CN106295068B - 一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法 - Google Patents

一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据基尔霍夫电流定律得到理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程；2)由双二极管太阳能电池片的电流电压特性方程建立光伏组件双二极管模型；3)将光伏组件双二极管模型中的七参数简化为五参数得到最终的简化模型；4)通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出简化模型中的五参数。采用本发明解决了目前光伏组件双二极管模型中由于参数过多使得模型求解困难，以及部分参数不能直接从厂商提供的组件铭牌参数中获得的问题。

Description

一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法
技术领域
本发明涉及光伏发电领域，特别是涉及一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法。
背景技术
光伏组件的输出特性较复杂，呈非线性特性，且容易受环境影响。当前，许多学者针对硅材料太阳能电池的特性提出了各种模型，例如单二极管模型、双二极管模型及多二极管模型等。由于双二极管模型比单二极管模型在低辐照以及开路电压附近都具有更好的精度，而多二极管模型使得参数求解过程更复杂，所示本发明提出了基于双二极管模型的光伏组件输出特性方程的简化方法及参数提取方法。
双二极管模型是最能全面表征光伏电池特性的模型，它在传统五参数模型基础上增加一个二极管用以表征载流子在耗散区的复合损失。但其所需求解参数为七个，且均不能直接从组件铭牌参数中获知，这使得模型求解极为困难，模型的复杂程度又增加了模型求解所需时间，所以光伏系统研究人员很少有以双二极管模型为基础进行光伏系统建模与研究。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明通过简化光伏组件双二极管模型的参数个数及提取模型中参数，公开一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，为工程应用人员精确模拟光伏组件的特性提供了一种更简单快速的方法。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据基尔霍夫电流定律得到理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程；
2)由双二极管太阳能电池片的电流电压特性方程建立光伏组件双二极管模型；
3)将光伏组件双二极管模型中的七参数(Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp)简化为五参数(Isc、Voc、Rs、Rp、k)得到最终的简化模型；
其中，Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp分别为光伏组件的光生电流、两个二极管的反向饱和电流、两个二极管的理想因子、等效串联电阻、等效并联电阻；Isc、Voc、k分别为光伏组件的短路电流、光伏组件的开路电压、简化模型的中间参数；
4)通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出简化模型中的五参数；
所述步骤1)中，理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程为；
其中：Vcell为太阳能电池片实时输出电压值，单位为V；Icell为太阳能电池片实时输出电流值，单位为A；Iph_cell为太阳能电池片的光生电流，单位为A；Io1_cell、Io2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的反向饱和电流，单位为A；q为电子电荷，n1_cell和n2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的理想因子；K为波尔兹曼常数，T为太阳能电池片温度，Rs_cell和Rp_cell分别为太阳能电池片等效串联和并联电阻。
所述步骤2)中，建立光伏组件双二极管模型，包括如下步骤:
(2-1)由于光伏组件一般由多个太阳能电池片串联得到，则式(1)变成式(2)。
其中：V为光伏组件实时输出电压值，单位为V；I为光伏组件实时输出电流值，单位为A；Ns为光伏组件中串联连接的太阳能电池片数量；Np为光伏组件中并联连接的太阳能电池片数量。
(2-2)用Iph替换NpIph_cell；Io1替换NpIo1_cell；Io2替换NpIo2_cell；Rs替换NsRs_cell/Np；Rp替换NsRp_cell/Np；n1替换Nsn1_cell；n2替换Nsn2_cell，得到光伏组件双二极管模型，如式(3)：
