一种针对山地电站的光伏组串融合模型的建模方法技术

本发明专利技术公开了一种针对山地电站的光伏组串融合模型建模方法，属于光伏组串技术领域。该建模方法包括模型输入数据的获取、建立太阳辐照度转换模型、光伏组串方位角和倾角的判断、建立光伏电池的双二极管等效模型，完成山地电站光伏组串融合模型的建立，并利用检测得到的实时数据，输出光伏组串实时I

【技术实现步骤摘要】
一种针对山地电站的光伏组串融合模型的建模方法


[0001]本专利技术涉及光伏组串
，具体涉及一种针对山地电站的光伏组串融合模型建模方法。

技术介绍

[0002]随着光伏电站的大量建设，面积广阔、相对易于开发的的山地丘陵地带开始成为了新增光伏装机的首要选择。光伏组串(件)作为光伏发电系统中的核心，其可靠性年的尤为重要，为了研究光伏电池的输出特征，研究人员提出了多种光伏电池的建模方法，在线仿真模拟光伏组串(件)的理想输出特性，通过对比实测的输出特性曲线，可以直接发现功率异常的光伏组串，为故障诊断提供了便利。对于山地光伏电站，由于光伏组串间倾角、方位角的不一致，其同一时间接收到的太阳辐照度有较大的差异，因此传统的光伏组串模型无法准确的模拟每一个组串的输出特征，对于实测输出与模型输出的偏差，也无法判断是由故障或安装角度差异所导致的。本专利技术旨在针对建立一种适用于山地电站的光伏组串模型，可以根据光伏组串安装角度的差异，分别计算其接收到的真实太阳辐照度，准确地实时模拟光伏组串的输出特征，以达到在线监测光伏组串运行状态以及在线故障诊断的目的，从而指导人工运维。
[0003]文献“Worldwide annual optimum tilt angle model for solar collectorsand photovoltaic systems in the absence of site meteorological data”. 《Applied Energy》，2021，281:116056.(“未有现场气象数据的辐照仪和光伏系统的全球年度最佳倾角模型”，《Applied Energy》，2021年281卷116056 期)研究了世界各地光伏阵列最佳倾角、方位角的方法，根据当地经纬度以及太阳辐照变化规律分析，得出全年内输出功率最大的光伏组串安装角度，但该方法不能判断光伏组串安装的任意角度。
[0004]文献“倾斜面太阳辐照度实用计算模型的研究”，2016，37(03):787
‑
793. 研究了根据平面太阳辐照度计算任意倾斜面辐照度的方法，但该方法没有分析光伏组串的输出特性。
[0005]文献“各类光伏面辐照度的计算”太阳能,2018,04:19
‑
28.研究了固定安装、单轴太阳跟踪、双轴太阳跟踪光伏阵列的辐照度计算方法，但是并没有计算任意倾角和方位角下的光伏阵列的辐照度。
[0006]综上所述，现有技术还存在以下问题：
[0007]1、目前没有提出一种适用于山地电站的光伏组串模型；
[0008]2、现有光伏组串模型都是针对方位角和倾角一致建立的，并不考虑方位角和倾角不同的情况，之前的光伏组串模型泛用性较差；
[0009]3、目前的模型辐照只采用平面直射辐照度输入，没有考虑真实太阳辐照度输入。

