CN113572202A - 一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电力电子应用技术领域的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，主要包括寿命自适应协调控制模块、PV结构及控制模块和寿命参考值模块，根据寿命参考值模块所给定的参考值，输入到自适应协调控制模块中进行自适应计算，选择出净增发电量最大的光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，以此作为光伏发电系统的控制参数。本发明能够实现了光伏逆变器中IGBT的寿命评估，可以通过设定寿命参考值自适应调节光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，保证光伏系统的可靠性和经济性，具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明属电力电子应用技术领域，特别涉及一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略。
背景技术
近十年来，光伏系统一直占据所有可再生能源投资的最大份额，而且随着光伏组件和安装成本的下降，将会有更大比例的光伏接入。光伏逆变器作为光伏系统的关键部件，为减少光伏发电成本，提高太阳能发电的竞争力，对光伏逆变器的可靠性提出了更高的要求。然而作为评估光伏系统成本的指标，最大发电量和逆变器实际寿命这两个目标是相互制约的，在这种情况下，需要特别考虑光伏逆变器的设计和控制，以降低系统的能源成本，提高发电量。光伏逆变器作为连接光伏组件和电网的重要环节，其寿命主要受IGBT和电容器的影响，二者导致光伏逆变器故障比例分别高达34％与13.8％。如何在保证光伏逆变器寿命的前提下增加发电量对降低光伏系统的整体能源成本至关重要。
由于光伏组件成本相对较低，一个常用的解决方案是增大光伏组件配置，故意将光伏组件的额定功率设计的高于光伏逆变器的额定功率，这样光伏逆变器将在更大比例的时间接近其额定功率运行，从而可以在非高峰生产期间捕获更多的光伏能量。
最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)是一种光伏逆变器以最大限度从光伏组件获取能量的控制方法。然而，随着光伏并网系统的不断壮大，电网面临着诸多挑战，即使在额定功率范围内保持MPPT模式下运行，也会出现系统过电压、开关器件退化严重、弃光率高以及负荷波动造成的逆变器损坏等问题，因此传统的MPPT已经不能满足要求，为此提出了光伏运行工作点跟踪方向可变的变功率点跟踪(Variable Power PointTracking，VPPT)控制方法，通过采取功率跟踪限值的方法解决了逆变器设计过大或设计不足的问题，提高了逆变器的可靠性。
上述研究发现，光伏逆变器作为光伏系统最关键的部件之一，保证其寿命和可靠性至关重要，但光伏组件配置和功率跟踪限值的变化对光伏逆变器的寿命造成很大影响，可能造成可靠性降低等问题，为此本发明提出一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，通过设定寿命参考值，自适应的选取光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks满足系统要求，保证系统的可靠性和经济性。
发明内容
本发明提出一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，以满足对光伏逆变器寿命和经济性的要求。所述的光伏电源自适应协调控制策略主要包括寿命自适应协调控制模块、PV结构及控制模块和寿命参考值模块，根据寿命参考值模块所给定的参考值，输入到自适应协调控制模块中进行自适应计算，选择出净增发电量最大的光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，以此作为光伏发电系统的控制参数；
所述的寿命自适应协调控制模块，主要包括以下步骤：
步骤1、设置光伏组件配置比初始值Rs＝1，功率跟踪限值初始值Ks＝1；
步骤2、计算光伏逆变器的寿命值，考虑基频和低频结温对IGBT寿命的影响；
步骤3、比较计算逆变器的寿命值是否满足寿命参考值的要求，若满足则输出此时的Rs和Ks取值，计算净增发电量，若不满足则改变Rs和Ks取值返回步骤2重新计算逆变器的寿命；
步骤4、选取净增发电量最大的光伏组件配置和功率跟踪限值作为PV系统的控制参数；
