一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法与流程

1.本发明涉及一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰建模方法，适用于光伏组件对外部磁传感器的电磁干扰建模，属于磁传感技术领域。


背景技术：

2.太阳能具有储量丰富、可再生、分布广泛、无噪声和无废渣废气等诸多优点，其主要利用形式之一是太阳能发电，而光伏电池是太阳能发电系统中不可或缺的关键部分。光伏电池，也称太阳能电池。光伏电池依靠光伏效应发电，多由半导体p-n结构成。目前，晶体硅太阳能电池是目前发展最为成熟的，约占全球光伏发电市场的90％左右，在应用中占据主导地位。光伏发电应用领域广泛，包括光伏电站、家庭太阳能电源、交通领域各类信号灯供电、卫星和无人机等航空航天设备的太阳能供能系统等。
3.磁传感器的应用也十分广泛，是现代传感器的主要分支，已在经济、国防、医疗卫生等领域发挥着重要作用，如能源管理、智能家居、交通管制、航空航天电子罗盘等。随着科学技术的发展，磁传感器的应用与光伏发电的应用的耦合日益加深。
4.由于单个光伏电池产生的电流小、功率低，因此通常采用多光伏电池串并联的方式组成光伏组件，增大整个组件的对外输出电压、电流和功率。作为直流电源设备，光伏组件产生电磁干扰对磁传感器的工作产生了较大的影响，导致磁传感器对磁场较大的测量误差，导致用电设备决策失误，造成用电危险，如电网能源管理数据采集误差，智能家居失效，交通管制中对车辆速度、加速度测量误差，飞机、卫星等航向漂移等。
5.为降低光伏组件电磁干扰对磁传感器的干扰，需对光伏组件的电磁干扰进行定量建模，以便后续分析和消除电磁干扰。光伏组件产生的电磁干扰是直流电磁干扰，无法通过滤波器消除。另一方面，光伏组件需要接受阳光照射，难以采用磁屏蔽材料包覆屏蔽。建立合理的光伏组件电磁干扰模型，对抑制光伏组件产生的电磁干扰和保证磁传感器的正常工作具有重要意义，直接关系到传感器测量和用电设备的使用安全。
6.在磁传感技术领域的实际应用中，建立电磁干扰模型的方法主要分为2类：第一类是测试分析方法。测试分析方法将研究对象视为一个黑箱系统，不管系统的内部机理，直接测量系统的输入、输出数据，并以此为基础运用数学统计方法，建立相应的数学模型。第二类是机理分析方法。根据对建模对象的机理分析，找出其运作机理和规律，建立具有明确物理意义的数学模型。
7.如果没有掌握建模对象的内部运作机理，应采用测试分析建模；如果对建模对象的机理有所了解，应以机理建模为主。而光伏组件的发电机理为光伏电池内的光伏效应和多个光伏电池的串并联连接，因此，可采用机理建模方法对光伏组件进行机理建模，定量描述其电磁干扰，为精准降低电磁干扰奠定基础。


技术实现要素：

8.本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法要解决的技
术问题是：通过光伏组件的机理分析，结合光伏组件与外部磁传感器的位置关系，基于毕萨定律建立光伏组件中光伏焊带、内部总线和外部总线的电磁干扰机理模型，定量描述光伏组件对外产生的电磁干扰。本发明建立的电磁干扰机理模型能够应用于磁传感技术领域，解决电磁干扰抑制相关工程技术问题。本发明具有建模方法简单、精度高、成本低、操作简单、易实现的优点。
9.本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
10.本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，包括以下步骤：
11.步骤1：测量光伏组件的尺寸参数，包括光伏组件的长度l、宽度h、沿着长度方向分布的光伏电池数量nb、沿着宽度方向分布的光伏电池数量nc、每个光伏电池中均匀分布的光伏焊带的数量nw、单个光伏电池中汇入单条光伏焊带的梳状电极数量ns、相邻光伏焊带之间的距离dh。
