CN112383087B - 一种光伏欠功率输出控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏欠功率输出控制方法，包括以下步骤：(1)获取光伏阵列的当前输出电压vpv和当前输出电流ipv；(2)计算dp/dv的值，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围；(3)在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制，根据dp/dv控制得到的电压范围确定光伏功率热备运行电压。利用本发明的方法，可以实现光伏电源在不同的温度和辐照度下输出功率等比例热备，且无需温度和辐照度传感器，同时高效的利用了现有硬件资源，可以便携的移植到当前的光伏系统中。

Description

一种光伏欠功率输出控制方法
技术领域
本发明属于光伏组网技术领域，尤其是涉及一种光伏欠功率输出控制方法。
背景技术
近些年，越来越多的光伏系统被接入电网，随着光伏装机量的增加，整个电力系统的惯性也随之减少，进而影响电网的频率变化率和频率偏差，最终可能引发严重的频率稳定性问题。
为了解决光伏间断性输出带来的频率稳定问题，功率储备控制逐渐被应用于光伏系统中，旨在利用储备的功率参与系统频率调节。通常，功率储备控制实现的方式有两种：利用储能设备或光伏功率热备。
前者一般利用电池来实现功率储备，如公开号为CN105680481A的中国专利文献公开了一种分布式光伏储能微电网控制策略，控制策略如下：在并网状态，微电网联网运行，电池储能系统工作在恒功率控制模式，当收到主动切换指令时，对电池储能系统进行功率调整，微电网与电网脱离独立运行，微网系统执行离网运行控制策略；此时，电池储能系统工作在恒压/恒频控制模式；当接收到并网指令时，微电网与电网联网运行，电池储能系统工作在PQ模式，微网系统执行并网运行控制策略。但是这种方式前期投资较大且电池寿命有限，还会增加系统拓扑复杂度。
相较而言，光伏输出功率热备的方法更容易实现且耗费成本较低。光伏功率热备的基本思想就是让光伏系统工作在欠功率点，而不是传统的最大功率输出点，这样热备的有功功率就可以用来实现电网频率支撑。传统的功率热备的实现方式一般是采集温度和辐照度信息，通过模型计算出当前光伏输出的最大可用功率，然后给出预留一部分功率后的参考值。
如公开号为CN103337989A的中国专利文献公开了一种基于净空模型的光伏电站最大输出功率预测方法，包括(1)分别计算到达地面的直射辐照度和到达地面的散射辐照度；(2)计算净空条件下达到地面的辐照度；(3)计算光伏电站内单个电池板上的有效辐照度；(4)确定光伏电站最大输出功率。
然而，上述方法不仅需要额外的硬件支出费用，而且复杂的模型计算会给处理器带来极大的运算压力。因此，提出新的光伏功率热备控制策略，更少的硬件开销，更便捷的实施方式，是当前亟需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光伏欠功率输出控制方法，无需额外传感器，可以实现光伏电源在不同的温度和辐照度下输出功率等比例热备。
一种光伏欠功率输出控制方法，包括以下步骤：
(1)获取光伏阵列的当前输出电压vpv和当前输出电流ipv；
(2)计算dp/dv的值，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围；
(3)在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制，根据dp/dv控制得到的电压范围确定光伏功率热备运行电压。
具体的，步骤(1)中，当前输出电流ipv的数学模型为：
Figure BDA0002743429320000021
式中，ipv是光伏阵列输出电流；Np和Ns是光伏阵列并联和级联的光伏面板个数；Isc和Voc分别是光伏面板的短路电流及开路电压；
Figure BDA0002743429320000022
是光伏面板的热电压，每个光伏面板有N个光伏发电单元串联而成，k为玻尔兹常熟，q为元电荷数，T为开氏温度，a为等效二极管的理想常数。
则光伏阵列的输出功率为
Figure BDA0002743429320000031
步骤(2)中，电压和电流经过一个低通滤波器来去除噪声和毛边，利用测量电路自带的低通滤波器实现dp/dv的计算。
具体的，dp/dv的计算公式为：
Figure BDA0002743429320000032
式中，if为经低通滤波器后的电流值，vf为经低通滤波器后的电压值。
dp/dv的计算过程为：
低通滤波器的传递函数为：
Figure BDA0002743429320000033
其中，
Figure BDA0002743429320000034
为截止频率，s表示拉普拉斯算子，经滤波器后的电流if和电压vf值为
Figure BDA0002743429320000035
Figure BDA0002743429320000036
等式变换后，可得
Figure BDA0002743429320000037
Figure BDA0002743429320000038
经Laplace逆变换，得到时域表达式
Figure BDA0002743429320000039
Figure BDA0002743429320000041
两式相除得到
