设计了一种热光伏电池单光谱辐射能-电能转换特性的测试系统。通过带通型滤波片和直漏斗二次聚光器实现了氙灯与电池间单光谱、能流密度可调的定向辐射传输。基于蒙特卡罗射线追迹法，构建了氙灯-热光伏测试系统的光谱辐射传输模型，分析了电池表面辐射能流的分布特征，讨论了二次聚光器开口尺寸和高度的影响规律，并从理论上计算了GaSb电池在单光谱、高能流辐射下的电流-电压曲线、输出功率和热电转换效率。结果表明，直漏斗二次聚光器的引入有效提高了热光伏电池的热电转换性能，电池表面辐射能量提高了105.3%，且均匀度高达95%，电池的输出功率提高了109.1%。

建立了扇形无漏光聚光系统,对其几何聚光比与抛物线系数、聚光模组后抛物面宽度及聚光模组数量之间的相互关系进行了研究。针对光线耦合结构阵列后导致的漏光问题,提出了锯齿型无漏光波导板的设计方法,在提高聚光比的同时获得较高的聚光效率。通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪,降低系统运行功耗。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下,利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹,结果表明:在抛物线系数a=0.019时,几何聚光比达到1900,聚光效率为65.1%;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,聚光效率达到约82.3%。

基于微分几何原理,结合折射、反射定律以及能量守恒定律,将太阳能聚光问题转换成一个带有非线性边界条件的椭圆型Monge-Ampére方程,并建立了相应的数学模型。根据该数学模型,设计了自由曲面聚光器,利用光线追迹软件对所设计的自由曲面聚光系统进行了模拟研究。结果表明: 在考虑菲涅耳损失和光学材料的吸收情况下,当实际太阳光线以0.27°的发散半角入射时,1000 mm长度的自由曲面聚光器的几何聚光比达到500,聚光效率为77.5%。通过该方法设计的自由曲面具有很高的设计自由度,为设计不同程度聚光需求的太阳能聚光器提供了可能。

针对平板型太阳能聚光器中出现的漏光问题，提出了无漏光聚光器的设计方法.该方法结合简单的数学计算与折射定律、反射定律推导出光线在光波导板中无漏光传播的最大距离理论公式，建立了无漏光聚光比与空气隙结构张角角度、主聚光器高度和宽度之间的数学模型，利用控制变量法分析了无漏光聚光比与各参数之间的关系.运用光线追迹软件对所设计的平板型无漏光太阳能聚光器进行光线追迹模拟，结果表明: 在模拟光源选择存在0.27°的发散半角的太阳光源条件下，考虑光线在透射面处的菲涅耳损失和光学材料的吸收，在无漏光范围内实际最大聚光比达到698×、857×和1 032×时的聚光效率分别为88.2%、85.3%和80.2%；超过无漏光范围后随着聚光比进一步增大聚光效率下降较平缓.

通过对太阳能电池串联电路的动态特性分析，建立了不均匀光照条件下多峰值出现的充要条件.基于串联电路的工作原理，建立了局部峰值点功率之间的数学关系，确定了最大功率点区间位置的动态判断系数.该方法可快速定位全局最大功率点所在区间，确定该区间的上下边界，将电导增量法的运行初值保持在该区间，能够使其快速准确跟踪到全局最大功率点.该方法利用较少计算和小区间搜索代替全局搜索，具有良好的快速性和准确性.同时该方法改善了区间搜索重启条件使其拥有较强的鲁棒性.

为满足聚光光伏系统的聚光需求，解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点，在不增加二次匀光器件的前提下，设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律，通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟，结果表明：在聚光比为725的情况下，聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍，是点聚焦情况下的1/10左右，系统的径长比为0.3，接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑，聚光性能高的设计目标，为高倍聚光光伏系统的小型化，简单化提供了一种有效的解决途径。

氧化铟锡(ITO)半导体薄膜为典型的宽禁带半导体材料，具有短波高透射、长波高反射以及超宽的反射带等特性，满足热光伏(TPV)系统对滤波器的要求。以载流子浓度N和迁移率μ以及膜层厚度d为参数，对ITO薄膜的光学性质进行了仿真，给出了在不同参数下滤波器的光谱曲线。通过磁控溅射薄膜沉积系统制备了ITO薄膜，对退火处理后的滤波器进行了光学性能测试，最终得到可用于热光伏系统的ITO薄膜滤波器。制备的与GaSb电池匹配的滤波器截止波长为2 μm，短波平均透射率接近70%，长波平均反射率接近70%，而且超宽的长波反射带延伸至10 μm，可大大提高TPV系统的效率。

由于光伏发电系统是通过逆变器作为桥梁与电力系统实现并网，为了保障电网安全稳定，抗孤岛检测成为光伏并网的关键技术之一。在研究现有传统被动式和主动式孤岛检测方法的基础上，根据电网稳定电压边界条件，通过设定阈值提出了基于光伏逆变输出功率扰动的复合式孤岛检测方法。结合IEEE.Std.2000-929和UL1741技术规范，阐述了该方法的工作机理、阈值整定与实现过程。仿真分析表明，该方法在逆变器输出功率与负载消耗功率匹配度较高时，能够实现快速的孤岛检测，无检测盲区和谐波污染，验证了理论方法的正确性，实现了光伏系统友好型并网。

为解决传统配电网继电保护故障定位系统难以应对含光伏系统的微网并网运行的问题, 提出了一种集中与分布式相结合的故障区域检测与隔离的保护方法。根据配电网的拓扑结构和假定的网络功率流向形成网络描述矩阵, 在配电系统发生短路故障时, 根据被保护线路故障的电压、电流分量的相位关系确定故障正方向, 并形成故障信息矩阵。以故障信息矩阵对网络描述矩阵进行修正而形成故障判断矩阵, 利用故障定位判据逐一查询故障判断矩阵即可快速准确地定位出故障位置, 从而发出跳闸命令切除故障。

传统最大功率跟踪(MPPT)方法如电导增量法存在较大稳态误差和波动, 加入模糊控制后, 虽然系统的动态性能有所改进, 但由于模糊论域固定, 控制还是略微粗糙, 稳态时存在波动。文章采用变论域模糊控制对MPPT进行控制, 其优点是不需要过多经验来设定规则表, 通过输入改变伸缩因子从而改变论域的范围, 使控制更加灵活, 缩短了响应时间, 缩小了稳态误差和波动, 从而保护光伏负载, 极大提高太阳光利用率。分别在固定环境和变化环境中对系统进行仿真, 从输出功率和负载电压两方面对变论域模糊控制的优越性进行论证。