基于最小二乘法的光伏老化检测方法

本发明涉及光伏系统，特别涉及一种基于最小二乘法的光伏老化检测方法。

背景技术：

1、在众多可再生能源中，太阳能凭借其清洁无污染、容易获取与利用、可永久使用等优势，备受世界各国的关注。然而，光伏系统的可靠性主要取决于光伏组件的性能。长期以来，地面光伏组件的老化一直是光伏行业关注的问题。图1为光伏系统未发生故障与老化后的i-v曲线对比图，可以看出老化前后的功率损失非常严重，所以对光伏系统进行及时的老化故障检测是及其必要的。

2、为了能够解决这问题，很多检测方法被提出。根据其方法特征，可大致分为以下四种：时域反射法技术，该法是一种基于入射信号通过传输线的反射的电特性技术。然而，该方法需要外部设备生成特定信号，其中大多数只能离线部署。

3、残差分析法，该法将测量的输出与估计值进行比较，以诊断阵列故障。这些估计基于额外的数据，包括实时光照强度、温度，甚至由特定传感器监测云团运动。因此，额外的设备增加了系统复杂性和总体成本。

4、曲线分析法，该法以扫描i-v曲线或p-v曲线识别老化故障。例如，该法会观察和分析开路电压点、短路电流点、最大功率点（mpp）或曲线形状，以判别光伏组件是否发生老化故障。然而，扫描过程会中断光伏系统的正常运行，从而导致电力损失。i-v扫描可能需要额外的电路，运营成本增加。

5、dc-dc变流器法通过调节占空比的大小，即可调节工作点在i-v曲线的位置，从而得到相对应的电压电流值。但是由于采样电压电流纹波较大，需要设计采样滤波电路，因此电路要求较高；同时，由于需要一个较大容值的输入电容来减小电压纹波，因此会造成dc-dc动态响应时间较长，从而导致测试时间较长。

6、人工智能技术它包括人工神经网络、支持向量机、自回归模型、模糊推理和多分辨率信号分解。然而，提供给算法的数据仍然来自于曲线扫描或通过附加传感器的额外测量。此外，这些数据驱动的方法通常需要大量的数据和计算资源，从而导致更高的系统成本。

7、基于以上论述，本发明提出了一种基于最小二乘法的光伏老化检测方法。该法不需要额外的电路和传感器，保持了现有光伏系统的低成本结构。该方法还避免了曲线扫描过程，确保了系统的正常运行而没有任何中断，提高了鲁棒性和精确度。

技术实现思路

1、本发明目的是：提供一种基于最小二乘法的光伏老化检测方法，该法不需要额外的电路和传感器，保持了现有光伏系统的低成本结构。该方法还避免了曲线扫描过程，确保了系统的正常运行而没有任何中断，提高了鲁棒性和精确度。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于最小二乘法的光伏老化检测方法，包括如下步骤：

3、步骤 s1：将光伏阵列输出的电压、电流采样后作为输入，进行最大功率追踪。

4、步骤s2：将实际追踪得到的最大功率记为，追踪的最大功率电压、电流值是用和表示；

5、步骤 s3：用最小二乘法对随机采样的电压、电流进行计算，得到光照强度g、温度t，

6、最小二乘法具体步骤如下：

7、首先公式（1）-（2）定义光照强度的归一化参数，温度的归一化参数；

8、       （1），

9、       （2），

10、因程序开始、为空；故先假设光照强度g=1000w/m2和温度t=25℃，所以=1，=1；式中、指的是标准工作条件下的光照强度和温度，其值分别为=1000w/m2，=25℃，指的是开尔文温度常数，其值为273.15k，

11、运用公式（3）-（6）将残差及光照偏导数和温度偏导数、二极管实际电流进行计算；

12、       （3），

13、       （4），

14、       （5），

15、       （6），

16、其中为二极管的额定品质因数,为额定光生电流,为额定反向饱和电流,为光伏组件的等效串联电阻额定参数，为光伏组件的等效并联电阻额定参数，为额定温度影响因子，以上额定参数是厂家提供的参数；指的是绝对温度参数，其值为298.15k；

