一种光伏电池建模方法技术

本发明专利技术揭示了一种光伏电池建模方法，采用分步法对光伏电池进行建模。首先，建立含有光生电流Iph、反向饱和电流Io和理想因数n等三个参数的理想电路模型，并根据生产厂商提供的标准测试条件(STC)和正常电池工作温度(NOCT)下数据对Iph、Io和n等三个参数进行求解。然后，考虑光伏电池的接触电阻和PN结漏电流，引入串行电阻Rs和并行电阻Rsh，并根据生产厂商提供的STC下的数据求取参数Rs和Rsh。最后，根据光伏电池理想模型输出特性、串行电阻和并行电阻求解光伏电池实际模型的输出特性，达到对光伏电池建模的目的。本发明专利技术充分利用生产厂商提供的STC和NOCT下数据对模型参数进行求解，使得模型精度更高，同时采用分步法后使得模型求解避开了牛顿迭代法，模型求解更方便、更有效。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏电池建模方法
本专利技术涉及太阳能光伏电池发电领域，尤其是涉及一种太阳能光伏电池的建模方法。
技术介绍
随着化石能源的逐渐短缺，各种可再生能源就成为当今世界各国极力发展的方向。而太阳能光伏电池由于高功率密度、清洁和无污染等优点，已经成为世界电力系统中应用最广的可再生能源之一。但是，在光伏电池发电领域中的光伏发电功率预测、并入电网后运行特性分析、最大功率点跟踪和光伏电池板故障诊断等各种场合都需要光伏电池的数学模型。由于光伏电池是利用光生伏特效应制作而成的，二极管PN结是其结构的核心，因此由光生电流和半导体二极管并联可以构成光伏电池的理想电路模型，但是此模型和实际光伏电池的输出特性出入较大。随后形成的五参数单二极管模型由于在精度和复杂性之间取得很好的折中，应用较广，但是此模型需要用牛顿迭代法求解，使用不方便，同时其模型参数求解也非常繁琐。后来，很多学者利用生产厂商提供的标准测试条件(STC)下数据建立光伏电池的工程数学模型，同样也存在模型精度不高、求解不方便等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是实现一种模型精度高、不需要迭代算法的光伏电池建模方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种光伏电池建模方法，包括以下步骤：步骤1、建立含有光生电流、反向饱和电流、理想因数的光伏电池理想模型；步骤2、以标准测试条件和正常电池工作温度为条件，对光生电流、反向饱和电流、理想因数进行求解；步骤3、以标准测试条件求取引入串行电阻和并行电阻；步骤4、根据光伏电池理想模型输出特性、串行电阻和并行电阻求解光伏电池实际模型的输出特性。所述步骤1中，光生电流Iph的获得方法：其中，S是日照强度，Sr是参考日照强度，Iph_r是标准测试条件下的光伏电池短路电流，μI是标准测试条件下的短路电流温度系数，Tr是光伏电池参考温度。所述步骤1中，反向饱和电流Io的获得方法：其中，Voc_r是标准测试条件下的开路电压，μV是标准测试条件下的开路电压温度系数。所述步骤1中，理想因数n的获得方法：其中，Voc_n是光伏电池在正常电池工作温度下的开路电压，Tn是光伏电池在正常电池工作温度，Sn是光伏电池在正常电池工作温度下日照强度。所述步骤3中，串行电阻Rs和并行电阻Rsh的获得方法：其中，Vmp_r是标准测试条件下最大功率点电压，Imp_r是标准测试条件下的最大功率点电流。所述步骤4中，光伏电池理想模型的输出特性的表达式：其中，Iid、Vid分别是光伏电池理想模型输出电流和电压，Iph是光生电流，Io是反向饱和电流，q是电子的电荷量，k是玻尔兹曼常数，T是光伏电池温度，n是光伏电池理想因数，Ns是串联电池片的个数。所述步骤4中，光伏电池实际模型的输出特性的表达式：V＝Vid-IRs式中，I、V分别是光伏电池实际输出电流和电压。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)本方法充分利用生产厂商提供的STC以及NOCT下数据对模型参数进行求解，使得模型精度更高；(2)本专利技术采用分步法对光伏电池进行建模，有效地避开了牛顿迭代法，先求取光伏电池理想模型输出特性，然后结合理想模型输出特性、串行电阻和并行电阻，再求出光伏电池实际模型输出特性，这使得模型求解有效地避开了牛顿迭代法，模型求解更加直接、方便和有效。附图说明下面对本专利技术说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：图1为光伏电池建模方法流程图；图2为传统的光伏电池实际等效电路模型；图3为光伏电池理想模型和实际模型I-V特性曲线比较；图4(a)和图4(b)为本专利技术的光伏电池等效电路模型；图5为理想因数n取不同值时反向饱和电流Io与电池温度T之间关系曲线；图6为数学软件求解电阻Rs和Rsh的结果。具体实施方式下面对照附图，通过对实施例的描述，本专利技术的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本专利技术的专利技术构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。