简化的光伏电池物理参数提取优化方法及系统

摘要

本公开提出了简化的光伏电池物理参数提取优化方法及系统，包括：获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值。消除了参考条件的选择带来的影响。此外整个求解过程只需要一次寻优，大大简化了求解步骤。

权利要求

1.简化的光伏电池物理参数提取优化方法，其特征是，包括：获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

所述第一转换方程为：

Iph＝A·S+B·T‑C

Rs＝E

Rsh＝F/S

n＝G

其中A‑G为常数，适用于任意条件，等式右侧只含有光照和温度，应用数据对第一转换方程进行拟合，即可求得所有常数；Iph：光生电流；S代表光照强度；I0：二极管反向饱和电流；Rsh：并联电阻；Rs：串联电阻；T：光伏电池温度；

输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

采用平均均方根误差 作为目标函数进行寻优；

其中Np代表所有曲线上点的数目，Nl代表所有曲线的数目，N代表每条曲线上的点的数目，I(j,i)和 分别代表实测电流和计算电流，用 来表示计算值与实测值之间的误差；

输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值；

五个物理参数为单二极管模型中的IPh、I0、Rs、RSh以及n。

2.如权利要求1所述的简化的光伏电池物理参数提取优化方法，其特征是，I‑V曲线由短路电流点，开路电压点，最大功率点，开路电压的倍点和短路电流的倍点来描述。

3.如权利要求2所述的简化的光伏电池物理参数提取优化方法，其特征是，对用于描述I‑V曲线的倍点进行归一化处理。

4.如权利要求2所述的简化的光伏电池物理参数提取优化方法，其特征是，描述I‑V曲线的倍点的误差作为目标函数，目标函数为：其中Isc(i),Voc(i),Im(i),I0.6Isc(i)V0.6Voc(i)分别代表第i条I‑V实测曲线的短路电流，开路电压，最大功率点的电流，电流值为0.6倍的短路电流时的电流，电压值为0.6倍开路电压时的电压，下标‘cal’代表对应的电流或电压的计算值。

5.光伏电池工作特性多条件参数预测的优化系统，其特征是，包括：第一转换方程构建模块，获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

所述第一转换方程为：

Iph＝A·S+B·T‑C

Rs＝E

Rsh＝F/S

n＝G

其中A‑G为常数，适用于任意条件，等式右侧只含有光照和温度，应用数据对第一转换方程进行拟合，即可求得所有常数；Iph：光生电流；S代表光照强度；I0：二极管反向饱和电流；Rsh：并联电阻；Rs：串联电阻；T：光伏电池温度；

目标函数构建模块，输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

采用平均均方根误差 作为目标函数进行寻优；

其中Np代表所有曲线上点的数目，Nl代表所有曲线的数目，N代表每条曲线上的点的数目，I(j,i)和 分别代表实测电流和计算电流，用 来表示计算值与实测值之间的误差；

输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值；

五个物理参数为单二极管模型中的IPh、I0、Rs、RSh以及n。

6.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1‑4任一所述方法的步骤。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1‑4任一所述方法的步骤。

说明书

简化的光伏电池物理参数提取优化方法及系统

技术领域

[0001] 本公开属于光伏电池参数预测技术领域，尤其涉及简化的光伏电池物理参数提取优化方法及系统。

背景技术

[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

[0003] 近年来，随着全球能源问题的加剧，光伏发电装机出现了大幅度增长。光伏能源作为可再生能源，具有清洁无污染，可靠安全，易于维护等优点，有着广阔的发展前景。因此，光伏系统的建模对于光伏系统的设计、制造和预测都是至关重要的。

[0004] 在前人研究的基础上，已经提出了许多光伏电池板的电路模型，而目前最常用的是单二极管模型。它包含一个光生电流源，一个二极管以及两个等效电阻，包含五个具有明确物理意义的参数。这个模型以其结构简单，精度高而被广泛应用于光伏电池的建模。

[0005] 目前大多数的多条件建模方法是基于参考条件下的模型参数，通常这些参数来自光伏制造厂商的数据表。而光伏电池板通常工作在不同的光照温度下，因此仅依靠参考条件下的数据不足以准确预测光伏电池板的工作特性。此外，数值算法是目前的求解参数的算法中精度最高的一类算法，但因为计算量巨大，因此计算速度很慢。

发明内容

[0006] 为克服上述现有技术的不足，本公开提供了简化的光伏电池物理参数提取优化方法，消除了参考条件的选择带来的影响。

[0007] 为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

[0008] 第一方面，公开了简化的光伏电池物理参数提取优化方法，包括：

[0009] 获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

[0010] 输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

[0011] 输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值。

[0012] 进一步的技术方案，光伏电池板等效电路模型可以为单二极管模型，

[0013] 进一步的技术方案，所述第一转换方程为：

[0014] Iph＝A·S+B·T‑C

[0015]

