基于stft算子的七參數(shù)光伏電池輸出特性建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于STFT算子的七參數(shù)光伏電池 輸出特性建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，化石能源的緊缺態(tài)勢以及環(huán)境污染問題日益突出，人 們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題，開發(fā)和利用可 再生能源迫在眉睫。其中，太陽能作為一種清潔、具有大規(guī)模開發(fā)前景的可再生能源之一， 在家庭用小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)、大型光伏并網(wǎng)電站、建筑一體化光伏玻璃幕墻、太陽能路 燈、風(fēng)光互補供電系統(tǒng)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注和深入研宄。
[0003] 太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)主 要由光伏電池陣列、蓄電池儲能系統(tǒng)、控制器和逆變器組成，其中光伏電池陣列是光伏發(fā)電 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過光伏電池陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能，通過逆變器將直流電能轉(zhuǎn) 化為與電網(wǎng)同頻同相的交流電能饋入電網(wǎng)。由于光伏電池建模精度及其實現(xiàn)程度的難易程 度對后級系統(tǒng)設(shè)計以及控制策略研發(fā)比如最大功率跟蹤（MPPT)控制，逆變器控制等具有 重要影響，因此，對光伏電池輸出特性的精確高效建模意義重大。
[0004] 光伏電池陣列的輸出功率與入射光輻照度、光伏電池工作溫度、入射光傾角以及 負載阻抗等均相關(guān)。光伏電池廠商通常僅提供有限的光伏電池面板運行參數(shù)，如開路電壓 V。。、短路電流Is。、最大功率點電流Imp與電壓Vmp、開路電壓溫度系數(shù)β。。、短路電流溫度系數(shù) as。、最大功率點溫度系數(shù)γπρρ以及額定運行溫度NOCT等。這些參數(shù)通常在標準額定條件 下（SRC，即輻照度1000W/m 2、面板工作溫度25°C，除NOCT測試條件為：福照度800W/m2、環(huán)境 溫度20攝氏度°C)測得。在上述標準額定條件下光伏電池面板的輸出功率最大，但在光伏 電池面板的實際運行過程中很難達到。因此，光伏電池的輸出功率雖上述環(huán)境因素和自身 工作參數(shù)的變化而變化，其輸出特性表征為不同運行參數(shù)條件下的多組非線性I-V特性曲 線。
[0005] 光伏電池的輸出特性可以通過目前廣泛應(yīng)用的等效電路模型描述，如圖1所示。 該等效電路包括一光生電流源、一與所述光生電流源并聯(lián)的反向二極管、一與所述反向二 極管并聯(lián)的等效并聯(lián)電阻以及一串聯(lián)電阻。上述等效電路模型包含5個未知參數(shù)，即，光 生電流I ph、二極管反向飽和電流I。、等效串聯(lián)電阻值Rs、等效并聯(lián)電阻值Rsh以及理想因子 a。由于建模精度高，上述5參數(shù)模型在光伏電池建模仿真中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于上 述等效電路模型的數(shù)學(xué)形式具有固有的超越方程特性，即等效反向二極管自身電壓與電流 之間存在迭代耦合，因而在系統(tǒng)仿真中會出現(xiàn)初值迭代以及失穩(wěn)現(xiàn)象，特別是在基于SPICE 的電路仿真分析軟件的光伏發(fā)電系統(tǒng)建模仿真中。因此，如何克服上述等效電路模型的超 越方程特性并有效利用廠家提供數(shù)據(jù)對模型中的未知參數(shù)進行精確求解，成為了光伏電池 輸出特性建模亟待解決的難題。
[0006] 目前，對超越方程可采用基于Lambert-W函數(shù)的解親方法，然而Lambert-W函數(shù)具 有嚴格的（_l/e，+)定義域限制，并且其計算精度以及計算效率均有待提高。
[0007] 而在既有的光伏電池等效電路模型未知參數(shù)求解方法中，常用的由固定理想因子 法以及函數(shù)優(yōu)化法。其中，固定理想因子法假定在恒定的理想因子條件下，利用迭代法等數(shù) 值計算方法對其余4個參數(shù)進行求解，但固定了 1個參數(shù)，會對模型整體的建模精確產(chǎn)生影 響。