如图1所示，光伏电池建模方法包括以下步骤：步骤1、建立含有三个参数的光伏电池理想模型。光伏电池的本质是利用光伏效应直接将太阳能转换成电能，二极管PN结是其结构的核心，因此其模型的主体是由光生电流和半导体二极管并联而成。考虑光伏电池和表面金属电阻以及它们之间的接触电阻，在模型主体基础上引入串行电阻Rs。为了考虑PN结的漏电流，在模型主体基础上引入并行电阻Rsh。于是，光伏电池五参数单二极管模型也就形成，其等效电路如图2所示。光伏电池实际电路模型的I-V特性表达式如式(1)所示：式中，I、V分别是光伏电池输出电流和电压，Iph是代表光生电流，Io是二极管的反向饱和电流，q是电子的电荷量(1.6×10-19C)，k是玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)，T是光伏电池温度，n是光伏电池理想因数，Ns是串联电池片的个数。从式(1)可以看出，等式两边都含有电流I，属于典型的隐式超越方程。此类隐式方程的求解方法目前主要是用牛顿迭代法，求解不方便、求解过程也不好理解。图3给出的是光伏电池理想模型和实际模型I-V特性曲线的比较，可以看出实际模型中引入的Rs和Rsh只对最大功率点附近的I-V特性曲线有所影响，对短路点(0,ISC)和开路点(VOC,0)几乎没有影响。也就是说，光伏电池模型中短路点(0,ISC)和开路点(VOC,0)只和理想电路模型参数有关，与Rs、Rsh的大小基本无关。基于这样的假设，本专利技术采用的光伏电池等效电路模型如图4所示。可见，光伏电池模型分为(a)光伏电池理想模型部分和(b)Rs、Rsh组成的电阻网络部分，光伏电池实际模型的输出特性从电阻网络的输出端得到。由图4(a)的等效电路可以得到本专利技术光伏电池建模方法所对应的理想模型I-V特性表达式如式(2)所示：式中，Iid、Vid分别是光伏电池理想模型输出电流和电压。另外，由式(2)可以看出，这里不再含有隐式方程，其求解也就不再需要通过牛顿迭代法来完成，只要在数学软件中通过简单的指数函数即可获得光伏电池理想模型的输出特性。步骤2、根据生产厂商提供的STC和NOCT下数据求取参数光生电流Iph、反向饱和电流Io和理想因数n。式(2)是图4(a)光伏电池理想模型所对应的I-V特性表达式，其含有三个未知参数：光生电流Iph、二极管的反向饱和电流Io和光伏电池理想因数n。本专利技术中，Iph和Io的求解和现有大多数文献中算法是一致的。其中，Iph的求解由式(3)来完成：式中，S是日照强度，Sr是参考日照强度(1000W/m2)，Iph_r是生产厂商提供的STC下的光伏电池短路电流，μI是生产厂商提供的短路电流温度系数，Tr是光伏电池参考温度(25℃)。Io的求解由式(4)来完成：式中，Voc_r是生产厂商提供的STC下的开路电压，μV是生产厂商提供的开路电压温度系数。对于理想因数n，有的算法根据光伏电池材料把n取为常数，比如：单晶硅材料n取1.2，多晶硅和AsGa材料n取1.3，CdTe和CIS材料n取1.5，等等。有的算法通过生产厂商提供的STC下数据来求取。这些n的求解方法都有一定的局限性，影响到光伏电池模型的精度。本专利技术中，参数n的求解是充分利用了生产厂商的STC和NOCT下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光伏电池建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立含有光生电流、反向饱和电流、理想因数的光伏电池理想模型；步骤2、以标准测试条件和正常电池工作温度为条件，对光生电流、反向饱和电流、理想因数进行求解；步骤3、以标准测试条件求取引入串行电阻和并行电阻；步骤4、根据光伏电池理想模型输出特性、串行电阻和并行电阻求解光伏电池实际模型的输出特性。

【技术特征摘要】
1.一种光伏电池建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、建立含有光生电流、反向饱和电流、理想因数的光伏电池理想模型；步骤2、以标准测试条件和正常电池工作温度为条件，对光生电流、反向饱和电流、理想因数进行求解；步骤3、以标准测试条件求取引入串行电阻和并行电阻；步骤4、根据光伏电池理想模型输出特性、串行电阻和并行电阻求解光伏电池实际模型的输出特性。2.根据权利要求1所述的光伏电池建模方法，其特征在于：所述步骤1中，光生电流Iph的获得方法：其中，S是日照强度，Sr是参考日照强度，Iph_r是标准测试条件下的光伏电池短路电流，μI是标准测试条件下的短路电流温度系数，Tr是光伏电池参考温度。3.根据权利要求1或2所述的光伏电池建模方法，其特征在于：所述步骤1中，反向饱和电流Io的获得方法：其中，Voc_r是标准测试条件下的开路电压，μV是标准测试条件下的开路电压温度系数。4.根据权利要求3所述的光伏电池建模方法，其特征在于：所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪石农，毛乾龙，黄时棚，夏震宇，徐杰，刘世林，朱炜才，
申请(专利权)人：安徽工程大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34