基于室外测量数据的光伏组件输出特性及其数学模型的研究

摘要

在能源危机和环境污染的双重压力下，光伏发电越来越受到世界各国的重视。光伏组件是光伏发电系统的重要组成部分，其IV输出特性决定了发电系统的实际工作状态。由于光伏组件的物理模型较为复杂，且实验环境复杂多变，对其输出特性的研究经常采用仿真实验的模式。以往的仿真建模往往以厂家提供的标准条件下的实验数据为基础。但在实际建模过程中发现，厂家提供的数据由于各方面的原因并不适用于仿真建模的需要。在此前提下，本文基于室外实测数据完成了光伏组件IV输出特性的仿真建模。
　　首先，论述了室外实测实验的意义，详细介绍了实验的装置，设计以及具体的实验步骤。测量了一定光照强度和温度条件下，光伏组件的开路电压值，短路电流值，最大功率点的电压值，电流值。利用性能参数与外界环境的关系，根据厂家提供的标准条件下的实验数据，计算求得上述性能参数值。通过对比室外实测数据与计算所得数据，发现二者差距较大，证明了进行室外实测实验的必要性。
　　其次，介绍了光伏电池数学模型的研究现状，分析了目前国内外常用数学模型的优缺点。分别采用厂家数据和实测数据，使用MATLAB计算非线性方程组的方式求取五参数模型和四参数模型的模型参数。结果表明上述两种模型计算过程比较复杂迭代次数较多，并证明了厂家数据在仿真建模中存在问题。将根据室外实测数据模型参数得到的仿真结果以最大功率点为分界点进行偏差分析，结果表明两种模型均可满足工程应用的要求。根据模型参数与温度、光照强度的关系，预测了不同光照强度和温度下光伏组件的输出特性曲线。通过与实测数据对比关键数据点的数值证明预测曲线可满足工程应用的要求。
　　最后，对迭代次数较少的形状参数模型进行了研究。详细描述了形状参数模型的建模过程，分析了两个形状参数对IV输出特性曲线的影响，在形状参数模型的基础上建立了归一化的输出特性曲线。根据形状参数，求得一组光伏组件的物理参数建立五参数模型。通过与原五参数模型的仿真结果进行对比，得出新的模型在接近短路电流点的部分偏差更小的结果。通过对多种模型的对比分析，得出以下结论:五参数法建模过程严谨，与光伏组件的物理参数联系紧密，但建模过程较复杂，容易产生计算误差。形状参数法建模迭代次数较少，形状参数计算较为精确，但模型本身过于简单，影响了模型的精确度。二者结合后，并联电阻的仿真结果精确度得到了提高，因此模型在最大功率点左侧的精确度有所提高。但由于建模过程中对理想因子采用了较多的近似计算，因此降低了理想因子的精确度。进而降低了模型在最大功率点右侧的精确度。