[0016] Rs＝E

[0017] Rsh＝F/S

[0018] n＝G

[0019] 其中A‑G为常数，适用于任意条件，等式右侧只含有光照和温度，应用数据对第一转换方程进行拟合，即可求得所有常数。

[0020] 在一些实施例子中，采用平均均方根误差 作为目标函数进行寻优；

[0021]

[0022] 其中Np代表所有曲线上点的数目，Nl代表所有曲线的数目，N代表每条曲线上的点的数目，I(j，i)和 分别代表实测电流和计算电流，用 来表示计算值与实测值之间的误差。

[0023] 优选的，I‑V曲线可以由短路电流点，开路电压点，最大功率点，开路电压的倍点和短路电流的倍点来描述。

[0024] 进一步的技术方案，对用于描述I‑V曲线的倍点进行归一化处理。

[0025] 优选的，描述I‑V曲线的倍点的误差作为目标函数，目标函数为：

[0026]

[0027] 其中Isc(i),Voc(i),Im(i),I0.6Isc(i)V0.Voc(i)分别代表第i条I‑V实测曲线的短路电流，开路电压，最大功率点的电流，电流值为0.6倍的短路电流时的电流，电压值为0.6倍开路电压时的电压，下标‘开路电压代表对应的电流或电压的计算值。

[0028] 第二方面，公开了光伏电池工作特性多条件参数预测的优化系统，包括：

[0029] 第一转换方程构建模块，获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

[0030] 目标函数构建模块，输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

[0031] 输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值。

[0032] 以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

[0033] 本公开选择光伏电池板等效电路模型和对应参数随光照温度的变化的转换方程模型，将其中含有参考条件的项全部替换为常数，随后输入不同工况下的I‑V曲线的五个特殊点信息，采用五个特殊点信息的误差作为目标函数进行寻优得到新的转换方程。本申请改进的目标函数，大大减少了拟合大量数据的计算时间，提高了求解任意条件下光伏电池工作特性的效率。本发明简单易操作，可通过数学软件编程轻松实现，能够准确快速的预测任意光照温度下的光伏电池板的工作特性。

[0034] 本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0035] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0036] 图1为本公开单二极管模型等效电路图；

[0037] 图2为本公开实施例方法流程图。

具体实施方式

[0038] 应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0039] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0040] 在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

[0041] 实施例一

[0042] 本实施例公开了简化的光伏电池物理参数提取优化方法，具体通过寻优算法来拟合大量光伏特性曲线，求出任意工况下的模型系数，进而预测光伏电池物理参数。本方法避免了传统预测方法需要设置参考条件的问题，改进目标函数，大大减少了拟合大量数据的计算时间，提高了求解任意条件下光伏电池工作特性的效率。

[0043] 通过对大量不同光照温度下的光伏特性曲线上的五个特殊工作点进行拟合，求解得到任意条件下的模型系数，进而得到光伏电池的物理参数，推算其工作特性，用于解决最大功率点跟踪和功率预测等问题。

[0044] 关于五个特殊工作点，首先短路电流点，开路电压点，最大功率点决定了整条I‑V曲线的大致形状，一般的这三个点求得比较准的话，整条曲线都会比较准。此外，0.6Voc点和0.6Isc点在某些文献中用来求取参数，并表现出了较好的效果，这两个点用来确定整条I‑V曲线的具体形状。五个点的分布对于一条I‑V曲线来说是相对均匀的，避免出现误差比重不均匀的情况。

[0045] 本公开实施例子中，简化的光伏电池物理参数提取优化方法，包括：

[0046] 获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

[0047] 输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

[0048] 输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值。

[0049] 本发明的具体过程为：选择光伏电池板等效电路模型和对应参数随光照温度的变化的转换方程模型，将其中含有参考条件的项全部替换为常数，随后输入不同工况下的I‑V曲线的五个特殊点信息，采用公式(13)作为目标函数进行寻优得到新的转换方程即第一转换方程。本发明简单易操作，可通过数学软件编程轻松实现，能够准确快速的预测任意光照温度下的光伏电池板的工作特性。其总技术流程图参见附图2所示。

[0050] 下面详细介绍相关的技术方案：

[0051] 以单二极管模型为例，其等效电路图如图1所示。应用基尔霍夫电流定律，得到其I‑V关系：

[0052]

