CN105375466A - 一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，包括以下步骤：步骤1：判断电网调度机构是否向光伏发电站下发电网调度指令，若是则执行步骤2，否则执行步骤3；步骤2：计算光伏逆变器的有功功率指令值，之后执行步骤4；步骤3：对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制，之后执行步骤4；步骤4：下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。本发明减小光伏发电站运行过程中的特定次谐波、谐波畸变率和闪变，同时避免光伏发电站运行过程中的特定次谐波带来的谐振问题和次同步震荡问题；可以有效解决光伏电站限功率运行时逆变器在低功率输出时的电能质量超标问题，并可以提高光伏电站运行时的电能质量。

Description

一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法

技术领域

本发明涉及一种优化方法，具体涉及一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法。

背景技术

光伏发电作为新能源开发利用的重要方面近几年得到了快速发展，随着光伏发电容量的不断增大，大型光伏电站的电能质量问题也更加突出。由于太阳能光伏发电系统通过光伏组件将太阳能转变为直流电能，再通过逆变器将直流电转变为交流电并入电网，在此过程中会产生较多谐波和直流分量，尤其是当逆变器处于低功率状态时，其电能质量问题将更加突出。

光伏发电站有功功率控制的主要目标根据电网的有功调度需求，控制光伏电站的输出功率及变化率都不高于电网的调度指令。光伏发电站有功功率控制的输入信号为电网调度的指令、并网点输出有功功率以及太阳能光照强度和环境温度等，利用光伏发电站有功功率控制系统将光伏发电站的有功功率输出量控制在电网调度机构要求的范围内。在正常情况时，光伏发电站按照最大发电功率进行发电，而在某些特殊情况下，电网调度机构会向光伏发电站下达电网调度指令，对光伏发电站输出的有功功率作出限制，光伏发电站则会根据当前的太阳能光照强度以及温度等条件确定各光伏阵列的功率输出能力以及整个光伏发电站的功率输出能力，并据此通过控制电路将电网调度指令下达至各光伏阵列，通过调节各光伏阵列的发电功率以满足整个光伏发电站对于调度指令值的准确跟踪。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，可以避免大多数光伏逆变器进入不必要的低功率工作状态，从而提高整个光伏发电站运行过程中的电能质量。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，所述优化方法包括以下步骤：

步骤1：判断电网调度机构是否向光伏发电站下发电网调度指令，若是则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2：计算光伏逆变器的有功功率指令值，之后执行步骤4；

步骤3：对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制，之后执行步骤4；

步骤4：下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：光伏发电站接收电网调度机构下发的电网调度指令；

步骤2-2：确定光伏发电站的有功功率指令值；

步骤2-3：建立光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数；

步骤2-4：建立使光伏发电站电能质量最优的目标函数，并确定对应的约束条件；

步骤2-5：通过求解使光伏发电站电能质量最优的目标函数得到光伏逆变器的有功功率指令值。

所述步骤2-2中，根据电网调度指令和光伏发电站的功率控制模式确定光伏发电站的有功功率指令值；

光伏发电站的功率控制模式包括限值模式、调整模式、斜率控制模式和差值模式。

所述步骤2-3中，根据光伏逆变器的电能质量测试结果，建立如下光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数：

PQ_ij＝F_ij(P)(1)

其中，PQ_ij为第i种型号、第j台光伏逆变器的电能质量，P为光伏逆变器的有功功率，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

所述步骤2-4中，建立如下使光伏发电站电能质量最优的目标函数：

PQ_PV＝T(PQ₁₁,PQ₁₂,…,PQ_1M1,PQ₂₁,…,PQ_2M2,…,PQ_N1,…,PQ_NMN)(2)

其中，T(PQ₁₁,PQ₁₂,…,PQ_1M1,PQ₂₁,…,PQ_2M2,…,PQ_N1,…,PQ_NMN)表示使光伏发电站电能质量最优的目标函数，PQ_PV表示光伏发电站的电能质量；

使光伏发电站电能质量最优的目标函数对应的约束条件如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{POI}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M_N}{\Σ}}{P}_{ij}+P_{LOSS}\\ P_{ij,\min }\≤P_{ij}\≤P_{ij,\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，P_POI表示光伏发电站的有功功率指令值，P_LOSS表示光伏发电站的有功功率损耗，P_ij表示第i种型号、第j台光伏逆变器的有功功率指令值，P_ij,max表示P_ij的上限值，P_ij,min表示P_ij的下限值，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

所述步骤3中，光伏逆变器进入最大出力模式，光伏发电站对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制。

