CN104079009B - 一种并网光伏电源直流电能传输控制方法 - Google Patents

Abstract

一种并网光伏电源直流电能传输控制方法，所述方法由光伏发电系统的综合控制器根据定时接收的电网调度信息和利用实时采集的光伏电源运行信息计算出的光伏电源实际出力，计算出为达到控制目标DC/DC电能传输控制装置所需要的占空比，并根据计算结果对连接于光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置的运行状态进行实时调节,同时计算出光伏电源当前运行状态下备用功率容量预估值，并向电网调度系统反馈当前的出力状态和备用功率容量。本发明不仅可以按照调度命令灵活地调节光伏发电系统的出力，还可以最大限度地提高光伏电源的光能利用率，增强光伏发电系统直流母线电压的稳定性，为整个光伏发电系统的稳定运行奠定了技术基础。

Description

一种并网光伏电源直流电能传输控制方法

技术领域

本发明涉及一种将并网光伏发电系统中光伏电源所发直流电能按电网调度命令传输给直流母线的控制方法，属于电力传输技术领域。

背景技术

具备直流母线的并网光伏发电系统运行时，利用光伏电池组件构成的光伏电源将光能转换为直流电能。若光伏电源与直流母线直接相连，则光伏电能经直流母线由逆变器输入交流电网；如果光伏电源通过最大功率点跟踪（MPPT）装置与直流母线相连，光伏电能则先由MPPT装置传送到直流母线，然后经逆变器输入交流电网。逆变器连接在直流母线与交流电网之间，负责将直流电能转换为交流电能并将其传送给交流电网。如果光伏电源与直流母线之间安装了MPPT装置，MPPT装置负责将光伏电能以最大功率方式传送到直流母线以提高光伏电源的光能利用率；如果光伏电源与直流母线之间未安装MPPT装置，则逆变器兼具最大功率跟踪控制功能。

因为光伏电池组件安装区域的阳光照度与环境温度等自然条件经常发生变化，光伏电源的发电能力（最大发电功率）经常处于变化之中，所以光伏电源经直流母线和逆变器传送到电网的功率经常随机变化，而电网中依靠光伏电能供电的负载需求功率也在不断波动，二者的变化趋势与变化程度不会一致。这种光伏电源与负载需求之间一直存在的随机变化的不平衡功率导致了光伏发电系统无法为电网提供满足调度要求的高质量电能，电网需要增加相应的旋转备用容量以维持其自身的运行稳定性，这样就降低了系统的综合经济效益。如果光伏发电系统容量较大而电网中旋转备用容量不足，光伏发电系统则无法正常并网运行。

解决上述问题的有效办法就是根据电网调度计划合理地控制光伏发电系统的出力，相应的具体措施主要包括采用储能系统对随机变化的不平衡功率进行缓冲控制的方法和直接对光伏电源的输出功率进行调整的方法。目前，采用储能系统调控并网光伏发电系统运行状态的研究与应用正在进行中，并已有一些研究成果；而对于光伏电源输出功率进行直接控制的研究还处于起步阶段，且主要集中在光伏电源最大功率跟踪控制方法的研究方面。现有的各类MPPT控制方法只能保证光伏电源以其最大发电功率输出光伏电能，无法解决光伏电源与电网负载之间存在的随机功率不平衡问题。因此，在光伏电源与直流母线之间应该加装更为有效的电能传输控制装置，或者直接对光伏发电系统中已安装的MPPT装置进行控制方法的改进与更新，使光伏电源能够按照电网调度的要求输出直流电能，这样可以有效提高光伏并网系统的运行稳定性、改善电网的综合经济效益。但到目前为止，能够遵循电网调度指令的光伏电源输出直流电能的精准控制方法还未见报导。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种并网光伏电源直流电能传输控制方法，它能够改变并网光伏发电系统中光伏电源的直流电能输出特性，使光伏电源发电功率按调度指令传输给直流母线。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种并网光伏电源直流电能传输控制方法，所述方法由光伏发电系统的综合控制器根据定时接收的电网调度信息和利用实时采集的光伏电源运行信息计算出的光伏电源实际出力（输出功率），计算出为达到控制目标DC/DC电能传输控制装置所需要的占空比，并根据计算结果对连接于光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置的运行状态进行实时调节，同时计算出光伏电源当前运行状态下备用功率容量预估值，并向电网调度系统反馈当前的出力状态和备用功率容量，所述方法按照以下步骤进行：

