[論文レビュー] An Accurate Analytical Approach for the Parameterization of the Single Diode Model of Photovoltaic Cell

Muhammad Saqib Ali, Syed Muhammad Raza Kazmi|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Photovoltaic System Optimization Techniques参考文献 51被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、太陽電池（PV）モジュールの単一ダイオードモデルのパrameter化に必要な第5の式を導出するための新規な解析的手法を提案する。この手法は、P-I特性曲線上の最大出力点（MPP）条件を用いる。反復的または近似的手法を排除することで、優れた精度を達成し、PWP-201では3.68×10⁻³ A、RTC Franceでは7.97×10⁻⁴ Aという最小のRMSEを示した。これは、単一および二重ダイオードモデルの手法を上回り、実際のI-VおよびP-V曲線のシミュレーションにおいて優れた性能を発揮した。

ABSTRACT

A single diode model with five parameters is the simplest and robust approach for modeling a photovoltaic (PV) module in a simulated environment. These parameters need to be accurately extracted from the specifications given in the datasheet of the PV module such that the simulation model should exhibit the same characteristics as the actual measurements. A definite set of five independent equations, that should represent the characteristics of the PV module as accurately as possible, is needed to solve for these five parameters. In literature, the first four equations are easily created from the key data points on the characteristic curve given in the datasheet of the PV module. The main challenge however is the formulation of the fifth equation. The approaches found in literature have inherent inaccuracies due to some approximations or iterative techniques leading to discrepancy in the simulated model. This paper presents a unique analytical approach for the formulation of the fifth equation which yields the most accurate single diode model. As evident from the results, the proposed method is superior to not just the single diode model approaches but also to the double diode ones in simulating the characteristics of the PV module with least error.

研究の動機と目的

• 単一ダイオードモデルのパrameter化に必要な第5の独立方程式を正確に導出するという長年の課題に取り組むこと。
• 先行研究で用いられている反復的または近似的手法による第5の式の不正確さを解消すること。
• 実験測定値とシミュレートされたI-VおよびP-V曲線が一致するよう、安定で反復を要しない解析的手法を開発すること。
• 提案手法が単一ダイオードモデルだけでなく、高度な二重ダイオードモデルの手法をも上回る精度を示すことを実証すること。

提案手法

• P-I特性曲線上の最大出力点（MPP）条件を用いて第5の式を導出し、物理的整合性を確保する。
• MPPにおける電圧と電流を用いて、未知パrameter（Iph, Is, n, Rs, Rsh）を正確に結びつける解析的制約を形成する。
• 主要なデータシートの測定ポイントとMPP条件から、5つの独立的かつ反復を要しない方程式系を構築する。
• MATLABのfsolve関数を用いて方程式系を解き、一意で高精度なパrameterセットへの収束を保証する。
• PWP-201およびRTC FranceのPVモジュールの実験データと比較して、I-VおよびP-V曲線のシミュレーションを行い、モデルを検証する。
• 性能評価の定量的指標としてRMSEを用い、既存の単一および二重ダイオードモデル手法と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反復的または近似的手法に依存せずに、単一ダイオードモデルのパrameter化のための第5の式をどのように導出できるか。
• RQ2 P-I曲線上のMPP条件に基づく解析的定式化は、既存のメタヒューリスティック的手法や近似手法よりも、より高いI-VおよびP-V曲線のシミュレーション精度を達成できるか。
• RQ3 提案手法は、単一ダイオードモデルおよび二重ダイオードモデルのパrameter化手法をすべて上回る精度を達成できるか。
• RQ4 提案手法を用いることで、最先端の代替手法と比較して、シミュレーション精度の定量的向上（RMSEで測定）はどの程度であるか。

主な発見

• 提案手法はPWP-201 PVモジュールにおいて、3.68×10⁻³ AというRMSEを達成し、比較対象のすべての手法の中で最小であった。
• RTC Franceモジュールでは、7.97×10⁻⁴ AというRMSEを達成し、次に精度の高かった手法（8.24×10⁻⁴ A）を顕著に上回った。
• 図6および図8に示すように、すべての測定ポイントにおいて、提案手法の絶対誤差は、すべてのベンチマーク手法よりも一貫して低かった。
• 提案手法は、単一ダイオードモデルをはるかに上回るだけでなく、混沌としたクジラ最適化（CWO）や適応的WDOを用いた高度な最適化手法を用いた二重ダイオードモデルに対しても優れた性能を示した。
• P-I曲線上のMPPを用いた解析的導出により、反復アルゴリズムの必要がなくなり、計算複雑性が低減するとともに、精度が向上した。
• 結果から、提案手法が実際のPVモジュールのI-VおよびP-V特性を最も正確にシミュレートできることを確認した。