CN106708163A - 以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力电子控制技术领域的一种以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法。包括：获取光伏电池性能参数，并将光伏电池电路变换为等效电路；根据光伏阵列输出特性曲线是单峰值曲线的条件，确定追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率与输出电压之间的初始判别关系；根据系统旋转备用容量的选择标准，变更功率跟踪点；根据外界环境与光伏阵列输出特性曲线之间的关系，采用VSG功率控制器，模拟同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器特性和电感电流作为内环反馈的双闭环控制方法，确定PV‑VSG的惯性及阻尼参数。实现预留旋转备用容量的同时实时跟踪系统发电负荷的最大功率点和暂稳态下实时跟踪功能。

Description

以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，特别涉及一种以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法。

背景技术

近年来，随着基于电力电子装置的分布式电源在电力系统中的渗透率迅速提升，一些国家和地区如中国、欧盟、美国等均制定了各自的分布式能源发展规划。

光伏发电作为分布式电源的重要组成部分，有效解决了当前能源短缺的社会问题。但由于光伏阵列的输出电压、输出电流受外界环境影响呈非线性特征，其输出功率也随之不断变化，因此如何调整负载特性，从而实现MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)控制在光伏发电系统的控制中尤为重要。现有的MPPT控制方法繁多,效果也不尽相同,但均为跟踪光伏阵列的输出功率最大值。此类MPPT控制方法在有储能的微电网中应用广泛，但均需采用大量储能设备为系统提供旋转备用容量，而储能设备又存在成本高、占地面积大等问题。而且值得一提的是，由2016年数据显示，我国年平均弃光率为10％，若通过具有等效旋转备用的方法提高光伏系统的利用率也可大幅改善原有的弃光现象。

同时，参与分布式电源并网的电力电子设备大多采用数字电路进行控制，暂态响应速度快，且几乎没有惯性，也不参与电网的调频和调压。它们难以像同步发电机那样独立自治运行，大量接入会严重影响电力系统的稳定性及动态响应。因此，若能通过先进的控制策略在数学层面将并网逆变器等效出同步发电机的运行特性，显然会大大提高微电网对分布式电源的适应性和接纳能力。这也就催生了VSG技术的诞生。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A.获取光伏电池性能参数，将光伏电池电路变换为等效电路；

B.确定追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率P与输出电压U之间的初始判别关系；

C.根据系统旋转备用容量的选择标准，变更功率跟踪点；

D.根据外界环境与光伏阵列输出特性间的关系，确定系统具有旋转备用容量的条件下P与U之间的改进判别关系，进而确定改进的最大功率点跟踪MPPT算法；

E.光伏虚拟同步机PV-VSG(Photovoltaic Virtual Synchronous Generator)发电系统的外环控制采用VSG功率控制器，内环控制采用双闭环；

F.确定PV-VSG的惯性及阻尼参数D_p。

所述步骤B中追踪光伏电池最大功率点P_m的条件下输出功率P与输出电压U之间的初始判别关系是根据光伏阵列输出特性P-U曲线是单峰值曲线的条件dP/dU＝0确定；对功率dP求其对输出电流I和输出电压U的全微分可得电导增量法最大功率点P_m处满足的关系式为：I+U·dI/dU＝0。

所述步骤C中系统旋转备用容量的选择标准为光伏阵列最大输出容量的10％，且由光伏电池自身提供，故将光伏阵列输出特性P-U曲线上功率跟踪点变更为P-U曲线上行线的0.9P_m处。

根据外界环境与光伏阵列输出特性间的关系，采用隐式曲线拟合法确定0.9P_m处P-U曲线斜率k_P-U＝f(S,T)，T为在任意光照强度S及环境温度T_air下的光伏电池温度；此时功率跟踪点变更为P-U曲线上行线的0.9P_m处需满足的条件为：

当I+U·dI/dU-k_P-U>0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点P_m左侧，则需正向扰动；

当I+U·dI/dU-k_P-U＝0时，工作点为系统实际发电负荷的最大功率点P_m；

当I+U·dI/dU-k_P-U<0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点P_m右侧，则需负向扰动。

所述PV-VSG发电系统的控制分两大部分：外环的VSG功率控制器，要求实现逆变器的功率精确分配；内环的电压跟踪器，要求具有很好的跟踪性和抗扰性。

所述外环的VSG功率控制器的惯性时间常数H决定了其动态响应过程中的振荡频率，取值范围为1以下，而阻尼参数D_p决定了其振荡衰减的速率，取值范围为2到10。

本发明的有益效果是解决了传统的分布式电源依赖储能提供旋转备用容量的成本高、占地大、系统繁琐等问题，同时还实现了电力电子逆变器在并网过程中对系统提供必要的惯性和阻尼支持。本发明实现了以下技术效果。

