近幾年，隨著生態(tài)問題的日益突出，不可再生能源的過度使用，對環(huán)境造成了不小的影響，比如近幾年我國霧霾尤其嚴(yán)重，這就凸顯出清潔可再生能源的重要性了。近年來，光伏產(chǎn)業(yè)作為可再生能源工業(yè)的代表，在人們生活的各個(gè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用。光伏組件輸出特性由光照強(qiáng)度和外界溫度等要素有關(guān)[1]。通常，生產(chǎn)商僅提供光伏組件在標(biāo)況下的外部輸出特性曲線和對應(yīng)的電氣銘牌參數(shù)。而在實(shí)際應(yīng)用中，光伏組件基本不會在標(biāo)況下運(yùn)行，所以獲得光伏組件在不同條件下的外部輸出特性和對應(yīng)的電氣參數(shù)具有實(shí)際意義，同時(shí)也為光伏組件不同工況下的運(yùn)行狀況分析提供依據(jù)。

由于光伏組件的輸出特性隨外界環(huán)境變化明顯，所以選擇合適的光伏組件模型并對其內(nèi)部5參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確辨識便成為需要解決的問題[2]。選擇典型的單二極管模型，并且該模型在工程應(yīng)用中也具有高精度[3]。對于參數(shù)辨識的方法主要分為近似的數(shù)學(xué)解析法和基于優(yōu)化算法的參數(shù)辨識方法。文獻(xiàn)[4-5]采用近似的數(shù)學(xué)解析算法，對于參數(shù)近似的數(shù)學(xué)解析算法中，由于存在復(fù)雜的超越非線性函數(shù)，且有些參數(shù)直接近似取固定值，使得計(jì)算出的參數(shù)準(zhǔn)確度大大降低；文獻(xiàn)[6]采用CPSO算法，雖然收斂精度達(dá)到了，但迭代次數(shù)多。總之，基于智能優(yōu)化算法的參數(shù)識別方法在準(zhǔn)確度和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢，但大部分傳統(tǒng)的優(yōu)化算法還是存在著易陷入早熟或迭代尋優(yōu)次數(shù)過多等問題。所以在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)量子粒子群算法對光伏組件內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行辨識，既解決了PSO算法陷入局部最優(yōu)的問題，又解決了尋優(yōu)過程中迭代次數(shù)過多問題。此外，光伏組件外部輸出特性和內(nèi)部五參數(shù)隨外界環(huán)境變化呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此如何準(zhǔn)確地預(yù)測出不同工況下的輸出特性曲線和對應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)意義重大。

1光伏電池理論模型和目標(biāo)函數(shù)

1.1 光伏電池理論模型

光伏電池是利用光生電效應(yīng)把太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，其單二極管模型如圖1所示[7]。

由圖1得出光伏組件內(nèi)部參數(shù)等效電流和電壓表達(dá)式：

式中，U為負(fù)載兩端電壓，I為通過負(fù)載的電流，Iph為光生電流，Io為二極管反向飽和電流，A為二極管影響因子，Rs為電池串聯(lián)電阻，Rsh為電池并聯(lián)電阻，T為電池的絕對溫度，K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23 J/K)，q為電荷常數(shù)(1.6×10-19 C)。其中Iph、Io、A、Rs、Rsh為待辨識參數(shù)。

1.2 目標(biāo)函數(shù)的建立

基于上述光伏組件的理論模型特點(diǎn)，將改進(jìn)量子粒子群算法引入其中，從而準(zhǔn)確提取該模型中的未知5參數(shù)的值。文獻(xiàn)[8]引用Lambert W函數(shù)簡化光伏電池電流I的顯式表達(dá)式：

其中X=(Iph，Io，A，Rs，Rsh)為每個(gè)粒子的位置向量，代表5個(gè)電池模型的參數(shù)值。Ical和Imea分別為算法辨識的參數(shù)帶入式(2)中所得到的辨識電流值和實(shí)際的電流值。適應(yīng)度值越小，表示辨識參數(shù)越準(zhǔn)確。