所述的PV模型主要包括任务剖面、Boost电路、光伏逆变器、滤波器、电网和负荷以及相应的控制模块；图1中ipv和vpv分别为光伏电源输出的电流电压，udc为直流电容电压，ig和vg为负载电流和电压；
所述的寿命参考值模块为根据系统要求所设置的参考寿命值。
在光伏发电系统中，通过改变光伏组件配置比可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；光伏组件配置比是光伏发电系统中安装光伏组件的标称功率之和与逆变器额定输出功率的比值，表示为：
其中：Ppv,额定为光伏组件的标称功率；Pinv,额定为光伏逆变器的额定功率；Rs为光伏组件配置比(容配比)，根据工程要求，光伏组件配置比1≤Rs≤1.5。
将光伏逆变器输出功率Ppv限制到低于可用功率Pavai的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率跟踪限值改变输出到光伏逆变器的电流，进而对光伏逆变器寿命产生影响，其中功率跟踪限值Ks表示为：
其中：Pvppt为根据需求限定的功率跟踪限值，Pinv,额定为光伏逆变器的额定功率；Ks为二者的比值，根据工程要求，功率跟踪限值0.7≤Ks≤1.2。
如图3所示，ton为一个低频周期的时长，由于太阳辐照度和环境温度是缓慢变化的，低频结温波动的周期一般为几十秒到几百秒，因此允许采样数据的时间长度为几分钟，不会显著影响结果的整体精度。而基频周期t'on的结温波动一般为几十毫秒到几百毫秒，它与光伏逆变器工作的频率相关，频率越高波动周期越小。基频周期相对于低频，其结温的波动幅度较小，但波动频率高，循环次数较多，累计损伤也会对光伏逆变器的寿命产生较大影响。开关周期由于频率较高，波动很小，可忽略不计。
光伏逆变器寿命包括IGBT和电容器的寿命，计算不同Rs和Ks参数下的光伏逆变器寿命，利用Bayerer’s寿命模型对IGBT进行寿命分析，具体公式为：
其中：ΔTj为结温波动，Tjmin为最小结温，ton为加热时间，I为每个键合线通过的电流，D为键合线直径，V为阻塞电压，A、β1、β2、β3、β4、β5、β6为Bayerer’s模型参数；
电容器寿命模型为：
其中：L和L0分别为使用条件和试验条件下的损伤度，V和V0分别为使用条件和试验条件下的电压，T和T0分别为使用条件和试验条件下的开尔文温度，n为电压应力指数；
利用Miner准则进行IGBT和电容器的损伤度计算，对于电容器可采用传统的损伤度公式进行计算，而IGBT寿命模型中考虑了基频结温和低频结温对寿命分析结果的影响；
对于低频结温的损伤度计算，可根据Miner准则：
其中：ni为低频周期的结温循环次数，由雨流计数法得到；(Nf)i为IGBT理论的失效循环次数；LC1为低频结温影响下的累计损伤度；
基频结温的损伤度主要与系统的频率有关，需对Miner进行改进，改进后的Miner准则公式为：
其中：ni为m分钟内的基频结温循环次数；f为系统频率，一般为50Hz；(Nf)i是根据寿命模型对应的失效循环次数；
则IGBT的总损伤度可表示为：LC＝LC1+LC2，当LC累计损伤超过1时元件失效，其寿命S可表示为：S＝1/LC，同理可计算出电容器的寿命值；
根据寿命要求选出光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，在相同寿命情况下计算光伏系统的净增发电量，获得最优的参数配置具体如下式：
其中：E增发表示系统因增发光伏组件配置而增发电量；E损耗表示系统因功率跟踪限值而损耗的电量；E总表示系统总的可利用电量。
由于光伏逆变器的寿命依赖于其中寿命最低的器件，因此选择IGBT和电容器中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命。
所述的寿命评估模型，考虑了低频和基频结温对IGBT寿命的影响，其中低频结温的波动周期一般为几十秒到几百秒，基频结温波动周期一般为几十毫秒到几百毫秒，与系统的工作频率相关。
该技术方案具有如下技术和方法上的创新：
1)提出了综合考虑基频周期结温和低频周期结温对光伏逆变器中IGBT的影响，使寿命评估更加准确。
2)提出了考虑净增发电量影响的光伏组件配置和功率跟踪限值配置优化方法，弥补了单纯调节光伏组件配置或功率跟踪限值的局限性，与前单独使用光伏组件配置或功率跟踪限值相比，综合考虑光伏组件配置和功率跟踪限值可以选出净增发电量更优的参数配置，实现了逆变器寿命和发电量的最大化，降低系统的能源成本。
3)提出了一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，可根据寿命参考值实现最优参数的选取，该控制策略具有广泛适用性。
