CN103280825A - 一种光伏电站多台逆变器协调控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电站多台逆变器协调控制装置及其控制方法，主要通过模糊控制方法获得控制量完成整个装置的控制。本发明，不仅使得逆变器工作在额定功率附近，进而提高系统的效率，而且，逆变器的协调控制减小了谐波电流的影响，能够实现光伏发电系统最大功率跟踪控制。

Description

一种光伏电站多台逆变器协调控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制装置及方法，特别涉及一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，还特别涉及一种光伏电站多台逆变器协调控制方法。

背景技术

能源危机和生态环境是人类目前所面临的两大挑战。传统的煤、石油等已经很难满足可持续能源发展战略要求。长远看来，可再生能源将成为未来人类的主要能源。而太阳能作为一种清洁、无污染、易得的可再生能源，成为最重要的可再生能源之一，具有广泛的应用前景。太阳能利用主要有太阳能热利用和太阳能光伏发电利用，太阳能光伏发电系统具有无噪音、无污染、建设周期短、安全可靠等优点，近年来得到广泛应用。目前，在德国、西班牙、美国和日本等已经得到了广泛应用。其中，2009年，德国以3.2GWp的安装总量，居世界首位。发展太阳能光伏发电系统，对缓解能源短缺和减少环境污染具有重要意义。

太阳能光伏发电系统主要由太阳电池板组件、控制器和逆变器组成。虽然太阳能光伏发电系统具有诸多优点，但其本身也具有一些缺点，如一次性投入成本较高等，当逆变器工作在低功率时，其效率非常低，从而导致整个系统效率的下降。同时，容易产生谐波电流，对电网造成污染。随着光伏技术的不断发展，大规模光伏发电系统成为未来光伏的主要发展方向。由于光伏电池组件的不匹配和部分阴影遮挡或者个别损坏，若进行大量串、并联，会导致系统效率下降。所以，实际工程中，一般采用多台中小型逆变器，每台逆变器接有数目相对较少的光伏电池组件。若在光照较弱的条件下，逆变器工作在低功率条件下，这将导致逆变器的效率大大下降，从而导致整个光伏发电系统效率的严重下降。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的系统效率下降的问题和不足，本发明的目的是提供一种光伏电站多台逆变器协调控制装置。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，包括：

光伏阵列，将太阳辐射能转换为电能；

直流母线，用于汇集光伏阵列产生的直流电能；

逆变器，用于将光伏阵列的直流电能转换为交流电能；

交流母线，用于汇集逆变器输出的交流电能；

并联开关，用于控制光伏阵列产生的电流在直流母线上的汇集；

串联开关，用于控制逆变器的工作状态；

还包括，检测器，用于检测太阳辐射强度和光伏阵列产生的电流；

控制器，用于控制并联开关组件和串联开关组件工作和光伏阵列的最大功率跟踪控制；

其中，所述光伏阵列通过串联开关与逆变器连接，光伏阵列连接在直流母线上，所述并联开关设置在直流母线上，并联在光伏阵列之间，所述逆变器连接着交流母线上，所述检测器分别与控制器和光伏阵列连接，所述控制器与串联开关相连。

其中，光伏阵列优选由光伏电池组件构成。

进一步，并联开关和串联开关优选为继电器开关。

本发明还涉及一种光伏电站多台逆变器协调控制方法，其步骤为：

步骤1：定义输入变量：太阳辐射强度e1，光伏阵列检测电流e2；定义输出变量：控制信号u；

步骤2：设定输入变量e1、e2和输出变量u的论域；

步骤3：设定输入变量e1和e2的范围；

步骤4：根据公式将检测到的输入变量转换成论域中的值，式中，x′表示输入变量转换后的值，x表示输入变量的检测值，a和b分别表示输入变量的最小值和最大值；

步骤5：将输入变量转换后的值x′代入三角形隶属函数中，获得输入变量的模糊子集；

步骤6：根据获得的输入变量的模糊子集得到输出变量的模糊子集；

步骤7：将获得的输出变量的模糊子集经过解模糊过程获得的输出变量在论域中的映射值，将输出变量的论域进行等级划分，根据划分的等级控制并联开关和串联开关的工作。

进一步，步骤2中所述的论域为[-6，6]。

进一步，步骤7中所述的划分的等级有三个。

有益效果：本发明与现有技术相比，不仅使得逆变器工作在额定功率附近，进而提高系统的效率，而且，逆变器的协调控制减小了谐波电流的影响，能够实现光伏发电系统最大功率跟踪控制。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为控制器结构框图；

图3为输入、输出变量的各个模糊集合及隶属度函数示意图；

图4为重心法解模糊过程示意图之一；

图5为重心法解模糊过程示意图之二；

图6为模糊推理过程和解模糊过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，检测器1分别与控制器2和4个串联开关6连接，控制器2与串联开关6和并联开关3连接，用于控制各开关的工作状态，其中，4个光伏阵列4分别通过4个串联开关6与4个逆变器7连接，4个光伏阵列4分别连接在直流母线5上，3个并联开关3设置在直流母线5上，并联在4个光伏阵列4之间，4个逆变器7分别连接在交流母线8上。

