CN109962490A - 一种发电系统的功率调度控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种发电系统的功率调度控制方法，其包括：步骤一、获取与发电系统连接的并网逆变器的逆变器输入功率，将逆变器输入功率与接收到的调度功率进行比较，如果逆变器输入功率大于或等于调度功率，则执行步骤二；步骤二、将预设直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据配置为零，利用电压中环PI调节器将并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。本方法并不需要按照指定的步长电压对直流电压中环控制模型的输入电压参考值进行逐级调节，因此其能够达到快速功率调度的目的，这样也就提高了发电系统对于电网调峰的响应速度。

Description

一种发电系统的功率调度控制方法
技术领域
本发明涉及光伏发电技术领域，具体地说，涉及一种发电系统的功率调度控制方法及系统以及一种光伏发电系统。
背景技术
在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境(例如辐照度、负载和温度等因素)的影响。
对于光伏发电系统来说，由于有时需要根据用户或者负载的用电高峰期和低谷期来进行调峰，因此也就需要对光伏发电系统的输出功率进行调度，从而有效地完成对光伏发电系统的输出功率点的跟踪。
在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MaximumPower Point，简称MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种发电系统的功率调度控制方法，所述方法包括：
步骤一、获取与发电系统连接的并网逆变器的逆变器输入功率，将所述逆变器输入功率与接收到的调度功率进行比较，如果所述逆变器输入功率大于或等于所述调度功率，则执行步骤二；
步骤二、将预设直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据配置为零，利用所述电压中环PI调节器将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，还根据所述逆变器输出电流参考值以及并网逆变器的实际输出电流生成相应的控制指令，并将所述控制指令传输至所述并网逆变器，以使得所述并网逆变器的输出功率等于所述调度功率。
根据本发明的一个实施例，如果所述逆变器输入功率小于所述调度功率，则执行步骤三：
步骤三、基于预设MPPT功率外环控制模块执行正常的MPPT控制，来调节所述并网逆变器的输出功率。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤三中，所述方法利用预设MPPT功率外环控制模块来根据所述并网逆变器的实际输入电压确定所述预设直流电压中环控制模块的输入电压参考值。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤二中，将所述预设MPPT功率外环控制模块所生成的所述预设直流电压中环控制模块的输入电压参考值配置为等于所述并网逆变器的实际输入电压，以使得输入所述电压中环PI调节器的电压偏差数据等于零。
根据本发明的一个实施例，所述电压中环PI调节器配置为利用预设连续跟踪函数来将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
根据本发明的一个实施例，所述预设连续跟踪函数包括斜坡跟踪函数或低通滤波阶跃响应跟踪函数。
本发明还提供了一种发电系统的功率调度控制系统，所述系统采用如上任一项所述的方法进行发电系统的功率调度控制。
根据本发明的一个实施例，所述系统包括：
MPPT功率外环控制模块，其用于根据获取到的并网逆变器的实际输入电压对所述并网逆变器进行MPPT控制；
直流电压中环控制模块，其与所述MPPT功率外环控制模块连接，其用于根据所述MPPT功率外环控制模块所生成的输入电压参考值生成相应的逆变器输出电流参考值；
电流内环控制模块，其与所述直流电压中环控制模块连接，用于根据所述调度电压参考值以及所述逆变器的实际输出电流生成相应的控制指令，并将所述控制指令传输至所述并网逆变器，从而调节所述逆变器的输出功率。
根据本发明的一个实施例，如果所述并网逆变器的逆变器输入功率大于或等于调度功率，所述MPPT功率外环控制模块配置为将自身生成的所述直流电压中环控制模块的输入电压参考值配置为等于所述并网逆变器的实际输入电压，以使得输入所述直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器的电压偏差数据等于零。