技术实现思路

[0010]本专利技术所要解决的技术问题在于解决以上现有技术中存在的问题，具体的，提供
一种针对山地电站的光伏组串融合模型建模方法，根据光伏组串安装角度的差异，分别计算其接收到的真实太阳辐照度，准确地实时模拟光伏组串的输出特征。
[0011]本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种针对山地电站的光伏组串融合模型的建模方法，该建模方法涉及的光伏组串为山地电站中一台逆变器或汇流箱下的任一个光伏组串，所述光伏组串由N个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由三个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括N
S
个光伏电池单元和一个旁路二极管，N
S
个光伏电池单元串联后与旁路二极管反并联；
[0012]所述建模方法包括以下步骤：
[0013]步骤1，模型输入数据的获取
[0014]步骤1.1，令提取的时间范围为一年，提取间隔为15分钟，并设提取年份中晴朗天气为X天，提取山地电站该年内晴朗天气的历史环境数据，所述历史环境数据包括历史环境温度T1、历史水平面散射辐照度D
H1
和历史水平面直射辐照度S
H1
，将提取到的96X个历史环境温度T1的数据组成历史环境温度数据集A1、提取到的96X个历史水平面散射辐照度D
H1
的数据组成历史水平面散射辐照度数据集B1、提取到的96X个历史水平面直射辐照度S
H1
的数据组成历史水平面直射辐照度数据集C1，以提取时间为横坐标，提取时间对应的历史水平面直射辐照度S
H1
为纵坐标，绘制出一条t
‑
S
H1
太阳辐照度曲线；
[0015]步骤1.2，与步骤1同步，通过逆变器或汇流箱提取山地电站该年内晴朗天气的每隔15分钟的历史发电数据，所述历史发电数据包括历史光伏组串输出电流I1和历史光伏组串输出功率P1，将提取到的96X个历史光伏组串输出电流 I1的数据组成历史光伏组串输出电流数据集E1、提取到的96X个历史光伏组串输出功率P1的数据组成历史光伏组串输出功率数据集F1，以提取时间为横坐标，提取时间对应的历史光伏组串输出电流I1为纵坐标，绘制出一条t
‑
I1光伏组串输出电流曲线；
[0016]步骤2，建立太阳辐照度转换模型
[0017]太阳辐照度转换模型包括光伏组串倾斜面直射辐照度模型、光伏组串倾斜面散射辐照度模型、光伏组串地面反射辐照度模型、光伏组串倾斜面的太阳总辐照度模型；
[0018]光伏组串倾斜面直射辐照度模型的表达式如下：
[0019][0020]其中，
[0021]S
T
为光伏组串倾斜面直射辐照度，S
H
为光伏组串水平面直射辐照度，α为太阳高度角，将光伏组串所在地与地心相连所得连线对应的地表切面记为切面，太阳高度角α是太阳入射光线与切面的夹角；
[0022]θ为入射角，即太阳直射辐照度与光伏组串法线方向的夹角,所述法线即垂直于光伏组串所在的水平面的直线，所述入射角θ的计算公式如下：
[0023]cosθ＝cos Z sinα+sin Z cosαcos(A
‑
γ)
[0024]式中，Z为光伏组串的倾角，是光伏组串与地平线的夹角，A为光伏组串的方位角，是光伏组串所在的水平面的垂直面与正南方向的夹角，γ为太阳方位角，为太阳入射线在地平面上的投影与正南方向的夹角；
[0025]光伏组串倾斜面散射辐照度模型的表达式为：
[0026][0027]其中，D
T
为光伏组串倾斜面散射辐照度，D
H
是光伏组串水平面散射辐照度， F1为环日增亮系数，F2为水平面增亮系数，其计算式分别为：
[0028]F1＝F
11
+F
12
μ+F
13
θ
Z
[0029]F2＝F
21
+F
22
μ+F
23
θ
Z
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对山地电站的光伏组串融合模型的建模方法，该建模方法涉及的光伏组串为山地电站中一台逆变器或汇流箱下的任一个光伏组串，所述光伏组串由N个结构相同的光伏组件串联而成，每个光伏组件由三个结构相同的光伏子串串联构成，每个光伏子串包括N
S
个光伏电池单元和一个旁路二极管，N
S
个光伏电池单元串联后与旁路二极管反并联；其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：步骤1，模型输入数据的获取步骤1.1，令提取的时间范围为一年，提取间隔为15分钟，并设提取年份中晴朗天气为X天，提取山地电站该年内晴朗天气的历史环境数据，所述历史环境数据包括历史环境温度T1、历史水平面散射辐照度D
H1
和历史水平面直射辐照度S
H1
，将提取到的96X个历史环境温度T1的数据组成历史环境温度数据集A1、提取到的96X个历史水平面散射辐照度D
H1
的数据组成历史水平面散射辐照度数据集B1、提取到的96X个历史水平面直射辐照度S
H1
的数据组成历史水平面直射辐照度数据集C1，以提取时间为横坐标，提取时间对应的历史水平面直射辐照度S
H1
为纵坐标，绘制出一条t
‑
S
H1
