電壓Uoc的值，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得k的值，就能夠得到光伏電池最大輸出電壓的近似值。

具體實(shí)現(xiàn)方式是對(duì)光伏電池的開路電壓Uoc進(jìn)行采樣，利用式（6）計(jì)算得到輸出電壓Um的值，再選取在此狀態(tài)下Um前后的20個(gè)掃描點(diǎn)，利用最小二乘法擬合二次曲線。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)分析

3.1 仿真條件

為驗(yàn)證模型的有效性及對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)性能的影響，本文通過 Matlab/Simulink 對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真模型的搭建如圖8所示。仿真條件：使用Trina Solar TSM-250PA05.15太陽能電池，其中S=1 000 W/m2，T=25 ℃，UMPP=31 V，IMPP=8.06 A，PMPP開路電壓Uo=490 V。

3.2 最大功率點(diǎn)尋優(yōu)過程

最大功率點(diǎn)精準(zhǔn)定位流程如圖9所示[9]。

3.3 仿真結(jié)果與分析

不同擬合區(qū)域的二次擬合曲線如圖10所示，計(jì)算結(jié)果誤差分析見表1所列。選取的插值區(qū)域Q=（0.94 Vm，1.06 Vm），

選取的30個(gè)插值點(diǎn)在該區(qū)域下擬合曲線的最大值點(diǎn)與最大功率點(diǎn)誤差極小，且反應(yīng)速度較快。當(dāng)擬合區(qū)域截取不合理時(shí)，擬合得到的最大功率點(diǎn)將出現(xiàn)比較明顯的偏差。在靠近最大功率點(diǎn)的兩側(cè)完全能夠保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，只要樣本點(diǎn)選取恰當(dāng)就能保證較快的計(jì)算速度。

4 結(jié) 語

在分析光伏電池模型輸出特性的基礎(chǔ)上，P-V特性曲線在最大功率點(diǎn)附近一定區(qū)域近似為開口向下的拋物線，采用最小二乘法擬合二次曲線，精準(zhǔn)得到最大功率點(diǎn)附近的數(shù)學(xué)模型。通過參考電壓算法模型，可迅速固定最大功率點(diǎn)范圍，選取合適的樣本數(shù)據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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