CN111009919B - 基于有功控制的光伏爬坡率控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有功控制的光伏爬坡率控制方法和设备，可以同时对上坡率和下坡率进行控制。方法包括：首先测量光伏侧电压和电流，以反馈给功率爬坡率控制策略，生成电压指令；然后将生成的电压指令与光伏侧电压进行比较，计算两者之间的误差，以反馈给PI控制器来调节光伏侧电压趋向电压指令；最后利用PI控制器产生PWM信号，对DC‑DC变换器进行控制。其中利用的优化电压和最大允许爬坡率是由系统外部设置的两个外部参数。采用本发明提出的功率爬坡率控制策略能给光伏系统提供一种综合解决方案思路。当太阳辐照度降低时，本发明能通过测量的斜坡率，合理对下坡率进行控制，不需要储能参与，该方法前景好，有较大的推广价值和经济效益。

Description

基于有功控制的光伏爬坡率控制方法和设备

技术领域

本发明涉及光伏功率爬坡控制，具体是一种基于有功控制的光伏爬坡率控制方法。

背景技术

近年来，为了在混合电网中引入更多的可再生能源，并网光伏系统的装机容量正在不断增加，由于可再生能源发电的间歇性，其对电网也造成了诸多不利影响，为了克服这些不利影响，目前应对方案的主要思路是采用新能源与储能的混合系统，来实现平滑功率输出。但由于储能造价成本太高且寿命太短，此方案在工业界中并未得到大规模实现。近年来，一种利用光伏自身进行功率平滑输出的算法被提出，即功率爬坡率控制(Power Pamp-rate Control，PRRC)。图1所示为光伏输出特性曲线与传统PRRC算法的示意图。传统的PRRC算法通过如下公式计算出光伏机组的实时爬坡率R_r：

其中，n是一个整数，T_p是算法的周期时间，P(t)是当前功率大小。如果计算出的R_r比R_r,max(最大允许爬坡率)小，说明此时爬坡较慢，不需要对功率进行限制，此时采用最大功率点追踪算法(Maximum power point tracking,MPPT)，让光伏工作在其MPPT模式下，对应图中的标注线①，该工作过程可以用下面(1)式表示；当R_r比R_r,max大时，则说明爬坡较快，需要对Rr进行限制，此时要将工作点往MPP左侧移动，对应图中的标注线②，该工作过程可以用下面(2)式表示。因此光伏系统的参考电压可以表示为如下公式：

其中，V_ref是被MPPT方法用于计算的参考电压，V_mppt指V_ref根据MPPT算法进行控制，V_step是电压调节步长。

在当太阳辐照度增加时，传统的功率爬坡率控制策略可以通过对自身功率进行限制，从而可以对上坡率进行有效地控制；而当太阳辐照度降低时，传统算法无法为系统提供一定的功率裕量，因此无论测量的斜坡率是多少，都无法对下坡率进行控制。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于有功控制的光伏爬坡率控制方法和设备，可以同时对上坡率和下坡率进行控制。

技术方案：根据本发明的第一方面，提供一种基于有功控制的光伏爬坡率控制方法，包括以下步骤：

S1、按照指定的周期定时获取光伏系统当前输出电压和电流值V(t)、I(t)，并计算出光伏系统当前实时爬坡率R_r(t)；

S2、将R_r(t)与预设的最大允许爬坡率R_r,max进行比较，如果R_r(t)大于或等于R_r,max，则根据电流值和最大允许爬坡率更新电压调节步长V_step，并依此步长改变参考电压V_ref；如果R_r(t)小于R_r,max，则利用电压调节步长对电压值进行微调，直到参考电压V_ref趋于预设的优化电压V_opt。

进一步地，步骤S2中参考电压V_ref计算公式表示如下：

电压调节步长的更新方式如下：

T_p是预设的周期时间，P(t-1)为前一时刻的光伏输出功率。

根据本发明的第二方面，提供一种计算机设备，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述方法的步骤。

有益效果：本发明提出的基于有功控制的光伏爬坡率控制方法，可以同时对上坡率和下坡率进行控制。尤其是当太阳辐照度降低时，本发明能通过测量的斜坡率合理地对下坡率进行控制，采用本发明提出的功率爬坡率控制策略能给光伏系统提供一种综合解决方案思路。由于该方法不需要储能参与，大大减少系统储能装置的依赖、减少系统对储能装置的安装，从而降低系统整体成本，因此该方法前景好，有较大的推广价值和经济效益。

附图说明

图1为光伏输出特性曲线与传统PRRC算法的示意图；

图2为根据本发明的PRRC算法原理图；

图3为根据本发明的PRRC算法流程图；

图4为光照上升时根据本发明提出的PRRC策略的示意图；

图5为光照下降时根据本发明提出的PRRC策略的示意图；

图6为根据本发明的模拟实验结果示意图一；

图7为根据本发明的模拟实验结果示意图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

跟传统的PRRC策略不同，本发明提出的方法可以同时对上坡率和下坡率进行控制。图2示出了本发明所提出的PRRC策略的系统配置和控制结构。其中，系统由光伏组件和DC-DC变流器所组成，控制结构的输入端则由光伏侧电压V、光伏侧电流I、优化电压V_opt和最大允许爬坡率R_r,max组成，控制结构的输出端为参考直流电压V_ref。将生成的V_ref则与V进行比较，其误差反馈给PI控制器以调节V趋向于V_ref。最终利用PI控制器产生的PWM信号对DC-DC变流器进行控制。需要注意的是，V_opt和R_r,max是由系统外部设置的两个外部参数，其值可以根据外部条件，如电网需求进行改变。还应当了解，图中以DC-DC变流器连接光伏组件仅是示例的作用，而非对本发明的限制，图上所示C_pv、L、V_dc、三极管的硬件结构都是Boost升压电路的一部分，跟算法实现并没有约束关系。如果把该电路换成光伏逆变器或者其他电路，本发明所提的控制算法也可以实现，不需要更改任何内容。