根据本发明的一个实施例，如果所述并网逆变器的逆变器输入功率小于所述调度功率，所述MPPT功率外环控制模块配置为执行正常的MPPT控制，来调节所述逆变器的输出功率。
根据本发明的一个实施例，所述直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器配置为利用预设连续跟踪函数来将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
本发明还提供了一种光伏发电系统，所述光伏发电系统包括：
光伏电池阵列；
并网逆变器，其与所述光伏电池阵列连接，用于将所述光伏电池阵列输出的直流电转换为交流电并传输至与之连接的电网；
如上任一项所述的功率调度控制系统，其与所述并网逆变器连接，用于调节所述并网逆变器的输出功率。
由于现有的光伏发电系统的功率调度控制方法均是通过调节光伏电池板的工作电压来实现功率调节，即根据Vref＝Vref±ΔU来进行调节，这样也就使得每一个MPPT控制周期内参考电压Vref只能调整一个步长电压ΔU，从而造成光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配时间过长，降低了光伏发电单元对电网调峰的响应速度。
本发明所提供的功率调度方法以及系统在并网逆变器的逆变器输入功率大于或等于调度功率时，能够将直流电压指令(即直流电压中环控制模型的输入电压参考值)与并网逆变器的实际输入电压的偏差信号配置为零，这样直流电压中环控制模型中的电压中环PI调节器也就可以通过连续跟踪来将并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为调度电流参考值。
相较于现有方法来说，本方法以及系统并不需要按照指定的步长电压ΔU对直流电压中环控制模型的输入电压参考值进行逐级调节，因此其能够达到快速功率调度的目的，这样也就提高了发电系统对于电网调峰的响应速度。
同时，由于本发明所提供的功率调度方法以及系统在并网逆变器的逆变器输入功率小于调度功率时仍可以采用正常的MPPT控制模式，因此本方法及系统在此工况下能够不影响并网逆变器的正常运行。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是根据本发明一个实施例的发电系统的功率调度控制系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的发电系统的功率调度控制方法的实现流程示意图；
图3和图4是根据本发明一个实施例的并网逆变器输入功率Pin小于调度功率Pref的曲线示意图；
图5和图6是根据本发明一个实施例的并网逆变器的逆变器输入功率Pin大于或等于调度功率Pref的曲线示意图；
图7是根据本发明一个实施例的斜坡跟踪函数的示意图；
图8是根据本发明一个实施例的低通滤波阶跃响应跟踪函数的示意图；
图9是根据本发明一个实施例的光伏发电系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
现有技术中存在多种对于光伏发电系统的功率调度控制方法。例如，一种光伏组件输出电能控制方法是当功率调度指令大于或等于光伏电池最大输出功率时，根据当前工况下光伏电池的最大功率点进行跟踪控制；而当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，则根据当前工况下光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配进行输出控制。
具体地，当功率调度指令小于光伏电池最大输出功率时，该方法会通过比较光伏组件输出功率P(k)和功率限定值Pref，并计算两者的差值Pe(k)，将该功率差值Pe(k)的差分比较条件Pe(k)≥Pe(k-1)替换常规的MPPT控制方法中功率值差分比较条件P(k)＞P(k-1)，从而达到有功功率控制的目的。
然而，对于上述用于光伏发电系统的功率调度控制方法来说，由于这些方法均是通过调节光伏电池板的工作电压来实现功率调节，即根据Vref＝Vref±ΔU来进行调节，这样也就使得每一个MPPT控制周期内参考电压Vref只能调整一个步长电压ΔU，从而造成光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配时间过长，降低了光伏发电单元对电网调峰的响应速度。