2算法介紹

2.1 量子粒子群

2004年，sun等人提出量子粒子群算法(QPSO)，QPSO是從量子力學(xué)的角度提出的量子空間中的粒子滿足聚集的性質(zhì)。粒子的聚集由顆粒運(yùn)動的中心的束縛狀態(tài)描述，粒子運(yùn)動的中心是存在于粒子中的一種吸引力。處于束縛狀態(tài)的粒子可以以一定的概率密度出現(xiàn)在量子空間中的任何點(diǎn)。粒子的迭代過程在文獻(xiàn)[9]中詳細(xì)描述。

2.2 改進(jìn)量子粒子群算法

由于在QPSO算法中的種群初始化是采用隨機(jī)分布的[10]，所以種群初始化存在一定的局限性，無法遍歷整個(gè)區(qū)域。從而提出對其種群進(jìn)行混沌初始化，以提高粒子初始化遍歷范圍，同時(shí)在尋優(yōu)過程中對局部最優(yōu)解進(jìn)行混沌化處理，以防止陷入局部最優(yōu)解。混沌學(xué)由E.N.洛倫茲提出，由于混沌狀態(tài)與一般的無規(guī)則狀態(tài)不同，其主要特征有規(guī)律性、隨機(jī)性和遍歷性，所以混沌理論已經(jīng)成為一個(gè)新的和潛在的優(yōu)化工具。由于混沌序列具有上述優(yōu)點(diǎn)，因此利用混沌序列用于初始化粒子，可以提高粒子初始化的遍歷性，從而為尋優(yōu)精度和收斂速度奠定基礎(chǔ)。Logistic混沌方程[11]如式(4)所示：

式中，0≤Z0≤1，Zi為第i個(gè)變化量，μ為控制系數(shù)。

3基于參數(shù)辨識的光伏組件輸出特性預(yù)測實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算例

根據(jù)光伏組件5參數(shù)特性，在MATLAB/Simulink中建立光伏組件仿真模型[11]，得出相應(yīng)的參數(shù)辨識數(shù)據(jù)。模型中光伏組件標(biāo)況下的電氣參數(shù)為Im=4.95 A，Vm=35.2 V，Voc=44.2 V，Isc=5.2 A；為了驗(yàn)證上述參數(shù)辨識方法的精確性和快速性，對仿真模型在標(biāo)況下的一組數(shù)據(jù)，采用PSO、QPSO、CQPSO和CPSO 4種方法分別進(jìn)行辨識并做對比試驗(yàn)，試驗(yàn)都迭代100次，由于適應(yīng)度函數(shù)值大小直接可以反映出參數(shù)辨識的精度，圖2為不同方法迭代后的適應(yīng)度值變化圖，表1為不同算法辨識出的光伏組件參數(shù)值。結(jié)合表1和圖2的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像顯示可得出，CQPSO算法適應(yīng)度值為0.037 014，相比于PSO的0.542 4，收斂精度要高許多，且迭代次數(shù)只需要18次便收斂了，相比于QPSO都迭代33次和文獻(xiàn)[8]中的CPSO迭代68次要快速許多，所以改進(jìn)量子粒子群既避免陷入局部最優(yōu)，提高了收斂精度，又加快了收斂的速度，說明此算法可以準(zhǔn)確地對光伏組件內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行辨識，且優(yōu)化了其他算法易陷入局部最優(yōu)和迭代次數(shù)過多的問題。

在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步說明參數(shù)辨識對輸出特性預(yù)測的準(zhǔn)確性，本文分別運(yùn)用了在仿真模型條件下通過改變溫度和光強(qiáng)的3種不同工況下給定的50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將其帶入改進(jìn)的量子粒子群算法中進(jìn)行模型參數(shù)辨識，得出的參數(shù)結(jié)果如表2。同時(shí)用算法辨識結(jié)果擬合出對應(yīng)不同工況下的輸出特性I-U曲線，如圖3。

通過圖3的比較可以看出，辨識出的參數(shù)值與給定值誤差較小，辨識出光伏組件功率曲線與設(shè)定值曲線重合度較高，說明此算法對于不同工況下的參數(shù)辨識都有較高的準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證對輸出特性預(yù)測精度，本文引進(jìn)了預(yù)測電流百分誤差函數(shù)PE，如式(5)所示，對輸出特性中具有代表性的最大功率點(diǎn)電流Imp準(zhǔn)確性進(jìn)行比較，如表3。表中誤差率絕對值均小于0.5%，說明此方法對仿真模型輸出特性預(yù)測是非常有效且適用的。

