光伏阵列重构策略,最大化的能源生产

文摘

本文提出一种动态重新配置方法为电气连接串并联连接在局部阴影条件下光伏阵列。需要提取数组的最大能量,但它不出现在模块的情况下有不同的点的操作造成的阴影。该方法的特点是维护光伏阵列的维度,这就是;没有模块删除或添加到数组中。此外,控制算法是基于粗糙集理论,它允许快速和有效的控制系统的实现,包括规则,识别系统最优配置。

1。介绍

使用光伏(PV)系统近年来显著增加作为一个可行的替代传统的发电方法。减少输电和配电损失和向公用电网注入能量的可能性也有吸引力因素的利用率。

光伏系统的效率非常受天气条件的影响。在许多情况下,光伏面板可以照亮以不均匀的方式由于阴影造成的云,树木,建筑,邻居,甚至造成的阴影模块数组中。

材质是一种常见的现象,导致严重退化的提取能源光伏系统(1]。在部分阴影数组,输出功率可能小于单个输出大国的总和所有模块。单个模块的阴影能够减少由此产生的电流,因此,总的输出功率降低。

有几个建议来减少能量散逸在部分阴影系统(2- - - - - -7]。一个常见的解决方案是连接旁路二极管。这个连接的存在可以防止行输出电压较低,表现为加载所有其他并行连接行(2]。

一种不同的方法在于系统与生产l型逆变器A,光伏阵列的每个模块是连接到一个逆变器翻译专用MPPT(最大功率点跟踪系统(3]。虽然这种方法提供了很好的结果,因为每个光伏模块工作在最佳操作点,它的高成本是一个缺点。

最近的研究表明光伏阵列电气连接的重新配置。重新配置系统,光伏模块是动态地重新安排,为了最大化输出功率(4- - - - - -7]。

重新配置方法取决于模块之间的连接的类型。一个最常见的拓扑是串并联(SP)连接。在这种情况下,光伏模块连接在系列和由此产生的行并行连接。SP矩阵,重新配置过程是基于阴影模块组合,与类似的辐照度水平模块必须连接在系列和由此产生的行并行连接。

Patnaik et al。4)提出一个重构方法的模块SP数组的特点是两个水平:完全照亮和完全黑暗。完全黑暗的模块的组合,而完全照亮模块重新安排。

一个类似的工作5)将光伏阵列模块分为三个不同层次:黑,灰色,和明亮的。黑暗的模块从数组中删除算法定义了灰色的位置和明亮的模块。

消除阴影模块(4,5)可能产生不对称的安排。在这些情况下,光伏阵列的列有不同的电压水平。为了解决这个问题,静态转换器可以连接到残疾人的行,从而修改其电压水平(6,7]。

上述重组系统(4- - - - - -7)有一个共同的特点:从数组中删除最坏的情况下模块。再一次,静态功耗转换器的使用是一个可能的解决方案6,7),但高成本和复杂性的控制算法。

本文提出一个替代方法的动态重新配置连接在一个阴影光伏阵列。该方法的特点是光伏阵列大小的维护;也就是说,不添加或删除模块。另一个突出的优势解决方案是使用粗糙集理论(RST),从而导致重构的快速和高效的算法。

2。重新配置光伏模块的方法

2.1。阴影影响光伏系统效率

光伏系统的性能受温度和辐照度的影响。因此,环境条件对发电至关重要。

光伏系统的共同作用是阴影,可以部分或全部,因此减少了光伏系统的输出功率。减少取决于其他因素,如安排的类型,阴影的位置,和强度的阴影。

工作(8)所示,通过仿真和实验测试,光伏阵列与SP互连阴影模块分组时最好的结果。因此,大量的能源可以恢复,通常不是在阴影中提取模块分布在光伏阵列。

2.2。重新配置方法

重新配置方法提出了旨在重新排列光伏阵列,集群中的阴影模块至少光伏阵列的列数。

阴影模块的重排似乎是一个简单直观的过程。然而,根据数组中的模块的数量,这可能是一个复杂的任务。

在一个数组模块,可能出现阴影,或同时阴影模块。方程(1)定义了许多不同的材质的可能性,:

它可以改变模块的位置用不同的方式和SP数组可能的配置,根据简单的排列: 在哪里是数组模块的数量。

元素的顺序排列,是相关的;例如,序列ABC与CBA序列是不同的。然而,从电气角度,秩序,光伏模块连接在一系列的行,不影响整体效果。

从可能的配置计算(2),只有少数的系统输出功率可以产生不同的结果。感兴趣的设置数量,,可以通过描述的组合(3)。这是有关光伏阵列的对称性(行和列的数量)9]: 在哪里的行数和吗光伏阵列的列数。

