CN107968432B - 一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，所述控制方法是基于一种光伏并网系统直流侧投切拓扑结构，所述光伏并网系统整体拓扑结构是：光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接，切换装置由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成。所述控制方法内容包括：获取光伏系统参数以及直流侧实时电流和电压；将N串电池板输出功率的数值分组，构造电池板输出利用率目标函数；切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏系统一直在最优状态运行。本发明针对电池板低光照问题及局部阴影问题，通过切换直流侧电路，能够有效地提高光伏电池板输出利用率。

Description

一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电系统规划技术领域，尤其涉及一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法。

背景技术

近年来，光伏发电技术是快速发展的可再生清洁能源技术之一。光伏发电两种主要发电方式是分布式发电和集中式发电，而前者在国际市场上越来越受欢迎。分布式发电中主要是用组串式逆变器发电，在光照变化的影响下还存在发电效率低下，并网谐波畸变率高，系统损耗大等问题，这在一定程度上降低了经济效益，增加了电网不稳定性；

目前来看，提高光伏系统运行性能大多是在优化光伏系统设备等，对直流侧光伏阵列与逆变器匹配连接的优化还不成熟。本发明针对光伏发电系统直流侧拓扑结构，提出了有效的控制策略，能够提高电池板输出利用率。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，能够有效地提高光伏电池板输出利用率。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，所述控制方法是基于一种光伏并网系统直流侧投切拓扑结构，所述光伏并网系统整体拓扑结构是：N串电池板与M台逆变器之间通过切换装置连接，切换装置由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成；

所述信号采集处理器用于采集每串电池板输出电压、电流以及逆变器输入功率和输出功率，同时采集逆变器工作温度；所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关连接，第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关连接，第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关连接，以此类推，直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关连接；

所述开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关连接；

提供的直流侧拓扑结构可使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最大为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换。

所述切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作。

所述电池板的串数不限于与逆变器台数相同。即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量；

所述逆变器为容量相同或者接近。

所述控制方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏并网系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述光伏并网系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：将N串电池板输出功率的数值分成Z组，①第i组数值个数即为N_i的值，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，

使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器；

步骤3：构造电池板输出利用率目标函数F_Z：

式(1)中：Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；

N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入功率、输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；I_dn为直流侧PV_n电池板电流，R_dzn为PV_n电池板和切换装置之间的线路电阻，R_dyZi为切换装置中N_Zi串电池板组成的一组电池板与该台逆变器之间的线路电阻，I_0Zi为N_Zi串电池板连接到该台逆变器的并网侧电流，R_aZi为N_Zi串电池板连接该台逆变器的并网侧线路总电阻；

逆变器输入功率为：

逆变器输出功率为：

直流侧线路损耗为：

交流侧线路损耗为：

根据(2)—(5)式，电池板输出利用率目标函数简化为：

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定最大电池板串数N，其中F₁(N)表示N串电池板与任意一台逆变器连接工作时目标函数大小，F₂(N)表示N串电池板与任意两台逆变器连接工作时目标函数大小；

步骤4：切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏并网系统一直在最优状态运行；根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作，每过一段时间，采集数据，再根据步骤3中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板连到一台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₁₁，公式为N＝N₁₁，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板分别连到两台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₂₁和N₂₂之和，公式为N＝N₂₁+N₂₂，F_j表示将N_j1、N_j2、…、N_jj串电池板分别连到j台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N_j1、N_j2、…、N_jj之和，公式为N＝N_j1+N_j2+…+N_jj，j为正整数。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明提出一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，构造出直流侧切换拓扑结构，利用本发明控制方法可让光伏并网系统根据光照强度的变化，实时切换逆变器路数，从而合理利用逆变器工作台数，能够有效的提高光伏并网逆变器输出利用率，增加发电量，减少光伏并网系统损耗，减少并网的谐波含量。对于大规模发电来说，能够更加明显的节约成本，增加经济效益。

本发明针对电池板低光照问题及局部阴影问题，通过切换直流侧电路，能够有效地提高光伏电池板输出利用率。

附图说明

图1是本发明实施例的光伏并网系统投切程序流程图；

图2是本发明实施例的光伏并网系统直流侧投切拓扑结构；

图3是本发明实施例的光伏并网系统整体拓扑结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定；

本发明的一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，根据图1所示的光伏并网系统投切程序流程图、图2所示的直流侧投切拓扑结构以及图3所示的光伏并网系统整体拓扑图可知，PV电池板直流侧电流输出到逆变器，切换装置通过切换逆变器工作台数使函数最大，如判断出切换之后函数值比原函数值大则自动切换逆变器路数，逐渐增加逆变器工作数量，提高光伏系统运行性能；

