任意条件下光伏阵列的输出性能预测

摘要

由于太阳电池的特殊性质，光伏发电系统的研究如果采用真实的光伏阵列，会产生实验成本高、需要大量空旷场地和对光照、自然气候依赖性强等一系列的问题。若能够准确预测太阳电池在不同光照和温度下的输出特性，以及当太阳电池串、并联构成光伏阵列后新的输出特性，并由此分析其最大的输出功率，就能够节约大量实验成本。 首先，提出了一种快速、精确的太阳电池(组件)模型参数的确定方法：基于太阳电池(组件)一般电流模型，通过对电流方程的一阶求导和在短路点处的合理简化，经过数学变换将超越方程转换为代数方程，结合电流方程在最大功率点处的极值表述，构造出一个封闭的代数方程组，可以较为准确地求解出五个参数值，再用非线性拟合的方法对解析解进行优化，从而一方面提高了太阳电池(组件)一般电流方程模型参数的求解精度，另一方面也大大提高了解的稳定性。 其次，预测太阳电池(组件)的性能：太阳电池(组件)的制造厂商仅提供标准测试条件下的一条Ⅰ-Ⅴ曲线，而实际使用时组件的工作状态通常并不在测试条件上，因此预测组件在各种工况下的输出特性就十分必要。本文第三章提出仅依靠一条标准测试条件下组件的Ⅰ-Ⅴ特性曲线就可准确预测组件在不同工况下输出特性的方法。该方法先由一条标准测试条件下的Ⅰ-Ⅴ曲线提取出太阳电池模型参数，再结合模型参数随光照和温度的变化关系式，给出了不同光照和温度下组件性能特性的预测；并对模型参数就最大输出功率的影响做出了一些有意义的探讨：指出了标准测试条件下光生电流和二极管影响因子对组件P-T特性和P-S特性有着较大的影响，且均是值越大输出的最大功率越大：对太阳电池串、并联原则提出了有益的补充，在串联时各单体太阳电池除最大功率点电流相等外，最好各电池在标准测试条件下光生电流也相等；并联时除最大功率点电压相等外，最好各电池在标准测试条件下二极管影响因子也相等。 在分析光伏阵列输出特性时，由于在串联连接时需要单独地研究电压，并联连接时需要单独地分析电流，而Ⅰ-Ⅴ方程的隐式表述无法将电流和电压分开，因而给分析组件串、并联连接特性带来了困难。运用Lambert W函数得到电流和电压方程的显式表述，分别给出了各组件模型参数相等和不等时光伏阵列的模型参数与构成阵列的组件模型参数之间的关系，从而可以对阵列的输出特性进行预测：对于安装了旁路二极管和隔离二极管的光伏阵列，运用分段函数的理论给出了预测其输出特性的方程，论证了光照不均和温度不均对阵列输出特性的影响： 指出了光照不均匀对串联支路影响很大，对并联支路则影响不大；而温度不均匀对串联支路影响不大，但对并联支路则影响较大。针对Matlab仿真环境，以太阳电池五参数模型为基础，结合模型参数随光照和温度的变化关系式，现代电力电子技术，建立了光伏阵列模拟器的仿真模型。该模型完全模拟了太阳电池主电路结构，可分别对任意环境温度、太阳辐射强度下光伏阵列和带有二极管的光伏阵列的输出特性进行仿真实验，其结果对建立可以完全模拟任意工况下光伏阵列输出特性曲线的仿真模型具有很大的理论指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1太阳电池的发展历史及分类

1.1.1太阳电池的发展历史

1.1.2太阳电池的分类

1.2太阳电池数学物理模型的建立

1.2.1理想太阳电池I-V方程

1.2.2实际太阳电池I-V方程

1.3光伏阵列的研究及其现状

1.3.1光伏发电系统的研究

1.3.2光伏阵列的研究及其现状

1.4本文的主要工作

第二章太阳电池一般电流模型参数的精确解

2.1 前言

2.2太阳电池一般电流模型参数的解析解

2.2.1提取模型参数的理论分析

2.2.2实验验证

2.3太阳电池一般电流模型参数解的优化

2.3.1误差修正

2.3.2解的稳定性分析

2.3.3非线性拟合模型参数

2.4本章小结

第三章任意条件下太阳电池性能的预测

3.1 前言

3.2太阳电池模型参数随光照和温度的变化关系

3.3太阳电池组件输出特性的预测

3.3.1太阳电池组件模型参数的提取

3.3.2 Lambert W函数

3.3.3正常工况下太阳电池组件输出性能的预测

3.3.4极值工况下太阳电池组件输出性能的预测

3.4模型参数对最大输出功率的影响

3.5本章小结

第四章光伏阵列输出性能分析

4.1前言

4.2相同模型参数的光伏阵列输出性能分析

4.2.1串联支路模型参数的确定

4.2.2并联支路模型参数的确定

4.2.3模拟实验验证

4.3不同模型参数的光伏阵列输出性能分析

4.3.1串联支路模型参数的确定

4.3.2并联支路模型参数的确定

4.3.3模拟实验验证

4.4带有旁路二极管与隔离二极管的光伏阵列输出性能分析

4.4.1二极管在光伏阵列中的应用

4.4.2带有二极管的串联支路输出性能分析

4.4.3安装隔离二极管的并联支路输出性能分析

4.4.4温度对带有二极管的光伏阵列输出性能的影响

4.5本章小结

第五章光伏阵列仿真模型的建立

5.1前言

5.2相同模型参数的光伏阵列的仿真

5.2.1 Matlab仿真软件综述

5.2.2相同模型参数的光伏阵列建模与仿真

5.3不同模型参数的光伏阵列的仿真

5.4带有二极管的光伏阵列的仿真

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1创新点与结论

6.1.1创新点

6.1.2结论

6.2展望

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