Реализация двухдиодной расчетной модели фотоэлектрического модуля для исследования переходных процессов в сети постоянного тока солнечных электростанций

  • Даниил [Daniil] Юрьевич [Yu.] Середкин [Seredkin]
  • Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Монаков [Monakov]
  • Санжар [Sanzhar] Алимович [A.] Шарапов [Sharapov]
Ключевые слова: защитные аппараты, переходный процесс, фотоэлектрические модуль и станция, двухдиодная, математическая и расчетная модели, повреждение

Аннотация

Цель настоящей работы — разработка и верификация расчетной модели фотоэлектрического модуля (ФЭМ) на основе двухдиодной математической модели в программной среде MATLAB/Simulink.

Рассмотрены тенденции и прогнозы дальнейшего развития фотоэлектрических установок. Описана математическая модель ФЭМ и приведен порядок получения параметров, не входящих в паспортные данные ФЭМ, но необходимых для реализации расчетной модели.

Выполнена верификация разработанной расчетной модели по паспортным данным моделируемого ФЭМ и значениям токов, напряжений и мощности ФЭМ в точке максимальной мощности (ТММ), полученным на тестовой установке в процессе эксплуатации. Дана классификация повреждений в массивах ФЭМ.

В дальнейшем полученные результаты будут использованы при разработке расчетной модели фотоэлектрической станции (ФЭС) для вычисления переходных процессов в массивах ФЭМ при повреждениях с учетом работы устройства слежения за ТММ с целью корректного выбора защитных аппаратов в цепях ФЭМ и разработки алгоритмов обнаружения и локализации данных повреждений.

По результатам проведенного исследования сделан вывод о необходимости учета влияния уровня инсоляции, температуры и деградации ФЭМ при расчете переходных процессов в фотоэлектрическом массиве.

Сведения об авторах

Даниил [Daniil] Юрьевич [Yu.] Середкин [Seredkin]

аспирант кафедры электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: SeredkinDY@mpei.ru

Юрий [Yuriy] Викторович [V.] Монаков [Monakov]

кандидат технических наук, заведующий кафедрой электрических станций НИУ «МЭИ», e-mail: MonakovYV@mpei.ru

Санжар [Sanzhar] Алимович [A.] Шарапов [Sharapov]

начальник отдела перспективного развития и технического сопровождения проектов ООО «Юнигрин Инжиниринг», e-mail: S.Sharapov@unigreen-energy.com