本发明控制方法是基于一种光伏并网系统直流侧投切拓扑结构，如图3所示，所述光伏并网系统整体拓扑结构是：光伏阵列与逆变器之间通过切换装置连接，切换装置由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成；

所述信号采集处理器用于采集每串电池板输出电压、电流以及逆变器输入功率和输出功率，同时采集逆变器工作温度；如图2所示，所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关S_1,2、S_1,3、S_1,4…S_1,n、S_1,N-1和S_1,N连接，第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关S_2,3、S_2,4…S_2,n、S_2,N-1和S_2,N连接，第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关S_3,4…S_3,n、S_3,N-1和S_3,N连接，以此类推，直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关S_N-1,N连接；

提供的开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关S_1,1、S_2,2、S_3,3、S_4,4、…S_n，n、…S_N-1，N-1和S_N，N连接；

提供的直流侧拓扑结构可使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最大为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换，光伏并网系统投切程序流程图如图1所示；

优选地，切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作；

优选地，电池板的串数不限于与逆变器台数相同。即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量；

所述逆变器为容量相同或者接近。

如图1所示，所述控制方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏并网系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述光伏并网系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：将N串电池板输出功率的数值分成Z组，①第i组数值个数即为N_i的值，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，

使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器；

步骤3：构造电池板输出利用率目标函数F_Z：

式(1)中：Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；

N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入功率、输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；I_dn为直流侧PV_n电池板电流，R_dzn为PV_n电池板和切换装置之间的线路电阻，R_dyZi为切换装置中N_Zi串电池板组成的一组电池板与该台逆变器之间的线路电阻，I_0Zi为N_Zi串电池板连接到该台逆变器的并网侧电流，R_aZi为N_Zi串电池板连接该台逆变器的并网侧线路总电阻；

逆变器输入功率为：

逆变器输出功率为：

直流侧线路损耗为：

交流侧线路损耗为：

根据(2)—(5)式，电池板输出利用率目标函数简化为：

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定最大电池板串数N，其中F₁(N)表示N串电池板与任意一台逆变器连接工作时目标函数大小，F₂(N)表示N串电池板与任意两台逆变器连接工作时目标函数大小；

步骤4：切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏并网系统一直在最优状态运行。根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作，每过一段时间，采集数据，再根据步骤3中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板连到一台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₁₁，公式为N＝N₁₁，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板分别连到两台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₂₁和N₂₂之和，公式为N＝N₂₁+N₂₂，F_j表示将N_j1、N_j2、…、N_jj串电池板分别连到j台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N_j1、N_j2、…、N_jj之和，公式为N＝N_j1+N_j2+…+N_jj，j为正整数。

假如有4串电池板和4台逆变器，逆变器1出现损坏，电池板PV₁～PV₄发出功率分别为820W、610W、650W、840W；切换装置根据步骤3中N_i数值、装置连接方法判断此时光伏并网系统多种连接方法(默认相邻电池板之间线路距离最短)，例如Z＝1时，形成连接方式有S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_2,2闭合或者S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_3,3闭合或者S_1,2、S_2,3、S_3,4、S_4,4闭合；Z＝2时，形成连接方式有S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_2,2闭合或者S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_4,4闭合；Z＝3时，形成连接方式有S_1,2、S_2,2闭合和S_3,3闭合以及S_4,4闭合；再根据步骤2判别使目标函数F_Z最大时的逆变器工作台数M_Z，假设计算得到在S_1,3、S_3,3闭合和S_2,4、S_2,2闭合情况下使目标函数F₂最大，则切换装置根据目标函数自动切换线路，使光伏并网系统变为两台逆变器工作。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种提高光伏电池板输出利用率的控制方法，所述控制方法是基于一种光伏并网系统直流侧投切拓扑结构，所述光伏并网系统整体拓扑结构是：N串电池板与M台逆变器之间通过切换装置连接，切换装置由开关装置、控制器以及信号采集处理器组成；

所述信号采集处理器用于采集每串电池板输出电压、电流以及逆变器输入功率和输出功率，同时采集逆变器工作温度；所述开关装置中第一串电池板与第二到第N串电池板都有一个开关连接，第二串电池板与第三到第N串电池板都有一个开关连接，第三串电池板与第四到第N串电池板都有一个开关连接，以此类推，直到第N-1串电池板与第N串电池板有一个开关连接；

