一种光伏发电系统输出功率建模及估算方法

摘要

本发明公开一种光伏发电系统输出功率建模及估算方法，光伏发电系统输出功率建模方法包括：根据太阳能电池片电流电压特性模型建立光伏组件电流电压特性模型；简化光伏组件电流电压特性模型；根据简化的光伏组件电流电压特性模型建立光伏发电系统输出功率模型。光伏发电系统输出功率估算方法包括：创建光伏发电系统输出功率模型；获取光伏组件标准测试条件下的特性参数，求解输出功率模型中的参数；取得原始气象参数；将气象参数校正为光伏组件实际工作温度以及吸收的有效辐照；将校正后的气象参数输入模型，求解光伏组件输出功率。本发明可实现对光伏发电系统的输出功率精确估算，帮助电站设计人员进行效益分析，实现光伏发电系统输出功率预测。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，特别是涉及一种光伏发电系统输出功率建 模及估算方法。

背景技术

光伏发电系统发电功率受气象因素影响极大，尤其是受太阳辐照度与 环境温度影响较为明显。近年来，国内光伏电站安装总量逐年上升，当气 象条件剧烈变化时，大规模安装的光伏电站将严重影响电网稳定，降低电 能质量。此外，对于光伏发电系统设计人员，预先估算所建电站发电功率 也显得尤为重要。因此，建立精确的光伏发电系统输出功率模型并对其输 出功率精确估算已变的愈发重要。

目前，从国内外文献可知，基于电站历史发电数据和气象数据，利用 神经网络建模估算或预测电站功率的方法较为普遍。但相对于国外，我国 日辐照数据收集起步较晚，且广大地区历史数据缺乏，难以通过大量数据 训练网络。因此越来越多的学者提出了结合数值天气预报和光伏发电系统 物理模型的功率预测方法，其中较为常见的为单二极管模型。但该模型参 数较多，求解不便。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是基于简化的光伏组件模型， 公开一种光伏发电系统输出功率模型，并公开了本模型估算光伏发电系统 输出功率的估算方法。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种光伏发电系统输出功率建模方法，其特征在于，该方法包括如下 步骤：

a.根据传统的太阳能电池片电流电压特性模型，建立光伏组件电流电 压特性模型；

b.简化上述光伏组件电流电压特性模型；

c.根据简化的光伏组件电流电压特性模型，建立光伏发电系统输出功 率模型。

所述的光伏组件电流电压特性模型，可由下式给出：

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\{e^{\frac{q(V+R_{s}I)}{{\mathrm{nK}}_{b}T}}-1\}-\frac{V+R_{s}I}{R_{\mathrm{sh}}}$

其中：I与V分别为太阳能电池片输出电流与电压；I_ph为光生电流；I₀为太阳能电池片P-N结等效二极管反向饱和电流；n为二极管理想因子；q 为电子电荷，1.6×10^-19C；K_b为波耳兹曼常数；T为光伏组件工作温度； R_s和R_sh分别为太阳能电池片内部等效串联电阻与并联电阻。

所述简化的光伏组件电流电压特性公式由下式给出：

$I=I_{\mathrm{SC}}-\frac{I_{\mathrm{SC}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC}}}{R_{\mathrm{sh}}}{(k+1)}^{(\frac{V+R_{s}I}{V_{\mathrm{OC}}}-1)}-\frac{V+R_{s}I}{R_{\mathrm{sh}}}$

其中I_SC与V_OC为光伏组件所处当前环境下的短路电流与开路电压，k 为模型中间参数。

所述光伏发电系统输出功率模型，由简化的光伏组件电流电压特性公 式推导出光伏发电系统输出功率，由以下公式给出：

P_{MPP_Array}=N_pN_sV_MPPI_MPP

式中P_{MPP_Array}为光伏发电系统输出功率，N_p与N_s分别为光伏阵列中并 联的光伏组件个数和串联的光伏组件个数；V_MPP与I_MPP分别为单个光伏组 件工作于最大功率点处的电压与电流值。V_MPP与I_MPP由以下两方程联立求 解：

$I_{\mathrm{SC}}-I_{\mathrm{MPP}}-\frac{I_{\mathrm{SC}}-R_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC}}}{R_{\mathrm{sh}}}{(k+1)}^{(\frac{V_{\mathrm{MPP}}+R_s{I}_{\mathrm{MPP}}}{V_{\mathrm{OC}}}-1)}-\frac{V_{\mathrm{MPP}}+R_s{I}_{\mathrm{MPP}}}{R_{\mathrm{sh}}}=0$