针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的发电系统的功率调度方法以及应用该方法进行进行发电系统的功率调度控制的功率调度控制系统，该方法以及系统能够实现对发电系统进行快速功率调度。
在光伏发电系统中，光伏电池是一个非线性电源，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受如辐照度、负载和温度等使用环境因素的影响，即其输出电压和电流不仅受光强及温度的影响，而且也由负载的性质和状况决定。
如果能使光伏电池阵列在外界环境改变的同时还能够处于最大功率点，这样就能最大限度地利用太阳能，从而提高光伏发电系统的效率，减少资源的浪费。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点(MaximumPower Point，简称MPP)上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。
利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)技术。在光伏发电技术领域，通常需要使用光伏并网逆变器将光伏电池组件发出的直流电能转换成与电网同频同相的交流电能，同时采用控制方法对光伏组件进行电能输出优化，实现最大输出功率点跟踪。
最大功率点跟踪(MPPT)实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。通过分析发现，并网逆变器的有功输出功率Pout与并网逆变器输出电流的d轴分量成正比，因此，并网逆变器有功输出功率Pout的控制可通过对有功电流分量Id的控制来实现。
本实施例中，该功率调度控制系统的结构示意图如图1所示。如图1所示，该功率调度控制系统优选采用基于电流内环、直流电压中环以及MPPT功率外环的三环控制模型，其包括：电流内环控制模块、直流电压中环控制模块以及MPPT功率外环控制模块。
电流内环控制模块能够根据逆变器输出端电流参考值以及并网逆变器的实际输出电流生成相应的控制指令，并将该控制指令传输至与之连接的并网逆变器，从而调节并网逆变器的输出功率。
具体地，电流内环控制模块是在dq坐标系下实现控制的，即并网逆变器输出电流的检测值(即并网逆变器的实际输出电流)经过abc/αβ/dq坐标系变换为同步旋转dq坐标系下的直流量(即d轴电流直流分量Id和q轴电流直流分量Iq)，电网电压同步变换为同步旋转dq坐标系下的ed和eq。
电流内环控制模块能够通过相应的PI调节器来实现对d轴电流直流分量Id和q轴电流直流分量Iq的无静差控制，最后通过诸如SVPWM调节和驱动环节来生成相应的控制指令，并通过该控制指令来控制并网逆变器实现直流到交流的逆变以及网侧功率因数正弦波电流控制。
本实施例中，直流电压中环控制模块优选地包括直流母线电压检测器和电压调节器等器件，其能够实现对光伏电池阵列的工作电压的调节。MPPT功率外环控制模块主要包括输入功率采样单元以及功率点控制单元等，MPPT功率外环控制模块的输出作为直流电压中环控制模块的直流电压指令(即输入电压参考值)，通过直流电压中环控制模块的电压调节来搜索光伏电池的MPP，从而使得并网光伏系统实现MPPT运行。
当负载特性与光伏电池特性的交点在最大功率点左侧时，MPPT控制会使得交点处的电压升高；而当交点在最大功率右侧时，MPPT控制会使得交点处的电压下降。如果持续这样的搜索过程，MPPT控制也就可以最终使得系统跟随光伏电池的最大功率运行。
图2示出了本实施例所提供的发电系统的功率调度控制方法的实现流程示意图。
结合图1和图2，本实施例所提供的功率调度控制系统在对光伏发电系统进行功率调度控制时，首先会在步骤S201中获取并网逆变器的逆变器输入功率Pin以及调度功率(即功率调度指令Pref)。
具体地，本实施例中，MPPT功率外环控制模块优选地根据所获取到的并网逆变器的实际输入电压(即实际直流电压)Uin和实际输入电流(即实际直流电流)Iin来计算并网逆变器的逆变器输入功率Pin。即存在：
Pin＝UinIin (1)
随后，MPPT功率外环控制模块会在步骤S202中将并网逆变器的逆变器输入功率Pin与调度功率Pref进行比较。其中，如图3和图4所示，如果并网逆变器输入功率Pin小于调度功率Pref，则此时需要实现当前工况下光伏电池的最大功率跟踪，因此MPPT功率外环控制模块则会在步骤S206中基于预设MPPT功率外环控制模块来直行正常的MPPT控制。