12.测量光伏组件的尺寸参数，包括光伏组件的长度l、宽度h、沿着长度方向分布的光伏电池数量nb、沿着宽度方向分布的光伏电池数量nc、每个光伏电池中均匀分布的光伏焊带的数量nw、单个光伏电池中汇入单条光伏焊带的梳状电极数量ns、相邻光伏焊带之间的距离dh，其中，相邻光伏焊带之间的距离dh为
13.dh＝h/(ncn
w-1)
ꢀꢀꢀ
(1)
14.步骤2：依据光伏效应分析光伏组件中单个光伏电池的电磁干扰生成机理，确定光伏组件中单个光伏电池对外产生电磁干扰的主要部件，并据此基于毕萨定律建立单个光伏电池的电磁干扰机理模型。
15.步骤2具体实现方法包括如下步骤：
16.步骤2.1：依据光伏效应分析光伏组件中单个光伏电池的电磁干扰生成机理，确定光伏组件中单个光伏电池对外产生电磁干扰的主要部件。
17.受到太阳光照时，单个光伏电池中部的势垒区向光照方向溢出电子、向背光方向溢出空腔。溢出的电子抵达光照面后，由密集的梳状电极收集，汇入光伏焊带。考虑到太阳能电池单体的厚度薄至使得单体内部沿厚度方向的电流长度过短忽略不计。抵达光照面的电子在汇入梳状电极前的运动杂乱无章，宏观上不显电性，因此，单个光伏电池的电磁干扰由密集的梳状电极和光伏焊带生成。
18.步骤2.2：分析单个光伏电池的梳状电极的电磁干扰，单个光伏电池的电磁干扰主要由光伏焊带生成。
19.由于梳状电极分布密集，即，ns＞＞nw，导致每个梳状电极的电流is很小，表达为
[0020][0021]
其中，i
pv
为光伏组件的总电流。
[0022]
考虑到光伏焊带均互相连接，对于密集的梳状电极，由于其均连接在同一条光伏焊带，每个梳状电极间的电势相等，其电子向光伏焊带对称的汇聚。即，每对梳状电极的对外电磁干扰被很大程度上对消。
[0023]
因此，梳状电极的对外电磁干扰可忽略不计，则单个光伏电池的电磁干扰由光伏焊带生成。
[0024]
步骤2.3：基于毕萨定律建立单行光伏电池的每条光伏焊带的电磁干扰机理模型。
[0025]
由于每个光伏电池的正反面均由光伏焊带连接，因此，单个光伏电池的电磁干扰由双层的光伏焊带产生。基于毕萨定律，第i行nb个光伏电池的光伏焊带的电磁干扰被表达为
[0026][0027]
其中，μ0＝4π
×
10-7v·
s/(a
·
m)为真空磁导率，π为圆周率，iw为每条光伏焊带的电流，为每条光伏焊带所在直线到外部磁传感器所在位置的距离，和是外部磁传感器到每条光伏焊带两端的方位角。a为光伏焊带电磁干扰的方向指数，当电流产生的电磁干扰指向光伏组件背面时，a＝0；当电流产生的电磁干扰指向光伏组件正面时，a＝1。
[0028]
每条光伏焊带的电流iw被表达为
[0029][0030]
公式(3)即为每条光伏焊带的电磁干扰机理模型。
[0031]
步骤3：依据光伏组件电路分析光伏组件的电磁干扰生成机理，确定光伏组件对外产生电磁干扰的主要部件为光伏焊带、内部总线和外部总线，并结合步骤2建立的光伏焊带的电磁干扰机理模型，基于毕萨定律建立内部总线和外部总线的电磁干扰机理模型，获得用于定量描述光伏组件对外产生的电磁干扰的光伏组件的电磁干扰机理模型。
[0032]
步骤3具体实现方法包括如下步骤：
[0033]
步骤3.1：依据光伏组件电路分析光伏组件的电磁干扰生成机理，确定光伏组件对外产生电磁干扰的主要部件为光伏焊带、内部总线和外部总线。每个单个光伏电池汇入光伏焊带的电子，再从光伏焊带汇入光伏组件内部总线。内部总线的电流经外部总线对外输出，经用电设备后抵达光伏组件各个光伏电池背光面的正极板，如此完成电流的回路。因此，光伏组件的电磁干扰由构成光伏组件的所有光伏电池的光伏焊带、各内部总线和外部总线生成。
[0034]
步骤3.2：建立构成光伏组件的所有光伏焊带的电磁干扰机理模型。
[0035]
基于毕萨定律，光伏组件的所有光伏电池的光伏焊带的电磁干扰bw被表达为
[0036][0037]
即建立构成光伏组件的所有光伏焊带的电磁干扰机理模型如公式(5)所示。
[0038]
步骤3.3：基于毕萨定律建立各内部总线的电磁干扰机理模型。
[0039]