Figure BDA0002743429320000042
则dp/dv的计算公式表示为
Figure BDA0002743429320000043
步骤(2)中，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围时，选取dp/dv<0对应的电压作为光伏的工作电压范围。
虽然dp/dv控制通过利用测量电路自带的低通滤波器实现了dp/dv值计算的经济可行性，但是上述方法存在一个缺陷——除法运算的过零问题。由于电路噪声的存在，vpv-vf越小，其对计算结果的影响就越大，所以最终会导致在期望值附近的震荡。为了实现更稳定的输出，本发明在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制。
优选地，步骤(3)中，dp/dv控制和恒电压控制分时运行，一个周期Ts内，0<t<t1内,运行dp/dv控制，t1<t<Ts内运行恒电压控制。
t1的值需要根据实际电路选取，原则是要大于dp/dv控制下电压输出的震荡周期，以实现对电压波动的峰峰值采样。Ts的取值则关系到光伏输出的响应速度和输出稳定性，因为dp/dv控制确定实际工作电压范围，Ts越大则，dp/dv控制的作用间隔越长，这就使得光伏输出对环境变化的响应速度越慢；但是，Ts越小，则dp/dv控制的作用间隔越短，使得输出波动较大，所以Ts的值可根据实际需求折中选取。
优选地，恒电压控制时，恒电压控制的电压参考值通过采集dp/dv控制期间，光伏电压的波动最大和最小值，然后取算术平均值。
因为dp/dv控制中，在接近期望值时增量趋近于零，由于除法的运算特性而发生震荡，所以在dp/dv控制下，光伏输出电压在期望值附近震荡。为了实现稳定的电压控制，选取震荡范围下的中位数即算术平均值作为参考电压，在操作上易于实现且接近期望值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明实现了光伏电源在不同的温度和辐照度下输出功率等比例热备。
2、本发明与传统基于模型的控制方法相比，无需额外传感器，且计算量更少，效率更高。
3、本发明仅利用了电路通用资源进行计算，可以便捷移植到现有的光伏发电系统中。
附图说明
图1为本发明一种光伏欠功率输出控制方法的流程示意图；
图2为KC200GT光伏阵列在标准条件下的P-V特性曲线；
图3为与图2对应的Ppv-dp/dv曲线；
图4为同一个光伏面板在不同的温度和辐照度下的Ppv-dp/dv曲线；
图5为电压和电流经过低通滤波器去除噪声和毛边的电路示意图；
图6为dp/dv控制和恒电压控制的联合控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种光伏欠功率输出控制方法，无需温度和辐照度传感器，而且高效的利用了现有硬件资源，可以便携的移植到当前的光伏系统中。主要分两个部分：dp/dv控制和恒电压控制，具体步骤如下：
S01，获取光伏阵列的当前输出电压vpv和当前输出电流ipv；
S02，计算dp/dv的值，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围；
S03，在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制，根据dp/dv控制得到的电压范围确定光伏功率热备运行电压。
·dp/dv控制
在标准温度和辐照度下，光伏输出电流数学模型如下：
Figure BDA0002743429320000061
其中，ipv是光伏阵列输出电流；Np和Ns是光伏阵列并联和级联的光伏面板个数；Isc,n和Voc,n分别是光伏面板在标准环境条件(温度是298.16K，辐照度1000W/m2)下的短路电流及开路电压；
Figure BDA0002743429320000062
是光伏面板的热电压，每个光伏面板有N个光伏发电单元串联而成，k为玻尔兹常熟，q为元电荷数，T为开氏温度，a为等效二极管的理想常数。
则光伏阵列的输出功率为
Figure BDA0002743429320000063
如图2所示，为KC200GT光伏阵列在标准条件下的P-V特性曲线，该曲线可以分成两个部分，即上升部分和下降部分。图3为对应的Ppv-dp/dv曲线，同样可分为两个部分——dp/dv>0和dp/dv<0，且与图2的两部分相对应，光伏最大功率点对应dp/dv＝0，且不随环境和温度的变化，P-V曲线上升部分对应dp/dv>0，P-V曲线下降部分对应dp/dv<0。因为下降部分功率随电压的变化率更大，且dp/dv值变化范围比下降部分的更宽，所以为了取得更好的动态响应和稳态输出效果，本发明选取下降部分即dp/dv<0为光伏的工作范围。
图4所示为同一个光伏面板在不同的温度和辐照度下的Ppv-dp/dv曲线，可以从图中看出曲线表现出相似的规律，为了更精确的分析，表1统计了dp/dv＝-500时光伏输出功率和出力百分比，可以看出光伏输出功率可以大致控制在最高功率的96％左右，本发明正是基于此原理，通过控制光伏输出dp/dv来实现功率热备控制。
表1
Figure BDA0002743429320000071
因此，dp/dv的计算是最关键的一步，根据增量电导法有
Figure BDA0002743429320000072