1.基于光伏发电系统大范围出现的弃光现象，本发明提出了以自身容量作为等效旋转备用容量的方法，改善弃光问题的同时，解决了传统的分布式电源必须依赖储能的成本高、占地大、系统繁琐等问题，实现了分布式电源并网的经济化和高效化。

2.具有旋转备用容量的改进电导增量法可以适应静态和动态环境变化，在预留光伏阵列输出最大功率的10％作为旋转备用容量后，实现实际发电负荷的最大功率点跟踪。

3.在PV-VSG功率控制器中对惯性和阻尼参数进行整定，所设计的控制策略可实现对同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器特性的模拟。同时在并网过程中，该控制策略能为系统提供必要的惯性和阻尼支持，并网特性良好。

附图说明

图1为光伏电池等效电路图。

图2为具有旋转备用容量的改进MPPT结构示意图。

图3为PV-VSG逆变器整体结构示意图。

图4为光伏阵列输出特性曲线示意图。

图5为本发明具体实施方式中具有旋转备用容量的MPPT算法及其PV-VSG发电系统的并网策略设计流程示意图。

具体实施方式

本发明提出一种以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，下面结合附图，对本发明作详细说明。

为了介绍本发明的技术方案，首先对本发明的原理进行说明。

本发明中用到的参数含义为：

I_out为光伏电池输出电流，

I_L为光伏电池内部光生电流，

I_d为二极管正向电流，

R_sh为旁路电阻，

R_S为串联电阻，

I_SC为短路电流，

V_OC为开路电压，

I_m为最大输出电流，

U_m为最大输出电压，

α为短路电流温度系数，

β为开路电压温度系数，

ω为VSG角速度，

δ为VSG功角，

J为VSG转动惯量，

ω₀为电网同步角速度，

T_m、T_e和T_d分别为机械、电磁和阻尼转矩，

P为实际分布式电源输出的有功功率，

D_p为与阻尼转矩对应的阻尼参数。

现有的MPPT控制策略在有储能的微电网中应用广泛，但考虑到储能设备成本高、占地面积大等问题，因此本发明针对无储能的分布式电源DG(Distributed Generation)并网系统稳定性问题，提出一种具有旋转备用容量的MPPT控制策略。选取光伏阵列最大输出功率的10％作为DG的旋转备用容量，随后根据光伏阵列输出特性对电导增量法进行改进，从而实现实时追踪系统实际发电负荷的最大功率点。

同时，参与DG并网的电力电子设备大多采用数字电路进行控制，暂态响应速度快，且几乎没有惯性，也不参与电网的调频和调压，难以像同步发电机那样独立自治运行，大量接入会严重影响电力系统的稳定性及动态响应。因此，本发明建立具有旋转备用容量的MPPT算法及其虚拟同步机逆变器(PV-VSG)的光伏并网模型。在光伏阵列可具有旋转备用容量的基础上，将传统同步发电机惯性和阻尼引入逆变电源的控制算法中，使其具有参与微电网调压和调频的能力。其并网逆变器控制单元由两部分组成：VSG功率控制单元模拟同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器等特性；双闭环电压跟踪器为电压电流双环控制，电压外环采用比例谐振控制器(PR)，通过在谐振频率处的增益为无穷大使时域基频量的跟踪误差为零；内电流环采用滤波电感电流作为反馈变量来调节输出电压，主要作用是提高暂态响应和抑制负荷变化或负荷谐波对输出电压造成的影响。

图1所示为光伏电池等效电路图。由图1可知光伏电池的数学模型为：

I_out＝I_L-I_d-I_sh，

为简化分析过程，对上式进行两点近似：

1)因(V+IR_S)/R_sh＜＜I_L，忽略(V+IR_S)/R_sh；

2)因R_s＜＜二极管正向导通电阻，取I_L＝I_SC。

工程计算中需采用由厂家提供的I_SC、V_OC、I_m、U_m，因此设定开路状态为I＝0,V＝V_OC；最大功率点处V＝V_m，I＝I_m。则最大功率点处光伏电池的I-V方程可简化为：

同时光伏电池I-V特性曲线与光照强度和环境温度有关。通常取二者参考值S_ref＝1000W/m²，T_ref＝25℃。设T为在任意光照强度S及环境温度T_air下的光伏电池温度，分析I-V特性曲线的变化情况可得：

