[논문 리뷰] 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)|2020. 05. 13.

Photovoltaic System Optimization Techniques참고 문헌 51인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양전지(PV) 모듈의 단일 다이오드 모델을 파arameter화하기 위해 필요한 다섯 번째 방정식을 유도하기 위한 새로운 분석 방법을 제안한다. 이 방법은 P-I 특성 곡선 상의 최대출력점(MPP) 조건을 이용하며, 반복적 또는 근사적 기법을 제거함으로써 뛰어난 정확도를 달성한다. 실제 I-V 및 P-V 곡선을 시뮬레이션할 때 기존의 단일 및 이중 다이오드 모델 기법들을 뛰어넘는 성능을 보이며, PWP-201의 경우 RMSE가 3.68×10⁻³ A로 가장 낮고, RTC France의 경우 7.97×10⁻⁴ A로 나타나 가장 높은 정확도를 확보하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 다이오드 모델 파arameter화에 필요한 다섯 번째 독립 방정식을 정확하게 유도하는 데 오랜 기간 지속된 과제를 해결하고자 한다.
• 기존 문헌에서 다섯 번째 방정식을 유도할 때 사용된 반복적 또는 근사적 방법으로 인한 정확도 저하 문제를 제거하고자 한다.
• 실험 측정치와 근사적으로 일치하는 I-V 및 P-V 곡선을 시뮬레이션할 수 있도록 안정적이고 반복이 없는 분석적 접근법을 개발하고자 한다.
• 제안된 방법이 단일 다이오드 모델 뿐만 아니라 고급 이중 다이오드 모델 기법들 역시 초월하는 정확도를 확보하고 있음을 입증하고자 한다.

제안 방법

• P-I 특성 곡선 상의 최대출력점(MPP) 조건을 이용하여 다섯 번째 방정식을 유도함으로써 물리적 일관성을 확보한다.
• MPP의 전압 및 전류를 이용해 Iph, Is, n, Rs, Rsh의 다섯 개의 미지수를 연결하는 정확한 분석적 제약 조건을 설정한다.
• 주요 데이터시트의 측정치와 MPP 조건을 기반으로 독립적이고 반복이 없는 다섯 개의 방정식을 구성한다.
• MATLAB의 fsolve 함수를 사용하여 시스템을 해석적으로 풀어 유일하고 정확한 파arameter 세트를 확보한다.
• PWP-201 및 RTC France 태양전지 모듈의 실험 데이터와 비교하여 I-V 및 P-V 곡선을 시뮬레이션함으로써 모델을 검증한다.
• 기존의 단일 및 이중 다이오드 모델 기법들과의 성능 비교를 위해 RMSE를 정량적 평가 지표로 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반복적 또는 근사적 방법에 의존하지 않고, 단일 다이오드 모델 파arameter화를 위한 다섯 번째 방정식을 어떻게 도출할 수 있는가?
• RQ2 P-I 곡선 상의 MPP 조건에 기반한 분석적 수식이 기존의 메타휴리스틱 또는 근사적 접근법보다 더 정확한 I-V 및 P-V 곡선 시뮬레이션을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법이 단일 다이오드 모델 뿐만 아니라 이중 다이오드 모델 파arameter화 기법들 역시 초월하는 정확도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법을 사용할 경우, 최신 기술 대비 정량적 정확도 향상 수준은 RMSE 기준으로 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 PWP-201 태양전지 모듈에서 기존 비교 기법들 중 가장 낮은 RMSE인 3.68×10⁻³ A를 달성하였다.
• RTC France 모듈의 경우, 다음으로 우수한 방법(8.24×10⁻⁴ A)보다도 낮은 RMSE인 7.97×10⁻⁴ A를 기록하였다.
• 그림 6 및 그림 8에서 볼 수 있듯이, 모든 측정 포인트에서 제안된 방법의 절대 오차는 모든 기준 기법들보다 일관되게 낮게 유지된다.
• 이 방법은 단일 다이오드 모델 뿐만 아니라, 혼합된 고급 최적화 기법(예: 혼돈적 고래 최적화(CWO) 및 적응형 WDO)를 사용하는 이중 다이오드 모델 역시 초월한다.
• P-I 곡선 상의 MPP를 이용한 분석적 유도 방식은 반복 알고리즘의 필요성을 제거함으로써 계산 복잡도를 감소시키면서도 정확도를 향상시킨다.
• 결과적으로 제안된 방법이 실제 태양전지 모듈의 I-V 및 P-V 특성을 가장 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 확인하였다.