a.在光伏发电系统运行过程中，综合控制器定时采集电网调度系统传送来的调度指令和出力计划数据P_D，实时采集光伏电源的输出电压信号U和输出电流信号I，实时采集直流母线电压信号，并利用采集的信号计算出光伏电源当前实际输出功率P_T=k*U*I，k为DC/DC电能传输控制装置的运行效率；

b.综合控制器根据电网调度指令和光伏电源实际出力情况对连接于光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置的传输功率进行实时控制，自动调整光伏电源的运行状态：

①、如果调度指令允许光伏发电系统工作于自由发电模式，为了提高光伏电源的光能利用率，综合控制器以最大传输功率为控制目标计算出DC/DC电能传输控制装置的占空比，并对控制装置进行占空比调节,使光伏电源运行于最大发电功率状态；

②、如果调度指令要求光伏发电系统运行于调度计划模式，综合控制器首先判断光伏电源当前实际输出功率是否满足调度计划的要求，如果满足则DC/DC电能传输控制装置保持原有控制状态不变，如果不满足则按照如下规则对DC/DC电能传输控制装置进行占空比调节：

若光伏电源实际出力大于出力计划，则计算出DC/DC电能传输控制装置应该减小的占空比增量，并减小控制装置的占空比以减少光伏电源的输出功率；若光伏电源实际出力小于调度计划，则计算出DC/DC电能传输控制装置应该增加的占空比增量，并增大控制装置的占空比以提高光伏电源的输出功率；如果5倍的主电路时间常数调节时间后光伏电源的实际输出功率仍然小于调度计划功率，则表明光伏电源运行在其发电能力范围以外，DC/DC电能传输控制装置自动调节到最大功率传输控制模式；

c.综合控制器计算出光伏电源当前运行状态下备用功率容量预估值，并将光伏电源的实际输出功率P_T和备用功率容量P_R定时返送给电网调度系统。

上述并网光伏电源直流电能传输控制方法，在光伏电源发电能力范围以内，即出力计划小于光伏电源的最大发电功率时，综合控制器按照（1）式计算DC/DC电能传输控制装置的占空比和占空比增量，光伏电源的备用功率容量P_R按照（2）式进行预估计算：

（1）

（2）

光伏电源运行于最大发电功率状态时，按照（3）式对DC/DC电能传输控制装置的占空比参数进行计算，此时，光伏电源备用功率容量P_R为零：

（3）

以上公式中，P_T为光伏电源的实时输出功率，P_T=k*U*I；k为DC/DC电能传输控制装置的运行效率；U为光伏电源实际输出电压；I为光伏电源实际输出电流；；k₁为光伏电源功率系数；U₀为光伏电源空载电压；为每次调节前占空比的初始值。

本发明依据电网调度信息实时调节光伏电源与直流母线之间DC/DC电能传输控制装置的占空比，使光伏电源的出力满足电网调度计划的要求。光伏电源的实际出力信息和备用功率容量信息定时返送回电网调度系统，可为电网调度部门进一步优化出力计划数据提供参考。该方法不仅可以按照调度命令灵活地调节光伏发电系统的出力，还可以最大限度地提高光伏电源的光能利用率，增强光伏发电系统直流母线电压的稳定性，为整个光伏发电系统的稳定运行奠定了技术基础。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明所对应的并网光伏发电系统电能传输控制原理图。

