非均匀老化光伏阵列的效率改进
摘要-光伏系统利用太阳能已经被广泛研究，其发展也引起了全世界的关注。在过去的几十年里，大量的光伏系统被安装。由于安装的光伏系统经常在恶劣的环境中运行，因此不均匀老化可能发生，并对光伏系统的性能产生不利影响，特别是在其服务寿命的中后期和后期。由于采用新组件替换老化光伏组件的成本很高，因此为提高了老化光伏系统的效率。本文提出了一种光伏组件重新配置策略，以实现非均匀老化的光伏阵列的发电量最大化，而无需大量投资。所提出的重新配置策略基于光伏组件的电池单元结构，并网转换器的工作电压限制以及最大短路电流引起的铲斗效应。目的是分析光伏组件的所有潜在重组选项，找到最大功率点，并在适当情况下重组。这个命题进一步发展成一种新颖的可实现的算法来计算最大发电量和相应的光伏组件重新配置。这种重新配置的直接好处是增加了总功率输出和全局最大功率跟踪的最大功率点的电压信息。光伏阵列仿真模型用于说明在三种不同情况下提出的方法。此外，还建立了实验装置来验证所提方法的有效性。所提出的方法将为状态维护新兴老化光伏阵列开辟一条有效途径。
关键词-最大功率追踪；不均匀老化；重新配置；输出特性；光伏；太阳能
一．引言
过去几十年来，太阳能利用在全世界得到了很多关注。目前，光伏发电设备在全球可再生能源市场越来越受欢迎，主要原因在于光伏面板制作成本的降低以及功率转换技术的不断改进。事实是，高效的转换效率和长久的服务寿命可以有效的降低资本和运营成本，因此被寄予厚望。
随着材料技术的提高，现在可以大批量经济地生产单晶硅和多晶硅。然而，它们太阳能转化为电能的转换效率仍然很低。单晶硅太阳能电池的典型效率约为20%，而现在单晶硅太阳能电池的效率为18%。在电力电子方面，高性能开关器件(例如:硅碳，超结MOSFET)和新型转换器(例如:多级交-直和谐振交-交转换器)拓扑可以提高能源转换效率。这部分能量转换效率可以高达95%。然而，这些数据通常用于标称和正常利用光伏电池，但实际上，它们受到各种故障和老化因素的影响，这会缩短光伏电池的使用寿命及其运行效率。对于这些故障或者老化的光伏系统，提高能源效率的一种简单方法就是用全新的光伏组件代替老化的光伏组件。然而，这对于光伏系统业主来说在经济上是不可接受的。本文旨在提出故障或老化的光伏系统的重新配置策略，以便于通过简单地重新安排光伏组件的位置来改善最大发电量。这种重新配置策略来自于PV组件串的最大短路电流的桶效应，因此需要引入光伏系统的基础结构和工作原理。
PV系统有四个级别的组件，即PV电池单元，PV组件，PV组件串和PV阵列，如图1所示。为了限制PV组件中热点，旁路二极管与PV电池并联连接;这种结构被称为电池单元(包括m个PV电池)。在所考虑的PV系统中，假定n个电池单元串联连接以形成PV组件以提高输出电压，并且s个PV组件串联连接以构建PV组件串。许多光伏组件串连接二极管，然后并联成为一个光伏阵列。二极管可以阻止有害电流的流动。
图1.光伏阵列的成分结构。
为了提高光伏设备的有效使用时间，故障诊断和补救措施是两个重要途径。由于光伏面板通常在户外恶劣的环境下工作，因此灰尘，落鸟，部分遮挡和电池老化等潜在危害将会影响其发电性能。因此，热成像仪，接地电容测量，时域反射仪和电压/电流传感器等检测技术被广泛应用于识别光伏电池的不规则性。在出现故障时，光伏阵列上会形成不均匀的温度分布，并且热成像仪可以帮助定位出现故障的PV组件。ECM可以定位任何PV组件的断开，TDR可以估计光伏阵列的退化。尽管如此，ECM和TDR都很昂贵，只能用作离线故障igrave;诊断工具。Silvestre等人提出了一种光伏阵列故障检测方法，通过比较基于环境数据的光伏阵列的模拟和测量输出功率。Wang等人分析了动态电流-电压特性以实现故障诊断。在(27)里，通过测量光伏阵列电压，电流，辐照度和温度，利用设备辨别技术进行光伏故障检验。
在诊断出故障后，需要采取一些补救措施。原位重新配置是一种有效的解决方案[28] -[34]，但只适用在使用大量继电器并且每个光伏组件的正常状况信息始终可用时。这两个条件导致更高的系统成本并且也使系统控制变得复杂。原位重新配置也需要强大的CPU来快速计算最佳解决方案，这会增加系统成本。Chang等人[34]提出扩散电荷再分配方法来实现最大功率。通过利用太阳能电池的固有扩散电容，减少了所用功率器件的数量，从而简化了系统。尽管如此，由于成本高昂，大多数光伏阵列没有配备在线重新配置设备。
到目前为止，光伏故障诊断和在线重新配置技术仍在发展中。在光伏阵列的中后期寿命期间，老化，特别是不均匀老化是非常严重的现象，会显着降低光伏系统效率[35]-[37]。在文献中，仍然缺乏提高老化的光伏阵列能效的成本有效的技术。本文试图通过开发针对老化光伏阵列的边缘重新配置策略来弥补损失，从而最大限度地提高太阳能电池发电量。
本文组织如下。第二节介绍非均匀老化光伏阵列的数学建模。第三节阐述了老化PV的检测。根据老化信息，第四节介绍了最佳的PV组件重新配置算法。第五部分通过分析研究说明了所提出的方法。第六节给出了模拟和实验结果来验证所提出的方法，接下来在第七节中做出简短的结论。
二.数学模型
开发了一种新的容错拓扑结构来提高系统性能，同时提高了SRM驱动系统的容错能力。