内部总线是光伏焊带内电流的汇流和再分流的连接线。由于内部总线的汇流、分流作用，将内部总线按照光伏焊带接入的位置划分成段，相邻的每段内部总线的电流之间相差iw，其电磁干扰b
bus
被表示为
[0040][0041]
其中，为每段内部总线所在直线到外部磁传感器所在位置的距离，和是外部磁传感器到每段内部电流两端的方位角。
[0042]
即建立各内部总线的电磁干扰机理模型如公式(6)所示。
[0043]
步骤3.4：基于毕萨定律建立光伏组件的外部总线的电磁干扰机理模型。
[0044]
为减弱外部总线的对外电磁干扰，通常将外部总线汇总后双铰，实现外部总线的电磁干扰自抵消。其无法自抵消部分的电磁干扰b
ob
被表达为
[0045][0046]
其中，为每段外部总线所在直线到外部磁传感器所在位置的距离，和是外部磁传感器到每段外部电流两端的方位角。b为外部总线电磁干扰的方向指数，当电流产生的电磁干扰指向光伏组件背面时，b＝0；当电流产生的电磁干扰指向光伏组件正面时，b＝1。
[0047]
即建立光伏组件的外部总线的电磁干扰机理模型如公式(7)所示。
[0048]
步骤3.5：建立光伏组件的总的电磁干扰机理模型。
[0049]
光伏组件的总的电磁干扰b
pv
被表达为
[0050]bpv
＝bw b
bus
b
ob
ꢀꢀꢀ
(8)
[0051]
即建立光伏组件的总的电磁干扰机理模型如公式(8)所示。
[0052]
步骤3.6：通过实验实测，验证所建立的光伏组件的电磁干扰机理模型。
[0053]
实测需要的测试设备包括磁强计和数据采集设备、电子负载、被测光伏组件。电子负载和被测光伏组件串联。为降低导线电磁干扰的影响，所有的导线双绞以实现导线电磁干扰最大程度的自抵消。在光照条件下，由电子负载从0a到3a以0.2a为梯度逐步加载电流，由磁强计测量其所在位置的电磁干扰强度，并由电脑端的数据采集软件记录磁强计测得的数据。计算光伏组件机理模型的电磁干扰仿真数据。i
pv
由0a开始以0.2a梯次加载到3a，存储光伏组件机理模型的电磁干扰仿真数据。对比实测数据和机理模型数据，依据实测数据调整机理模型，将光伏组件及环境的各类干扰因素考虑在内，获得真实电磁干扰机理模型
[0054][0055]
其中，k为模型调整系数。
[0056]
还包括步骤4：根据步骤3获得的电磁干扰的光伏组件的电磁干扰机理模型，定量预测光伏组件对外产生的电磁干扰效果，根据定量预测的电磁干扰效果，抑制电磁干扰，解决电磁干扰抑制相关工程技术问题。
[0057]
有益效果：
[0058]
1、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，通过光伏组件的机理分析，确定光伏组件对外产生电磁干扰的主要部件为光伏焊带、内部总线和外部总线，结合光伏组件与外部磁传感器的位置关系，基于毕萨定律建立光伏组件中光伏焊带、内部总线和外部总线的电磁干扰机理模型，建立光伏组件在外部磁传感器处产生的电磁干扰与光伏组件几何参数和光伏组件的电流之间的关系，定量描述光伏组件对外产生的电磁干扰，获得用于定量描述光伏组件对外产生的电磁干扰的光伏组件的电磁干扰机理模型。
[0059]
2、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，单个光伏电池的电磁干扰由双层的光伏焊带产生，其电磁干扰强度与每条光伏焊带的电流、每条光伏焊带所在直线到外部磁传感器所在位置的距离、外部磁传感器到每条光伏焊带两端的方位角有关；根据毕萨定律，其电磁干扰的方向与每条光伏焊带的电流方向之间满足右手螺旋定则。
[0060]
3、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，内部总线、内部总线是光伏焊带内电流的汇流和再分流的连接线。由于内部总线的汇流、分流作用，将内部总线按照光伏焊带接入的位置划分成段，相邻的每段内部总线的电流之间相差一条光伏焊带的电流。内部总线产生的电磁干扰与每段内部总线的电流强度、所在直线到外部磁传感器所在位置的距离、外部磁传感器到每段内部电流两端的方位角有关。
[0061]