17、获取光伏的次方和，计算的公式如下，

18、       （7），

19、将公式（3）-（6）代入（7），得到公式（8）,更新、的值，

20、       （8），

21、其中 指的是阻尼系数，指的是迭代次数，其中次方和指的是当公式（7）中的x=0，y=2，z=0时，故，次方和指的是当公式（7）中的x=2，y=0，z=0时，，次方和指的是当公式（7）中的x=1，y=1，z=0时，，次方和指的是当公式（7）中的x=1，y=0，z=1时，故，次方和指的是当公式（7）中的x=0，y=1，z=1时，。

22、步骤s4：将更新后的、代入公式（9）-（13）得到光伏的实际等效串联电阻参数，光伏的实际等效并联电阻参数，光伏的实际光生电流，光伏的实际反向饱和电流，光伏的实际二极管品质因数，

23、       （9），

24、       （10），

25、       （11），

26、       （12），

27、       （13），

28、其中式中的指的是温度变化差值，其值为。

29、步骤 s5：将计算得到的五个参数代入公式（14）-（16），得到预测的最大功率电压与最大功率电流后，两者相乘可得最大功率，

30、         （14），

31、         （15），

32、         （16），

33、lambert-w函数用于获取与，即，为自然常数2.718。

34、步骤 s5中，根据预测的最大功率电压与追踪的最大功率电压的差值、预测的最大功率电流与追踪的最大功率电流的差值与阈值的关系，设定误差阈值、，其计算公式如公式（17）-（18）所示：

35、         （17），

36、         （18），

37、式中，、表示光伏在标准测试环境下的最大功率点电流、电压，

38、对于老化的判断方法为：

39、若阈值的绝对值与阈值的绝对值均等于0，则判定为未老化；

40、若阈值的绝对值大于0或阈值的绝对值大于0，则判定为轻微老化；

41、若阈值的绝对值与阈值的绝对值均大于0，则判定为严重老化。

42、本发明提供一种基于最小二乘法的光伏老化检测系统，其中所述检测系统包括：

43、最大功率追踪单元，用于对光伏模块进行最大功率追踪；

44、数据采集单元，用于获取追踪到的最大功率点电流、电压和功率；

45、数据采样单元，用于对电压及电流进行随机采样；

46、环境条件计算单元，用于根据随机采样的电压、电流数据计算光伏的光照强度和温度；

47、额定参数获取单元，用于获取光伏的二极管的额定品质因数、额定光生电流、额定反向饱和电流、额定等效串联电阻参数、额定等效并联电阻参数及温度影响因子；

48、实际参数计算单元，用于获取光伏的二极管的实际品质因数、实际光生电流、实际反向饱和电流、实际等效串联电阻参数及实际等效并联电阻参数；

49、最大功率预测单元，用于获取预测的最大功率电压、预测的最大功率电流及预测的最大功率；

50、老化判断单元，用于根据预测的最大功率电压与追踪的最大功率电压的差值、预测的最大功率电流与追踪的最大功率电流的差值与阈值的关系，判断光伏的老化程度。

51、相对于现有技术，本发明的优点如下：

52、本发明所设计基于最小二乘法的光伏老化检测方法，不仅无需额外的检测装置，而且检测方法较为简单可以同时检测多个光伏组件，总结出了光伏电池参数与外环境变化的关系，来等效模拟电池老化的检测方法，最后，基于将辐照度和温度模拟变换成老化程度。核心算法最小二乘法可以更快速，更准确的解决非线性问题，增强了算法在全局搜索的平衡性，降低了算法迭代次数，提高了参数辨识的准确性和可靠性。

53、同时，本发明的技术方案能够根据mppt随机一个采样的电压与电流的变化进行分析，判断出外环境的变化情况。该方法避免了曲线扫描过程，可以大大减少读取数据量，减小检测过程的耗时。保证系统在正常运行的情况下快速得到结果，提高了鲁棒性和精确度。