$V_{\mathrm{MPP}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_s+\frac{(V_{\mathrm{MPP}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_s)(I_{\mathrm{SC}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC}})}{V_{\mathrm{OC}}}{(k+1)}^{\left(\frac{V_{\mathrm{MPP}}+I_{\mathrm{MPP}}{R}_s-V_{\mathrm{OC}}}{V_{\mathrm{OC}}}\right)}\ln (k+1)=0.$

一种光伏发电系统输出功率估算方法，包括如下步骤：

a.创建所述光伏发电系统输出功率模型；

b.获取光伏组件标准测试条件下的特性参数，通过输出功率模型参数 求解方法，求解模型参数；

c.获取原始气象参数，包括环境温度与地表水平辐照度；

d.将气象参数校正为光伏组件实际工作温度以及吸收的有效辐照；

e.将校正后的气象参数输入模型，通过光伏发电系统输出功率求解方 法，估算光伏发电系统输出功率。

所述的输出功率模型参数的求解方法，参数求解方法如下：

1）获取光伏组件在标准测试条件下的开路电压V_OC,ref，短路电流I_SC,ref， 最大功率点处电压V_MPP,ref与电流I_MPP,ref，联立以下两方程，数值迭代求解 参数R_s与R_sh，R_s和R_sh分别为太阳能电池片内部等效串联电阻与并联电阻：

$V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s+(V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s)\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

$\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

$\ln \left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)=0$

$\frac{R_s}{R_{\mathrm{sh}}}+(\frac{R_s}{R_{\mathrm{sh}}}-1)\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

${\left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)}^{\left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)}$

$\ln \left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)=0$

2）求解出参数R_s与R_sh后，由下式求解标准测试条件下参数k，记为 k_ref：

$k_{\mathrm{ref}}{=}^{(\frac{V_{\mathrm{MPP}}+I_{\mathrm{MPP}}{R}_s}{V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}-1)}\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}}.$

所述的气象参数校正方法，光伏组件安装平面辐照以下公式求解：

$S=(S_B+S_D{A}_T)\frac{\cos \theta }{\cos {\theta }_Z}+S_D(1-A_T)\left(\frac{1+{\cos \beta }_T}{2}\right)+S_H\rho \left(\frac{1-{\cos \beta }_T}{2}\right)$

式中S、S_B、S_D、S_H分别为倾斜平面辐照、太阳直射辐照、散射辐照 和水平总辐照；θ为太阳入射角，θ_Z为天顶角，β_T为倾斜平面倾角；A_T为 各向异性指数，ρ为环境反射率。

光伏组件实际工作温度由下式计算：

$T=T_{\mathrm{amb}}+\frac{T_{\mathrm{NOCT}}}{800}S$

其中为T_amb为气象预报的环境温度，T_NOCT为光伏组件标称工作温度， T和S分别为任意环境下光伏组件温度与吸收的有效辐照。

所述的光伏发电系统输出功率求解方法，该方法包括以下步骤：

1）获取光伏组件短路电流温度系数α，开路电压温度系数β，开路电 压辐照度修正系数a，由下式计算任意辐照和温度环境下的光伏组件短路电 流I_SC与开路电压V_OC：

$I_{\mathrm{SC}}=I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}[1+\alpha (T-T_{\mathrm{ref}})]\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}$

$V_{\mathrm{OC}}=V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}[1+a\ln \left(\frac{S}{S_{\mathrm{ref}}}\right)+\beta (T-T_{\mathrm{ref}})]$

其中T_ref为标准测试条件下的光伏组件温度，25℃，S_ref为标准测试条 件下辐照度，1000W/m²，I_SC与V_OC分别为当前环境中的光伏组件短路电流 与开路电压。

2）基于上述已求解出的任意环境下光伏组件短路电流与开路电压，由 下式求解出任意环境下模型参数k：

$\frac{\ln (k+1)}{\ln (k_{\mathrm{ref}}+1)}=\frac{V_{\mathrm{OC}}{T}_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}T}$

3）求解参数R_s，R_sh和k之后，依照所述光伏发电系统输出功率模型 即可求解出光伏发电系统输出功率。

本发明所达到的有益效果：

本发明求解简便，可实现对光伏发电系统的输出功率精确估算，帮助 电站设计人员进行效益分析，基于较高精度的气象预报数据，也可实现光 伏发电系统输出功率预测。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1是具体实施例中所估算的光伏发电系统结构图；

