摘要：

开发利用太阳能等可再生能源是解决环境污染与能源供给问题、实现社会可持续发展的根本途径。分布式光伏发电技术作为开发利用太阳能资源的有效方式,近年来获得了快速的发展。但是分布式光伏系统极易受到局部遮挡、积尘覆盖及电池老化等因素的影响,导致光伏阵列出现输出特性不一致的失配问题。失配问题不仅会严重影响分布式光伏系统的发电效率,同时失配问题引起的热斑效应现象还会降低光伏系统的可靠性和安全性。当前分布式光伏系统的失配问题分析与优化控制研究已经成为光伏发电技术的热点研究方向之一。围绕分布式光伏系统的失配分析与优化控制问题,目前已有部分文献针对失配特性分析与阵列优化设计、全局最大功率点跟踪方法、以及组件级分布式优化控制方法等具体内容展开了研究。但是从研究现状来看,系统研究光伏系统失配分析与优化控制的文献还较为少见,各方向的研究都有待进一步深入与完善。为此,本文以"阴影条件下光伏系统的失配分析与优化控制研究"为题,对光伏系统的失配问题展开系统性研究。主要研究内容和成果如下:(1)为了提高系统分析的准确性,针对光伏电池物理模型参数Rs、A、I0难以显式求解问题,论文基于对输出特性参数与物理模型参数相关性的分析,建立了物理模型参数Rs、A、I0的显式求解方法；针对现有工程模型建模误差较大、同时在最大功率点处dP/dU≠0的问题,论文通过改进工程模型建模参数的计算与选择方法,给出了改进的工程数学模型。此外,针对光伏阵列现有小信号模型未能反映电池内阻压控特性的问题,论文给出了一个改进的光伏阵列小信号模型。(2)分析光伏阵列的失配特性是改进系统控制方法的前提与基础。为了分析多峰值现象,论文以光伏电池串(子组件)为基本单元建立了失配输出特性的分段模型,基于仿真及测试结果,给出了最右侧极值点是否是全局最大功率点的判断规则；基于对失配条件下光伏组件功率损耗的分析,论文建立了以光伏电池温升模型为基础的热斑效应数学模型,并对模型参数进行了实验测试。从提高失配条件下光伏组件的输出功率出发,研究了旁路二极管的配置优化方法,提出了一种层叠式旁路二极管配置方式。(3)为了提高多峰值情形下MPPT算法的跟踪效率,论文在综合分析现有全局MPPT方法优缺点的基础上,利用功率闭环控制在多峰值曲线上的条件稳定特性,提出了一种基于电压和功率双闭环的多峰值全局MPPT方法。然后,通过仿真验证了该方法的有效性。该MPPT方法的主要改进和创新在于将功率闭环控制引入到MPPT方法的全局快速扫描过程,形成了改进的快速全局扫描策略。此外还包括基于稳态功率和电压累计变化量的动态环境判断方法、基于功率闭环控制的动态重启策略、以及针对PO方法动态误判和工作点扰动问题提出的改进措施。(4)为了进一步提高失配条件下光伏系统的发电效率,论文对光伏系统的分布式优化控制技术进行了研究。论文首先对比分析了基于全功率变换的分布式MPPT技术和基于功率差值变换的功率均衡优化技术。以等效变换功率为指标,对比分析了三种不同功率差值变换拓扑的优缺点。针对功率差值变换优化控制的实现方法以及系统级联工作稳定性的分析问题,论文结合"削峰填谷"拓扑结构,给出了基于反并联正激电路的均衡优化器实现方法,同时基于"Middlebrook阻抗比判据"分析了系统级联工作的稳定性。最后,通过仿真方法验证并定量分析了失配条件下"削峰填谷"均衡优化方法对光伏系统发电效率的提升作用。(5)对失配问题的优化控制方法进行了实验测试。结合全局MPPT算法实现过程的特殊性,论文讨论了系统控制环节和主电路的优化设计；为了测试全局MPPT方法在不同失配情形下的可行性和有效性,论文在屋顶光伏电站以及实验室1500W的测试平台上对全局MPPT方法进行了对比测试。为了测试"削峰填谷"均衡优化方法在效率提升上的实际性能,论文给出了均衡优化器的具体设计和实现,然后在实验室搭建了一个500W的小型测试平台。最后,结合不同失配情形,对"削峰填谷"均衡优化方法的效率提升作用进行了实际测试和定量分析。

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