CN108491025B - 一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法 - Google Patents

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Abstract

一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，其特点是，包括光伏电池的数学模型建立、离线系数拟合控制、主动减载控制和并网逆变器控制等步骤：在Matlab仿真平台中建立光伏电池的数学模型，获取不同温度和光照强度下光伏输出最大功率，离线系数拟合控制将最大功率与温度和光照强度根据已知的函数形式进行离线数据拟合，获取拟合系数；通过检测外界环境的温度和光照强度，可以方便地计算出光伏输出最大功率；主动减载控制通过比较当前光伏输出功率与目标功率，即光伏最大功率主动减载后的功率的大小关系，调整输出电压实现主动减载控制，所采用的方法提高了最大功率估计值和减载率的准确度。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，是一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法。
背景技术
近年来，我国光伏发电的装机容量和发电量及其渗透率不断提高，由于太阳能的随机性和波动性导致光伏并网发电对电网运行产生不利影响，尤其是对系统频率的稳定性。光伏发电系统通常采用最大功率点跟踪控制，并不具备有功备用，无法参与系统调频，因此光伏系统进行有功控制以参与系统调频的研究，对提高光伏并网的稳定性以及频率的稳定具有重要研究意义。
传统的减载方法，定值功率减载控制作为有功备用，所采用的控制关系为差值关系，无论光伏最大输出功率的高低，定值功率减载控制下的有功备用容量始终不变，不能根据最大功率实现有功备用的优化控制。本发明采用离线系数拟合的方法计算不同温度和光照下光伏发电系统的最大功率，然后根据最大功率的比例进行主动减载控制，不需要辅助储能；在调频期间根据调频需要进行变减载控制，即改变光伏减载率，调整输出功率参与调频。
发明内容
本发明的目的是：提出一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，该方法考虑光伏系统参与调频前需要进行减载控制，进行有功备用，在调频期间改变减载率调整有功输出参与调频，而减载控制下无法获取光伏发电最大功率，且光伏发电最大功率受外界温度和光照影响，通过检测光伏系统外界温度和光照强度，根据离线拟合函数计算最大功率，为光伏发电系统主动减载控制提供基础。
为了实现上述目的采用的技术方案是：一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，其特征是，它包括的步骤有：光伏电池数学模型的建立、离线系数拟合控制、主动减载控制和并网逆变器控制。
1)光伏电池数学模型的建立
光伏电池的输出电流和电压的关系采用工程数学模型，只需要Isc、Voc、Im和Vm四个参数便可以搭建光伏电池模型，用式(1)～(3)表示：
式中：IPV为光伏电池的输出电流；VPV为光伏电池的输出电压；Isc为光伏电池的短路电流；Voc为光伏电池的开路电压；Im为光伏电池输出最大功率点的电流；Vm为光伏电池输出最大功率点的电压；
考虑外界环境的变化对Isc、Voc、Im和Vm四个参数的影响，引入温度和光照强度对Isc、Voc、Im和Vm四个参数进行修正：
Voc＝Voc0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (5)
Vm＝Vm0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (7)
式中：T0标准环境的温度25℃；S0为标准环境的光照强度1000W/m2；T为当前环境的温度；S为当前环境的光照强度；Isc0为Isc在标准环境下的取值；Voc0为Voc在标准环境下的取值；Im0为Im在标准环境下的取值；Vm0为Vm在标准环境下的取值；α为电流温度系数；β为电压温度系数，γ为光照系数；
由光伏电池串并联组成的光伏阵列的输出电流、电压关系为式(8)：
式中：m为光伏阵列并联电池组；n为光伏阵列串联电池个数；
2)离线系数拟合控制
光伏阵列由多块相同型号的光伏电池串并联组成，每组并联电池的串联电池个数相同，不考虑光伏阵列多峰值和阴影遮挡的影响，仅考虑温度和光照强度对光伏输出的影响，因此采用温度和光照强度来估算光伏阵列最大功率，光伏阵列最大输出功率Pm与温度T和光照强度S的关系为式(9)：
Pm(T,S)＝mn(a1T2+a2T+a3S2+a4S+a5TS+a6) (9)