感兴趣的所有配置,一个是最适合给定的阴影轮廓。这是由阴影模块的数量和位置。

光伏模块的识别条件获得参数分类模块阴影或无遮蔽的根据(4)。这种分类可以通过电流和电压测量:

阴影模块的数量直接关系到重组的可能性。在一个通过光伏阵列,重新配置是可行的在阴影模块的数量的情况下,是包含在定义的设置

方程(5之间的自然数)定义了一组2和限制(),和数字包含在定义的单元集吗和,分别。

重要的是要注意,在阴影的形状,无事可做。换句话说,重排导致输出功率不被修改。然而,在重新配置适用的情况下,至少有一个配置可以提高输出功率。因此,控制系统负责识别最好的配置。

3所示。粗糙集理论(RST)

皇家莎士比亚剧院是一个集理论的延伸,其重点是内在知识的提取从一个数据集和规则,总结知识的创造pswlak集。它最初是由1980年代初的(10]。然而,RST已成为相当受欢迎的只有1990年代由于处理能力的提高和个人电脑的广泛使用。

为了处理信息,表中数据必须组织称为信息系统(是)。是知识的语法表示的对象集,表示为有序对吗。是一个非空的有限集合的对象,叫宇宙,然后呢是一个非空的有限集的条件属性或条件,这样吗为。集被定义为一组值(11]。

RST基于不可识别性,这是一个等价关系对象,给定属性的一个子集,它允许宇宙的分区设置。一般定义如下。

考虑到信息系统那么,对于任何的属性子集,有一种等价关系,定义为

是不可辨认性的关系。如果,那么对象和看不见的或相同的情况下,考虑到属性子集。

由关系的等价类对象,根据,是用。

基于不可辨认性,可以减少额外的属性,获取数据简化。减少一个子集保留了等价类,所有属性的集合。因此,对于属性的一个子集,似乎,因为的减少或。

减少可以是一个艰巨的任务依赖的数据量。因此,适用于提交这样的表来减少和简化程序。在简化过程中,不必要的属性,消除重复的行,和多余的值。这将创建简单的规则,代表系统的知识库,以同样的方式作为原始数据。

手动开发知识库使用粗糙集是一个详尽的任务。考虑这个问题,计算机程序开发专门为这种类型的应用程序。罗塞塔(12)是最流行的方法之一,可以上传一个表与系统信息和选择的方法创建类和权值。在过程的结束,系统创建规则。

由于上述特点,RST已经选择了自动重新配置系统的实现。

4所示。重新配置系统项目

为了说明提出的重新配置的方法和操作系统,三个光伏阵列作为例子。

4.1。2×2的矩阵

一个矩阵(图1)是最小的SP安排的重构技术可以应用。有数量减少的形状的阴影重新配置生产能源的改进。然而,这个系统可以用来评估的特点和该方法的有效性。

根据表达式(2)可以得到24组合光伏矩阵。然而,大多数安排电等价物;也就是说,他们提供相同的结果。

在图所示的安排2提供相同的电的结果。的四个矩阵,模块A和B是串联,C和D系列也在,两套并行连接。

根据(3感兴趣的),有三个设置。在24日的安排矩阵,3配置没有或者类似的东西。这些配置可以通过组合分析和图所示3。

根据(1),许多不同的可能的阴影,在四个模块数组,是由2⁴= 16。

16间可能的阴影,有情况,根据阴影的形状,模块重构有关。为数组,统一设置,获得(5),是。这意味着重新配置只有在执行情况的数量等于两个阴影模块。如果不合适,重新配置阵列仍将在配置CF.01,参考配置(图1)。

系统有四个模块的数据如表所示1。16的材质,可以发生在一个组合矩阵是宇宙由一组美国A, B, C, D代表的条件属性(阴影或无遮蔽的)和CF是决策属性,这表明最优配置。

决策属性CF是根据常规条件属性来重新配置相关标准中定义部分2。

表的每一行1代表一个阴影的情况下,可以发生在矩阵,这是最合适的配置情况。

利用RST是可能获得的本质信息和识别的标准数据。表中的数据1可以减少与罗塞塔软件,生成8个规则。(1)一个(0)和B (0)→CF (01)(2)(1)和B (1)→CF (01)(3)C(0)和D (0)→CF (01)(4)C(1)和D (1)→CF (01)(5)(1)和B(0)和C(1)和D (0)→CF (02)(6)一个(0)和B(1)和C(0)和D (1)→CF (02)(7)(1)和B(0)和C(0)和D (1)→CF (03)(8)一个(0)和B(1)和C(1)和D (0)→CF (03)

