[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的解析方法，用于推导光伏（PV）组件单二极管模型的第五个方程，该方法基于P-I特性曲线上的最大功率点（MPP）条件。通过消除迭代或近似技术，该方法实现了更高的精度——在PWP-201上实现了最低的均方根误差（RMSE）3.68×10⁻³ A，在RTC France上实现了7.97×10⁻⁴ A，优于单二极管和双二极管模型方法，在模拟真实I-V和P-V曲线方面表现更优。

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.

研究动机与目标

• 为解决长期以来在准确推导单二极管模型参数化所需第五个独立方程方面的挑战。
• 消除以往文献中用于第五个方程所采用的迭代或近似方法带来的不准确性。
• 开发一种稳健的非迭代解析方法，确保模拟的I-V和P-V曲线与实验测量值高度吻合。
• 证明所提出的方法在精度上不仅优于单二极管模型，也优于先进的双二极管模型。

提出的方法

• 基于功率-电流（P-I）特性曲线上的最大功率点（MPP）条件推导第五个方程，确保物理一致性。
• 利用MPP电压和电流形成精确的解析约束，将五个未知参数（Iph, Is, n, Rs, Rsh）关联起来。
• 从关键数据表参数点和MPP条件出发，建立五个独立的、非迭代的方程组。
• 使用MATLAB的fsolve函数求解该方程组，确保收敛至唯一且精确的参数集。
• 通过模拟I-V和P-V曲线并与PWP-201和RTC France光伏组件的实验数据对比，验证模型。
• 采用RMSE作为定量指标，对所提方法与现有单二极管和双二极管模型技术的性能进行基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖迭代或近似方法的前提下，推导出单二极管模型参数化的第五个方程？
• RQ2 基于MPP条件的解析公式是否能比现有的元启发式或近似方法提供更精确的I-V和P-V曲线模拟？
• RQ3 所提出的方法是否在精度上优于单二极管和双二极管模型参数化技术？
• RQ4 与最先进的替代方法相比，使用所提出方法在模拟精度上的定量提升（以RMSE衡量）是多少？

主要发现

• 所提出方法在PWP-201光伏组件上实现了3.68×10⁻³ A的RMSE，低于所有对比方法中的最低值。
• 对于RTC France组件，该方法实现了7.97×10⁻⁴ A的RMSE，显著低于次优方法（8.24×10⁻⁴ A）。
• 如图6和图8所示，所提出方法在所有测量点上的绝对误差始终低于所有基准方法。
• 该方法不仅优于单二极管模型，也优于双二极管模型，包括采用高级优化技术（如混沌鲸鱼优化CWO）和自适应WDO的模型。
• 基于P-I曲线上MPP的解析推导消除了对迭代算法的需求，降低了计算复杂度，同时提升了精度。
• 结果证实，所提出方法能最准确地模拟光伏组件的实际I-V和P-V特性。