式中：a1～a6为拟合系数；m为光伏阵列并联电池组数；n为光伏阵列和串联电池个数；
选取一块光伏电池，即m＝n＝1，温度范围为0～50℃，间隔为5℃，光照强度范围为100～1000W/m2，间隔100W/m2，在最大功率点跟踪控制下获取光伏电池在不同温度和光照强度下的最大功率Pm，将温度T、光照强度S以及对应的最大功率Pm的数据导入Matlab，根据式(9)基本形式，利用曲线拟合工具箱CFtool拟合得到系数a1～a6的数值；
当外界环境发生变化时，检测光伏电池的外界的温度T和光照强度S，在线修正光伏阵列最大功率Pm；
3)主动减载控制
在P-V特性曲线右侧，随着输出电压VPV的提高，输出功率PPV单调减小，而减载率d％单调增加，模拟传统同步发电机的功率-频率特性，设计光伏系统的减载率-频率特性曲线，初始条件下光伏系统降低功率输出作为备用功率，在调频期间根据频率偏差改变减载率d％，进而改变有功输出参与调频控制；
检测光伏系统外界环境的温度和光照强度，根据式(9)计算出功率最大值Pm，计算出减载d％后的目标输出功率(1-d％)·Pm，判断(1-d％)·Pm与当前光伏输出功率PPV大小关系：
a.如果(1-d％)·Pm>PPV，减小输出电压VPV；
b.如果(1-d％)·Pm<PPV，增加输出电压VPV；
c.如果(1-d％)·Pm＝PPV，维持输出电压VPV不变；
光伏系统的输出电压VPV是通过改变占空比实现，进而调整光伏系统的有功功率输出，最终实现减载d％的目标；
4)并网逆变器控制
两级式并网光伏发电系统，前级DC/DC变换电路通过改变占空比控制输出电压，进而可实现对光伏电池输出功率的主动减载控制；后级DC/AC逆变电路的作用为稳定直流侧电压和控制并网电流。两级式并网逆变器实现并网逆变和主动减载控制独立控制，为光伏系统在外界环境变化中通过离线拟合最大功率为主动减载控制提供条件。
本发明的一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，其特点是，它包括光伏电池的数学模型建立、离线系数拟合控制、主动减载控制和并网逆变器控制等步骤：在Matlab仿真平台中建立光伏电池的数学模型，获取不同温度和光照强度下光伏输出最大功率，离线系数拟合控制将最大功率与温度和光照强度根据已知的函数形式进行离线数据拟合，获取拟合系数；通过检测外界环境的温度和光照强度，可以方便地计算出光伏输出最大功率；主动减载控制通过比较当前光伏输出功率与目标功率，即光伏最大功率主动减载后的功率的大小关系，调整输出电压实现主动减载控制，所采用的方法提高了最大功率估计值和减载率的准确度。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。
附图说明
图1为不同温度下光伏电池I-V特性曲线(1000W/m2)示意图；
图2为不同温度下光伏电池P-V特性曲线(1000W/m2)示意图；
图3为不同光照下光伏电池I-V特性曲线(25℃)示意图；
图4为不同光照下光伏电池P-V特性曲线(25℃)示意图；
图5为减载率与频率之间的关系示意图；
图6为一种基于离线拟合系数的光伏发电系统主动减载控制流程图；
图7为两级式光伏发电系统并网系统结构示意图；
图8为给定光照强度曲线示意图；
图9为给定温度曲线示意图；
图10为减载10％时实际减载率曲线示意图；
图11为最大功率和减载10％后的输出功率曲线示意图；
图12为直流侧电压曲线示意图；
图13为直流侧电流曲线示意图；
图14为交流侧电压和电流曲线示意图。
具体实施方式
下面利用附图和实施实例对本发明的一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法进一步说明。
本发明的一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，包括的步骤有：光光伏电池数学模型的建立、离线系数拟合控制、主动减载控制和并网逆变器控制，
1)光伏电池数学模型的建立
光伏电池的输出电流和电压的关系采用工程数学模型，只需要Isc、Voc、Im和Vm四个参数便可以搭建光伏电池模型，用式(1)～(3)表示：
式中：IPV为光伏电池的输出电流；VPV为光伏电池的输出电压；Isc为光伏电池的短路电流；Voc为光伏电池的开路电压；Im为光伏电池输出最大功率点的电流；Vm为光伏电池输出最大功率点的电压；
考虑外界环境的变化对Isc、Voc、Im和Vm四个参数的影响，引入温度和光照强度对Isc、Voc、Im和Vm四个参数进行修正：
Voc＝Voc0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (5)
Vm＝Vm0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (7)