4、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，为减弱外部总线的对外电磁干扰，通常将外部总线汇总后双铰，实现外部总线的电磁干扰自抵消，无法自抵消部分的电磁干扰与每段外部总线的电流强度、每段外部总线所在直线到外部磁传感器所在位置的距离、外部磁传感器到每段外部电流两端的方位角有关。外部总线无法自抵消部分的电磁干扰的方向与每段外部总线的电流方向之间满足右手螺旋定则。
[0062]
5、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，根据获得的电磁干扰的光伏组件的电磁干扰机理模型，定量预测光伏组件对外产生的电磁干扰效果，根据定量预测的电磁干扰效果，抑制电磁干扰，解决电磁干扰抑制相关工程技术问题。
[0063]
6、本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，能够仅通电子负载和磁强计实现被测光伏组件在外部磁传感器处产生的电磁干扰模型的验证，无需其它复杂的电子设备，具有建模方法简单、精度高、成本低、操作简单、易实现的优点。
附图说明
[0064]
图1为本发明公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法的流程图；
[0065]
图2为光伏组件的结构和电流强度分布图，其中，
①
内部总线，
②
光伏电池，
③
外部总线；
④
光伏焊带。
[0066]
图3为光伏组件中每个光伏电池的发电机理图；
[0067]
图4为光伏组件在外部磁传感器处生成的电磁干扰的几何关系示意图；
[0068]
图5为实验设备连接方式示意图；
[0069]
图6为具体实施方式中机理模型和实测数据的对比图。
具体实施方式
[0070]
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面通过锂电池无人机点到点飞行的实施例，并结合附图与表格对本发明做出详细解释。
[0071]
实施例：
[0072]
本实施例的光伏组件为额定功率30w的平面光伏组件，外部磁传感器位于其底部光伏焊带的延长线上，距离光伏焊带0.02m。如图1所示，本实施例公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，包括如下步骤：
[0073]
步骤1：测量光伏组件的尺寸参数，包括光伏组件的长度l＝0.56m，宽度h＝0.61m，沿着长度方向分布的光伏电池数量nb＝9，沿着宽度方向分布的光伏电池数量nc＝4，每个光伏电池中均匀分布的光伏焊带的数量nw＝5，单个光伏电池中汇入单条光伏焊带的梳状电极数量 ns＝40，如图4所示。那么，相邻光伏焊带之间的距离为dh＝0.0321m。
[0074]
步骤2：依据光伏效应分析光伏组件中单个光伏电池的电磁干扰生成机理，确定光伏组件中单个光伏电池对外产生电磁干扰的主要部件为光伏焊带内的电流，并据此基于毕萨定律建立单行光伏电池的每条光伏焊带的电磁干扰机理模型。
[0075]
基于毕萨定律，沿长度方向的第i行9片光伏电池的每条光伏焊带的电磁干扰可被表达为
[0076][0077]
其中，μ0＝4π
×
10-7v·
s/(a
·
m)为真空磁导率，π为圆周率，iw为每条光伏焊带的电流，为每条光伏焊带所在直线到外部磁传感器所在位置的距离，和是外部磁传感器到每条光伏焊带两端的方位角。a为方向指数，当电流产生的电磁干扰指向光伏组件背面时，即从下向上第2、3、4、5、11、12、13、14、15行光伏焊带，a＝0；当电流产生的电磁干扰指向光伏组件正面时，即从下向上第6、7、8、9、10、16、17、18、19、20行光伏焊带，a＝1。
[0078]
每条光伏焊带的电流iw可被表达为
[0079][0080]
步骤3：依据光伏组件电路分析光伏组件的电磁干扰生成机理，确定光伏组件对外产生电磁干扰的主要部件为所有光伏焊带和各内部总线，并据此根据毕萨定律建立光伏组件的电磁干扰机理模型。