图中各符号清单为：I、光伏电源输出电流，U、光伏电源输出电压，C1、输入滤波电容，C2、输出滤波电容，L、储能电感，T、带反并联二极管的IGBT模块，D、防反二极管，P_T、光伏电源传送到直流母线的实际功率，P_D、电网调度系统下发的光伏电源出力计划数据，P_R、光伏电源备用功率容量，、占空比，、占空比增量。

具体实施方式

图1是本发明所对应的并网光伏发电系统的电能传输控制原理图，光伏发电系统主要包括光伏电源、DC/DC电能传输控制装置、直流母线、DC/AC逆变器、综合控制器等部分。其中DC/DC电能传输控制装置由输入滤波电容C1、输出滤波电容C2、储能电感L、IGBT模块T、防反二极管D等构成。

系统运行时，光伏电源负责将光能转换为直流电能；DC/DC电能传输控制装置负责将需要的直流电能传输到直流母线以控制光伏电源的运行状态；直流母线负责直流电能的聚集和分配；DC/AC逆变器负责将直流电能转换为交流电能并传送给交流电网；综合控制器负责定时接收电网调度系统的调度信息，实时采集光伏电源的运行信息，计算出DC/DC电能传输控制装置的占空比并进行调节，快速计算出光伏电源的备用功率容量，定时将光伏电源的出力信息和备用功率容量信息返送回电网调度系统。

综合控制器是该发明实施的核心部分，主要包括电网调度通讯单元、运行状态监测单元、计算分析单元和IGBT触发控制单元。运行过程中综合控制器定时接收电网调度信息，实时采集光伏电源的运行信息，快速计算出DC/DC电能传输控制装置的占空比并通过触发控制单元对DC/DC电能传输控制装置进行占空比调节；同时快速计算出光伏电源的备用功率容量，定时将光伏电源的出力信息和备用功率容量信息返送回电网调度系统。

本方法按照以下步骤进行：

a.定时接收电网调度系统传送来的调度指令和出力计划数据P_D；实时采集光伏电源的输出电压信号和输出电流信号，实时采集直流母线电压信号；快速计算出光伏电源当前实际输出功率P_T。

b.根据电网调度指令和光伏电源实际出力情况对DC/DC电能传输控制装置的传输功率进行实时控制，自动调整光伏电源的运行状态。

①、如果调度指令允许光伏发电系统工作于自由发电模式，综合控制器以最大传输功率为控制目标快速计算出DC/DC电能传输控制装置的占空比，并对控制装置进行占空比调节。此时光伏电源备用功率容量P_R为零。

②、如果调度指令要求光伏发电系统运行于调度计划模式，综合控制器首先判断光伏电源当前实际输出功率是否满足调度计划，如果满足则DC/DC电能传输控制装置保持原有控制状态不变，如果不满足则按照如下规则对DC/DC电能传输控制装置进行占空比调节。

若光伏电源实际出力大于出力计划，则快速计算出DC/DC电能传输控制装置应该减小的占空比增量，并减小控制装置的占空比以减少光伏电源的输出功率。若光伏电源实际出力小于调度计划，则快速计算出DC/DC电能传输控制装置应该增加的占空比增量，并增大控制装置的占空比以提高光伏电源的输出功率。如果光伏电源的发电能力太弱无法满足调度计划，DC/DC电能传输控制装置则运行在最大功率传输控制模式，此时光伏电源备用功率容量P_R为零。

在光伏电源发电能力范围以内，按照（1）式对DC/DC电能传输控制装置的占空比参数进行计算，并在DC/DC电能传输控制装置中对该参数进行实时调整；光伏电源的备用功率容量P_R按照（2）式进行预估计算。在光伏电源发电能力范围以外或电网调度允许的最大功率运行方式，按照（3）式对DC/DC电能传输控制装置的占空比参数进行计算，并在DC/DC电能传输控制装置中对该参数进行调整。此时，光伏电源备用功率容量P_R为零。

c.将光伏电源的实际输出功率P_T和备用功率容量P_R定时返送给电网调度系统。

对于具备直流母线的并网光伏发电系统，利用本方法控制光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置或MPPT控制电路，光伏电源将按照电网调度的要求输出直流电能。另外，电网调度系统随时能够获得光伏电源的实际出力情况和备用功率容量信息，可以进一步优化出力计划数据，有效提高光伏并网系统的运行稳定性。