式中：T0标准环境的温度25℃；S0为标准环境的光照强度1000W/m2；T当前环境的温度；S为当前环境的光照强度；Isc0为Isc在标准环境下的取值；Voc0为Voc在标准环境下的取值；Im0为Im在标准环境下的取值；Vm0为Vm在标准环境下的取值；α为电流温度系数；β为电压温度系数，γ为光照系数；
由光伏电池串并联组成的光伏阵列的输出电流、电压关系为式(8)：
式中：m为光伏阵列并联电池组；n为光伏阵列串联电池个数；
2)离线系数拟合控制
光伏阵列由多块相同型号的光伏电池串并联组成，每组并联电池的串联电池个数相同，不考虑光伏阵列多峰值和阴影遮挡的影响，仅考虑温度和光照强度对光伏输出的影响，因此采用温度和光照强度来估算光伏阵列最大功率，光伏阵列最大输出功率Pm与温度T和光照强度S的关系为式(9)：
Pm(T,S)＝mn(a1T2+a2T+a3S2+a4S+a5TS+a6) (9)
式中：a1～a6为拟合系数；m为光伏阵列并联电池组数；n为光伏阵列和串联电池个数；
选取一块光伏电池，即m＝n＝1，温度范围为0～50℃，间隔为5℃，光照强度范围为100～1000W/m2，间隔100W/m2，在最大功率点跟踪控制下获取光伏电池在不同温度和光照强度下的最大功率Pm，将温度T、光照强度S以及对应的最大功率Pm的数据导入Matlab，根据式(9)基本形式，利用曲线拟合工具箱CFtool拟合得到系数a1～a6的数值；
当外界环境发生变化时，检测光伏电池的外界的温度T和光照强度S，在线修正光伏阵列最大功率Pm；
3)主动减载控制
在P-V特性曲线右侧，随着输出电压VPV的提高，输出功率PPV单调减小，而减载率d％单调增加，模拟传统同步发电机的功率-频率特性，设计光伏系统的减载率-频率特性曲线，初始条件下光伏系统降低功率输出作为备用功率，在调频期间根据频率偏差改变减载率d％，进而改变有功输出参与调频控制；
检测光伏系统外界环境的温度和光照强度，根据式(9)计算出功率最大值Pm，计算出减载d％后的目标输出功率(1-d％)·Pm，判断(1-d％)·Pm与当前光伏输出功率PPV大小关系：
a.如果(1-d％)·Pm>PPV，减小输出电压VPV；
b.如果(1-d％)·Pm<PPV，增加输出电压VPV；
c.如果(1-d％)·Pm＝PPV，维持输出电压VPV不变；
光伏系统的输出电压VPV是通过改变占空比实现，进而调整光伏系统的有功功率输出，最终实现减载d％的目标；
4)并网逆变器控制
两级式并网光伏发电系统，前级DC/DC变换电路通过改变占空比控制输出电压，进而可实现对光伏电池输出功率的主动减载控制；后级DC/AC逆变电路的作用为稳定直流侧电压和控制并网电流。两级式并网逆变器实现并网逆变和主动减载控制独立控制，为光伏系统在外界环境变化中通过离线拟合最大功率为主动减载控制提供条件。
实例条件说明：
(1)采用工程数学模型；
(2)Isc0＝8.9A，Voc0＝37.8V，Im0＝8.2A，Vm0＝30.5V；
(3)α＝0.0005，β＝-0.0033，γ＝0.0002；
(4)m＝20，n＝5。
根据实例条件(1)～(4)，应用本发明一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，
1.光伏电池数学模型的建立
给定条件下，在Matlab/Simulink仿真平台上建立光伏电池的仿真模型，如式(1)所示：
其中，
已知标准环境下光伏电池的参数：Isc0＝8.9A，Voc0＝37.8V，Im0＝8.2A，Vm0＝30.5V，以及温度、光照系数：α＝0.0005，β＝-0.0033，γ＝0.0002。根据当前环境的温度T和光照强度S，结合式(4)～(7)计算出当前环境下的Isc、Voc、Im和Vm的取值。将计算得到的取值代入式(1)，得到不同温度、光照强度下的光伏电池输出特性如图1～4所示。当光照强度S恒为1000W/m2，不同温度下光伏电池I-V特性曲线和P-V特性曲线分别如图1和图2所示，随着温度升高，开路电压Voc明显降低，短路电流略微增加，最大输出功率Pm减小；当温度T恒为25℃，不同光照强度下光伏电池I-V特性曲线和P-V特性曲线分别如图3和图4所示，随着温度升高，开路电压Voc基本不变，短路电流Isc和最大输出功率Pm明显增加。
2.主动减载控制
由光伏电池的P-V输出特性可知，光伏最大功率Pm受温度和光照的影响。对于实际的光伏电池，在温度或光照变化的情况下，其最大功率Pm大小未知。根据式(9)计算最大功率Pm的前提是已知对应型号光伏电池的拟合系数a1～a6。
在最大功率点跟踪控制下获取光伏电池在不同温度和光照强度下的最大功率Pm，将温度T、光照强度S以及对应的最大功率Pm的数据导入Matlab，根据式(9)的基本形式，利用曲线拟合工具箱CFtool拟合得到系数a1～a6的数值。