附图说明
图1基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略；
图2自适应协调控制流程图；
图3基频和低频周期结温的提取；
图4新加坡不同寿命要求下Rs和Ks的自适应选取情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，一种考虑光伏组件配置和功率跟踪限值影响的光伏逆变器寿命评估方法包括以下步骤：
步骤1、本发明选取新加坡一年的太阳辐照度S和环境温度T数据，采样频率为1小时，将采集到的任务剖面数据导入到PV模型中，如图1所示，利用Matlab/simulink进行仿真，得到光伏系统的负载电流ic。
步骤2、根据建立的考虑光伏组件配置和功率跟踪限值的功率损耗模型，将提取的IGBT电流应用于功率损耗模型，得到IGBT的功率损耗Ploss,s。同样，考虑到直流环节的纹波电流和电容器的等效串联电阻，可以确定电容器中耗散的功率损耗Ploss,c。光伏逆变器中IGBT和电容器的型号可以通过查询供应商的产品参数获得，其中使用的IGBT型号为英飞凌公司的FF100R12RT4，直流电容器使用的是EPCOS B43630A5827，具体参数如表1所示。
表1 IGBT模块相关参数
步骤3、计算不同光伏组件配置和功率跟踪限值情况下的结温，将功率损耗应用于IGBT的热模型，得到IGBT结温分布Tj，然后利用电容器的功率损耗计算出电容器的热点温度剖面Th，即实现了光伏逆变器中IGBT和电容器的任务剖面向热应力剖面的转换。查询器件的参数手册可得IGBT和电容器的热参数，见表2和表3。
表2选定IGBT模块的foster热参数
表3铝电解电容器的热参数
步骤4、根据步骤4中的结温剖面，对IGBT的低频结温利用雨流计数法获取光伏逆变器寿命估计所需的热循环的信息，包括结温波动ΔTj、循环次数ni、平均结温Tjm和循环周期ton，将这些得到的信息应用到Bayerer’s寿命模型中，结合Miner准则可计算出低频结温下的寿命损伤LC1，对于基频结温可直接从结温剖面Tj中获取寿命模型所需数据，求得基频结温下的寿命损伤LC2，则当前光伏组件配置和功率跟踪限值情况下IGBT的寿命损伤LC＝LC1+LC2；对于电解电容器可直接将步骤4中得到的结温剖面Th代入到寿命评估模型中，结合Miner准则计算出此时电容器的寿命。Bayerer’s寿命模型各个参数取值见表4
表4 Bayerer’s模型参数
步骤5、如图2所示，设置光伏组件配置比的初始值Rs＝1，功率跟踪限值初始值Ks＝1，计算此时的光伏逆变器寿命为Y1，寿命参考值为Y2，比较寿命计算值与参考值ΔY＝Y1-Y2，仅改变功率跟踪限值，当ΔY<0时，设定步长ΔKs＝0.01，令Ks＝Ks+ΔKs；当ΔY>0时，设定步长ΔKs＝0.01，令Ks＝Ks-ΔKs；根据改变后的系数重新计算寿命计算值，并再次与参考值进行比较，当误差小于ε即|ΔY|＜ε时结束循环，输出Ks、Rs取值，功率跟踪限值的范围0.7≤Ks≤1.2，不满足范围要求则进行步骤6。
步骤6、增大光伏组件配置比Rs，设定步长ΔRs＝0.01，Rs＝Rs+ΔRs，光伏组件配置比范围1≤Rs≤1.5。即步长每增加0.01，都重复步骤6中的计算，直到光伏组件配置范围不满足要求，结束循环。
步骤7、计算净增发电量，选取最大净增发电量所对应的光伏组件配置和功率跟踪限值反馈回PV系统。图4为新加坡根据寿命参考值选取光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks的取值情况。
Claims (9)
1.一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，所述的光伏电源自适应协调控制策略主要包括寿命自适应协调控制模块、PV结构及控制模块和寿命参考值模块，根据寿命参考值模块所给定的参考值，输入到自适应协调控制模块中进行自适应计算，选择出净增发电量最大的光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，以此作为光伏发电系统的控制参数；
所述的寿命自适应协调控制模块，主要包括以下步骤：
步骤1、设置光伏组件配置比初始值Rs＝1，功率跟踪限值初始值Ks＝1；
步骤2、计算光伏逆变器的寿命值，考虑基频和低频结温对IGBT寿命的影响；
步骤3、比较计算逆变器的寿命值是否满足寿命参考值的要求，若满足则输出此时的Rs和Ks取值，计算净增发电量，若不满足则改变Rs和Ks取值返回步骤2重新计算逆变器的寿命，选取出所有满足寿命要求的Rs和Ks取值；