检测器1检测太阳辐射强度并检测光伏阵列4产生的电流，估算出系统的发电量，进而得到需要工作的逆变器7的台数。控制器2根据检测器1检测到的信号，进行模糊推理得到需要工作的逆变器台数，并通控制并联开关3和串联开关6的状态，实现逆变器7的智能协调控制。逆变器7输出的交流经过交流母线8进行交流汇集。直流母线5主要是由直流配电柜构成，可以将各个阵列的直流电流进行汇集，得到一定功率需求。图1中四个光伏阵列B1、B2、B3、B4产生的电流分别通过并联开关S1、S2、S3和直流母线5进行直流汇集，得到一定功率需求。

交流母线8是将逆变器7输出的交流电能进行汇集，得到一定功率的交流电能，因为当逆变器的容量较小时，逆变出的交流电能能量非常小，不满足负载或者并网要求，所以设计了交流母线装置，一般由交流配电柜构成。

当该台逆变器不需要工作时，即可使该串联开关6断开，该串联开关6在常态下，即太阳辐射强度较强时，处于常闭合状态。并联开关3是将各个光伏阵列4进行并联，如光伏阵列B1和B2之间通过并联开关S1连接，在太阳辐射强大较低时，使S1闭合，得到光伏阵列B1和B2并联电能，已获得较高的电能提供给逆变器A1，同时断开串联开关K2，使得逆变器A2处于断开状态。并联开关3在常态下，即太阳辐射强度较强时，处于常开状态。并联开关3和串联开关6需要使用继电器开关，能够实现弱电控制强电，并可实现微机控制。

检测器是用来检测太阳辐射强度和光伏阵列的重要参数，如光伏阵列的瞬时电流、电压、温度等。

逆变器是将光伏阵列得到的直流电能转换为交流电能的装置，一般可由绝缘栅双极晶体管等功率器件构成。

该控制器是基于模糊逻辑推理的一种智能控制器，具有良好的鲁棒性能和自适应性能。

如图2所示，控制器主要是通过知识库将两个输入量模糊化，再通过知识库将模糊化的值进行模糊推理，最后通过知识库进行解模糊，最后得到控制量，其中，知识库为存储控制规则和检测参数的数据库。

具体步骤如下：

步骤1：定义输入变量：太阳辐射强度e1，光伏阵列检测电流e2；定义输出变量：控制信号u；

步骤2：设定输入变量e1、e2和输出变量u的论域为[-6，6]；

步骤3：设定输入变量e1和e2的范围；

步骤4：根据公式

$x^{\′}=\frac{12}{b-a}(x-\frac{a+b}{2})---\left(1\right)$

将检测到的输入变量转换成论域中的值，式中，x′表示输入变量转换后的值，x表示输入变量的检测值，a和b分别表示输入变量的最小值和最大值；

步骤5：将输入变量转换后的值x′代入三角形隶属函数中，获得输入变量的模糊子集；

如图3所示，输入变量隶属于各模糊子集的隶属度，隶属度函数均采用三角形隶属度函数。

输入变量的模糊子集设计为：F(e1)=F(e2)=F(u)={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}即输入变量的被分为7个模糊子集，分别为：正大PB，正中PM，正小PS，零ZE，负小NS，负中NM，负大NB。定义太阳辐射强度e1的变化范围为[0，2500W.m²]，光伏阵列检测电流e2的变化范围为[0，1000A]，经过变换公式(1)均可变换为标准论域[-6，6]区间范围内，如e1=1500W.m²时，对应于标准论域的值为：

$x^{\′}\left(1\right)=\frac{12}{2500-0}(1500-\frac{2500+0}{2})=1.2---\left(2\right)$

e2=800A时，对应于标准论域的值为：

$x^{\′}\left(2\right)=\frac{12}{1000-0}(800-\frac{1000+0}{2})=3.6---\left(3\right)$

由图3可知：μ_ZE(e1＝1500)＝0.2，μ_PS(e1＝1500)＝0.4；   (4)μ_PS(e2＝800)＝0.1，μ_PM(e2＝800)＝0.6；   (5)

其中，μ_ZE(e1＝1500)为e1=1500W.m²时对应模糊子集ZE的隶属度，μ_PS、μ_PM同理。e1=1500W.m²，即x′(1)＝1.2时属于PS的隶属度最大，e2=800A，即x′(2)＝3.6时属于PM的隶属度最大，这样完成了模糊化过程。

步骤6：根据获得的输入变量的模糊子集进行模糊推理得到输出变量的模糊子集；

步骤7：将获得的输出变量的模糊子集经过解模糊过程获得的输出变量在论域中的映射值，将输出变量的论域进行等级划分，根据划分的等级控制并联开关和串联开关的工作。

以模糊化过程的输入量x′(1)＝1.2，x′(2)＝3.6为例，说明模糊推理与解模糊过程，模糊化过程已经求得该输入量的隶属度，如式(4)和(5)所示。如表1所示，可知以下4条模糊规则有效，其余模糊规则由于其隶属度为零，所以控制规则无效。