[0053] 式中：Vt＝KT/q；

[0054] Iph：光生电流；I0：二极管反向饱和电流；N：二极管理想因子；Rsh：并联电阻；Rs：串联电阻；Ns：光伏电池串联数量；V：输出电压；I：输出电流；T：光伏电池温度；k＝1.38006×‑23 ‑1910 J/K；q＝1.60218×10 C；

[0055] 光伏电池的物理参数随着光照温度的变化的转换方程目前还没有定论，本文只给出一种形式的转换方程，包括但不限于这一种形式：

[0056] Iph＝[Iph,ref+αIsc(T‑Tref)]·S/Sref   (2)

[0057]

[0058] Rs＝Rs,ref   (4)

[0059] Rsh＝Rsh,ref·Sref/S   (5)

[0060] n＝nref   (6)

[0061] 其中下标表示对应的参数在其参考条件下的值，S代表光照强度，αIsc表示短路电流的温度系数。任意工况下的五参数可以在获得参考条件下的参数后，通过转换方程得到。而本发明将含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，于是得到以下转换方程：

[0062] Iph＝A·S+B·T‑C   (7)

[0063]

[0064] Rs＝E   (9)

[0065] Rsh＝F/S   (10)

[0066] n＝G   (11)

[0067] 其中A‑G为常数，适用于任意条件。于是上式右侧就只含有光照和温度，应用大量不同光照温度下测量的I‑V曲线对其进行拟合，即可求得所有常数。这种转换之后，成功的将参考条件的影响消除了。

[0068] 但这种转换之后，会带来寻优参数多，且计算量大的问题。目前的方法一般当采用平均均方根误差 作为目标函数进行寻优，其定义为：

[0069]

[0070] 其中Np代表所有曲线上点的数目，Nl代表所有曲线的数目，N代表每条曲线上的点的数目，I(j,i)和 分别代表实测电流和计算电流。用 来表示计算值与实测值之间的误差，其值越小代表误差越小。这种目标函数需要计算所有点的电流来计算误差，计算量大，时间成本高。而通常只需要五个特殊点即可准确描述一条I‑V曲线。因此，本发明采用五个特殊点的误差作为目标函数，可以大大减少计算量。这五个特殊点分别为短路电流(Isc)点，开路电压(Voc)点,最大功率点(这里用最大功率点电流Im来表示)，开路电压的
0.6倍(0.6Voc)点和短路电流的0.6倍(0.6Isc)点。上述倍数可以考虑设置在0.5‑0.7之间，优选为0.6，此外，由于电压电流属于不同的量纲，为了进行误差相加，对其进行归一化处理，因此新的目标函数如公式(13)所示：

[0071]

[0072] 其中Isc(i),Voc(i),Im(i),I0.6Isc(i)V0.Voc(i)分别代表第i条I‑V实测曲线的短路电流，开路电压，最大功率点的电流，电流值为0.6倍的短路电流时的电流，电压值为0.6倍开路电压时的电压，下标‘开路电压代表对应的电流或电压的计算值。

[0073] 归一化后，每个点对结果的影响都是相同的，并且同时考虑了电流和电压的影响。简化后的目标函数在拟合过程中可以大大减少计算量。

[0074] 本公开实施例子为一种新的简化的提取多条件下光伏电池物理参数的方法，省略掉求取参考条件下的参数的步骤，通过一步寻优求解任意条件下的参数。相比于传统的由单一条件求取任意条件参数的方法，本发明不需要设置参考条件，并且适用于各种光伏电池等效电路模型和转换方程，采用不同工况下的大量I‑V数据求取任意条件下的参数，使计算结果更为合理和准确。此外本发明通过简化的目标函数，大大提高了计算效率。

[0075] 实施例二

[0076] 本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

[0077] 实施例三

[0078] 本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

[0079] 一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

[0080] 实施例四

[0081] 本实施例的目的是提供了光伏电池工作特性多条件参数预测的优化系统，包括：

[0082] 第一转换方程构建模块，获得光伏电池板等效电路模型，将其中含有参考条件的参数全部用未知系数来替换，获得第一转换方程；

[0083] 目标函数构建模块，输入不同工况下的I‑V曲线的短路电流、开路电压、最大功率点、开路电压的第一设定值倍点、短路电流的第二设定值倍点，以上述输入点的误差作为目标函数，利用该目标函数进行寻优；

[0084] 输入待预测条件的光照温度，获得对应的五个物理参数的值。

[0085] 本公开实施例子中的寻优算法，可以选用像粒子群算法，蜜蜂寻优算法，郊狼寻优算法等等，只要是能够给定需要寻优的参数后，找到能够使目标函数值最小的一组参数的算法即可。

[0086] 以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

[0087] 本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

[0088] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

[0089] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。