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不均匀光照下光伏系统的建模、仿真与智能控制策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源转型的大背景下，随着传统化石能源的日益枯竭以及环境问题的不断加剧，可再生能源的开发与利用成为了应对能源危机和环境挑战的关键举措。光伏发电作为一种清洁、可再生的能源利用方式，凭借其取之不尽、用之不竭的特点，在全球范围内得到了广泛关注和迅速发展。近年来，光伏发电技术取得了显著进步，光伏电池转换效率不断提高，光伏发电成本持续降低，使得光伏发电在能源市场中的竞争力日益增强。据国际能源署（IEA）的数据显示，过去十年间，全球光伏发电装机容量以年均超过20%的速度增长，2024年全球光伏发电累计装机容量已突破1.8太瓦，中国、美国、欧洲等国家和地区成为了光伏发电的主要市场。

然而，光伏发电系统的输出功率受到光照强度、温度等环境因素的显著影响，具有波动性和间歇性的特点，这给电力系统的稳定运行带来了诸多挑战。其中，不均匀光照是实际应用中常见且对光伏系统性能影响较大的一个因素。在现实场景中，由于云层遮挡、建筑物阴影、光伏阵列安装角度差异以及灰尘积累等原因，光伏系统的各个部分往往无法接收到均匀的光照，这种不均匀光照会导致光伏电池的输出特性发生变化，进而影响整个光伏系统的发电效率和稳定性。例如，当部分光伏电池被阴影遮挡时，其输出电流会大幅降低，而其他未被遮挡的电池仍保持较高的输出电流，这会使得光伏阵列内部出现电流失配现象，导致整个阵列的输出功率下降，甚至可能引发热斑效应，缩短光伏电池的使用寿命。

研究不均匀光照下光伏系统的建模仿真与控制具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论角度来看，深入研究不均匀光照对光伏系统的影响机制，建立准确的数学模型和仿真模型，有助于揭示光伏系统在复杂环境下的运行规律，为进一步优化光伏系统的设计和控制策略提供坚实的理论基础。通过对不同光照条件下光伏电池和光伏阵列的输出特性进行分析，可以更好地理解光伏效应的物理过程，推动光伏发电理论的发展。从实际应用层面而言，提高光伏系统在不均匀光照下的发电效率和稳定性，能够有效降低光伏发电成本，提高太阳能资源的利用效率，增强光伏发电在能源市场中的竞争力。准确的建模仿真可以帮助工程师在设计阶段预测光伏系统在不同光照条件下的性能，优化光伏阵列的布局和配置，减少因光照不均匀导致的功率损失；而有效的控制策略则可以实时调整光伏系统的工作状态，使其始终保持在最大功率点附近运行，提高发电效率，同时还能避免热斑效应等问题的发生，延长光伏系统的使用寿命，为光伏发电的大规模应用和可持续发展提供有力保障。

1.2国内外研究现状

在不均匀光照下光伏系统建模方面，国内外学者开展了大量研究工作。国外研究起步较早，美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究团队通过对光伏电池物理特性的深入分析，建立了基于物理模型的光伏电池和光伏阵列模型，能够较为准确地描述光伏系统在不同光照条件下的输出特性，但该模型计算复杂，参数获取困难，在实际应用中受到一定限制。欧洲的一些研究机构，如德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（FraunhoferISE），提出了基于等效电路模型的建模方法，将光伏电池等效为电流源、二极管和电阻的组合，通过对电路参数的分析和计算来模拟光伏系统的运行状态，这种方法相对简单，易于实现，但在描述复杂光照条件下的光伏特性时存在一定误差。

国内在光伏系统建模领域也取得了显著进展。清华大学的科研团队在深入研究光伏电池内部物理过程的基础上，综合考虑光照强度、温度、光谱分布等因素对光伏电池性能的影响，建立了更为精确的数学模型，该模型在模拟不均匀光照下光伏系统的输出特性方面具有较高的准确性和可靠性，但模型参数的确定需要大量的实验数据和复杂的计算过程。上海交通大学的研究人员针对传统建模方法的不足，提出了基于人工智能技术的建模方法，利用神经网络对大量的光伏系统运行数据进行学习和训练，从而建立起能够准确反映光伏系统在不均匀光照下输出特性的模型，这种方法具有较强的自适应性和泛化能力，能够较好地应对复杂多变的光照条件，但模型的训练需要耗费大量的时间和计算资源，且模型的可解释性相对较差。

在光伏系统仿真方面，国外主要采用专业的仿真软件，如MATLAB/Simulink、PSCAD等。美国MathWorks公司开发的MATLAB/Simulink软件在光伏系统仿真领域应用广泛，其丰富的电力系统模块库和强大的仿真功能，使得研究人员能够方便地搭建各种复杂的光伏系统模型，并对其在不同光照条件下的运行特性进行仿真分析。加拿大曼尼托巴大学的研究团队利用PSCAD软件对大型光伏电站在不均匀光照下的暂态和稳态特性进行了深入研究，通过仿真结果分析，为光伏电站的设计和优化提供了重要的参考依据，但这些商业软件价格昂贵，且部分功能对于普通研究