[01222480]阴影条件下光伏阵列输出特性快速拟合方法

一、任务来源 河南理工大学自筹经费科研项目： “阴影条件下光伏系统建模与控制方法研究” 二、应用领域和技术原理 应用领域： 太阳能光伏发电系统。 技术原理： 在利用太阳能发电的同时,有些问题就不得不考虑了。光伏电池具有强烈的非线性,对周围环境因素很敏感,光照强度、电池表面温度等环境条件发生改变时,其输出功率也会随之改变。户用型光伏系统的光伏阵列一般安装在屋顶或其他建筑结构上,由于建筑周围存在树木、电线杆、烟囱等遮挡物,随着季节、时间的变化这些障碍物可能在光伏阵列上产生阴影遮挡现象。局部遮阴或光强分布不均匀的现象在各种光伏发电系统中普遍存在,遮阴造成的阵列失配问题以及热斑现象不仅会引起光伏发电系统的安全和可靠性问题,而且会使光伏发电系统的功率输出P-V特性曲线发生改变,具体来讲就是使P-V特性曲线上出现多个功率极值点。本课题所要展开的工作就是针对局部阴影遮挡条件下光伏系统的建模及稳定性开展较为系统的研究,具有重要的理论和现实意义。项目的主要技术为： 1. 运动学平抛建模方法 由光伏电池输出特性原理可知：光伏电池可描述为一种非线性的直流源,在最大功率点以前近似为恒流源,在最大功率点之后近似为恒压源。光伏电池I-V特性曲线和质点平抛运动轨迹在一定程度上有极大的相似性,基于此本文提出一种运动学模型。把 I-V 特性曲线和质点平抛运动轨迹建立在同一坐标系中,并通过横坐标将其分为三段,每段各处于不同的重力场下,将质点从短路电流点（0,Isc）平抛出去,可以推导出和实际 I-V特性非常相近的曲线。 局部阴影条件下,光伏阵列的I-V特性呈现阶梯状、P-V特性存在多峰值以及输出曲线特性较复杂,现有的常规电池模型不再适用,为阴影条件下光伏阵列输出特性的建模带来较大难度。因此需要建立适用于阴影条件下光伏阵列的数学模型。工程用模型是在早期的光伏电池电路模型的基础上进行简化得到的,该模型仅需要太阳能电池供应商提供的四个重要计算参数就能够在一定精度下复现太阳能电池的特性,得到广泛的应用,但是它的电路模型是在指数和对数的基础上构建的,即使在实际中对它进行泰勒展开,工作计算量仍然很大,难以满足运算器的需求。 采用运动学平抛模型能应对比较简单的局部阴影,对于局部阴影很复杂的情况也难以适应,当出现3种不同类型的阴影时就会出现18种不同的情况,因此求解很困难,难以适应局部阴影条件下光伏阵列的快速建模。 2. 电流排序建模方法 分析阴影条件下光伏阵列I-U输出曲线发现,曲线的走势和特殊点电流的大小及电流大小的排序有很大的关系。在使用本文提出的方法对整个阵列建模时,首先得对所有的特殊点电流进行排序,故称之为电流排序法。使用电流排序法可以很好地解决上述运动学平抛模型建模方法中遇到的问题。 （1）采用电流排序建模方法定义域区间的端点都是特殊电流点,很容易通过统一的表达式得到,计算量减少很多。 （2）采用电流排序建模方法,即使是多种光照组合,只需要根据电流排序法,排列出所有特殊点电流大小,就能够很好地划分出定义域子区间,求解函数表达式也迎刃而解,因此大大减少了工作量。 3. 阴影条件下基于电流排序法的最大功率预测 使用电流排序法可以很快很方便建立起阴影条件下的光伏阵列的数学模型,进而得到局部阴影条件下的光伏阵列的最大功率,此功率称之为预测最大功率,此工作点称之为预测最大功率点,在实际光伏发电系统中,让对应的光伏阵列工作在预测最大功率点,经过简单的扰动就能够得到实际的最大功率点。