图2是发明光伏发电系统输出功率建模及估算方法总流程图；

图3是2013年9月23日应用本发明估算功率曲线与实测光伏发电系 统功率曲线对比图；

图4是2013年9月25日应用本发明估算功率曲线与实测光伏发电系 统功率曲线对比图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

针对河海大学建成的分布式并网系统，本发明采用如图2的流程方法 对该系统输出直流功率进行了估算。

如图1所示，该并网系统由44块常州天合光能公司生产的TMS-PC05 240W组件串并联组成。该型号光伏组件在标准测试条件下的特性参数如下 表所示：

其中开路电压辐照修正系数a为户外实测值。在获取光伏组件在标准测试 条件下的开路电压V_OC,ref，短路电流I_SC,ref，最大功率点处电压V_MPP,ref与电 流I_MPP,ref之后，联立以下两方程，迭代求解参数R_s与R_sh：

$V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s+(V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s)\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

$\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

$\ln \left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)=0$

$\frac{R_s}{R_{\mathrm{sh}}}+(\frac{R_s}{R_{\mathrm{sh}}}-1)\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}$

${\left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)}^{\left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)}$

$\ln \left(\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}+I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}\right)=0$

采用数值解法，解得R_s值为0.343Ω，R_sh值为5956Ω。

求解出参数R_s与R_sh后，由下式求解标准测试条件下参数k，记为k_ref：

$k_{\mathrm{ref}}{=}^{(\frac{V_{\mathrm{MPP}}+I_{\mathrm{MPP}}{R}_s}{V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}-1)}\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP},\mathrm{ref}}{R}_s-V_{\mathrm{MPP}}}{I_{\mathrm{SC},\mathrm{ref}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC},\mathrm{ref}}}}.$

求得k_ref值为2.9301×10⁹。

本具体实施例中，为便于对比所公开的光伏发电系统输出功率估算模 型与光伏发电系统实际输出功率，分别于2013年9月23日与9月25日， 记录了逆变器所测直流功率数据。同时，方便起见，采用了与光伏组件共 面安装的辐照度传感器，现场测得了共面辐照度作为校正后的光伏阵列实 际接收辐照；采用现场测得组件背板温度作为校正后的组件工作温度。

将上述已校正的气象参数输入先前已求解出模型参数的光伏发电系统 输出功率模型，联立下式，数值求解出单个光伏组件输出功率：

$I_{\mathrm{SC}}-I_{\mathrm{MPP}}-\frac{I_{\mathrm{SC}}{R}_{\mathrm{sh}}-V_{\mathrm{OC}}}{R_{\mathrm{sh}}}{(k+1)}^{(\frac{V_{\mathrm{MPP}}+R_s{I}_{\mathrm{MPP}}}{V_{\mathrm{OC}}}-1)}-\frac{V_{\mathrm{MPP}}+R_s{I}_{\mathrm{MPP}}}{R_{\mathrm{sh}}}=0$

$V_{\mathrm{MPP}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_{\mathrm{sh}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_s+\frac{(V_{\mathrm{MPP}}-I_{\mathrm{MPP}}{R}_s)(I_{\mathrm{SC}}{R}_{\mathrm{sh}}-R_{\mathrm{OC}})}{V_{\mathrm{OC}}}{(k+1)}^{\left(\frac{v_{\mathrm{mpp}}+I_{\mathrm{mpp}}-V_{\mathrm{OC}}}{V_{\mathrm{OV}}}\right)}\ln (k+1)=0$

再由所求单个光伏组件输出功率，由下式估算出光伏发电系统输出功率：

P_{MPP_Array}=4×11×V_MPPI_MPP

如图3、图4所示，9月23日、25日光伏发电系统输出功率估算模型 计算的功率曲线与实测光伏发电系统功率曲线比较表明，本发明的估算曲 线与实测曲线匹配性好。其中全天功率百分误差、相关系数如下表所示：

由表可见，本发明可实现对光伏发电系统输出直流功率的精确估算，满 足科研以及工程实际应用。

其中，平均百分比误差（MPE）由下式求解：

式中n为全天光伏发电系统功率样本总数。

相关系数（R）由下式求解：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说 明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提 下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本 发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。