所述开关装置紧邻逆变器侧出口处每串电池板与逆变器都有一个开关连接；

提供的直流侧拓扑结构可使各串电池板根据目标函数大小灵活匹配连接到运行的逆变器上，即切换装置以目标函数最大为最优条件，确定此时电池板与切换装置以及切换装置与逆变器之间的连接方式，进行切换；

所述切换装置能够根据各电池板输出电流大小随时自动切换逆变器路数，如逆变器突然故障，则可切换至其他逆变器上工作；

所述电池板的串数不限于与逆变器台数相同；即当逆变器运行中损坏时或者逆变器台数M＜N时，不必更改电池板串数及开关数量；

所述逆变器为容量相同或者接近；

其特征在于：所述控制方法内容包括以下步骤：

步骤1：获取光伏并网系统参数以及直流侧实时电流和电压；所述光伏并网系统参数包括电池板参数、所用电缆参数、逆变器参数以及电网参数；

步骤2：将N串电池板输出功率的数值分成Z组，①第i组数值个数即为N_i的值，使得每组电池板输出功率的和近似相等，则光伏阵列可以连接切换装置；②存在N串电池板，M台逆变器，使得连接逆变器m的电池板组中含有PV_m，若N>M且损坏的逆变器为集合M_L，存在正整数x和y，其中x∈(M,N]∪M_L，

使得PV_x和PV_y必须分到一组，则切换装置可以连接逆变器；

步骤3：构造电池板输出利用率目标函数F_Z：

式(1)中：Z∈[1,M]，M表示逆变器总台数；

N_Zi为将N串电池板分成Z组时第i组电池板串数，i∈[1,Z]，I_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电流值，U_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的电压值，P_dZin为第i组中电池板重新排序后第n串电池板的输出功率，η_Zi属于一个变量，为切换装置中N串电池板分成Z组时第i组电池板连接到该台逆变器工作时，该台逆变器此时的转换效率：信号采集处理器采集逆变器输入功率、输出功率及工作温度，为逆变器转换效率η_Zi拟合更加准确的曲线提供参考数据，使切换装置根据温度自适应调整η_Zi作出更加准确的判断；I_dn为直流侧PV_n电池板电流，R_dzn为PV_n电池板和切换装置之间的线路电阻，R_dyZi为切换装置中N_Zi串电池板组成的一组电池板与该台逆变器之间的线路电阻，I_0Zi为N_Zi串电池板连接到该台逆变器的并网侧电流，R_aZi为N_Zi串电池板连接该台逆变器的并网侧线路总电阻；

逆变器输入功率为：

逆变器输出功率为：

直流侧线路损耗为：

交流侧线路损耗为：

根据(2)—(5)式，电池板输出利用率目标函数简化为：

根据厂家提供的逆变器工作的最小输入功率以及逆变器启动电压，得到直流侧电流大小，将得到的逆变器工作最小电压、电流代入目标函数F_Z中，令其F₁(N)＞F₂(N)且F₁(N+1)＜F₂(N+1)，即可确定最大电池板串数N，其中F₁(N)表示N串电池板与任意一台逆变器连接工作时目标函数大小，F₂(N)表示N串电池板与任意两台逆变器连接工作时目标函数大小；

步骤4：切换装置根据目标函数大小，自动切换逆变器路数使光伏并网系统一直在最优状态运行；根据计算确定max(F_Z)，即切换装置确定使F_Z达到最大值时的逆变器工作台数M_Z，切换线路使M_Z台逆变器运行；

切换装置动作，每过一段时间，采集数据，再根据步骤2中N_i数值、逆变器连接方法，将已分组形成的组数、组中包含的电池板输出功率、组中包含的电池板相对应的串次以及逆变器连接的方式输出，再分别将每种方案中数值带入到目标函数F_Z中得到最大值为最佳组合方式，再输出最佳分组方式与连接方法，切换装置根据最佳连接方法动作切换线路；

F₁表示N₁₁串电池板连到一台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₁₁，公式为N＝N₁₁，F₂表示将N₂₁和N₂₂串电池板分别连到两台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N₂₁和N₂₂之和，公式为N＝N₂₁+N₂₂，F_j表示将N_j1、N_j2、…、N_jj串电池板分别连到j台逆变器的目标函数大小，此时电池板串数N为N_j1、N_j2、…、N_jj之和，公式为N＝N_j1+N_j2+…+N_jj，j为正整数。

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