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證算例

為了驗(yàn)證此預(yù)測模型在實(shí)際環(huán)境下的預(yù)測效果，本文在輻照度為260 W/m2、光伏電池板溫度為37 ℃(310K)的工況下，用算法進(jìn)行參數(shù)辨識和輸出特性預(yù)測精度的驗(yàn)證。在該工況下選取45個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行辨識，通過傳統(tǒng)數(shù)學(xué)解析算法和本文改進(jìn)兩種算法分別辨識出內(nèi)部參數(shù)值，如表4所示。把表4中不同算法對應(yīng)的辨識參數(shù)代入式(2)原方程中擬合出3種算法對應(yīng)的實(shí)測數(shù)據(jù)輸出特性曲線，如圖4所示。把圖4中擬合的3個(gè)電流值帶入到式(5)的電流百分比誤差函數(shù)中，得到圖5中3種算法的預(yù)測電流誤差百分比。

從表4中適應(yīng)度值可得出，改進(jìn)算法在實(shí)測數(shù)據(jù)條件下依然能得到高精度的辨識參數(shù)值，證明此算法在參數(shù)辨識上的準(zhǔn)確性和可適用性。從圖4中兩種方法擬合出的輸出特性曲線可看出不同算法辨識曲線差距很大，而本文算法使實(shí)際測量值和擬合曲線基本重合，擬合程度較高說明對電流預(yù)測的準(zhǔn)確性。圖5中預(yù)測電流誤差百分比可看本文算法電流誤差率幾乎為0，也說明此方法對輸出特性預(yù)測具有較高的準(zhǔn)確性，從而充分驗(yàn)證在實(shí)測條件下對光伏組件輸出特性預(yù)測的精確度。

綜上所述，算例中分別采用不同算法對仿真模型下的光伏組件進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)辨識，比較得出本文算法的準(zhǔn)確性和快速性。并通過此算法準(zhǔn)確地對不同工況下的光伏組件輸出特性進(jìn)行預(yù)測，再通過本文算法與傳統(tǒng)的迭代算法在實(shí)測光伏組件數(shù)據(jù)下進(jìn)行辨識并對輸出特性進(jìn)行預(yù)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明算法對參數(shù)辨識的準(zhǔn)確性以及輸出特性預(yù)測的正確性和有效性。

4結(jié)論

本文通過改進(jìn)算法對光伏組件內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行了準(zhǔn)確辨識，將光伏組件仿真模型和實(shí)際環(huán)境下的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了參數(shù)辨識和輸出特性的預(yù)測實(shí)驗(yàn)。在仿真試驗(yàn)中，首先通過3種粒子群算法對標(biāo)況下光伏組件5參數(shù)進(jìn)行辨識，得出改進(jìn)量子粒子群算法收斂速度快且精度高，同時(shí)避免陷入局部最優(yōu)，說明此方法在仿真模型下的參數(shù)辨識有效性和準(zhǔn)確性；再通過改進(jìn)量子粒子群算法對不同溫度和光強(qiáng)下光伏組件進(jìn)行參數(shù)辨識，通過辨識結(jié)果擬合出對應(yīng)的輸出特性曲線，并計(jì)算出電流誤差百分比，從而驗(yàn)證及說明了此方法對仿真模型下輸出特性預(yù)測的準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證此方法對參數(shù)辨識的準(zhǔn)確性和對輸出特性預(yù)測的有限性，本文采用了具有一般性的工況(S=260 W/m2，T=37 ℃)下的實(shí)測數(shù)據(jù)對此方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明此方法具有一般工程適用性，且準(zhǔn)確度較高。本文對光伏組件參數(shù)辨識及輸出特性預(yù)測具有廣泛適用性，可為光伏組件中最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、故障診斷等問題研究提供支持，具有較高的工程使用價(jià)值和推廣意義。