太阳能光伏系统建模、仿真与优化

前言 近十年来，世界光伏产业出现了井喷式的发展态势。光伏发电的应用由早期边远农村、海岛、边防和特殊应用（如航天）向更为民用化的并网发电以及与建筑相结合的分布式供电方向发展。与此同时，光伏技术快速进步，伴随着产量的增加，光伏设备成本迅速下降，光伏发电开始逐渐从补充能源向替代能源过渡。 光伏发电系统的发电性能受天气、当地经纬度和海拔影响非常大，因此在项目建设之前对系统进行设计及动态模拟是十分必要的。

第1章 概论 1

1.1 光伏技术的基本原理 1

1.2 光伏技术的国内外发展历程 3

1.2.1 光伏技术的几个主要发展阶段 4

1.2.2 光伏技术在我国的发展 4

1.2.3 光伏技术未来的发展趋势 5

1.3 光伏发电系统 6

1.3.1 独立光伏发电系统 6

1.3.2 并网光伏发电系统 7

1.4 太阳能光伏发电系统仿真技术的发展 7

1.4.1 PVSS 8

1.4.2 Solcel 8

1.4.3 PVForm 8

1.4.4 PVSIM 9

1.4.5 PVDesignPro 9

1.4.6 Solar Advisor Model（SAM） 10

1.4.7 PVWatts 11

1.4.8 PVSYST 11

1.4.9 PV F-Chart 13

1.4.10 RetScreen光伏项目模型 13

1.4.11 PVSol 14

1.4.12 其他光伏仿真软件 16

参考文献 16

第2章 太阳能辐射 18

2.1 太阳的概况 18

2.1.1 太阳 18

2.1.2 和太阳相关的重要天文参数 21

2.2 天体运行规律及太阳与地球的关系 24

2.2.1 天球与天球坐标系 24

2.2.2 太阳角的计算 26

2.2.3 树木或者烟囱在屋顶组件表面产生阴影面积的计算方法 27

2.3 光伏组件倾斜面上太阳能辐照量的计算方法 31

2.3.1 辐照量计算重要的角度参数及进一步说明 31

2.3.2 大气层外的水平面太阳能辐照 32

2.3.3 晴朗指数系数 33

2.3.4 水平面逐时太阳能辐照量计算方法 33

2.3.5 光伏组件倾斜面逐时太阳能直射、散射和反射辐照量计算方法 34

2.3.6 组件任意朝向及倾斜角度逐时太阳能总辐照量的计算方法 35

2.3.7 光伏组件倾斜表面月均太阳能总辐照量的计算方法 37

参考文献 40

第3章 太阳能光伏电池、组件及阵列的数学建模 42

3.1 太阳能光伏电池的分类及结构 42

3.1.1 按结构分类 43

3.1.2 按材料分类 43

3.1.3 按构造分类 44

3.2 光伏电池基本结构 44

3.3 光伏电池、组件建模的基本理论 47

3.3.1 光伏电池、组件铭牌参数 47

3.3.2 光伏电池、组件等效电路及其数学模型 48

3.3.3 光伏电池、组件的性能曲线 49

3.3.4 光伏电池、阵列的数学模型的求解方法 51

3.4 四参数模型的求解方法 52

3.4.1 一般解理论 52

3.4.2 根据组件铭牌求四参数 53

3.4.3 光伏组件铭牌求解电池片参数实例 54

3.5 光伏电池、组件五参数模型的求解方法 56

3.5.1 解析解的求解方法 56

3.5.2 计算结果分析 58

3.5.3 迭代解法 60

3.6 任意辐照度和环境温度下的光伏电池、组件的数学模型 62

3.6.1 理论模型基础 62

3.6.2 光伏阵列工作运行方式 65

3.7 模型实验验证 66

3.8 小结 69

参考文献 70

第4章 光伏逆变器原理及其数学建模 72

4.1 光伏逆变器概况 72

4.2 逆变器的发展及其分类 73

4.2.1 逆变器的发展历程 73

4.2.2 逆变器的分类 74

4.2.3 并网型光伏逆变器 74

4.2.4 离网型光伏逆变器 76

4.3 光伏逆变器主要性能参数 79

4.3.1 逆变器输入端性能参数 79