所述步骤3)中，将上述光伏组件双二极管模型中的七参数简化为五参数，包括如下步骤：
(3-1)通常，光伏组件串联电阻远小于其并联电阻阻值，则光伏组件的光生电流Iph可由光伏组件短路电流Isc近似；为了保持饱和电流方程的一致，从而设置反向饱和电流相等，即Io1＝Io2＝Io；另外作以下简化，令2n1＝n2＝n，则式(3)变为式(4)；
(3-2)开路电压点(Voc,0)代入式(4)得到式(5)；
将q/(nKT)一项单独提取出，式(5)变为(6)；
将式(6)代入式(4)，消去q/(nKT)，可得式(7)；
(3-3)定义参数k如式(8)，将参数k代入式(7)变为式(9)；
由于Io值极小，故式(9)中-9/4Io项可忽略，式(9)变为式(10)；
式(8)变换后替换(10)中Io得到式(11)；
(3-4)根据Io值极小可得到式(8)等式左边的值远大于1，因此可用(k+1/2)2代替[(k+1/2)2-9/4]；
式(12)为最终的光伏组件双二极管简化模型。
所述步骤4)中，通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出上述简化模型的五参数，包括如下步骤：
(4-1)当光伏组件工作于STC下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)处时，式(12)中部分参数可以用STC下的相应参数替换得到式(13)；
(4-2)式(12)等式两边对V求导得到式(14)；
部分参数用STC下的相应参数替换得到式(15)；
由于光伏组件在STC下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)及短路点(0，Isc_ref)处dI/dV满足下式；
将式(16)、式(17)代入式(15)，并与式(13)联立方程组，利用数值迭代方法解出式(17)中三个参数(Rs、Rp、Kref)；
(4-3)由式(6)变换得到式(18)；
当光伏组件工作于任意环境时，中间参数k仅与太阳能电池片温度T和当前的组件开路电压Voc有关，故可得到式(19)；
通过式(19)可得到参数k的值。其中，kref为光伏组件工作于STC下时简化模型的中间参数；Tref为光伏组件工作于STC下的电池片温度，为25℃。
(4-4)简化模型中Isc与Voc可由下式得到；
其中，kref为光伏组件工作于STC下时简化模型的中间参数；Tref为光伏组件工作于STC下的电池片温度，为25℃；Isc,ref为光伏组件工作于STC下的短路电流；Voc,ref为光伏组件工作于STC下的开路电压；α为光伏组件的短路电流温度系数；β为光伏组件的开路电压温度系数；a为光伏组件的开路电压辐照修正系数；S为当前照射到光伏组件表面的辐照度；Sref为STC下照射到光伏组件表面的辐照度，为1000W/m2；
至此，简化模型中五参数均已通过上述步骤提取得到。
附图说明
图1是一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法流程图；
图2是2013年5月19日应用本发明得到的光伏组件输出特性的仿真曲线与实验曲线图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐述本发明。
本发明的一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，包括以下步骤：
1)根据基尔霍夫电流定律得到理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程；
2)由双二极管太阳能电池片的电流电压特性方程建立光伏组件双二极管模型；
3)将光伏组件双二极管模型中的七参数(Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp)简化为五参数(Isc、Voc、Rs、Rp、k)得到最终的简化模型；
其中，Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp分别为光伏组件的光生电流、两个二极管的反向饱和电流、两个二极管的理想因子、等效串联电阻、等效并联电阻；Isc、Voc、k分别为光伏组件的短路电流、光伏组件的开路电压、简化模型的中间参数；
4)通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出简化模型中的五参数；
步骤1)中，理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程为；
其中：Vcell为太阳能电池片实时输出电压值，单位为V；Icell为太阳能电池片实时输出电流值，单位为A；Iph_cell为太阳能电池片的光生电流，单位为A；Io1_cell、Io2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的反向饱和电流，单位为A；q为电子电荷，n1_cell和n2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的理想因子；K为波尔兹曼常数，T为太阳能电池片温度，Rs_cell和Rp_cell分别为太阳能电池片等效串联和并联电阻。
