摘 要

在化石能源不断消耗而日益短缺的今天，可再生能源发电已成为解决能源危机的主要途径。其中，光伏发电以其独特的优势在电力市场中扮演着日益重要的角色。光伏电池在光伏发电系统中是实现能量转化的基本单位。在其研究、生产与应用中需要提取光伏电池的各种参数。

光伏电池模型参数识别是一个非线性优化问题，由于它具有多个局部极值，传统的数学方法几乎无法解决。而启发式优化算法却能提取到精确度更高的光伏电池模型的各种参数，进而能够更好地刻画其电气特性。本文使用matlab软件基于差分进化算法对光伏电池的单二极管模型与双二极管模型进行参数提取。仿真结果表明差分进化算法在光伏电池模型参数提取问题中具有良好的效果，而且具有收敛速度快、求解精度高等特性。

关键词:光伏发电；光伏电池；差分进化算法；matlab

Abstract

With the fossil energy consumed consistently,renewable energy power generation has been the crucial approach of the solution of energy cricis.For instance,photovolatic power generation has played more and more important role due to its unique advantages.Photovoltaic cell is the basic unit of collecting luminous energy and converting power in the photovolatic system.In the process of studying,providing and using,it is necessary to extract all kinds of parameters of photovolatic cell.

The extraction of parameters of solar cell model is a nolinear optimization problem which has sereval local extremums and it is difficult for traditional optimization technique to extract the parameters accurately.However,heuristic algorithm is able to extract accurate parameters of solar cell model with less time and higher possibility to describe its electric property more accurately.In this paper,differental evolutin technique is used for extracting the parameters of single diode and double diode of solar cell model with matlab.Experimental result and simulation indicate that for the extraction of parameters of solar cell model,differental evolution technique is an alternative and effective method,which has better global searching ablitiy and high speed of convergence.

Key words:photovolatic power generation;solar cell;differental evolution technique,matlab

目 录

摘要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1光伏发电概述 1

1.1.1光伏发电的重要意义 1

1.1.2光伏发电的特点 1

1.1.3光伏发电发展状况 2

1.1.4光伏发电系统部件 3

1.1.5光伏系统的分类 5

1.2光伏电池概述 6

1.2.1光伏电池的基本结构 6

1.2.2光伏电池的工作原理 7

1.2.3光伏电池的分类 7

1.2.4光伏电池输出特性 8

1.2.5光伏电池主要性能指标 8

1.3智能算法 9

1.3.1智能算法简介 9

1.3.2智能算法分类 9

1.3.3智能算法特点 10

第2章 光伏电池数学模型 11

2.1简介 11

2.2单二极管模型 11

2.3双二极管模型 11

2.4小结 12

第3章 差分进化算法 13

3.1差分进化算法基本原理 13

3.2差分进化算法具体步骤 13

3.2.1初始化种群 13

3.2.2变异 13

3.2.3交叉 14

3.2.4选择 14

3.3小结 14

第4章 基于差分进化算法的光伏电池参数提取 16

4.1程序设计思想 16

4.2程序基本结构 16

4.2.1主程序 17

4.2.2变异函数子程序 18

4.2.3交叉函数子程序 19

4.2.4测试函数子程序 20

4.3仿真结果 21

4.3.1单二极管模型 21

4.3.2双二极管模型 22

4.4小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1结论 23

5.2展望 23

参考文献 24

致谢 25

附录A实验数据 26

附录B程序清单 27

附B1主程序 27

附B2变异函数子程序 28

附B3交叉函数子程序 28

附B4测试函数子程序 29

第1章 绪论

1.1光伏发电概述

1.1.1光伏发电的重要意义

伴随世界人口数量的不断增长与经济的快速发展，人类越来越依赖能源，能源的消费量与日俱增，而在目前的能源消费结构中，煤炭，石油，天然气等化石燃料依然占据主导地位。

能源需求量不断增长给我们赖以生存的地球造成了非常严重的能源危机，地球的化石能源储藏量是相当有限。根据《世界能源统计年鉴2016》的初步调查统计显示，全球石油探明储量只能够满足大约半个世纪的消耗，天然气的情况同样不容乐观，只有煤炭储量比较可观，但也只能满足人类大约一个世纪的消耗。因此，总体来看，如果人类不采取相应的措施，各种化石能源在不久后就会被消耗殆尽，人类面临着严重的能源危机[^[1]]。

为了妥善解决化石能源严重短缺的问题，人类必须要调整目前的能源消费结构，向以太阳能为代表的可再生清洁能源转型，必须坚持走能源可持续发展道路，只有这样人类才能逐渐摆脱目前面临的能源危机。