4.3.2 逆变器输出端性能参数 79

4.3.3 逆变器转换效率 80

4.4 光伏逆变器的数学建模及其仿真实例 81

4.4.1 SANDIA逆变器建模法 82

4.4.2 Driesse逆变器建模法 83

参考文献 84

第5章 光伏系统辅助设备及其损耗估算 85

5.1 光伏系统中直、交流侧线缆电量损耗计算 85

5.1.1 线缆损失的计算方法 85

5.1.2 线损计算方法验证 87

5.2 光伏系统中变压器的损耗估算 89

5.2.1 双绕组变压器损耗电能的计算 89

5.2.2 三绕组变压器损耗电能的计算 90

5.3 蓄电池的性能估算方法 91

5.3.1 蓄电池性能及主要状态参数 91

5.3.2 蓄电池动力学数学模型 92

参考文献 95

第6章 阴影或失配情况下光伏系统输出性能建模与仿真 97

6.1 阴影遮挡或者失配状况下光伏系统研究 97

6.1.1 阴影或失配情况下光伏阵列输出特性的研究现状 99

6.1.2 光伏组件热斑效应的研究 100

6.1.3 失配情况下光伏系统MPPT方法研究 101

6.2 阴影及失配对光伏系统输出性能的影响 102

6.2.1 单二极管五参数等效电路模型 102

6.2.2 阴影及失配情况下组件输出性能的理论模型 103

6.2.3 不同阴影遮挡下光伏组件输出性能的模拟及验证 105

6.3 失配情况下光伏阵列输出特性建模与仿真 109

6.3.1 失配情况理论建模 109

6.3.2 失配情况下光伏阵列输出性能仿真及实验验证 110

6.4 复杂阴影条件下光伏电池、组件或者阵列输出特性 111

6.4.1 阴影对单电池片输出特性的影响 111

6.4.2 阴影对光伏组件输出特性的影响 112

6.4.3 阴影对光伏阵列输出特性的影响 116

6.5 小结 117

参考文献 117

第7章 光伏系统的优化设计方法及寿命预测 120

7.1 概述 120

7.2 逆变器串并联组件优化设计模型 123

7.2.1 光伏组件串并联优化计算方法 123

7.2.2 直流端串联数优化设计模型 124

7.3 最优倾角理论模型 125

7.3.1 最优倾角的计算方法 125

7.3.2 不同安装角度及朝向情况下辐照度的分析 128

7.3.3 最优倾角结果计算分析 129

7.4 最优阵列间距模型 131

7.4.1 前后排光伏阵列阴影理论模型 132

7.4.2 两排方阵之间的最佳间距 133

7.5 光伏组件寿命预测方法 135

7.5.1 组件寿命评估的高斯函数模型 135

7.5.2 估算法求解 136

7.6 小结 136

参考文献 137

第8章 光伏组件热电耦合建模及阴影遮挡的温升效应 139

8.1 光伏电池组件的组成与传热分析 139

8.1.1 光伏电池组件主要组成 139

8.1.2 光伏电池组件传热分析 143

8.2 均匀辐照度下光伏电池组件的温度计算模型 144

8.2.1 NOCT模型 144

8.2.2 SANDIA温度模型 145

8.2.3 光伏组件热电耦合模型 146

8.2.4 光伏组件热电耦合模型的实验验证 150

8.3 辐照度分布不均匀条件下光伏组件传热模型及其温度分布 153

8.3.1 辐照度不均匀或阴影遮挡情况下光伏组件的传热模型 154

8.3.2 并联电阻对组件温度的影响分析 156

8.3.3 单片电池遮挡比例变化对组件温度的影响 157

8.3.4 改善光伏组件热斑现象的方法 158

参考文献 158

第9章 光伏发电系统经济性及环保分析 160

9.1 太阳能光伏发电经济性分析方法 160

9.1.1 太阳能光伏工程经济性分析准则 161

9.1.2 太阳能光伏工程经济性分析方法 161

9.2 光伏发电系统的经济性分析与典型实例 162

9.2.1 成本分析 162

9.2.2 财务收益分析 165

9.2.3 项目现金流分析 168