获得的规则表达条件属性之间的逻辑关系(A, B, C, D)和决策属性(CF)。结合八规则后,可以得到下一个列出的三条规则。每个规则与图中给出的配置之一3。(1)(A = B)或(C = D)→CF.01(2)(= C)和(B = D)和B (≠)→CF.02(3)(= D)和(B = C)和B (≠)→CF.03

与这三个规则,可以创建一个定义的最佳配置算法在局部阴影条件下光伏阵列。只是一个启用的规则和相应的配置必须被激活,这样系统可以有最好的能源配置。

4.2。3×2矩阵

垂直的扩张矩阵提出了部分4.1导致矩阵,三行两列。

的概念是类似的。然而,随着阵列模块数量的增加,有一些冗余的信息系统。在某些情况下的集群只发生在一个感兴趣的设置,尽管如此,在某些情况下,可能有多个设置。

从(2)和(5),可以看出,矩阵有64种不同的可能性的阴影six-PV模块,可同时达到从0到6个模块。在这些可能性,在两个或三个模块是阴影的情况下,数组重新配置可能会变得可行,可以改善能源开采。在相反的情况下,系统继续引用配置(CF.01)。

根据(3感兴趣的)有10设置,呈现在图4。

信息系统的一部分数组表所示2。除了属性A, B, C, D, E, F,条件属性问介绍了(许多阴影模块)是简化中的创造。

从表2可以看出,E和F模块阴影和其他数组模块情况4中被照亮,例如。根据给出的重构方法2、模块E和F仍然分组在同一系列行最优配置。这种情况发生在感兴趣的设置1,2,5,10,见图4。

根据RST,阴影的形状感兴趣的,有一个以上的配置,例如,情况是不一致的。在这种情况下,对于相同的条件属性集,属性有不同的决定。然而,在一个电路中,这些情况是多余的,因为任何设置提供了相同的结果。

知识的概念和有效性的还原过程变得明显系统。提出了表225,可以提取规则表示知识基础的本质。

25的一部分规则写在一个简化的形式,列出如下。(1)((Q = 0或Q = 1或者Q = 4或Q = 5或Q = 6)或(D = 1和E = 1和F = 1)或(A = 1, B = 1和C = 1))→CF.01(2)((Q = 3)和((= 0和B = 0和D = 0)或(A = 1, B = 1和D = 1)))→CF.02(3)((Q = 3)和((= 0和B = 0和E = 0)或(A = 1, B = 1和E = 1)))→CF.03(4)((Q = 3)和((= 0和B = 0和F = 0)或(A = 1, B = 1和F = 1)))→CF.04(5)((Q = 3)和((= 0和C = 0和D = 0)或(A = 1和C = 1和D = 1)))→CF.05(6)((Q = 3)和((= 0和C = 0和E = 0)或(A = 1和C = 1和E = 1)))→CF.06(7)((Q = 3)和((= 0和C = 0和F = 0)或(A = 1和C = 1和F = 1)))→CF.07(8)((Q = 3)和((= 0和D = 0和E = 0)或(= 1和D = 1和E = 1)))→CF.08(9)((Q = 3)和((= 0和D = 0和F = 0)或(= 1和D = 1和F = 1)))→CF.09(10)((Q = 3)和((= 0和E = 0和F = 0)或(= 1和E = 1和F = 1)))→CF.10(11)(E = 1和F = 1和Q = 2)→(CF.01 CF.02或CF.05 CF.10) (23)(A = 1, B = 1和Q = 2)→(CF.01 CF.02或CF.03 CF.04)(24)(B = 1, F = 1和Q = 2)→(CF.04 CF.05或CF.06 CF.08)(25)(= 1和F = 1和Q = 2)→(CF.04 CF.07或CF.09 CF.10)

对于每一种64种不同材质的可能性,只有一个规则是满意,这表明最合适的配置。

在有冗余的情况下(规则11 - 25),选择最好的配置执行算法的第二阶段,先前配置的评估。

之前的信息设置是用来实现最少的阴影条件下改变模块的布局。在冗余条件下最优配置的定义是基于两个标准:(1)如果前面配置的最优配置:前面的设置维护;(2)如果前面的配置不是最优配置之一,有必要选择最少的模块的设置流离失所。