不均匀老化是光伏系统中的一个常见问题，可能由持久的灰尘，阴影或长时间的水腐蚀引起[13]，[14]。通常，造成不均匀老化的原因很多。由于恶劣的操作环境，冰雹或石头会破坏一些光伏组件的玻璃。通常需要新的组件来替换破损的组件，新组件和旧组件之间的老化差异很大。根据相对位置的不同，相同位置的组件也会受到与老化影响不同的影响。正面和侧面的组件可能会处于较差的状态，如裂纹和磨损。此外，由于产品质量变化，同一批次的组件也可能具有不均匀老化。当他们的使用寿命快结束时尤其如此。本文讨论了这些不均匀老化，并试图通过离线重新配置来提高其光伏阵列的总体输出和使用寿命。
A.正常的光伏电池模型
PV的电气特性受温度和照度的影响。 PV电池的电路模型表示为[2]
（1）
（2） （3）
（4）
其中I是光伏组件输出电流，是光生电流，q是电荷量，A是二极管品质因子，K是玻尔兹曼常数，是二极管的饱和电流，是光伏组件温度，G是辐照度，V是输出电压，是参考辐照度水平(1000W/m2)，，是和的参考值。是光伏制造商提供的电流温度系数。是参考温度，是串联电池的数量，是PV组件温度。ε是取决于q，，K，A的常数，并且由以下等式计算:
（5）
其中，，和是在由相关标准定义的参考条件下的最大功率点(MPP)电流，短路电流，MPP电压和开路电压。
B.老化光伏单元的末期特征
当光伏电池老化时，直接指示是其输出功率低于正常值。由于PV电池的p-n结特性，其开路电压仅略有变化，而短路电流则剧烈变化。根据Ababacar等人。[38] [39]，短路电流降低约10%，而一年后开路电压平均降压为2%，这意味着短路具有主要影响。从Osterwald等人[36]，短路电流与功率损失密切相关。Chianese等人。[40]也给出了短路电流主导影响的结论，而在1.5年老化实验后，开路电压变化可以忽略不计。因此，在本文中，我们利用短路电流来评估光伏电池的老化状况;并使用相同的开路电压来近似模拟PV电池的老化条件。
图2显示了一个具有m个非均匀老化PV电池的电池单元，其中，，，...，分别是电池1，2，3，...m的短路电流。电流 - 电压输出特性有三个范围。在范围1中，最大电流是所有单元电流(，，，...，)中的最小值，并且所有单元都发电。范围2是一个过渡区间。其等效电路如图3所示，其端子输出电压如(6)所示。由于上的电压下降，电池单元的输出电压低于健康的电池单元。
图2.电池单元中不均匀老化的电池。
图3.范围内电池单元的等效电路
（6）
其中是PV电池的输出电压，是老化的PV电池的等效电阻，是电池单元的输出电压。
随着增加，减小到零。电流从范围2切换到范围3。在范围3中，电池单元被二极管旁通，并且相应的端子电压为0.5V(即，二极管电压降)。在范围1和2中，通过电池单元的电流是= ，其中是PV组件电流。在范围3中，通过旁路二极管的电流是，其等于。
从范围1-3的分析可以发现，PV电池的不均匀老化限制了电池单元的发电容量。这被称为“桶效应”。
C.不均匀老化太阳能电池的模型
光伏阵列在单元，组件和串级别上的老化时间可能不同。
对于具有m个串联光伏电池的电池单元，输出电流和端子输出电压之间的关系取决于PV的工作点。为了便于讨论三个范围，假定m个单元的短路电流的大小为
（8）
将定义为通过PV电池的实际电流。当当前开始从0增加到时，所有单元都会发电。当超过但小于时，单元不能发电:由于存储桶效应，单元被旁路或变成电阻。结果，和的关系总结如下。
- 如果le;，电池单元在范围1中运行
=le; （9）
=m （10）
其中等于每个电池的电压。
- 如果gt;，电池单元在范围3中运行
=-0.5 （11）=0 （12）
= （13）
3)是流过二极管的旁路电流。
如果存在整数klt;m，PV电池可以在范围2中工作
lt;le;
（14）
当电池单元在范围2中运行时，= 并且其中是第j个单元的等效电阻。
（15）
通常，范围1和3是稳态操作条件，而范围2是两者之间的短暂过渡范围，通常可以忽略。
一个PV组件串由s个PV组件组成，包含终端电压和当前。假设第k个PV组件的端电压，电流和最大电流分别为，，和。可以建立以下关系:
===...= （16）
===...= （17）
类似地，桶效应表明光伏组件串中的最大电流受限于最小非旁通组件的。即le;，(beta;3slowast; 1， beta;3slowast; 2 ，...， beta;4slowast;)和第k个没有旁通的组件。
实际上，光伏组件内的电池单元可能老化情况不同，因此具有不同的最大短路电流。这篇论文被称为“一般的不均匀老化”。不均匀老化光伏组件的一个更简单的情况是，同一光伏组件中的所有电池单元均匀老化，从而可以用任何电池单元的单个最大短路电流来表征整个光伏组件。这被本文称为“简化的不均匀老化”。
PV阵列由p个并联的PV组件串组成;其端电压和电流分别由，表示。让第j个PV组件串的端电压和电流分别为和。因此
= ... （18）
= ...
全文共23416字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10457]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