更为严重的是由于人类过度依赖化石燃料，使二氧化碳等温室气体过度排放，导致全球气候异常，“厄尔尼诺现象”和“拉尼娜现象”在近几年来频频出现，造成了非常恶劣的影响。南极的冰山融化，海平面上升，导致西欧部分海拔较低的国家如荷兰等面临着被海洋吞噬的危险。沙漠化日益严重等现象的出现，各种自然灾害频繁发生。这一系列惨痛的教训让人们逐渐开始反思：必须降低二氧化碳排放量，治理环境，防止污染，牢记“绿水青山就是金山银山”，保护人类赖以生存的家园，已经成为眼下最重要的任务。太阳能作为一种清洁无污染的新能源，利用太阳能进行能量转化的光伏发电不会产生任何污染，因此，大力推广光伏发电对减少环境污染，防止全球气候进一步变暖产生积极影响。

1.1.2光伏发电的特点

(1)太阳能取之不尽，用之不竭。

(2)太阳能随处可得，能够满足就近供电的要求，不必架设长距离输电导线，降低成本，同时可避免长距离输电的线路损耗。

(3)光伏发电不需要使用燃料，运行成本相对较低。

(4)光伏发电不需安装运动部件，因而不易损坏，维护简单，使用寿命长，能够满足无人值守的条件，适合在人烟稀少的地区使用。

(5)光伏发电不产生任何污染，无噪声等公害，对环境无不良影响，是非常理想的清洁能源。

(6)光伏发电系统建设周期短，能够根据负荷的实际情况，灵活地添加或减少光伏方阵容量，有效减少浪费。

(7)地面应用具有间歇性和不确定性，发电量受气候条件的制约，在夜间或阴雨天光照强度不足时无法正常供电。若负载需连续不间断供电，必须配备相应储能设备或装置。

(8)能量密度相对其他发电方式较低。

(9)目前由于技术尚未完全成熟，运行成本仍较高，无法大规模上网运行，一次性建设投资大[2]。

1.1.3光伏发电发展状况

近年来，全世界光伏发电总装机容量一直保持平稳快速增长。全世界1994年的光伏安装总量仅有502MW，1999年猛增至1150MW，2008年达到16GW，2012年接近100GW，2015年达到历史最高峰220GW。随着光伏电池制造成本的不断降低，光伏发电在一些地区已经逐渐接近或达到平价上网水平，可以预期光伏安装总量还将快速增长，业界预计，2020年底全球累计安装容量可达到600GW。以安装容量而言，太阳能是仅次于水能和风能，排名第3位的可再生能源[3]。

我国于上个世纪五十年代开始进行光伏电池的研发工作，七十年代第一次将光伏电池安装在东方红二号人造卫星，并获得了巨大成功。随着光伏电池技术的成熟与发展，在地面上开始使用光伏电源，主要包括天津港使用航标灯电源等。即便如此，国内光伏电池的产量依然相对较低，发电量有限。价格过高和产量有限限制了光伏电池产业的进一步发展，只能在一些小型电源系统中供电，且功率普遍较低。

与此同时，一批光伏电池生产企业在我国如雨后春笋般落地生根，但技术水平有限且规模普遍较小。上个世纪八十年代，我国开始大力发展光伏电池产业，先后引进了多条光伏电池生产线，不仅提高了产品质量，而且光伏发电年产量猛增到4.5MW，销售价格也开始大幅度降低，但实际产量只有几百千瓦[4]。

进入21世纪后，由于国际环境的影响与政府的政策支持，尤其是为配合西部大开发战略，我国在2002年启动了送电到乡工程后，在西部地区投入了大量资金，在云南、贵州、广西、四川、宁夏、重庆等12个省市区的一千多个偏远乡镇，兴建了多座大型光伏电站，很大程度上解决了这些地区长期以来用电困难问题。其中投资十六亿元建成光伏和风力互补电站15.5MW。2002年我国光伏电池产量还只有6MW，2003年猛增至12MW，此后一直保持大幅度增长。送电到乡工程的实施对国内光伏产业产生了巨大的推动作用，同时也促进了我国光伏电池生产企业等快速发展，对我国光伏产业的人才培养和能力建设具有重要而深远的意义。光伏发电在我国开始迅猛发展。近年来中国在光伏产业领域在世界上占有越来越重要的地位。2013年-2015年，中国在光伏安装总量上连续三年跃居全球首位。中国近年来在光伏产业领域取得了举世瞩目的成就，同时也昭示着光伏产业在中国具有广阔的发展前景，光伏产业的明天必然会更加美好 [5]。