Литература

1. IEA Renewables 2021. Analysis and Forecast to 2026 [Электрон. ресурс] https://iea.blob.core.windows.net/assets/5ae32253-7409-4f9a-a91d-1493ffb9777a/Renewables2021-Analysisandforecastto2026.pdf (дата обращения 05.01.2022).
2. Statista. Average Installed Cost for Solar Photovoltaics Worldwide from 2010 to 2020 [Электрон. ресурс] https://www.statista.com/statistics/809796/global-solar-power-installation-cost-per-kilowatt/ (дата обращения 10.01.2022).
3. IEA PVPS. Annual Report 2021 Photovoltaic Power Systems Programme [Электрон. ресурс] https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2022/03/IEA-PVPS_Annual_Report_2021.pdf (дата обращения 10.08.2022).
4. IRENA. Solar Costs. International Renewable Energy Agency [Электрон. ресурс] https://www.irena.org/Statistics/View-Data-by-Topic/Costs/Solar-Costs (дата обращения 12.01.2021).
5. АРВЭ. Ежеквартальный информационный обзор рынка ВИЭ в России. I квартал 2022 [Электрон. ресурс] https://drive.google.com/file/d/1Mn2550Y0_xHTgdMkBn3L5TOg7lEMkCoj/view (дата обращения 31.07.2022).
6. Монаков Ю.В., Шарапов С.А., Середкин Д.Ю. Эффективность гетероструктурных фотоэлектрических модулей на территории России и корректность методики выбора защитных аппаратов в их цепях // Вестник МЭИ. 2021. № 6. С. 49—58.
7. Kontges M. e. a. Review of Failures of Photovoltaic Modules (External Final Rep. IEA-PVPS). Task 13. International Energy Agency (IEA), 2014.
8. De Lia F. e. a. Training on PV: Focus on Maintenance, Fault Research and Plant Performace Optimization // Proc. 27th European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exposition. Paris, 2013.
9. Klise G.T., Lavrova O., Gooding R. PV System Component Fault and Failure Compilation and Analysis. Albuquerque: Sandia National Lab., 2018.
10. Alam M.K., Khan F., Johnson J., Flicker J. A Comprehensive Review of Catastrophic Faults in PV Arrays: Types, Detection, and Mitigation Techniques // IEEE J. Photovoltaics. 2015. V. 5. No. 3. Pp. 982—997.
11. Nguyen X.H., Nguyen M.P. Mathematical Modeling of Photovoltaic Cell/module/arrays with Tags in Matlab/Simulink // Environ Syst Res. 2015. V. 4. Pp. 1—13.
12. Pandiarajan N., Muthu R. Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink // Proc. I Intern. Conf. Electrical Energy Syst. 2011. Pp. 258—263.
13. Syed I.M., Yazdani A. Simple Mathematical Model of Photovoltaic Module for Simulation in Matlab/Simulink // Proc. IEEE 27th Canadian Conf. Electrical and Computer Eng. 2014. Pp. 1—6.
14. Sinha D., Das A.B., Dhak D.K., Sadhu P.K. Equivalent Circuit Configuration for Solar PV Cell // Proc. I International Conf. Non Conventional Energy. 2014. Pp. 58—60.
15. Nahla M., Nor Zaihar Y., Balbir S. Single-diode Model and Two-diode Model of PV Modules: a Comparison // Proc. IEEE Intern. Conf. Control System, Computing and Eng. 2013. Pp. 210—214.
16. Habbati B., Ramdani Y., Moulay F. A Detailed Modeling of Photovoltaic Module Using Matlab // NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics. 2014. V. 3. Pp. 53—61.
17. Nehme B., Sirdi N., Akiki T., Naamane A. Contribution to the Modeling of Ageing Effects in PV Cells and Modules. Cardif, 2014.
18. Sangram B., Saini R.P. A Mathematical Modeling Framework to Evaluate the Performance of Single Diode and Double Diode Based SPV Systems // Energy Rep. 2016. V. 2. Pp. 171—187.
19. Yahfdhou A. e. a. Evaluation and Determination of Seven and Five Parameters of a Photovoltaic Generator by an Iterative Method // Smart Grid and Renewable Energy. 2016. V. 7(9). Pp. 247—260.
20. Tsai Huan-Liang, Ci-Siang Tu, Yi-Jie Su. Development of Generalized Photovoltaic Model Using Matlab/Simulink // Proc. World Congress Eng. and Computer Sci. San Francisco, 2008. Pp. 1—6.
21. Thanikanti Sudhakar Babu e. a. Parameter Extraction of Two Diode Solar PV Model Using Fireworks Algorithm // Solar Energy. 2016. V. 140. Pp. 265—276.
22. Ruschel C. e. a. Assessment of PV Modules Shunt Resistance Dependence on Solar Irradiance // Solar Energy. 2016. V. 133. Pp. 35—43.
23. Tarabsheh A., Akmal M. Calculation of the Shunt Resistance across the Absorber Layer of Hydrogenated Amorphous Silicon Photovoltaic Cells. // Proc. VI Intern. Conf. Electrical and Electronics Eng. Istanbul, 2019. Pp. 12—16.
24. Dezso S. Series Resistance Monitoring for Photovoltaic Modules in the Vicinity of MPP // Proc. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conf. 2010. Pp. 4506—4510.
25. Siddique H.A.B., Xu P., De Doncker R.W. Parameter Extraction Algorithm for One-diode Model of PV Panels Based on Datasheet Values // Proc. Intern. Conf. Clean Electrical Power. 2013. Pp. 7—13.
26. Sun Vat e. a. Evaluation of Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) of Glazed Photovoltaic Thermal Module // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. V. 28. P 101361.
27. Peshek T. e. a. Insights into Metastability of Photovoltaic Materials at the Mesoscale Through Massive I–V Analytics // J. Vacuum Sci. & Technol. B. Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 2016. V. 34. P. 050801.
---
Для цитирования: Середкин Д.Ю., Монаков Ю.В., Шарапов С.А. Реализация двухдиодной расчетной модели фотоэлектрического модуля для исследования переходных процессов в сети постоянного тока солнечных электростанций // Вестник МЭИ. 2023. № 2. С. 98—107. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-2-98-107.