步骤2)中，建立光伏组件双二极管模型，包括如下步骤:
(2-1)由于光伏组件一般由多个太阳能电池片串联得到，则式(1)变成式(2)。
其中：V为光伏组件实时输出电压值，单位为V；I为光伏组件实时输出电流值，单位为A；Ns为光伏组件中串联连接的太阳能电池片数量；Np为光伏组件中并联连接的太阳能电池片数量。
(2-2)用Iph替换NpIph_cell；Io1替换NpIo1_cell；Io2替换NpIo2_cell；Rs替换NsRs_cell/Np；Rp替换NsRp_cell/Np；n1替换Nsn1_cell；n2替换Nsn2_cell，得到光伏组件双二极管模型，如式(3)：
步骤3)中，将上述光伏组件双二极管模型中的七参数简化为五参数，包括如下步骤：
(3-1)通常，光伏组件串联电阻远小于其并联电阻阻值，则光伏组件的光生电流Iph可由光伏组件短路电流Isc近似；为了保持饱和电流方程的一致，从而设置反向饱和电流相等，即Io1＝Io2＝Io；另外作以下简化，令2n1＝n2＝n，则式(3)变为式(4)；
(3-2)开路电压点(Voc,0)代入式(4)得到式(5)；
将q/(nKT)一项单独提取出，式(5)变为(6)；
将式(6)代入式(4)，消去q/(nKT)，可得式(7)；
(3-3)定义参数k如式(8)，将参数k代入式(7)变为式(9)；
由于Io值极小，故式(9)中-9/4Io项可忽略，式(9)变为式(10)；
式(8)变换后替换(10)中Io得到式(11)；
(3-4)根据Io值极小可得到式(8)等式左边的值远大于1，因此可用(k+1/2)2代替[(k+1/2)2-9/4]；
式(12)为最终的光伏组件双二极管简化模型。
步骤4)中，通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出上述简化模型的五参数，包括如下步骤：
(4-1)当光伏组件工作于STC下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)处时，式(12)中部分参数可以用STC下的相应参数替换得到式(13)；
(4-2)式(12)等式两边对V求导得到式(14)；
部分参数用STC下的相应参数替换得到式(15)；
由于光伏组件在STC下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)及短路点(0，Isc_ref)处dI/dV满足下式；
将式(16)、式(17)代入式(15)，并与式(13)联立方程组，利用数值迭代方法解出式(17)中三个参数(Rs、Rp、kref)；
(4-3)由式(6)变换得到式(18)；
当光伏组件工作于任意环境时，中间参数k仅与太阳能电池片温度T和当前的组件开路电压Voc有关，故可得到式(19)；
通过式(19)可得到简化模型的中间参数k的值。其中，kref为光伏组件工作于STC下时简化模型的中间参数；Tref为光伏组件工作于STC下的电池片温度，为25℃。
(4-4)简化模型中Isc与Voc可由下式得到；
其中，Isc,ref为光伏组件工作于STC下的短路电流；Voc,ref为光伏组件工作于STC下的开路电压；α为光伏组件的短路电流温度系数；β为光伏组件的开路电压温度系数；a为光伏组件的开路电压辐照修正系数；S为当前照射到光伏组件表面的辐照度；Sref为STC下照射到光伏组件表面的辐照度，为1000W/m2；
至此，简化模型中五参数均已通过上述步骤提取得到。
实施例1：
针对河海大学建成的户外光伏组件测试平台，本发明对该测试平台的组件输出特性曲线进行了估算。本次估算采用的光伏组件(TMS-225)在标准测试条件下的特性参数如表1所示：
表1STC下TMS-225光伏组件的特性参数
将式(16)、式(17)代入式(15)，并与式(13)联立方程组，数值求解得到Rs、Rp以及Kref的值如表2所示：
表2Rs、Rp及kref参数的值
利用当前气象参数及组件STC下光伏组件的特性参数，通过式(19)、式(20)、式(21)求解得到Isc、Voc、Kref参数的值，再通过式(12)得到当前光伏组件的输出特性曲线如图2所示：
表3对应于图2中不同时刻的实测曲线与估算曲线的误差。误差对比分析采用均方根误差(RMSE)表征模型对整条曲线的求解精度。其次，采用绝对相对误差(ARE)分析模型对最大功率点估算精度，公式如下：
表3TSM-225组件实测与仿真误差
从表3中的误差分析可看出仿真模型对于最大功率点误差ARE不超过1.2％，全曲线上估算电流值RMSE不超过0.09A，仍然较好地仿真出了225W组件的I-V特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据基尔霍夫电流定律得到理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程；