1.1.4光伏发电系统部件

光伏发电系统是将光伏阵列将由太阳能转化而来的电能输送到负载端进行供电的系统，由于涉及到电能的储存，转换等功能，要想使其能够正常工作，就必须让各种装置和设备紧密配合，其中光伏组件是光伏发电系统中最核心的部件，除此之外还包括二极管、储能设备、控制器、逆变器等。

一般情况下单独一块光伏组件，无法提供负载所需的电压或功率，为此需要将若干光伏组件通过适当的串并联组成光伏方阵，才能正常为负载供电。光伏方阵，也叫光伏阵列，是由若干块光伏电池组件通过机械和电气上按照一定顺序连接后组装在一起，并且有固定的支撑结构，这种由光伏组件构成的直流发电单元叫做光伏方阵。通常把方阵中结构和连接方式相同的光伏组件称为子方阵。光伏组件的串，并联方式需要根据系统的实际情况来确定。目前光伏方阵的连接方式比较常见的是先串联再并联。即当单串光伏组件功率无法达到系统要求时，将多串光伏组件并联后给负载供电。为保证各串光伏组件电压一致，需要尽量使各串光伏组件的串联数相等，从而达到减少由并联失配而引起的功率损耗的目的[6]。

二极管在光伏方阵中占有极其重要的地位，是不可缺少的元件，常用的二极管主要包括两类。分别为旁路二极管和阻塞二极管。其中阻塞二极管通常串联在光伏方阵和逆变器或储能蓄电池之间，在夜间或阴雨天，由于没有充足的光照，光伏电池无法再为负载供电。此时光伏电池不再作为电源，其作用相当于一个具有PN结的二极管，当光伏方阵的工作电压低于其供电的直流母线电压时，蓄电池或逆变器会反过来向光伏方阵回馈电能，因此会引起能量损耗并导致方阵温度上升，严重时影响组件寿命。综上所述，阻塞二极管串联电路中起单向导通的作用。由于阻塞二极管本身存在导通管压降，所以它要消耗一定的功率。目前应用比较广泛的小容量硅整流二极管，其管压降大约为0.6~0.8V；而大容量硅整流二极管的管压降可达1~2V。当系统的母线电压较低时，可以考虑用肖特基二极管，其管压降相对较小，一般为0.2~0.3V，但肖特基二极管存在致命的弱点，就是其耐压和电流容量都比较小，无法在大容量场合使用，这点选用时要加以注意。当若干光伏组件进行串联后组成成光伏方阵时，在每个光伏组件两端都需并联一个或多个旁路二极管。这样当其中某个光伏组件无法正常工作而停止发电时，电流将流过旁路二极管，不会因此形成短路，从而不至于影响其他组件的正常工作，同时也可以保护出现故障的光伏组件避免承受过高正向压降或由于热斑效应引起局部过热而损坏。这类并联在组件两端的二极管称为旁路二极管。旁路二极管通常使用的是肖特基二极管，需要特别注意的是在选用时应考虑留有一定裕量，以防止击穿损坏。通常其耐压容量应能够达到所并联组件的最大开路电压的两倍，电流容量也要达到预期最大运行电流的两倍[7]。

光伏发电只有在光照充足的条件下才能正常工作，在阴雨天或晚上由于光照强度不足或没有光照无法正常工作。不仅如此，光伏发电系统功率大小取决于光照强度，正午时发出的功率最大，其他时段均相对较小，这就意味着光伏系统发电功率与负载端需求功率在一天之中的变化规律不一致。因此，对于光伏发电系统而言，为了充分利用电能避免浪费，同时保证用户端供电质量，必须要配备相应的储能装置，将多余的电能储存起来，在用电高峰时为负载供电。对于并网发电系统而言，如果要保证电网供电稳定不能中断，也应配备相应的储能装置。从长远来看，要想使光伏发电真正成为稳定可靠的电源，就一定要解决其供电受自然条件与外部环境制约的问题，因此，研发性能优良的储能装置成为解决问题的重要途径。目前，在光伏发电系统中应用最广泛的储能装置是蓄电池。蓄电池工作时交替处于充电和放电状态。具体说来，当日照条件充足且负载用电量较小时，光伏方阵为蓄电池充电，将多余电能存储到蓄电池中；当阴雨天或夜间光照强度不足时，蓄电池开始放电，将储存的电能向负载供电。蓄电池的这种工作模式使其必须具备良好的性能，主要包括使用寿命长，自放电尽可能小，耐过充电放电，对环境温度变化不敏感等，充放电效率高等。除此之外，还要考虑成本低廉，维护简单，使用方便等方面。目前应用相对比较广泛的蓄电池主要包括两类，分别为锂电池和铅酸蓄电池。