根据频率偏差给定减载率d％，减载率与频率的关系如图5所示，初始条件下光伏系统减小功率输出作为备用，对应减载率为δ％。利用式(9)和拟合系数a1～a6计算出当前环境下光伏电池可输出的最大功率Pm。比较(1-d％)·Pm与当前光伏电池输出功率PPV大小关系，调整占空比，进而调整电压、功率的输出，最终实现减载d％的目标。基于离线系数拟合的主动减载控制流程图见图6。
3.光伏阵列并网仿真验证
根据实例条件(1)～(4)建立20×5的光伏阵列模型，经过光伏逆变器接入接入单相220V/50Hz交流电源，单相两级式光伏发电并网系统如图7所示。在0～30s内，给定的光照强度和温度条件分别如图8和图9所示，减载10％的仿真结果如图10～图14所示。
本发明实例中的计算条件、图例仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种离线系数拟合的光伏发电系统主动减载方法，它包括并网逆变器控制，所述并网逆变器控制为采用两级式并网光伏发电系统，前级DC/DC变换电路通过改变占空比控制输出电压，进而可实现对光伏电池输出功率的主动减载控制；后级DC/AC逆变电路的作用为稳定直流侧电压和控制并网电流，两级式并网逆变器实现并网逆变和主动减载控制独立控制，为光伏系统在外界环境变化中通过离线拟合最大功率为主动减载控制提供条件，其特征是，它还包括：光伏电池数学模型的建立、离线系数拟合控制、主动减载控制；
1)光伏电池数学模型的建立
光伏电池的输出电流和电压的关系采用工程数学模型，只需要Isc、Voc、Im和Vm四个参数便可以搭建光伏电池模型，用式(1)～(3)表示：
式中：IPV为光伏电池的输出电流；VPV为光伏电池的输出电压；Isc为光伏电池的短路电流；Voc为光伏电池的开路电压；Im为光伏电池输出最大功率点的电流；Vm为光伏电池输出最大功率点的电压；
考虑外界环境的变化对Isc、Voc、Im和Vm四个参数的影响，引入温度和光照强度对Isc、Voc、Im和Vm四个参数进行修正：
Voc＝Voc0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (5)
Vm＝Vm0[1+β(T-T0)]ln[e+γ(S-S0)] (7)
式中：T0标准环境的温度25℃；S0为标准环境的光照强度1000W/m2；T当前环境的温度；S为当前环境的光照强度；Isc0为Isc在标准环境下的取值；Voc0为Voc在标准环境下的取值；Im0为Im在标准环境下的取值；Vm0为Vm在标准环境下的取值；α为电流温度系数；β为电压温度系数，γ为光照系数；
由光伏电池串并联组成的光伏阵列的输出电流、电压关系为式(8)：
式中：m为光伏阵列并联电池组；n为光伏阵列串联电池个数；
2)离线系数拟合控制
光伏阵列由多块相同型号的光伏电池串并联组成，每组并联电池的串联电池个数相同，不考虑光伏阵列多峰值和阴影遮挡的影响，仅考虑温度和光照强度对光伏输出的影响，因此采用温度和光照强度来估算光伏阵列最大功率，光伏阵列最大输出功率Pm与温度T和光照强度S的关系为式(9)：
Pm(T,S)＝mn(a1T2+a2T+a3S2+a4S+a5TS+a6) (9)
式中：a1～a6为拟合系数；m为光伏阵列并联电池组数；n为光伏阵列和串联电池个数；
选取一块光伏电池，即m＝n＝1，温度范围为0～50℃，间隔为5℃，光照强度范围为100～1000W/m2，间隔100W/m2，在最大功率点跟踪控制下获取光伏电池在不同温度和光照强度下的最大功率Pm，将温度T、光照强度S以及对应的最大功率Pm的数据导入Matlab，根据式(9)基本形式，利用曲线拟合工具箱CFtool拟合得到系数a1～a6的数值；
当外界环境发生变化时，检测光伏电池的外界的温度T和光照强度S，在线修正光伏阵列最大功率Pm；
3)主动减载控制
在P-V特性曲线右侧，随着输出电压VPV的提高，输出功率PPV单调减小，而减载率d％单调增加，模拟传统同步发电机的功率-频率特性，设计光伏系统的减载率-频率特性曲线，初始条件下光伏系统降低功率输出作为备用功率，在调频期间根据频率偏差改变减载率d％，进而改变有功输出参与调频控制；
检测光伏系统外界环境的温度和光照强度，根据式(9)计算出功率最大值Pm，计算出减载d％后的目标输出功率(1-d％)·Pm，判断(1-d％)·Pm与当前光伏输出功率PPV大小关系：
a.如果(1-d％)·Pm>PPV，减小输出电压VPV；
b.如果(1-d％)·Pm<PPV，增加输出电压VPV；
c.如果(1-d％)·Pm＝PPV，维持输出电压VPV不变；
光伏系统的输出电压VPV是通过改变占空比实现，进而调整光伏系统的有功功率输出，最终实现减载d％的目标。
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