表1

(1)：IF e1 isPS and e2 is PS then u1 is NS

(2)：IF e1 is ZE and e2 is PS then u1 is NS

(3)：IF e1 is ZE and e2 is PM then u1 is NS

(4)：IF e1 is PS and e2 is PS then u1 is NM

由以上四条控制规则，根据L.A.Zadeh的模糊推理算法，得解模糊过程如下：

规则(1)：输入变量e1的隶属度为0.4，输入变量e2的隶属度为0.1，如图5浅色阴影部分所示，两个前件的隶属度最小值为0.1，在输出模糊集U_NS在0.1处取得截集，如图4所示的深色阴影部分。

按规则(1)分别求得规则(2)、(3)、(4)输出截集，取四个控制规则输出集合的并集，即每个控制规则得到的深色阴影部分的截集，得到总输出变量的模糊集合如图6深色阴影部分所示，再按照重心法则，对输出模糊量进行输出判断，图5中竖线即为重心所在位置，得到控制量y=1.19，在MATLAB软件中，模糊推理过程及解模糊过程如图6所示，图中Input1=1.2表示输入变量x′(1)＝1.2，Input2=3.6表示输入变量x′(2)＝3.6，Output1=1.19，表示系统的控制量y=1.19。

控制器输出的控制信号需要进行转换，才能控制逆变器的工作状态。对控制器输出变量划分为三个等级：控制器根据输出变量的值属于的等级来发出控制信号。

等级一：-6≤y＜-2；

等级二：-2≤y＜2；

等级三：2≤y≤6；

各等级对应的逆变器工作状态和开关组件状态：

等级一：逆变器A1工作，A2、A3、A4断开，对应的开关组件状态为：

S1＝1，S2＝1，S3＝1；

K1＝1，K2＝0，K3＝0，K4＝0；

等级二：逆变器A1、A3工作，A2、A4断开，对应的开关组件状态为：

S1＝1，S2=0，S3＝1；

K1＝1，K2＝0，K3＝1，K4＝0；

等级三：逆变器A1、A2、A3、A4都工作，对应的开关组件状态为：

S1＝0，S2＝0，S3＝0；

K1＝1，K2=1，K3＝1，K4＝1；

其中，K1＝1：表示开关K1闭合，S1＝0表示开关S1断开，以此类推。

当输入变量x′(1)＝1.2、x′(2)＝3.6时，根据本发明的模糊控制算法，可得到系统控制量y＝1.19，根据等级划分准则，-2≤y＝1.19＜2；所以属于等级二，从而逆变器的工作状态为：

逆变器A1、A3工作，A2、A4断开，对应的开关组件状态为：

S1＝1，S2＝0，S3＝1；

K1=1，K2＝0，K3＝1，K4＝0。

Claims (6)

1.一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，包括： 

光伏阵列，将太阳辐射能转换为电流； 

直流母线，用于汇集光伏阵列产生的直流电能； 

逆变器，用于将光伏阵列的直流电能转换为交流电能； 

交流母线，用于汇集逆变器输出的交流电能； 

并联开关组件，用于控制光伏阵列产生的电流在直流母线上的汇集； 

串联开关组件，用于控制逆变器的工作状态； 

其特征在于：还包括，检测器，用于检测太阳辐射强度和光伏阵列产生的电流； 

控制器，用于控制并联开关组件和串联开关组件工作和光伏阵列的最大功率跟踪控制； 

其中，所述光伏阵列通过串联开关组件与逆变器连接，光伏阵列连接在直流母线上，所述并联开关设置在直流母线上，并联在光伏阵列之间，所述逆变器连接在交流母线上，所述检测器分别与控制器和光伏阵列连接，所述控制器与串联开关组件相连。 

2.根据权利要求1所述一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，其特征在于：所述光伏阵列由光伏电池组件构成。 

3.根据权利要求1所述一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，其特征在于：所述的并联开关和串联开关为继电器开关。 

4.一种权利要求1所述的一种光伏电站多台逆变器协调控制方法，其特征在于： 

步骤1：定义输入变量：太阳辐射强度e1，光伏阵列检测电流e2；定义输出变量：控制信号u； 

步骤2：设定输入变量e1、e2和输出变量u的论域； 

步骤3：设定输入变量e1和e2的范围； 

步骤4：根据公式

将检测到的输入变量转换成论域中的值，式中，x′表示输入变量转换后的值，x表示输入变量的检测值，a和b分别表示输入变量的最小值和最大值； 

步骤5：将输入变量转换后的值x′代入三角形隶属函数中，获得输入变量的 模糊子集； 

步骤6：根据获得的输入变量的模糊子集得到输出变量的模糊子集； 

步骤7：将获得的输出变量的模糊子集经过解模糊过程获得的输出变量在论域中的映射值，将输出变量的论域进行等级划分，根据划分的等级控制并联开关组件和串联开关组件的工作。 

5.根据权利要求4所述一种光伏电站多台逆变器协调控制方法，其特征在于：步骤2中所述的论域为[-6,6]。 

6.根据权利要求4所述一种光伏电站多台逆变器协调控制装置，其特征在于：步骤7中所述的划分的等级有三个。 

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