光伏发电系统由于其工作过程复杂，需要频繁进行充放电以及电能储存和变换等因素，为了能够让系统运行可靠平稳，需要配备控制器来对系统进行调度和协调。目前，控制器的种类繁多，不同控制器的功能与作用相差甚远。具体应该选用哪种型号的控制器主要取决于光伏发电系统的类型与特点。控制器主要包括电子元件，仪器仪表，继电器，机械开关等部件。对并网光伏系统而言，通常将控制器与逆变器二者合二为一，这时控制器的功能在一定程度上与逆变器的功能有所重叠。对离网光伏发电系统而言，控制器的主要功能是调节和控制整个系统的运行情况与状态，保证各个部分平稳有序运行，避免出现故障。在蓄电池充电过程中，要求控制器为其提供合适的充电电流与电压，在保证不损坏蓄电池的基础上，稳定可靠安全快速地完成整个充电过程，尽可能减少损耗，并且有延长蓄电池的使用寿命。如果是直流负载，控制器还具有稳压功能，能够对负载输出大小恒定的直流电。控制器大体上可以分为三种类型，分别是并联型脉冲宽度调制控制器，串联型PWM控制器，最大功率跟踪型控制器。控制器的主要功能包括蓄电池充、放电管理，设备保护，光伏系统工作状态显示，光伏发电系统数据存储，光伏系统故障处理，光伏系统遥测、遥控、遥信等。控制器的主要技术指标包括静态电流，回路压降，耐振动性，耐冲击电压，耐冲击电流等。

光伏发电系统发出的都是直流电，而电网中的电都是交流电。因此要想将光伏方阵输出的直流电能并入电网，就必须安装逆变器，将直流电能转换为满足电网要求的交流电能。因此，逆变器是光伏发电系统中电能转换的核心设备，是光伏方阵和电网之间的桥梁。通常要求光伏并网逆变器具备以下功能：一是高效地将直流电转换为交流电，包括最大功率点跟踪控制和逆变功能。二是将光伏系统输出的电能妥善地回馈电网，要求并网电流谐波低，电能质量高，且能适应电网电压幅值，频率等在一定范围内变化；此外逆变器还需要具有支撑电网稳定性的能力，如满足电网故障穿越能力和实时动态响应电网有功、无功调度，结合储能实验虚拟同步发电机功能等。三是具有对光伏发电系统的各种保护功能，如孤岛保护、绝缘监测和电位诱发衰减防护等。目前，光伏并网逆变器有多种分类方法，其中根据功率大小，可以大致分为以下三类，分别是微型逆变器，集中逆变器和组串逆变器。其中，微型逆变器功率通常较小，一般只有数百瓦左右，由于功率较小，故只能应用在小型光伏发电系统中。单独一块光伏组件一般即可配备一台相应功率的微型逆变器。微型逆变器除了能够进行电能变换外，还具备最大功率跟踪等功能。微型逆变器具有很多突出的优点，比如体积小，质量轻，易于安装，安全性强，工作可靠；同时，它也存在一些致命的缺点，比如运行成本高，无法应用在大功率光伏发电系统等。相比微型逆变器，组串逆变器的功率大大提高，多为几十千瓦到一百千瓦之间不等。系统通常釆用DC-DC-AC两级拓扑结构。组串逆变器可以在很大程度上克服微型逆变器的缺点，同时具有最大功率跟踪功能，应用非常广泛，在中小型分布式光伏电站中随处可见。相比微型逆变器和组串逆变器，集中逆变器的功率非常大，多为几百千瓦到几兆瓦之间不等，系统多采用DC-AC一级拓扑结构，其中IGBT是最常用的开关器件。集中逆变器主要应用于大功率场合，同时具有最大功率跟踪功能，在大型光伏电站中应用较广泛。并网光伏发电系统的运行对逆变器提出了较高的技术要求。主要包括逆变器输出能够满足电能质量要求，逆变器在辐照和温度等因素变化幅度较大的情况下均可高效运行，能够使光伏方阵工作在最大功率点，具备良好的并网性能，适应各种复杂的电网环境，具备一定的无功输出能力，支撑电网稳定运行，快速响应电网有功、无功调度，具备与储能其他能源构成多能互补系统，具有功率密度高、环境适应性强、可靠高等特点，在各种恶劣环境下均可稳定运行[7]。

1.1.5光伏系统的分类

光伏发电系统主要可以分为微型系统、离网光伏系统、分布式并网系统、集中式并网系统和混和系统5种类型。

微型光伏系统在近几年发展非常迅猛，研发出高效率光源和光伏组件。一些小型光伏组件虽然功率很小，但应用在某些特殊场合可以满足供电需求。除此之外，这种微型光伏系统还研发了许多新型产品，如太阳能便携灯，草坪灯，太阳能交通警示灯，太阳能道钉，太阳能充电器等，引起了人们的广泛关注。

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