据国际能源署估计,全球2030年一次能源需求将达到177亿吨油当量,能源需求量巨大,而化石能源(煤,石油和天然气)仍将是一次能源的主要来源。由于大量化石能源的燃烧,大气中二氧化碳和其它温室气体的浓度不断增加,成为造成全球温度上升和气候变化的主要原因之一。全球有限资源及环境污染正严重制约世界各国经济和社会的发展,优化能源结构、提高能源效率、发展新能源和可再生能源已成为世界各国密切关注的重大议题。从能源安全和能源战略角度来看,太阳能是一种理想的可再生绿色能源,太阳能发电是解决化石能源日趋紧缺和减少环境污染的重要途径。太阳能光伏发电通过光伏电池直接将太阳能转化为电能,是开发太阳能的一种重要途径。目前由于光伏电池效率低下和发电成本高等原因使得光伏发电系统难以迅速普及,而且光伏发电系统总体上尚存在系统集成水平低、可靠性差、功耗大及缺少有效监控措施等主要问题。针对这些问题,进行了以下几方面的研究:1)MPPT算法研究,提出了一种分区遗传MPPT算法。由于光伏阵列的输出功率随外部环境变化而变化,因此光伏发电系统普遍采用MPPT电路和相应的控制方法提高对光伏阵列的利用效果。分区遗传算法的搜索空间为整个解空间,在遗传算法中还隐含着一种并行计算机制,因此容易得到全局最优解,可以克服寻优过程中易陷入局部极小的困境。遗传算法的交叉和变异机制,克服干扰法易陷入振荡的缺陷,可以满足了MPPT的实时控制需要,保证了光伏发电系统在不同物理位置的正常运行。通过仿真及实验验证,该方法可以提高光伏阵列最大功率跟踪的动态特性和稳态特性,比传统的方法具有更高的精确度和实时控制性能。2)太阳自跟踪方法研究,提出了一种光感跟踪和时间跟踪相结合的太阳方位跟踪方法并设计了一种双轴太阳跟踪装置及双轴PSD太阳方位传感器。采用时间跟踪方式跟踪太阳,则跟踪装置的控制系统不区分阴天晴天,只是按程序设定的时间定时启动跟踪装置,跟踪系统的能耗加大。采用光感跟踪方式跟踪太阳,则存在跟踪装置如何适应天气阴晴变化等问题。光感跟踪和时间跟踪相结合,能及时根据天气状况对太阳方位跟踪方式进行控制和选择,调整系统运行方式,能够降低系统运行能耗,并且能够去除系统累计误差,提高太阳方位跟踪精度。新型双轴跟踪装置将太阳方位角及高度角的参数进行换算,得到与之对应的两个驱动转角参数,新的参数驱动光伏阵列进行万向节式的运动以跟踪太阳。根据该方法设计了新型太阳方位跟踪装置,其太阳跟踪精度高,跟踪时间间隔短,结构简单。通过实验验证,该跟踪方法及装置可以提高太阳方位跟踪的精度,降低了系统运行能耗,提高系统的发电量。3)光伏阵列在线故障检测研究,提出了一种太阳光伏阵列在线故障检测方法。目前光伏阵列的故障检测多采用线下人工排查的方法,人工维护既费时又很不方便。采用在线故障检测,可以实现实时远程检测,及时发现并修复光伏阵列存在的故障。在线故障检测分两步进行,第一步是采用新型电压、电流检测法进行筛查,找到故障电池组件所在小组;第二步是对电池组件的性能参数进行在线检测,继而最终确定故障电池组件的位置。经实验验证,该方法可以快捷、有效的对光伏阵列故障进行在线检测。4)光伏自跟踪发电系统可靠性研究,构建了光伏自跟踪发电系统的故障树;构建了光伏自跟踪发电系统的状态模型,定义了可靠性指标;对光伏自跟踪发电系统的可靠性进行了计算。光伏发电存在着间歇性与随机性的特点,为准确衡量光伏发电带给电网的收益,并客观评价它的价值,需要建立适当的模型对光伏系统可靠性进行评估。综合考虑光伏发电系统结构及故障特点,构建了光伏发电系统四状态可靠性模型,建立了相应的系统可靠性指标体系,从运行时间、输出功率、系统运行状态3个层面综合评价系统可靠性。算例分析结果表明,该模型以及指标体系能够反映光伏发电系统的运行情况、输出功率水平以及故障情况,反映系统运行可靠性。5)物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统研究,构建了基于物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统平台,基于此平台设计了光伏自跟踪发电监控实验系统。物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互。物联网的基本特征可概括为全面感知、可靠传送和智能处理。物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统由定期的红外图像无损检测子系统、实时在线的检测子系统(感知层);数据传输系统(传输层);评价及决策专家系统(应用层)三层组成。光伏自跟踪发电监控实验系统的设计及运行验证了物联网架构的光伏自跟踪发电监控系统可以实现应用层、感知层、传输层之间数据的交互,实现远程决策、控制和监测。该实验系统可以无线监测安装地点的太阳辐射情况、风向风速、光伏电池板工作状态、逆变器工作状态、太阳跟踪装置工作状态;可以实现MPPT跟踪、追日跟踪;可以进行故障检测和可靠性计算。