图2所示为具有旋转备用容量的改进MPPT结构示意图。利用图1的光伏电池的数学模型搭建光伏阵列单元，其输入参数由光照强度参考值S_ref、环境温度参考值T_ref、实际光照强度S和光伏阵列实际温度T构成。电路中采用Boost升压电路来实现MPPT控制，电容C1起到光伏组件的稳压滤波作用，它与电感L1、场效应晶体管和二极管共同组成Boost升压电路。MPPT控制单元对光伏组件输出的电压和电流进行采样，经过具有旋转备用容量的MPPT算法处理，输出PWM脉冲所需要的占空比信号。PWM脉冲信号作用于Boost电路的场效应晶体管的门级实现MPPT控制。

根据外界环境与光伏阵列输出特性间的关系，采用隐式曲线拟合法确定0.9P_m处P-U曲线斜率k_P-U＝f(S,T)。

隐式曲线拟合法较之普通曲线拟合的优势在于它能保持参数曲线的所有性质，并比参数曲线有更多的自由度，可以得到更高的光滑度。

给定n个数据点p_i＝(x_i,y_i)(i＝1,2,…,n)，构造一条隐式二次曲线对其拟合，使其在某种意义下误差最小，所构造的曲线具有如下形式：

Q(x,y)＝Ax²+Bxy+Cy²+Dx+Ey+F＝0，

式中，因变量y为0.9P_m处P-U曲线斜率k_P-U，因变量x分别取光照强度S和环境温度T。可借助Matlab求得拟合曲线Q(S,k_P-U)和Q(T,k_P-U)，进而可得k_P-U＝f(S,T)的相关函数。

根据电导增量法原理可知，追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率P与输出电压U之间的初始判别关系是根据光伏阵列输出特性曲线(如图4所示)是单峰值曲线的条件dP/dU＝0确定；对功率dP求其对输出电流I和输出电压U的全微分可得电导增量法最大功率点处满足的关系式为：I+U·dI/dU＝0。

功率跟踪点变更为P-U曲线上行线的0.9P_m处需满足的条件为：dP/dU-k_P-U＝0，由此可得具有旋转备用容量的改进电导增量法的MPPT判据为：

当I+U·dI/dU-k_P-U>0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点P_m左侧，则需正向扰动；

当I+U·dI/dU-k_P-U＝0时，工作点为系统实际发电负荷的最大功率点P_m；

当I+U·dI/dU-k_P-U<0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点P_m右侧，则需负向扰动。

图3所示为本发明PV-VSG逆变器整体结构示意图。其中，光伏阵列可视作单机无穷大系统的原动机，其Boost升压电路对应同步发电机的转动惯性，三相两电平逆变器对应同步发电机的机电能量转换过程。图中三相电压源型逆变器的输出经LCL滤波、线路连接到交流母线上。逆变器的控制分两大部分：外环的VSG功率控制器，模拟同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器特性，要求实现逆变器的功率精确分配；内环的电压跟踪器采用以电感电流作为内环反馈的双闭环控制策略，要求具有很好的跟踪性和抗扰性。

本发明给出VSG的控制策略，可使分布式电源并网逆变器控制单元模拟同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器等特性。类比于传统同步发电机的两阶模型，等效的转子运动方程为：

同步发电机通过对原动机T_m的控制来调节发电机输出的有功功率，同时利用调频器实现对电网频率偏差的响应。同理VSG功率控制单元中虚拟T_m由有功功率参考值P_ref和频率的偏差反馈ΔT共同决定，即：

上式中，k_f为VSG的调频系数；为VSG的内电势；i_abc为并网电流；i^T _abc为i_abc的转置运算；可见VSG的有功控制与传统刚性并网逆变器PQ的控制不同，其在实现并网功率跟踪的同时还能对接入点处频率偏差做出有功调节响应，可有效提升并网逆变器应对电网频率异常事件的能力。

由图3可知VSG并网电流i_abc＝[i_a,i_b,i_c]^T，则同步发电机的电枢电流的动态方程为：

式中，u_abc＝[u_a,u_b,u_c]^T为VSG极端电压，。

实际中同步发电机的转动惯量是一个和其尺寸有关的物理量，该值通常随额定功率的增加而增大。一般地，利用惯性时间常数H作为转动惯量衡量标准。其中，H的定义为H＝Jω₀ ²/S_n(S_n为同步发电机的额定容量)。