所述步骤4中，光伏发电站内的有功功率控制系统下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1)减小光伏发电站运行过程中的特定次谐波、谐波畸变率和闪变；

2)避免光伏发电站运行过程中的特定次谐波带来的谐振问题和次同步震荡问题；

3)本发明提供的基于最优电能质量的光伏电站有功优化输出方法可以有效解决光伏电站限功率运行时逆变器在低功率输出时的电能质量超标问题；

4)本发明提供的基于最优电能质量的光伏电站有功优化输出方法可以根据光伏电站所处电网的实际情况，针对性的建立目标函数，提高光伏电站运行时的电能质量。

附图说明

图1是基于最优电能质量的光伏电站有功优化输出方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

光伏发电站运行中需根据电网调度机构向光伏发电站发出的调度指令调整有功功率输出值，若电网调度指令值远低于光伏发电站的额定功率，将使光伏逆变器处于低功率工作状态。由于光伏逆变器中滤波器参数是在额定功率下设计的，光伏逆变器在低功率运行时逆变效率大大降低，电能质量也会显著恶化。

本发明提出一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，可以避免大多数光伏逆变器进入不必要的低功率工作状态，从而提高整个光伏发电站运行过程中的电能质量。

如图1，本发明提供的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法包括以下步骤：

步骤1：判断电网调度机构是否向光伏发电站下发电网调度指令，若是则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2：计算光伏逆变器的有功功率指令值，之后执行步骤4；

步骤3：对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制，之后执行步骤4；

步骤4：下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：光伏发电站接收电网调度机构下发的电网调度指令；

步骤2-2：确定光伏发电站的有功功率指令值；

步骤2-3：建立光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数；

步骤2-4：建立使光伏发电站电能质量最优的目标函数，并确定对应的约束条件；

步骤2-5：通过求解使光伏发电站电能质量最优的目标函数得到光伏逆变器的有功功率指令值。

所述步骤2-2中，根据电网调度指令和光伏发电站的功率控制模式确定光伏发电站的有功功率指令值；

光伏发电站的功率控制模式包括限值模式、调整模式、斜率控制模式和差值模式。

所述步骤2-3中，根据光伏逆变器的电能质量测试结果，建立如下光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数：

PQ_ij＝F_ij(P)(1)

其中，PQ_ij为第i种型号、第j台光伏逆变器的电能质量，P为光伏逆变器的有功功率，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

所述步骤2-4中，建立如下使光伏发电站电能质量最优的目标函数：

$P{Q}_{\mathrm{PV}}=T({\mathrm{PQ}}_{11},{\mathrm{PQ}}_{12},...,{\mathrm{PQ}}_{{1M}_1},{\mathrm{PQ}}_{21},...,{\mathrm{PQ}}_{{2M}_2},...,{\mathrm{PQ}}_{N1},...,{\mathrm{PQ}}_{{\mathrm{NM}}_N})---\left(2\right)$

其中，表示使光伏发电站电能质量最优的目标函数，PQ_PV表示光伏发电站的电能质量；

使光伏发电站电能质量最优的目标函数对应的约束条件如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{POI}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M_N}{\Σ}}{P}_{ij}+P_{LOSS}\\ P_{ij,\min }\≤P_{ij}\≤P_{ij,\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，P_POI表示光伏发电站的有功功率指令值，P_LOSS表示光伏发电站的有功功率损耗，P_ij表示第i种型号、第j台光伏逆变器的有功功率指令值，P_ij,max表示P_ij的上限值，P_ij,min表示P_ij的下限值，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

所述步骤3中，光伏逆变器进入最大出力模式，光伏发电站对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制。

所述步骤4中，光伏发电站内的有功功率控制系统下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。

下面以光伏发电站的电流总谐波畸变率为例说明计算光伏逆变器的有功功率指令值的具体过程：

(一)、光伏逆变器电能质量测试

首先对光伏电站内所有型号的光伏逆变器开展电流谐波测试，测试依据的标准为NB/T32008-2013《光伏发电站逆变器电能质量检测技术规程》。测试步骤包括：

1)控制被测逆变器无功功率输出为零，有功输出为10％额定功率；

2)利用下式按每200ms测量一次电流谐波子群的有效值作为输出，取3s内15个输出结果的均方根值；有：

$I_h=\sqrt{\underset{k=-1}{\overset{1}{\Σ}}{C}_{10h+k}^2}---\left(4\right)$

其中，C_10h+k表示离散傅里叶变换输出对应的第10h+k根频谱分量的有效值；

3)连续测量10min逆变器输出电流，计算10min内所包含的各3s电流谐波子群的方均根值，记录最大值；

4)根据下式计算电流谐波子群总畸变率THDS并记录：

$THDS=\sqrt{\underset{h=2}{\overset{50}{\Σ}}{\left(\frac{I_h}{I_1}\right)}^2}*100\%---\left(5\right)$