[0081]
步骤3具体实现方法包括如下步骤：
[0082]
步骤3.1：建立构成光伏组件的所有光伏电池的光伏焊带的电磁干扰机理模型。
[0083]
基于毕萨定律，光伏组件的所有光伏电池的光伏焊带的电磁干扰bw可被表达为
[0084][0085]
步骤3.2：建立各内部总线的电磁干扰机理模型。
[0086]
如图4所示，将内部总线按照光伏焊带接入的位置划分成段，则左侧内部总线的电磁干扰b
bus1
可被表示为
[0087][0088]
右侧内部总线的电磁干扰b
bus2
可被表达为
[0089][0090]
那么，内部总线的电磁干扰b
bus
可被表达为
[0091]bbus
＝b
bus1
b
bus2
ꢀꢀꢀ
(15)
[0092]
步骤3.3：建立外部总线的电磁干扰机理模型。
[0093]
如图4所示，外部总线的电磁干扰b
ob
可被表达为
[0094][0095]
其中，为每段外部总线所在直线到外部磁传感器所在位置的距离，和是外部磁传感器到每段外部电流两端的方位角。b为外部总线电磁干扰的方向指数，当电流产生的电磁干扰指向光伏组件背面时，即对于上方外部总线内电流产生的电磁干扰，b＝0；当电流产生的电磁干扰指向光伏组件正面时，即对于下方外部总线内电流产生的电磁干扰，b＝1。
[0096]
步骤3.4：建立光伏组件的总的电磁干扰机理模型。
[0097]
光伏组件的总的电磁干扰b
pv
可被表达为
[0098]bpv
＝bw b
bus
b
ob
ꢀꢀꢀ
(17)
[0099]
步骤3.5：通过实验实测，验证所建立的光伏组件的电磁干扰机理模型。
[0100]
实验实测需要的测试设备包括磁强计和数据采集设备、电子负载、被测光伏组件。各设备连接方式如图5所示，其中，电子负载和被测光伏组件串联。为降低导线电磁干扰的影响，所有的导线双绞以实现导线电磁干扰最大程度的自抵消。在光照条件下，由电子负载从0a 到3a以0.2a为梯度逐步加载电流，由磁强计测量其所在位置的电磁干扰强度，并由电脑端的数据采集软件记录磁强计测得的数据。计算光伏组件机理模型的电磁干扰仿真数据。i
pv
由 0a开始以0.2a梯次加载到3a，存储光伏组件机理模型的电磁干扰仿真数据。对比实测数据和机理模型数据，依据实测数据调整机理模型，将光伏组件及环境的各类干扰因素考虑在内，获得真实电磁干扰机理模型
[0101][0102]
其中，k为模型调整系数。
[0103]
根据实测数据和机理模型数据对比，如图6所示，模型调整系数k＝1，说明本实施例中建立的光伏组件机理模型与实测数据吻合程度较高，验证了本实施例中建立的光伏组件机理模型的有效性。
[0104]
步骤4：根据步骤3获得的电磁干扰的光伏组件的电磁干扰机理模型，定量预测光伏组件对外产生的电磁干扰效果，根据定量预测的电磁干扰效果，抑制电磁干扰，解决电磁干扰抑制相关工程技术问题。
[0105]
从本实施例的分析结果可以看出，本实施例提出的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法能够有效建立光伏组件在外部磁传感器处产生的电磁干扰模型，机理模型与实验实测数据吻合。在获取光伏组件尺寸及其与外部磁传感器相对位置关系后，仅通过测量光伏组件总线的电流，即可定量描述光伏组件对外部传感器的电磁干扰。
[0106]
根据本实例公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，可以仅通过测量光伏组件尺寸、总线电流及其与外部磁传感器相对位置关系实现光伏组件在外部磁传感器处产生的电磁干扰的定量描述，具有较高的应用价值。此外，根据本实例公开的一种基于毕萨定律的光伏组件电磁干扰机理建模方法，可以毕萨定律和右手螺旋定则确定光伏组件对外部磁传感器的电磁干扰的方向，应用规则简单，符合降低光伏组件电磁干扰的应用需求，对应用人员友好，易于工程实现，具有广泛的应用前景。
[0107]
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。