结合VSG等效的转子运动方程不难发现，VSG的输入、输出功率响应特性是典型的二阶传递函数：

式中S_E为同步功率标幺值：

其中，Δθ为滤波电路阻抗角α与VSG功角δ之差，Z为滤波电路阻抗，E为VSG的暂态电势。

在滤波器参数已知且电网电压U恒定时，分析电路的电压及功角特性可知：

由此可见给定P_ref和Q_ref后，即可得出VSG响应特性的二阶传递函数的自然振荡角频率ω_n和二阶传递函数的阻尼系数ξ如下：

其中中，电压外环采用改进的PR控制器，使时域基频量的跟踪误差为零；电流内环采用比例控制器，主要目的是提高暂态响应和抑制负荷变化或负荷谐波对输出电压造成的影响。在此过程中，当电网频率偏离谐振频率时，传统PR控制器的性能会降低，需通过增加高增益的带宽来减小控制器对频率的敏感性，故在实际应用时采用改进的PR控制器：

图5为本发明具有旋转备用容量的MPPT算法及其PV-VSG逆变器的并网策略具体实施方式中的示意图，本发明包括步骤：

A、获取光伏电池性能参数，并将光伏电池电路变换为等效电路；

B、根据光伏阵列输出特性曲线是单峰值曲线的条件，确定追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率P与输出电压之间U的初始判别关系；

C、根据系统旋转备用容量的选择标准，变更功率跟踪点；

D、根据外界环境(光照强度和温度)与光伏阵列输出特性曲线之间的关系，确定系统具有旋转备用容量的条件下P与U之间的改进判别关系，进而确定改进的MPPT算法；

E、采用VSG功率控制器，模拟同步发电机的机械惯性、调频器和励磁控制器特性，设计光伏虚拟同步机(Photovoltaic Virtual Synchronous Generator，PV-VSG)发电系统的外环控制策略；

F、采用以电感电流作为内环反馈的双闭环控制策略，设计PV-VSG的内环控制策略；

G、基于所述具有旋转备用容量的MPPT算法与PV-VSG控制策略，确定PV-VSG的惯性及阻尼参数。

本发明具体实施方式中的关键技术在于提出无储能的具有旋转备用容量的MPPT算法，明确其实际发电负荷的最大功率运行点的判断方法，原理简单且可操作性强。

本发明具体实施方式中的PV-VSG逆变器并网策略，能很好地实现逆变器对功率指令的跟踪及一次调频、调压特性，且在并网过程中能为系统提供必要的惯性和阻尼支持。解决了现有电力电子设备无法参与电网调频、调压的并网问题。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A.获取光伏电池性能参数，将光伏电池电路变换为等效电路；

B.确定追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率P与输出电压U之间的初始判别关系；

C.根据系统旋转备用容量的选择标准，变更功率跟踪点；

D.根据外界环境与光伏阵列输出特性间的关系，确定系统具有旋转备用容量的条件下P与U之间的改进判别关系，进而确定改进的最大功率点跟踪MPPT算法；

E.光伏虚拟同步机PV-VSG发电系统的外环控制采用VSG功率控制器，内环控制采用双闭环；

F.确定PV-VSG的惯性及阻尼参数。

2.根据权利要求1所述以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述步骤B中追踪光伏电池最大功率点的条件下输出功率P与输出电压U之间的初始判别关系是根据光伏阵列输出特性P-U曲线是单峰值曲线的条件dP/dU＝0确定；对功率dP求其对输出电流I和输出电压U的全微分可得电导增量法最大功率点P_m处满足的关系式为：I+U·dI/dU＝0。

3.根据权利要求1所述以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述步骤C中系统旋转备用容量的选择标准为光伏阵列最大输出容量的10％，且由光伏电池自身提供，故将功率跟踪点变更为P-U曲线上行线的0.9P_m处。

4.根据权利要求3所述以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，根据外界环境的光照强度S和环境温度与光伏阵列输出特性间的关系，采用隐式曲线拟合法确定0.9P_m处P-U曲线斜率k_P-U＝f(S,T)，此时功率跟踪点变更为P-U曲线上行线的0.9P_m处需满足的条件为：

当I+U·dI/dU-k_P-U>0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点左侧，则需正向扰动；

当I+U·dI/dU-k_P-U＝0时，工作点为系统实际发电负荷的最大功率点；

当I+U·dI/dU-k_P-U<0时，工作点在系统实际发电负荷的最大功率点右侧，则需负向扰动。

5.根据权利要求1所述以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，PV-VSG发电系统的控制分两大部分：外环的VSG功率控制器，要求实现逆变器的功率精确分配；内环的电压跟踪器，要求具有很好的跟踪性和抗扰性。

6.根据权利要求5所述以最大功率点旋转备用容量跟踪的光伏发电系统控制方法，其特征在于，所述外环的VSG功率控制器的惯性时间常数H决定了其动态响应过程中的振荡频率，取值范围为1以下，而阻尼参数D_p决定了其振荡衰减的速率，取值范围为2到10。