如图5和图6所示，如果并网逆变器的逆变器输入功率Pin大于或等于调度功率Pref，那么并网逆变器的逆变器输出功率Pin也就需要调节至等于调度功率Pref，本实施例中，此时该功率调度控制系统将会解除电压中环的控制。具体地，如图2所示，本实施例中，如果并网逆变器输入功率Pin大于或等于调度功率Pref，该功率调度控制系统会在步骤S203中将直流电压中环控制模块中的电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据Verr配置为零。
需要指出的是，对于图4所示的情况，本实施例中，功率调度控制系统首先将会基于预设MPPT功率外环控制模块来直行正常的MPPT控制，从而实现当前工况下光伏电池的最大功率跟踪。由于实现最大功率跟踪后，并网逆变器的逆变器输入功率Pin将会大于调度功率Pref，即处于图5所示的工况，因此此时也就需要按照图5所示的工况进行调节，即并网逆变器的逆变器输出功率Pin也就需要调节至等于调度功率Pref，该功率调度控制系统将会解除电压中环的控制。
本实施例中，在步骤S203中，MPPT功率外环控制模块优选地将自身输出的直流电压中环控制模块的输入电压参考值配置为等于并网逆变器的实际输入电压Upv，根据图1可以看出，输入至电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据Verr为直流电压中环控制模块的输入电压参考值与并网逆变器的实际输入电压Upv的差值，因此此时输入至电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据Verr也就等于零。
本实施例中，当电压偏差数据Verr等于零时，由于电压中环PI调节器的积分作用，电压中环PI调节器能够在步骤S204中在Δt的时长内将并网逆变器的输出电流参考值快速跟踪到与调度功率Pref和实际输入电压Upv相对应的调度电流(即电流调度指令Iref)。
本实施例中，该系统优选地通过对有功电流Id的调节来实现对光伏电池的输出功率的调度。具体地，如图2所示，本实施例中，电压中环PI调节器在步骤S204中优选地将有功电流参考值配置为等于电流调度指令Iref(即调度电流参考值)，即存在：
需要指出的是，在本发明的不同实施例中，电压中环PI调节器了可以利用如图7所示的斜坡跟踪函数或是如图8所示的低通滤波阶跃响应跟踪函数等预设连续跟踪函数来使得有功电流参考值等于电流调度指令Iref。同时，还需要指出的是，对于电压中环PI调节器来说，其跟踪时间Δt可以根据实际需要配置为不同的合理值，本发明并不对跟踪时间Δt的具体取值进行限定。
在得到并网逆变器的输出电流参考值(即有功电流参考值)后，电流内环控制模块则会在步骤S205中根据上述并网逆变器的输出电流参考值以及实际输出电流生成相应的控制指令(例如脉冲控制信号)，并将该控制指令传输至并网逆变器，从而控制并网逆变器的运行状态，使得并网逆变器的输出功率等于调度功率Pref，从而实现对发电系统的功率调度。
需要指出的是，在本发明的其它实施例中，该功率调度方法还可以利用在除光伏发电系统之外的其它合理的发电系统中，本发明不限于此。
由于现有的光伏发电系统的功率调度控制方法均是通过调节光伏电池板的工作电压来实现功率调节，即根据Vref＝Vref±ΔU来进行调节，这样也就使得每一个MPPT控制周期内参考电压Vref只能调整一个步长电压ΔU，从而造成光伏电池的输出功率和功率调度指令的匹配时间过长，降低了光伏发电单元对电网调峰的响应速度。
而本发明所提供的功率调度方法在并网逆变器的逆变器输入功率大于或等于调度功率时，能够将直流电压指令(即直流电压中环控制模型的输入电压参考值)与并网逆变器的实际输入电压的偏差信号配置为零，这样直流电压中环控制模型中的电压中环PI调节器也就可以通过连续跟踪来将并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为调度电流参考值。
相较于现有方法来说，本方法并不需要按照指定的步长电压ΔU对直流电压中环控制模型的输入电压参考值进行逐级调节，因此其能够达到快速功率调度的目的，这样也就提高了发电系统对于电网调峰的响应速度。
同时，由于本发明所提供的功率调度方法在并网逆变器的逆变器输入功率小于调度功率时仍可以采用正常的MPPT控制模式，因此本方法在此工况下能够不影响并网逆变器的正常运行。