4.3。2×3矩阵

水平的扩张矩阵,提出了部分4.1,导致矩阵(2行3列)。

规则的创建和决心的过程是相似的矩阵,提出了部分4.2。在系统中,有15个感兴趣的设置如图5。

横向扩张,系统重新配置是可行的情况下阴影模块的数量是2,根据(3或43)。这个事实增加冗余条件的数量见表3。

规则生成的表3类似于那些在部分吗4.2。(1)(Q = 0或Q = 1或Q = 5或Q = 6)→(CF.01)(2)((E = 1和F = 1和Q = 2)或(E = 0和F = 0和Q = 4))→(CF.01或CF.04或CF.07)(3)((= 0和B = 0和C = 0和Q = 3)或(A = 1, B = 1和C = 1和Q = 3))→(CF.01或CF.02 CF.03或CF.04 CF.05 CF.06或CF.07 CF.12或CF.13)(4)((= 0和B = 0和D = 0和Q = 3)或(A = 1, B = 1和D = 1和Q = 3))→(CF.01或CF.02 CF.03或CF.04 CF.07 CF.08或CF.09 CF.11或CF.14)(5)((C = 1和D = 1和Q = 2)或(C = 0和D = 0和Q = 4))→(CF.01或CF.10或CF.15)(6)((= 0和B = 0和E = 0和Q = 3)或(A = 1, B = 1和E = 1和Q = 3))→(CF.01或CF.02 CF.03或CF.05 CF.08 CF.10或CF.11 CF.12或CF.15) (23)((B = 1和F = 1和Q = 2)或者(B = 0和F = 0和Q = 4))→(CF.06或CF.09或CF.10)(24)((B = 1和E = 1和S = 2)或者(B = 0和E = 0和S = 4))→(CF.05或CF.08或CF.15)(25)((= 0和E = 0和Q = 4)或(= 1和E = 1和Q = 2))→(CF.10或CF.11或CF.12)(26)((= 0和F = 0和Q = 4)或(= 1和F = 1和Q = 2))→(CF.13或CF.14或CF.15)

5。仿真结果

为了评估拟议的方法,电路设计部分4在PSIM软件实现。商业光伏模块的软件准确地代表了操作并能够执行微处理器代码通过使用DLL(动态链接库)的逻辑块。

5.1。2×2的矩阵

图6显示了重新配置系统的简化电路矩阵。电路可以分为三个体块:光伏阵列、微控制器和开关电路。

数组包含四个PV模块模拟的行为KS10京瓷模块。它的规格表4。

自从输出电流通过每个模块各自的太阳辐照度成正比,阴影是被周期测量短路电流。电流的测量与辐照度的变化是同步的光伏模块。在每一个新的辐照度条件,开关开放和短路电流通过切换测量模块。

DLL块执行一个算法使用开发c++编译软件。该算法建立的规则与罗塞塔计划在部分获得4。该方法的流程图如图7。

在流程图中,当前由每个光伏阵列模块读取()。如果电流低于参考电流(),该模块被认为是阴影。否则,该模块被认为是没有阴影的。每个模块发送到DLL的信息块,选择相应的规则。合适的配置的定义后,开关电路。

光伏系统通常是翻译与MPPT系统(13]。然而,为了恰当地评估如果重新配置提供改进的结果,该模块是连接到一个电阻负载。阻力值建立了操作系统的最大功率点附近(MPP)在标准测试条件下(stc) - 1000 W / m²25°C)。因此,当发生阴影时,操作条件变化和MPP系统不再运行。

对16个不同的材质情况在一个单一的模拟试验,通过每个光伏模块调整当前。在接下来的测试中,该模块目前已经减少了40%,这样材质的情况下可以模拟。

图中给出的曲线8繁殖光伏阵列的输出功率,在所有阴影的情况下,之前和之后的重新配置。

材质根据执行序列表1。在第一间隔(- - - - - -),所有的模块都没有阴影的。在第二个(- - - - - -D是阴影),模块,等等。在16个不同材质的可能性,在只有四个的情况下重新配置是可行的。在系统重新配置,可以增加15 W至29 W的功率输出,对应增加约14 W。