电压和电流总是会经过一个低通滤波器来去除噪声和毛边,这样低通滤波正好可以用来计算ipv和vpv的增量值，如图5为dp/dv计算时，电压和电流经过低通滤波器去除噪声和毛边的电路示意图。
低通滤波器的传递函数可以写成
Figure BDA0002743429320000073
其中，
Figure BDA0002743429320000074
为截止频率。经滤波器后的if和vf值为
Figure BDA0002743429320000075
Figure BDA0002743429320000076
等式变换后，可得
Figure BDA0002743429320000077
Figure BDA0002743429320000078
经Laplace逆变换，可得时域表达式
Figure BDA0002743429320000081
Figure BDA0002743429320000082
两式相处可得
Figure BDA0002743429320000083
则dp/dv的计算公式可以表示为
Figure BDA0002743429320000084
·恒电压控制
虽然dp/dv控制通过利用测量电路自带的低通滤波器实现了dp/dv值计算的经济可行性，但是上述方法存在一个缺陷——除法运算的过零问题。由于电路噪声的存在，vpv-vf越小，其对计算结果的影响就越大，所以最终会导致在期望值附近的震荡。为了实现更稳定的输出，本发明在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制。恒电压控制的电压参考值vref是通过采集dp/dv控制期间，光伏电压的波动最大值vmax和最小值vmin，然后取算术平均值，具体公式为：
vref＝(vmax+vmin)/2
·联合控制
如图6所示，为dp/dv控制和恒电压控制的联合控制框图。两种控制方式实现分时运行，例如在一个周期Ts内，0<t<t1内,运行dp/dv控制，0<t<Ts内运行恒电压控制。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取光伏阵列的当前输出电压vpv和当前输出电流ipv；
(2)计算dp/dv的值，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围；
(3)在dp/dv控制基础之上增加恒电压控制，根据dp/dv控制得到的电压范围确定光伏功率热备运行电压；
dp/dv控制和恒电压控制分时运行，一个周期Ts内，0<t<t1内,运行dp/dv控制，t1<t<Ts内运行恒电压控制；
恒电压控制时，恒电压控制的电压参考值通过采集dp/dv控制期间，光伏电压的波动最大和最小值，然后取算术平均值。
2.根据权利要求1所述的光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，步骤(1)中，当前输出电流ipv的数学模型为：
Figure FDA0003531195570000011
式中，ipv是光伏阵列输出电流；Np和Ns是光伏阵列并联和级联的光伏面板个数；Isc和Voc分别是光伏面板的短路电流及开路电压；
Figure FDA0003531195570000012
是光伏面板的热电压，每个光伏面板有N个光伏发电单元串联而成，k为玻尔兹常熟，q为元电荷数，T为开氏温度，a为等效二极管的理想常数。
3.根据权利要求1所述的光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，步骤(2)中，电压和电流经过一个低通滤波器来去除噪声和毛边，利用测量电路自带的低通滤波器实现dp/dv的计算。
4.根据权利要求3所述的光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，dp/dv的计算公式如下：
Figure FDA0003531195570000013
式中，if为经低通滤波器后的电流值，vf为经低通滤波器后的电压值。
5.根据权利要求4所述的光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，dp/dv的计算过程为：
低通滤波器的传递函数为：
Figure FDA0003531195570000021
其中，
Figure FDA0003531195570000022
为截止频率，s表示拉普拉斯算子，经滤波器后的电流if和电压vf值为
Figure FDA0003531195570000023
Figure FDA0003531195570000024
等式变换后，可得
Figure FDA0003531195570000025
Figure FDA0003531195570000026
经Laplace逆变换，得到时域表达式
Figure FDA0003531195570000027
Figure FDA0003531195570000028
两式相除得到
Figure FDA0003531195570000029
则dp/dv的计算公式表示为
Figure FDA00035311955700000210
6.根据权利要求1所述的光伏欠功率输出控制方法，其特征在于，步骤(2)中，采用dp/dv控制确定光伏工作电压范围时，选取dp/dv<0对应的电压作为光伏的工作电压范围。
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