2)由双二极管太阳能电池片的电流电压特性方程建立光伏组件双二极管模型；
3)将光伏组件双二极管模型中的七参数Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp简化为五参数Isc、Voc、Rs、Rp、k得到最终的简化模型；
其中，Iph、Io1、Io2、n1、n2、Rs、Rp分别为光伏组件的光生电流、两个二极管的反向饱和电流、两个二极管的理想因子、等效串联电阻、等效并联电阻；Isc、Voc、k分别为光伏组件的短路电流、光伏组件的开路电压、简化模型的中间参数；
4)通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出简化模型中的五参数；
所述步骤1)中，理想的双二极管太阳能电池片等效电路的电流电压特性方程为；
其中：Vcell为太阳能电池片实时输出电压值，单位为V；Icell为太阳能电池片实时输出电流值，单位为A；Iph_cell为太阳能电池片的光生电流，单位为A；Io1_cell、Io2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的反向饱和电流，单位为A；q为电子电荷，n1_cell和n2_cell分别为太阳能电池片等效电路中两个二极管的理想因子；K为波尔兹曼常数，T为太阳能电池片温度，Rs_cell和Rp_cell分别为太阳能电池片等效串联和并联电阻；
所述步骤2)中，建立光伏组件双二极管模型，包括如下步骤:
(2-1)由于光伏组件一般由多个太阳能电池片串联得到，则式(1)变成式(2)；
其中：V为光伏组件实时输出电压值，单位为V；I为光伏组件实时输出电流值，单位为A；Ns为光伏组件中串联连接的太阳能电池片数量；Np为光伏组件中并联连接的太阳能电池片数量；
(2-2)用Iph替换NpIph_cell；Io1替换NpIo1_cell；Io2替换NpIo2_cell；Rs替换NsRs_cell/Np；Rp替换NsRp_cell/Np；n1替换Nsn1_cell；n2替换Nsn2_cell，得到光伏组件双二极管模型，如式(3)；
所述步骤3)中，将上述光伏组件双二极管模型中的七参数简化为五参数，包括如下步骤：
(3-1)通常，光伏组件串联电阻远小于其并联电阻阻值，则光伏组件的光生电流Iph可由光伏组件的短路电流Isc近似；为了保持饱和电流方程的一致，从而设置反向饱和电流相等，即Io1＝Io2＝Io；另外作以下简化，令2n1＝n2＝n，则式(3)变为式(4)；
(3-2)开路电压点(Voc,0)代入式(4)得到式(5)；
将q/(nKT)一项单独提取出，式(5)变为(6)；
将式(6)代入式(4)，消去q/(nKT)，可得式(7)；
(3-3)定义参数k如式(8)，将参数k代入式(7)变为式(9)；
由于Io值极小，故式(9)中-9/4Io项可忽略，式(9)变为式(10)；
式(8)变换后替换(10)中Io得到式(11)；
(3-4)根据Io值极小可得到式(8)等式左边的值远大于1，因此可用(k+1/2)2代替[(k+1/2)2-9/4]；
式(12)为最终的光伏组件双二极管简化模型。
2.根据权利要求1所述的一种光伏组件双二极管模型的参数简化及提取方法，其特征在于，所述步骤4)中，通过厂商提供的组件电性能参数以及气象参数提取出上述简化模型的五参数，包括如下步骤：
(4-1)当光伏组件工作于STC标准测试条件下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)处时，式(12)中部分参数可以用STC下的相应参数替换得到式(13)；
(4-2)式(12)等式两边对V求导得到式(14)；
部分参数用STC下的相应参数替换得到式(15)；
由于光伏组件在STC下最大功率点(Vmpp_ref，Impp_ref)及短路点(0，Isc_ref)处dI/dV满足下式；
将式(16)、式(17)代入式(15)，并与式(13)联立方程组，利用数值迭代方法解出式(17)中三个参数(Rs、Rp、kref)；
(4-3)由式(6)变换得到式(18)；
当光伏组件工作于任意环境时，中间参数k仅与太阳能电池片温度T和当前的组件开路电压Voc有关，故可得到式(19)；
通过式(19)可得到中间参数k的值，其中，kref为光伏组件工作于STC下时简化模型的中间参数；Tref为光伏组件工作于STC下的电池片温度，为25℃；
(4-4)简化模型中Isc与Voc可由下式得到；
其中，Isc,ref为光伏组件工作于STC下的短路电流；Voc,ref为光伏组件工作于STC下的开路电压；α为光伏组件的短路电流温度系数；β为光伏组件的开路电压温度系数；a为光伏组件的开路电压辐照修正系数；S为当前照射到光伏组件表面的辐照度；Sref为STC下照射到光伏组件表面的辐照度，为1000W/m2；
至此，简化模型中五参数均已通过上述步骤提取得到。
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