详细的控制流程如图3所示。具体包括以下步骤：

步骤S1，按照一定周期定时测量光伏当前电压和电流值V(t)、I(t)，并计算出光伏实时爬坡率R_r(t)。

R_r(t)的计算公式为：

其中，n是一个整数，T_p是算法的周期时间，P(t)是当前功率大小。

步骤S2，判断当前实时爬坡率R_r(t)是否大于等于预设的最大允许爬坡率R_r,max：

如果R_r(t)大于或等于R_r,max，则更新电压调节步长V_step，并依此步长改变参考电压V_ref；其中电压调节步长的更新方式如下：

参考电压的计算公式如下：V_ref＝P(t-1)/I(t)，P(t-1)为前一时刻的光伏输出功率；

如果R_r(t)小于R_r,max，则判断V(t)是否大于预设的V_opt，根据相应的情况改变V_ref，具体地，当V(t)大于V_opt时，V_ref＝V(t)-V_step；当V(t)小于V_opt时，V_ref＝V(t)+V_step。不断计算，直到V(t)趋于V_opt。电压调节步长V_step有个初始值，若未经过更新，即未出现过R_r(t)大于或等于R_r,max的情况，则此处V_step为初始值，若经过更新，则此处使用更新后的V_step值。

步骤S3，利用PI控制器产生PWM信号，对DC-DC变流器进行控制。

当光照上升时，本发明所提出的PRRC策略示意图如图4所示。假设工作点最初处于A点位置。当太阳辐照度从700W/m²增加到800W/m²时，工作点从A点移动到B点。此时假设R_r(t)低于R_r,max，不需要对功率进行限制，则工作点将保持在B点附近扰动。当太阳辐照度增加到1000W/m²时，工作点从B点移动到C点，此时R_r(t)大于R_r,max于是PV电压将立即调节到点C的左侧，D点的位置。由于工作点在恒定电流区域(constant current region，CCR)，点D处的电压近似等于：

V_D＝P(t-1)/I(t)

此过程为标记线①表示的过程。

在此之后，工作点将逐渐按照电压步长V_step向C点移动，此过程标记为②。

为了实现上述两个过程，V_ref计算公式如下：

为了限制R_r(t)，每个周期T_p中的功率变化ΔP应满足如下公式：

ΔP＝V_step×I(t)≤R_r,max×T_p

上述公式整理可得：

当光照发生下降时，本发明所提出的PRRC策略示意图如图5所示，假设工作点最初处于A点位置。当太阳辐照度从1000W/m²下降到900W/m²时，工作点从A点移动到B点。此时假设R_r(t)低于R_r,max，则工作点将保持在B点附近扰动。当太阳辐照度下降到700W/m²时，工作点从B点移动到C点，此时R_r(t)大于R_r,max于是PV电压将立即调节到点C的右侧，D点的位置。由于工作点在恒定电流区域，点D处的电压近似等于：

V_D＝P(t-1)/I(t)

此过程为标记线①表示的过程。

在此之后，工作点将逐渐按照电压步长V_step向C点移动，此过程标记为②。

为了实现上述两个过程，V_ref计算公式如下：

为了限制R_r(t)，每个周期T_p中的功率变化ΔP应满足如下公式：

ΔP＝V_step×I(t)≤R_r,max×T_p

上述公式整理可得：

由上可以看出，根据本发明提出的PRRC策略，不论太阳辐照度是上升还是降低，都可以对光伏爬坡率进行有效的控制。

本发明通过实验进行结果验证，实验平台根据图2进行搭建。其中，光伏模拟器用来模拟光伏阵列的输出，DC-DC变流器采用真实的Boost变换器，控制算法通过dSPACE来实现。为了证明本算法真实有效，我们采用真实的光照数据对本发明进行验证，其实验结果如图6、图7所示。其中MPPT所指向的功率、电压波形代表使用MPPT算法的控制策略，PRRC所指向的功率、电压波形代表本发明所提出的PRRC控制策略。从图6和图7中可以看出，无论光照发生怎样的波动，本发明所提出的PRRC控制策略可以同时对功率上坡率和功率下坡率进行有效的控制。

根据本发明的另一实施例，还提供一种计算机设备，所述设备包括：一个或多个处理器；存储器；以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现方法实施例中的各步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于有功控制的光伏爬坡率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、按照指定的周期定时获取光伏系统当前输出电压和电流值V(t)、I(t)，并按下式计算出光伏系统当前实时爬坡率R_r(t)：

其中，n是一个整数，T_p是预设的周期时间，t表示当前时刻，P(t)是当前时刻光伏的输出功率；

S2、将R_r(t)的绝对值与预设的最大允许爬坡率R_r,max进行比较，如果R_r(t)的绝对值大于或等于R_r,max，则根据电流值和最大允许爬坡率更新电压调节步长V_step：

并按下式更新参考电压：V_ref＝P(t-1)/I(t)，其中P(t-1)为前一时刻的光伏输出功率；

如果R_r(t)的绝对值小于R_r,max，则利用电压调节步长对电压值进行微调，直到参考电压V_ref趋于预设的优化电压V_opt，其中利用电压调节步长对电压值进行微调具体包括：判断V(t)是否大于预设的优化电压V_opt，当V(t)大于V_opt时，将参考电压调低V_ref＝V(t)-V_step；当V(t)小于V_opt时，将参考电压调高V_ref＝V(t)+V_step。

2.一种计算机设备，其特征在于，所述设备包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1所述方法的步骤。

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