[发明专利]光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏电池技术领域，尤其是一种可重构电气系统的重构优化方法。

背景技术

随着传统能源的枯竭和环保意识的觉醒，太阳能的开发利用日益受到重视，光伏发电是利用太阳能的主要方式。由于单个光伏电池的输出电压和电流都较小，无法直接满足并网或大部分用电负载的用电要求，所以需要将多个光伏电池通过串并联组成光伏组件。光伏发电站中需要用大量的光伏组件来组成光伏阵列，从而获取所需的光伏输出电压和功率。为了防止热斑现象出现损坏光伏电池，光伏阵列中还装设有旁路二极管和防逆二极管。当光伏组件输出特性一致且光照均匀时，光伏阵列的输出功率-电压(P-U)特性曲线呈现单峰现象，此时传统的最大功率点跟踪(MPPT)方法可以很容易跟踪到最大功率点(MPP)。

当光伏阵列中存在光照条件不均匀、温度差、组件特性不一致等影响光伏电池组件输出特性的因素时，光伏阵列的输出P-U特性曲线极有可能呈现多峰值现象，此时光伏阵列的最大输出功率损失通常明显大于因光照、温度等外部环境因素引起的光伏组件功率损失之和。这是因为光伏阵列运行于MPP并不等同于其内部的每个光伏电池组件都运行于MPP，其中存在较大的失配功率损失。失配功率损失定义为：在光伏阵列顺利跟踪到并运行于光伏阵列MPP的前提下，由于部分光伏电池组件的运行点偏离其自身MPP而引入的功率损失。

改进MPPT方法对于减少失配功率损失显然是无能为力，降低或消除失配功率损失必须从光伏阵列的电气连接结构出发寻找解决办法。目前不少电力电子领域的专家和工程师都在研究高效可靠低成本的微变换器，将光伏阵列的集中式功率变换与MPPT控制分解为每个光伏电池组件的功率变换与MPPT控制，这就消除了失配功率损失产生的基础。虽然也有学者提出通过对光伏阵列的电气连接结构进行重构来消除失配功率损失，无奈重构系统结构过于繁杂、重构优化算法计算复杂度过大，所以光伏阵列重构技术目前仍停留在理论研究阶段。

发明内容

为了克服已有光伏电池阵列的由于光伏电池组件输出特性不匹配而引入的失配功率损失、发电效率较低的不足，本发明提供一种有效减少由于光伏电池组件输出特性不匹配而引入的失配功率损失、发电效率较高的光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种光伏电池阵列完全可重构电气系统的重构优化方法，所述电气系统包括完全可重构光伏阵列，所述完全可重构光伏阵列由M组电气模块串联而成，所述电气模块的两端接口并联光伏组件组或电力导线，每个光伏组件串联有一个防逆二极管和一个电流互感器，每个电气模块并联一个电压互感器；

光伏阵列运行过程中，实时测量光伏组件的端电压以及流过的电流，可以根据光伏组件的数学模型快速估算出每个光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；

所述重构优化方法包括以下步骤：

(1)采集实时电压和电流信号；当电气模块端电压之间的差值超过设定阈值时，即认为光伏阵列出现了较大的失配功率损失，启动光伏阵列重构优化程序并进行新一轮结构调整；

(2)确定并联电力导线的电气模块数量L，具体步骤如下：计算光伏阵列的端电压，端电压等于阵列中所有串联电气模块端电压之和；判断光伏阵列的端电压是否在规定的运行电压范围内，如果不在规定运行电压范围内，则需要调整并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压小于规定直流电压范围的下限，则减少并联电力导线的电气模块数量L；当测量的光伏阵列端电压大于规定直流电压范围的上限，则增加并联电力导线的电气模块数量L；

(3)确定光伏组件的分组方案，将N块光伏组件按短路电流之和尽可能相等的原则分为(M-L)组，具体步骤如下：根据测量得到的光伏组件端电压和端电流，计算此时光伏组件的短路电流I_sci，i=1，2，3，……，N；计算剩余(M-L)组电气模块光伏短路电流理想值为；第一轮光伏组件的分配中，将短路电流最大的(M-L)个光伏组件分配给剩余的(M-L)组电气模块；第二轮光伏组件的分配中，将剩余未分配光伏组件中短路电流最大的(M-L-f)个光伏组件分别分配给剩余的(M-L-f)组电气模块，其中f为光伏组件短路电流之和已经达到I_sc0的电气模块数量；直至所有光伏组件分配完毕；

(4)形成当前运行条件下的光伏阵列重构策略，并将重构信号释放到电气连接开关的切换控制系统中，将所有光伏组件准确并联到对应的电气模块接口中，并将L个电气模块接口通过电力导线短接。