其中，I_h表示在10min内h次电流谐波子群的最大值；I₁表示在10min内电流基波子群的最大值。

5)以20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％及100％额定功率分别重复步骤1)至4)。

(二)、建立拟合函数

根据(一)中的测量结果，采用曲线拟合方式获得各型号光伏逆变器的总谐波畸变率相对于有功功率的函数：

THD_ij＝F_ij(P)(6)

其中，F_ij(P)表示第i种型号、第j台光伏逆变器的总谐波畸变率拟合函数；THD_ij为第i种型号、第j台光伏逆变器的总谐波电流畸变率；

(三)、建立并求解目标函数

以所有光伏逆变器的谐波电流畸变率之和最小建立目标函数：

$min\left({\mathrm{THD}}_{PV}\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M_N}{\Σ}}{F}_{ij}\left(P\right)---\left(7\right)$

其中，THD_PV表示光伏发电站的总谐波电流畸变率；

在约束条件范围内求得目标函数的最优解，即为光伏逆变器的有功功率指令值；

需要指出的是，除电流总谐波畸变率外，亦可针对光伏电站的其他电能质量参数，如某特定频次的谐波建立目标函数，有针对性地使功率调节过程中尽量减少该次谐波，以实现改善电能质量、避免谐振等目标。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述优化方法包括以下步骤：

步骤1：判断电网调度机构是否向光伏发电站下发电网调度指令，若是则执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2：计算光伏逆变器的有功功率指令值，之后执行步骤4；

步骤3：对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制，之后执行步骤4；

步骤4：下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。

2.根据权利要求1所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：光伏发电站接收电网调度机构下发的电网调度指令；

步骤2-2：确定光伏发电站的有功功率指令值；

步骤2-3：建立光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数；

步骤2-4：建立使光伏发电站电能质量最优的目标函数，并确定对应的约束条件；

步骤2-5：通过求解使光伏发电站电能质量最优的目标函数得到光伏逆变器的有功功率指令值。

3.根据权利要求2所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤2-2中，根据电网调度指令和光伏发电站的功率控制模式确定光伏发电站的有功功率指令值；

光伏发电站的功率控制模式包括限值模式、调整模式、斜率控制模式和差值模式。

4.根据权利要求2所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤2-3中，根据光伏逆变器的电能质量测试结果，建立如下光伏逆变器电能质量相对于有功功率的拟合函数：

PQ_ij＝F_ij(P)(1)

其中，PQ_ij为第i种型号、第j台光伏逆变器的电能质量，P为光伏逆变器的有功功率，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

5.根据权利要求2所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤2-4中，建立如下使光伏发电站电能质量最优的目标函数：

${\mathrm{PQ}}_{\mathrm{PV}}=T({\mathrm{PQ}}_{11},{\mathrm{PQ}}_{12},...,{\mathrm{PQ}}_{{1M}_1},{\mathrm{PQ}}_{21},...,{\mathrm{PQ}}_{{2M}_2},...,{\mathrm{PQ}}_{N1},...,{\mathrm{PQ}}_{{\mathrm{NM}}_N})---\left(2\right)$

其中，表示使光伏发电站电能质量最优的目标函数，PQ_PV表示光伏发电站的电能质量；

使光伏发电站电能质量最优的目标函数对应的约束条件如下：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{POI}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{M_N}{\Σ}}{P}_{ij}+P_{LOSS}\\ P_{ij,\min }\≤P_{ij}\≤P_{ij,\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，P_POI表示光伏发电站的有功功率指令值，P_LOSS表示光伏发电站的有功功率损耗，P_ij表示第i种型号、第j台光伏逆变器的有功功率指令值，P_ij,max表示P_ij的上限值，P_ij,min表示P_ij的下限值，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,M_N，N表示光伏发电站内所含光伏逆变器型号的数量，M_N表示第N种型号逆变器的台数。

6.根据权利要求1所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤3中，光伏逆变器进入最大出力模式，光伏发电站对光伏逆变器执行最大功率点跟踪控制。

7.根据权利要求1所述的基于有功控制的光伏发电站电能质量优化方法，其特征在于：所述步骤4中，光伏发电站内的有功功率控制系统下发光伏逆变器的有功功率指令值给光伏逆变器。