[0008] 而對于函數(shù)優(yōu)化類方法，目前通常多為基于所述光伏電池等效電路模型的開路條 件、短路條件、最大功率點條件以及最大功率點梯度條件對所述5參數(shù)中的標準工況下的 理想因子a、等效串聯(lián)電阻R s和等效并聯(lián)電阻1等為目標變量進行優(yōu)化求解，而通過優(yōu)化得 到的a、R，P Rp通過開路條件求解標準工況下的二極管反向飽和電流I ^，并假定標準工況下 的光生電流近似為標準工況下的短路電流，這在一定程度上損失了模型的計算精度。此外， 光伏電池陣列工作點通常為不同運行工況下的最大功率點，以有效的利用光伏電池陣列的 輸出能效，因此，所構(gòu)建光伏電池輸出特性模型及其優(yōu)化參數(shù)也期望能夠在最大功率點處 有較好的模型精度，如匹配廠商提供的最大功率溫度系數(shù)參數(shù)以及最大功率點處的短路電 流溫度系數(shù)和開路電壓溫度系數(shù)的修正，而目前的光伏電池輸出特性建模以及參數(shù)求解中 均沒有效考慮上述因素的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于STFT算子的七參數(shù)光伏 電池輸出特性建模方法，該方法在實現(xiàn)輸出特性模型未知參數(shù)優(yōu)化匹配的同時，實現(xiàn)快速 精確的輸出特性解耦計算，提高基于所述光伏電池輸出特性模型的光伏電池發(fā)電系統(tǒng)的仿 真計算效率，為光伏電池發(fā)電系統(tǒng)的控制策略設(shè)計提供精確高效的模型基礎(chǔ)。
[0010] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0011] 一種基于STFT算子的七參數(shù)光伏電池輸出特性建模方法，包括以下步驟：
[0012] 步驟1 :建立光伏電池輸出特性的等效電路初始模型，并給出光伏電池輸出特性 的等效5參數(shù)超越方程；所述5參數(shù)包括光生電流Iph、二極管反向飽和電流I。、等效串聯(lián)電 阻值R s、等效并聯(lián)電阻值Rsh以及理想因子a ;
[0013] 步驟2 :定義STFT算子，根據(jù)STFT理論對步驟1中的光伏電池等效5參數(shù)超越方 程進行解耦，得到光伏電池的解耦顯式方程參數(shù)模型；
[0014] 步驟3 :利用光伏電池制造商提供的標準工況基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同工作條件下的 等效關(guān)系，建立標準工況解耦顯式方程參數(shù)模型未知參數(shù)的等式約束集合，建立非線性方 程組，通過非線性方程組求解算法求取所述未知參數(shù)；
[0015] 在參數(shù)求取過程中，引入短路電流溫度系數(shù)修正因子κ s。和開路電壓溫度系數(shù)修 正因子κ。。，優(yōu)化匹配最大功率點處的短路電流溫度系數(shù)和開路電壓溫度系數(shù)；
[0016] 步驟4 :根據(jù)步驟3中求取的標準工況下解耦顯式方程參數(shù)模型的未知參數(shù)值求 得解耦顯式方程參數(shù)模型在給定工況下的未知參數(shù)值；
[0017] 步驟5 :將所述給定工況下的未知參數(shù)值帶入所述光伏電池解耦顯式方程參數(shù)模 型中，得到最終的給定工況下綜合反映光伏電池輸出特性的光伏電池模型。
[0018] 所述步驟1中光伏電池輸出特性的等效5參數(shù)超越方程具體為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于STFT算子的七參數(shù)光伏電池輸出特性建模方法，其特征是，包括以下步 驟： 步驟1 :建立光伏電池輸出特性的等效電路初始模型，并給出光伏電池輸出特性的等 效5參數(shù)超越方程；所述5參數(shù)包括光生電流Iph、二極管反向飽和電流I。、等效串聯(lián)電阻值 Rs、等效并聯(lián)電阻值Rsh以及理想因子a; 步驟2 :定義STFT算子，根據(jù)STFT理論對步驟1中的光伏電池等效5參數(shù)超越方程進 行解耦，得到光伏電池的解耦顯式方程參數(shù)模型； 步驟3 :利用光伏電池制造商提供的標準工況基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)不同工作條件下的等效 關(guān)系，建立標準工況解耦顯式方程參數(shù)模型未知參數(shù)的等式約束集合，建立非線性方程組， 通過非線性方程組求解算法求取所述未知參數(shù)； 在參數(shù)求取過程中，引入短路電流溫度系數(shù)