9.2.4 项目可行性分析 171

9.3 光伏发电系统环保性能评估方法与实例 172

9.3.1 光伏发电系统的环保性能分析 172

9.3.2 光伏发电系统的环保性能评估方法 173

参考文献 175

第10章 并网光伏仿真软件系统建模与发电量预测 177

10.1 太阳能并网光伏发电系统建模 178

10.1.1 光伏组件表面太阳能辐照数学模型 178

10.1.2 光伏组件光电转换数学模型 180

10.1.3 逆变器直交流逆变数学模型 182

10.1.4 直交流线路部分损失数学模型 183

10.1.5 并网变压器损耗数学模型 184

10.2 并网光伏系统仿真软件的开发 184

10.2.1 流程设计 184

10.2.2 功能设计 184

10.2.3 决策与优化功能 185

10.3 光伏系统发电量的预测及优化 186

10.3.1 基于TMY（典型气象年）数据的发电量的预测及系统优化 186

10.3.2 实际电站发电量预测 188

10.4 积灰对发电量预测的影响 189

10.5 光伏组件性能衰减对光伏系统发电性能影响评估 192

10.6 小结 192

参考文献 192

第11章 光伏仿真设计软件SIMUPV 2.0功能及实例 194

11.1 光伏系统设计 194

11.1.1 项目管理 194

11.1.2 项目初步信息输入 194

11.1.3 光伏组件选型 196

11.1.4 光伏逆变器选型 197

11.1.5 光伏阵列串并联配置 198

11.1.6 直、交流侧线缆的选型 199

11.1.7 其他损耗的设置 200

11.2 光伏电站系统产能报告及分析 201

11.2.1 产能输出 201

11.2.2 不同环境温度和辐照度下I-V曲线性能输出 203

11.2.3 光伏电站环保性能的分析 204

11.2.4 参数变化时光伏电站发电性能的比较 205

11.2.5 光伏发电系统各个环节的损耗估算 207

11.3 屋顶光伏工程的遮阴计算 208

11.3.1 平面屋顶式光伏电站的遮阴仿真 208

11.3.2 斜面屋顶式光伏电站的遮阴仿真 209

参考文献 2112100433B

《太阳能光伏系统建模、仿真与优化》，本书结合作者所开发的并网光伏电站仿真建模与优化软件SIMUPV 2.0，详细描述了光伏系统建模的主要过程，包括组件斜面太阳能辐照量，光伏组件的光电转换，逆变器的直交流逆变，直、交流侧线路损耗等关键环节的数学模型；本书还对阴影遮挡、失配和积灰等影响光伏电站输出性能的因素进行了深入研究；另外，本书还详细介绍了SIMUPV 2.0软件的开发以及相关功能的使用。

《现代系统建模与仿真技术(修订版)》系统、全面地论述系统建模与仿真理论、方法、技术及应用，反映国内外该领域的最新技术学术成果和发展趋势。全书分为系统建模理论、方法、技术及应用和计算机仿真技术与应用两大部分。注重基础理论、方法与技术论述，强调理论结合实际，内容丰富、新颖，突出实际工程应用是《现代系统建模与仿真技术(修订版)》的鲜明特色。《现代系统建模与仿真技术(修订版)》涉及航空、航天、航海、核能、机械、电子、信息、控制、交通、通信、环保、系统工程、经济、军事和科学试验等多个学科领域，主要读者对象为高等院校理工和军事类本科生和研究生，亦可作为科学工作者、工程技术人员及高校教师的重要参考书。

内容简介

《物流系统建模与仿真》一书的主要目的是介绍如何使用Arena仿真软件来研究物流系统问题。本书首先介绍了仿真的概念及仿真技术的发展过程；接着论述了随机离散系统仿真及其相关概念；随后解释了如何使用Arena软件对库存系统、仓库系统优化设计和生产物流系统进行仿真；还介绍了如何将VBA技术和Arena集成，实现更复杂的模型逻辑；最后论述了如何使用OptQuest等工具进行系统优化以及如何创建Arena仿真模型动画等内容。 本书可作为物流管理或相关专业本科生及研究生教材，也可供Arena仿真建模研究者阅读参考。