Claims (2)

1.一种并网光伏电源直流电能传输控制方法，其特征是，所述方法由光伏发电系统的综合控制器根据定时接收的电网调度信息和利用实时采集的光伏电源运行状态数据计算出的光伏电源实际输出功率，计算出为达到控制目标DC/DC电能传输控制装置所需要的占空比，并根据计算结果对连接于光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置的运行状态进行实时调节,同时计算出光伏电源当前运行状态下光伏电源备用功率容量，并向电网调度系统反馈当前的出力状态和光伏电源备用功率容量作为调控数据；

所述方法按照以下步骤进行：

a.在光伏发电系统运行过程中，综合控制器定时采集电网调度系统传送来的调度指令和出力计划数据P_D，实时采集光伏电源的输出电压信号和输出电流信号，实时采集直流母线电压信号,并利用采集的信号计算出光伏电源当前实际输出功率P_T＝k*U*I，k为DC/DC电能传输控制装置的运行效率；

b.综合控制器根据电网调度指令和光伏电源实际出力情况对连接于光伏电源与直流母线之间的DC/DC电能传输控制装置的传输功率进行实时控制，自动调整光伏电源的运行状态，运行状态分为两种：

①、光伏发电系统工作于自由发电模式，综合控制器以最大传输功率为控制目标计算出DC/DC电能传输控制装置的占空比，并对控制装置进行占空比调节,使光伏电源运行于最大发电功率状态；

②、光伏发电系统运行于调度计划模式，综合控制器首先判断光伏电源当前实际输出功率是否满足调度计划的要求，如果满足则DC/DC电能传输控制装置保持原有控制状态不变，如果不满足则按照如下规则对DC/DC电能传输控制装置进行占空比调节：

若光伏电源实际出力大于出力计划，则计算出DC/DC电能传输控制装置应该减小的占空比增量，并减小控制装置的占空比以减少光伏电源的输出功率；若光伏电源实际出力小于调度计划，则计算出DC/DC电能传输控制装置应该增加的占空比增量，并增大控制装置的占空比以提高光伏电源的输出功率；如果5倍的主电路时间常数调节时间后光伏电源的实际输出功率仍然小于调度计划功率，则表明光伏电源运行在其发电能力范围以外，DC/DC电能传输控制装置自动调节到最大功率传输控制模式；

c.综合控制器计算出光伏电源当前运行状态下光伏电源备用功率容量，并将光伏电源的实际输出功率P_T和光伏电源备用功率容量P_R定时返送给电网调度系统。

2.根据权利要求1所述的一种并网光伏电源直流电能传输控制方法，其特征是，在光伏电源发电能力范围以内，即出力计划小于光伏电源的最大发电功率时，综合控制器按照(1)式计算DC/DC电能传输控制装置的占空比R和占空比增量ΔR，光伏电源的备用功率容量P_R按照(2)式进行预估计算：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}R=\mathrm{\Δ}P/\frac{\∂P_T}{\∂R}\\ R=R_0+\mathrm{\Δ}R\end{array}\right.---\left(1\right)$

$P_R=k_1(U-0.8U_0)\left|\frac{\∂P_T}{\∂U}\right|---\left(2\right)$

光伏电源运行于最大发电功率状态时，按照(3)式对DC/DC电能传输控制装置的占空比参数进行计算，此时，光伏电源备用功率容量P_R为零：

公式中，P_T为光伏电源的实时输出功率，P_T＝k*U*I；k为DC/DC电能传输控制装置的运行效率；U为光伏电源实际输出电压；I为光伏电源实际输出电流；ΔP＝P_D-P_T；k₁为光伏电源功率系数；U₀为光伏电源空载电压；R₀为每次调节前占空比的初始值。