5.2。3×2矩阵

重新配置系统的开发数组类似于前一节中给出的一个。六KS10 PV模块连接到开关电路和控制系统。模块是连接到一个固定电阻负载,输出功率是采样前后系统的重新配置。

图9介绍了功率输出曲线前后系统重新配置64个不同的着色情况。在系统重新配置后的增加输出功率从17 W到34 W,实现电气连接的重新配置。

5.3。2×3矩阵

的仿真结果矩阵图所示10。这也证实了该方法的有效性。

虽然随着系统具有相同数量的模块系统,重要的是要注意,结果(矩阵)是截然不同的。这个新的安排有一个额外的列。重新配置系统似乎更加健壮,因为重新配置可能甚至在四个阴影模块的情况下,这不会发生系统。

64材质的情况下的仿真结果如图10。有不同功率的物理结构安排,加强的情况下重新配置需要,但限制模块的集中在一个较小的列数。

例如,输出功率降低安排在三个阴影光伏模块的情况下,可以减轻所有受影响的模块在一个系列浓度的行。在安排,三个光伏模块的阴影不可避免地达到两列矩阵的即使在系统重新配置,从而减少输出功率。

6。实验结果

为了评估该方法,重新配置系统有四个PV模块()实现的。系统呈现在图11。

这个重构的实现方法在光伏系统中需要额外的电路如传感器,开关,控制系统(硬件和软件)。这些结构的示意图,图中可以看到6。

光伏阵列是由四个KS10模块(表4)导致的总输出功率40 W。每个模块的识别条件是通过测量电路。

阴影识别是通过测量短路电流来执行的。十秒时间间隔测量执行(赫兹),每个光伏模块的电流是通过一个INA193电流传感器监测。

信号调节后,参数规格发送给微处理器(PSoC-CY8C29466)。然后,开关电路,由干簧继电器(HE721A1210)、触发。

局部阴影条件下创建使用描图纸,产生统一的阴影,从而过滤入射辐射(8]。虽然阴影影响光伏阵列的配置文件在现实系统不同于创造的模式,它的使用是合理的,着色强度控制的必要性。在描图纸执行测试,提出了一个统一的阴影在40%和45%之间。

光伏阵列是连接到一个固定电阻负载,电压,电流,输出功率测量。在测试期间,该模块温度达到60°C,因此降低了有效功率。

作为讨论的部分5.1,矩阵有四个阴影条件下系统重新配置是有趣的地方。因此,下面提到的案例研究的实验结果。

6.1。两个阴影模块(A和C): CF.01→CF.02

图12介绍了波形的电流、电压和输出功率。的时间间隔包括模块A和C的阴影也重新配置系统的性能。

在图所示的测试12持续10秒,可以分为四个时间间隔。 来——模块是照明和保留在配置1。 来- a和C模块是阴影;瞬态振荡由于人工阴影也能注意到。 来测量时间;矩阵开关都是为了测量模块的参数。 来重新配置系统:配置2。

当阴影模块A和C,兴趣是配置的设置2。通过重新配置,可以提高输出功率,根据图13.5 W12。

6.2。两个阴影模块(B和C): CF.01→CF.03

执行类似的测试来验证系统性能模块B和C是阴影。正如所料,增加输出功率13.3 W后系统重新配置,如图13。

6.3。两个阴影模块(A和C)→(A和D): CF.02→CF.03

类似于前面的部分,这个测试也可以分为四个时间间隔见图14。然而,在这个测试模块A和C阴影之间的时间间隔和2,设置感兴趣的配置。之间的和阴影轮廓变化,而模块A和D现在阴影,从而导致输出功率降低。

测量后时期(来),重新配置系统选择感兴趣的新设置配置3 (来)。

6.4。一个阴影模块(A): CF.01→CF.01

为表示节2,有一些阴影情况无事可做。测试图进行15依据这种情况下,单个模块的阴影。

在一开始,所有的模块都照亮,之后模块是阴影。然后,测量系统参数,设置感兴趣的保持相同的配置(配置1)。正如所料,没有输出功率的变化。

7所示。结论

本文提出了一个动态重新配置系统的设计与SP互连阴影光伏阵列。该方法的特点是光伏阵列大小的维护;即阵列尺寸不改变。

方法是基于粗糙集理论,提出了重构系统的行为可以被定义为简单的逻辑规则,low-coast单片机实现。

提出的操作系统是通过计算机模拟和实验测试,评估,结果表明其有效性。相比与静态数组连接,重新配置系统提供更好的局部阴影条件下提取的能量。

因此,重构提供了显著增加在不同情况下的输出功率。阴影的负面影响在整个光伏系统的效率是最小化的重组数组电气连接;即阴影PV模块连接在最好的位置,根据设置的兴趣。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢斗篷,CNPq, FAPEMIG金融支持这项工作。

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