太阳辐照度曲线；步骤1.2，与步骤1同步，通过逆变器或汇流箱提取山地电站该年内晴朗天气的每隔15分钟的历史发电数据，所述历史发电数据包括历史光伏组串输出电流I1和历史光伏组串输出功率P1，将提取到的96X个历史光伏组串输出电流I1的数据组成历史光伏组串输出电流数据集F1、提取到的96X个历史光伏组串输出功率P1的数据组成历史光伏组串输出功率数据集F1，以提取时间为横坐标，提取时间对应的历史光伏组串输出电流I1为纵坐标，绘制出一条t
‑
I1光伏组串输出电流曲线；步骤2，建立太阳辐照度转换模型太阳辐照度转换模型包括光伏组串倾斜面直射辐照度模型、光伏组串倾斜面散射辐照度模型、光伏组串地面反射辐照度模型、光伏组串倾斜面的太阳总辐照度模型；光伏组串倾斜面直射辐照度模型的表达式如下：其中，S
T
为光伏组串倾斜面直射辐照度，S
H
为光伏组串水平面直射辐照度，d为太阳高度角，将光伏组串所在地与地心相连所得连线对应的地表切面记为切面，太阳高度角d是太阳入射光线与切面的夹角；θ为入射角，即太阳直射辐照度与光伏组串法线方向的夹角，所述法线即垂直于光伏组串所在的水平面的直线，所述入射角θ的计算公式如下：cosθ＝cosZsinα+sinZcosαcos(A
‑
γ)式中，Z为光伏组串的倾角，是光伏组串与地平线的夹角，A为光伏组串的方位角，是光伏组串所在的水平面的垂直面与正南方向的夹角，γ为太阳方位角，为太阳入射线在地平面上的投影与正南方向的夹角；光伏组串倾斜面散射辐照度模型的表达式为：
其中，D
T
为光伏组串倾斜面散射辐照度，D
H
是光伏组串水平面散射辐照度，F1为环日增亮系数，F2为水平面增亮系数，其计算式分别为：F1＝F
11
+F
12
μ+F
13
θ
Z
F2＝F
21
+F
22
μ+F
23
θ
Z
式中，F
11
为第一增亮系数，F
12
为第二增亮系数，F
13
为第三增亮系数，F
21
为第四增亮系数，F
22
为第五增亮系数，F
23
为第六增亮系数，μ是天空亮度，θ
Z
为天顶角，是天顶轴与太阳光线之间的夹角；a为太阳入射角第一系数，b为太阳入射角第二系数，其计算式分别为：θ＝max(0，cosθ)b＝max(0.087，cosθ
Z
)光伏组串地面反射辐照度模型的表达式如下：其中，R
T
为光伏组串地面反射辐照度，ρ为地面平均反射率，取ρ＝0.15；光伏组串倾斜面的太阳总辐照度模型的表达式如下：Q＝D
T
+S
T
+R
T
其中，Q为光伏组串倾斜面的太阳总辐照度；步骤3，利用步骤1采集的数据判断光伏组串的方位角A和倾角Z步骤3.1，对步骤1得到的96X个历史水平面直射辐照度S
H1
进行插值处理，具体的，采取线性插值方法，插值后数据时间间隔为5分钟，插值后对数据进行高斯二阶拟合处理，并将处理后得到的数据记为插值历史水平面直射辐照度S
H3
，即通过线性插值处理共得到288X个插值历史水平面直射辐照度S
H3
；以提取时间为横坐标，以插值历史水平面直射辐照度S
H3
为纵坐标，绘制出一条t
‑
S
H3
太阳辐照度曲线，在该t
‑
S
H3
太阳辐照度曲线上，每一天包括288个插值历史水平面直射辐照度S
H3
的数据；步骤3.2，对步骤1得到的96X个历史水平面散射辐照度D
H1
进行插值处理，具体的，采取线性插值方法，插值后数据时间间隔为5分钟，插值后对数据进行高斯二阶拟合处理，并将处理后得到的数据记为插值历史水平面散射辐照度D
H3
，即通过线性插值处理共得到288X个插值历史水平面散射辐照度D
H3
；以提取时间为横坐标，以插值历史水平面散射辐照度D
H3
为纵坐标，绘制出一条t
‑
D
H3
太阳辐照度曲线，在该t
‑
D
H3
太阳辐照度曲线上，每一天包括288个插值历史水平面散射辐照度D
H3
的数据；步骤3.3，对步骤1得到的历史光伏组串输出电流数据I1进行插值处理，具体的，采取线性插值方法，插值后数据时间间隔为5分钟，插值后对数据进行高斯二阶拟合处理，并将处理后得到的数据记为插值历史光伏组串输出电流I3，即通过线性插值处理共得到288X个插值历史光伏组串输出电流I3，以提取时间为横坐标，以插值历史光伏组串输出电流I3为纵坐标，绘制出一条t
‑
I3光伏组串输出电流曲线；从t
‑
I3光伏组串输出电流曲线中提取每天的历史光伏组串输出电流I3的最大值，将该最大值记为历史光伏组串输出电流峰值I
F
，并将该历史光伏组串输出电流峰值I
F
发生的时
间记为历史光伏组串输出电流峰值时间t
IF
，即对应X个晴朗天气，共提取得到X个历史光伏组串输出电流峰值I
F
和X个历史光伏组串输出电流峰值时间t
IF
；步骤3.4，通过光伏组串在运行时的环境辐照度G和环境温度T
h
计算光伏组串的最大工作点电流I
MG
，其计算公式为：其中，G
REF
为标准状况下环境辐照度，G
REF
＝1000W/m2，I
M.REF
为铭牌最大功率点电流，ε为短路电流温度系数，由光伏组件铭牌参数表获取，T
REF
为标准状况下光伏...

【专利技术属性】
技术研发人员：马铭遥，王泽澳，马文婷，王涵宇，张锐，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：