#
1. IEA Renewables 2021. Analysis and Forecast to 2026 [Elektron. Resurs] https://iea.blob.core.windows.net/assets/5ae32253-7409-4f9a-a91d-1493ffb9777a/Renewables2021-Analysisandforecastto2026.pdf (Data Obrashcheniya 05.01.2022).
2. Statista. Average Installed Cost for Solar Photovoltaics Worldwide from 2010 to 2020 [Elektron. Resurs] https://www.statista.com/statistics/809796/global-solar-power-installation-cost-per-kilowatt/ (Data Obrashcheniya 10.01.2022).
3. IEA PVPS. Annual Report 2021 Photovoltaic Power Systems Programme [Elektron. Resurs] https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2022/03/IEA-PVPS_Annual_Report_2021.pdf (Data Obrashcheniya 10.08.2022).
4. IRENA. Solar Costs. International Renewable Energy Agency [Elektron. Resurs] https://www.irena.org/Statistics/View-Data-by-Topic/Costs/Solar-Costs (Data Obrashcheniya 12.01.2021).
5. ARVE. Ezhekvartal'nyy Informacionnyy Obzor Rynka VIE v Rossii. I Kvartal 2022 [Elektron. Resurs] https://drive.google.com/file/d/1Mn2550Y0_xHTgdMkBn3L5TOg7lEMkCoj/view (Data Obrashcheniya 31.07.2022). (in Russian).
6. Monakov Yu.V., Sharapov S.A., Seredkin D.Yu. Effektivnost' Geterostrukturnykh Fotoelektricheskikh Moduley na Territorii Rossii i Korrektnost' Metodiki Vybora Zashchitnykh Apparatov v Ikh Cepyakh. Vestnik MEI. 2021;6: 49—58 (in Russian).
7. Kontges M. e. a. Review of Failures of Photovoltaic Modules (External Final Rep. IEA-PVPS). Task 13. International Energy Agency (IEA), 2014.
8. De Lia F. e. a. Training on PV: Focus on Maintenance, Fault Research and Plant Performace Optimization. Proc. 27th European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exposition. Paris, 2013.
9. Klise G.T., Lavrova O., Gooding R. PV System Component Fault and Failure Compilation and Analysis. Albuquerque: Sandia National Lab., 2018.
10. Alam M.K., Khan F., Johnson J., Flicker J. A Comprehensive Review of Catastrophic Faults in PV Arrays: Types, Detection, and Mitigation Techniques. IEEE J. Photovoltaics. 2015;5;3:982—997.
11. Nguyen X.H., Nguyen M.P. Mathematical Modeling of Photovoltaic Cell/module/arrays with Tags in Matlab/Simulink. Environ Syst Res. 2015;4:1—13.
12. Pandiarajan N., Muthu R. Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink. Proc. I Intern. Conf. Electrical Energy Syst. 2011:258—263.
13. Syed I.M., Yazdani A. Simple Mathematical Model of Photovoltaic Module for Simulation in Matlab/Simulink. Proc. IEEE 27th Canadian Conf. Electrical and Computer Eng. 2014:1—6.
14. Sinha D., Das A.B., Dhak D.K., Sadhu P.K. Equivalent Circuit Configuration for Solar PV Cell. Proc. I International Conf. Non Conventional Energy. 2014:58—60.
15. Nahla M., Nor Zaihar Y., Balbir S. Single-diode Model and Two-diode Model of PV Modules: a Comparison. Proc. IEEE Intern. Conf. Control System, Computing and Eng. 2013:210—214.
16. Habbati B., Ramdani Y., Moulay F. A Detailed Modeling of Photovoltaic Module Using Matlab. NRIAG Journal of Astronomy and Geophysics. 2014;3:53—61.
17. Nehme B., Sirdi N., Akiki T., Naamane A. Contribution to the Modeling of Ageing Effects in PV Cells and Modules. Cardif, 2014.
18. Sangram B., Saini R.P. A Mathematical Modeling Framework to Evaluate the Performance of Single Diode and Double Diode Based SPV Systems. Energy Rep. 2016;2:171—187.
19. Yahfdhou A. e. a. Evaluation and Determination of Seven and Five Parameters of a Photovoltaic Generator by an Iterative Method. Smart Grid and Renewable Energy. 2016;7(9):247—260.
20. Tsai Huan-Liang, Ci-Siang Tu, Yi-Jie Su. Development of Generalized Photovoltaic Model Using Matlab/Simulink. Proc. World Congress Eng. and Computer Sci. San Francisco, 2008:1—6.
21. Thanikanti Sudhakar Babu e. a. Parameter Extraction of Two Diode Solar PV Model Using Fireworks Algorithm. Solar Energy. 2016;140:265—276.
22. Ruschel C. e. a. Assessment of PV Modules Shunt Resistance Dependence on Solar Irradiance. Solar Energy. 2016;133:35—43.
23. Tarabsheh A., Akmal M. Calculation of the Shunt Resistance across the Absorber Layer of Hydrogenated Amorphous Silicon Photovoltaic Cells.. Proc. VI Intern. Conf. Electrical and Electronics Eng. Istanbul, 2019:12—16.
24. Dezso S. Series Resistance Monitoring for Photovoltaic Modules in the Vicinity of MPP. Proc. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conf. 2010:4506—4510.
25. Siddique H.A.B., Xu P., De Doncker R.W. Parameter Extraction Algorithm for One-diode Model of PV Panels Based on Datasheet Values. Proc. Intern. Conf. Clean Electrical Power. 2013:7—13.
26. Sun Vat e. a. Evaluation of Nominal Operating Cell Temperature (NOCT) of Glazed Photovoltaic Thermal Module. Case Studies in Thermal Engineering. 2021;28:101361.
27. Peshek T. e. a. Insights into Metastability of Photovoltaic Materials at the Mesoscale Through Massive I–V Analytics. J. Vacuum Sci. & Technol. B. Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 2016;34:050801.
---
For citation: Seredkin D.Yu., Monakov Yu.V., Sharapov S.A. Development of a Photovoltaic
Module Two-Diode Model for Studying Transients in the Solar Power Plant DC Network.
Bulletin of MPEI. 2023;2:98—107. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-2-98-107.
Опубликован
2022-12-16
Раздел
Энергетические системы и комплексы (технические науки) (2.4.5)