本发明还提供了一种光伏发电系统，如图9所示，该系统优选地包括：光伏电池阵列901、并网逆变器902以及功率调度控制系统904。其中，并网逆变器902连接在光伏电池阵列901与电网903之间，其能够将光伏电池阵列901输出的直流电转换为交流电并传输至与之连接的电网903。功率调度控制系统与并网逆变器902连接，其用于调节所述并网逆变器的输出功率。具体地，该功率调度控制系统优选地采用本发明所提供的功率调度方法来对光伏电池阵列的输出功率进行调度控制。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种发电系统的功率调度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、获取与发电系统连接的并网逆变器的逆变器输入功率，将所述逆变器输入功率与接收到的调度功率进行比较，如果所述逆变器输入功率大于或等于所述调度功率，则执行步骤二；
步骤二、将预设直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器输入侧的电压偏差数据配置为零，利用所述电压中环PI调节器将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，还根据所述逆变器输出电流参考值以及并网逆变器的实际输出电流生成相应的控制指令，并将所述控制指令传输至所述并网逆变器，以使得所述并网逆变器的输出功率等于所述调度功率。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述逆变器输入功率小于所述调度功率，则执行步骤三：
步骤三、基于预设MPPT功率外环控制模块执行正常的MPPT控制，来调节所述并网逆变器的输出功率。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述方法利用预设MPPT功率外环控制模块来根据所述并网逆变器的实际输入电压确定所述预设直流电压中环控制模块的输入电压参考值。
5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤二中，将所述预设MPPT功率外环控制模块所生成的所述预设直流电压中环控制模块的输入电压参考值配置为等于所述并网逆变器的实际输入电压，以使得输入所述电压中环PI调节器的电压偏差数据等于零。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述电压中环PI调节器配置为利用预设连续跟踪函数来将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预设连续跟踪函数包括斜坡跟踪函数或低通滤波阶跃响应跟踪函数。
8.一种发电系统的功率调度控制系统，其特征在于，所述系统采用如权利要求1～7中任一项所述的方法进行发电系统的功率调度控制。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括：
MPPT功率外环控制模块，其用于根据获取到的并网逆变器的实际输入电压对所述并网逆变器进行MPPT控制；
直流电压中环控制模块，其与所述MPPT功率外环控制模块连接，其用于根据所述MPPT功率外环控制模块所生成的输入电压参考值生成相应的逆变器输出电流参考值；
电流内环控制模块，其与所述直流电压中环控制模块连接，用于根据所述调度电压参考值以及所述逆变器的实际输出电流生成相应的控制指令，并将所述控制指令传输至所述并网逆变器，从而调节所述逆变器的输出功率。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，如果所述并网逆变器的逆变器输入功率大于或等于调度功率，所述MPPT功率外环控制模块配置为将自身生成的所述直流电压中环控制模块的输入电压参考值配置为等于所述并网逆变器的实际输入电压，以使得输入所述直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器的电压偏差数据等于零。
11.如权利要求9或10所述的系统，其特征在于，如果所述并网逆变器的逆变器输入功率小于所述调度功率，所述MPPT功率外环控制模块配置为执行正常的MPPT控制，来调节所述逆变器的输出功率。
12.如权利要求9～11中任一项所述的系统，其特征在于，所述直流电压中环控制模块的电压中环PI调节器配置为利用预设连续跟踪函数来将所述并网逆变器的逆变器输出电流参考值调节为与所述调度功率和实际输入电压相对应的调度电流参考值。
13.一种光伏发电系统，其特征在于，所述光伏发电系统包括：
光伏电池阵列；
并网逆变器，其与所述光伏电池阵列连接，用于将所述光伏电池阵列输出的直流电转换为交流电并传输至与之连接的电网；
以及，如权利要求8～12中任一项所述的功率调度控制系统，其与所述并网逆变器连接，用于调节所述并网逆变器的输出功率。
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