步骤4、选取净增发电量最大的光伏组件配置和功率跟踪限值作为PV系统的控制参数；
所述的PV模型主要包括任务剖面、Boost电路、光伏逆变器、滤波器、电网和负荷以及相应的控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，在光伏发电系统中，通过改变光伏组件配置比可改变系统出力，进而对逆变器寿命产生影响；光伏组件配置比是光伏发电系统中安装光伏组件的标称功率之和与逆变器额定输出功率的比值，表示为：
其中：Ppv,额定为光伏组件的标称功率；Pinv,额定为光伏逆变器的额定功率；Rs为光伏组件配置比，其中1≤Rs≤1.5。
3.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，将光伏逆变器输出功率Ppv限制到低于可用功率Pavai的某个水平，而不是始终跟踪最大功率点(MPPT)，通过功率跟踪限值改变输出到光伏逆变器的电流，进而对光伏逆变器寿命产生影响，其中功率跟踪限值Ks表示为：
其中：Pvppt为根据需求限定的功率跟踪限值，Pinv,额定为光伏逆变器的额定功率；Ks为二者的比值，其中0.7≤Ks≤1.2。
4.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，综合考虑光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks调节光伏系统的出力，计算Rs和Ks参数发生变化影响时的光伏逆变器寿命。
5.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，所述的光伏逆变器寿命包括IGBT和电容器的寿命，计算不同Rs和Ks参数下的光伏逆变器寿命，利用Bayerer’s寿命模型对IGBT进行寿命分析，具体公式为：
其中：ΔTj为结温波动，Tjmin为最小结温，ton为加热时间，I为每个键合线通过的电流，D为键合线直径，V为阻塞电压，A、β1、β2、β3、β4、β5、β6为Bayerer’s模型参数；
电容器寿命模型为：
其中：L和L0分别为使用条件和试验条件下的损伤度，V和V0分别为使用条件和试验条件下的电压，T和T0分别为使用条件和试验条件下的开尔文温度，n为电压应力指数；
利用Miner准则进行IGBT和电容器的损伤度计算，对于电容器可采用传统的损伤度公式进行计算，而IGBT寿命模型中考虑了基频结温和低频结温对寿命分析结果的影响；
对于低频结温的损伤度计算，可根据Miner准则：
其中：ni为低频周期的结温循环次数，由雨流计数法得到；(Nf)i为IGBT理论的失效循环次数；LC1为低频结温影响下的累计损伤度；
基频结温的损伤度主要与系统的频率有关，需对Miner进行改进，改进后的Miner准则公式为：
其中：ni为m分钟内的基频结温循环次数；f为系统频率，一般为50Hz；(Nf)i是根据寿命模型对应的失效循环次数；
IGBT的总损伤度可表示为：LC＝LC1+LC2，当LC累计损伤超过1时元件失效，其寿命S可表示为：S＝1/LC，同理可计算出电容器的寿命值。
6.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，由于光伏逆变器的寿命依赖于其中寿命最低的器件，因此选择IGBT和电容器中寿命较小值作为光伏逆变器的寿命。
7.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，所述的寿命评估模型，考虑了低频和基频结温对IGBT寿命的影响，其中低频结温的波动周期一般为几十秒到几百秒，基频结温波动周期一般为几十毫秒到几百毫秒，与系统的工作频率相关。
8.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，根据寿命要求选出光伏组件配置比Rs和功率跟踪限值Ks，在相同寿命情况下计算光伏系统的净增发电量，获得最优的参数配置具体如下式：
其中：E增发表示系统因增大光伏组件配置而增发电量；E损耗表示系统因功率跟踪限值而损耗的电量；E总表示系统总的可利用电量。
9.根据权利要求1所述的一种基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略，其特征在于，上述提出的方法是一种广泛适用的基于寿命估计的分布式光伏电源自适应协调控制策略。
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