CN113849031B - 一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略 - Google Patents

一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，包括：(1)定义2*M维的数组，数组的每一列用来存储某一时刻工作点的电压值和电流值；其中，电压值向下取整，等于数组的列序号；(2)实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值，将该电压值向下取整后和采集的电流值一起填入数组中与列序号对应的列空间；(3)对于当前时刻的电压值和电流值，将电压值向下取整后和电流值组成的数据(Um，Im)存入列序号k的列空间；然后在数组上向后寻找第一对数据(Un，In)；(4)根据上述两对数据计算dp/dv，光伏电源根据dp/dv的值控制实际功率输出。本发明无需额外传感器，可以实现dp/dv值的准确计算，从而实现光伏功率输出的稳定控制。

Description

一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略
技术领域
本发明属于光伏发电领域，尤其是涉及一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略。
背景技术
当前能源结构正逐渐从传统化石能源向可再生新能源转变。光伏能源因其获取的便捷，可靠和绿色等特性，成为了主要的可再生新能源之一。
光伏发展的初期，光伏电源一般都是长期工作在最大功率点，以实现对光伏能量的利用最大化。然而，随着光伏装机量的增长，光伏间断性输出的特性给电网稳定运行带来极大的挑战，所以需要光伏电源具有额外的功率调节能力以满足调度需求。
现有技术中，一般是根据实际需求在两套控制方案之间切换：最大功率跟踪控制和功率储备控制。
如公开号为CN109491445A的中国专利文献公开了一种新型光伏储备功率控制方法，包括：对光伏系统的电压电流进行采样，得到电压电流值V(k)、I(k)；根据电网运行状态发送调节信号控制光伏系统的工作模式，所述工作模式包括最大功率点跟踪模式和储备功率控制模式；在储备功率控制模式下，使当前光伏输出功率Ppv调节至MPP下方的Plimit处，计算得到短路电流Isc的值；求得最大功率点电流Impp的值；根据光伏输出特性，得到最大功率点电压Vmpp；求得Pavai，根据光伏储备功率ΔP对工作点进行调节。
公开号为CN110362147A的中国专利文献公开了一种基于光伏系统的功率储备控制方法及系统，包括：获取光伏模块的当前输出电压和当前输出电流；在所述光伏系统的工作模式为最大功率点跟踪模式时进行最大功率点跟踪，以使所述光伏模块工作在最大功率点；在所述光伏系统的工作模式为功率储备控制模式时，控制所述光伏模块在恒流区工作；在光伏储备功率达到预设值时，根据当前输出功率与削减后的输出功率之差调节所述光伏模块后续的扰动方向及占空比。
最大功率跟踪控制实现光伏最大功率输出同时确定当前光伏电源的最大可用功率，功率储备控制则是使光伏电源运行在欠功率状态下——输出功率小于最大可用功率。此类控制策略不仅在实施方面比较复杂，而且控制方案之间的切换还会引起输出的剧烈波动。
因此，提出新的光伏功率输出控制策略，兼顾经济的硬件开销，便捷的实施方式，稳定的能量输出，是当前亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，采用了一种新颖的光伏数据存储方式，无需额外传感器，可以实现dp/dv值的准确计算，从而实现光伏功率输出的稳定控制。
一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，包括：
(1)定义2*M维的数组，数组的每一列用来存储某一时刻工作点的电压值和电流值；其中，电压值向下取整，等于数组的列序号；
(2)实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值，将该电压值向下取整后和采集的电流值一起填入数组中与列序号对应的列空间；
(3)对于当前时刻的电压值和电流值组成的数据(Um，Im)，对电压值Um进行向下取整，得到
Figure BDA0003272009290000021
然后将数据(Um，Im)存入列序号k的列空间，1≤k≤M；接着从数组第k列向后寻找第一对非零数据(Un，In)；
(4)根据上述两对数据计算dp/dv，光伏电源根据dp/dv的值控制实际功率输出。
进一步地，步骤(1)中，M的值大于光伏电源的开路电压。
步骤(2)中，实时采集每一时刻工作点的电压和电流值时，采集间隔为等于控制周期。
在实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值之前，需先对2*M维的数组进行初始化。
若采集的某一时刻电压值向下取整后对应序列号的位置已填有电压和电流值，则用该时刻的数据对其进行覆盖。
步骤(3)中，从数组第k列向后寻找第一对非零数据(Un，In)时，若不存在，则给占空比增加一个负向扰动，使得光伏输出电压减小。
步骤(4)中，根据上述两对数据计算dp/dv的公式如下：
Figure BDA0003272009290000031
Figure BDA0003272009290000032
光伏电源根据dp/dv的值控制实际功率输出的方式为：控制器实时计算dp/dv，与参考值比较后经过比例积分环节，产生占空比信号，输出PWM波给变流器，光伏电源的经变流器输出最终的功率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明控制光伏功率输出无需额外传感器，减少了硬件开销，更具经济性；
2、本发明统一了光伏最大功率输出和功率储备输出，免去了控制策略的切换，在实施上更便捷快速。
3、本发明与传统的增量电导方法相比计算结果更稳定和准确，可以获得更稳定的功率输出。
附图说明
图1为本发明实施例中KC200GT模块在不同条件下输出特性曲线，其中，(a)为P-V输出特性曲线，(b)为P-dp/dv特性曲线；
图2为本发明实施例中dp/dv计算流程图；
图3为应用本发明的光伏电源控制结构图；
图4为本发明实施例中标准条件下KC200GT光伏板的输出功率；
图5为本发明实施例中光照幅度变化下KC200GT光伏板的输出最大功率。
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。
基于dp/dv值的输出特性
理想光伏阵列输出电流数学模型如下：
Figure BDA0003272009290000041
其中，ipv和vpv是光伏输出电流和电压；Np和Ns是并联和级联的光伏模块，每个模块由N个光伏单元组成；Isc，n是光伏模块短路电流；I0，n是二极管的反向饱和或泄露电流；q是电子电荷；a是二极管理想常数；K是玻尔兹曼常数；T是二极管p-n结的温度。
则光伏阵列输出功率为
Figure BDA0003272009290000042
如图1所示，图中(a)为KC200GT模块的P-V输出特性曲线，(b)为相对应的P-dp/dv特性曲线。两图之间存在一种对应关系：最大功率点处dp/dv＝0；最大功率点的左侧dp/dv＞0；最大功率点的右侧dp/dv＜0。因为在最大功率点的右侧，dp/dv的变化率更大，为了取得更好的控制效果，本发明采用dp/dv≤0作为参考量。
dp/dy的计算
dp/dv值的计算是整个控制策略能否实现的关键，也是本发明的核心创新点。传统的方法一般是用采样延时来计算电压电流的变化量，然后两者相除作为当前工作点的导数，但是在工作点趋于稳定的时候，变化量趋于零，则在相除过程中会产生极大的误差，最后使计算值发生剧烈振荡。本发明提出了一种新颖的数据存储方式来解决这个问题。
定义了2*M维的数组，M值大于光伏电源的开路电压，如下表1所示，每一列用来存储某一时刻工作点电压电流值，其中电压向下取整等于列序号。
表1
Figure BDA0003272009290000051
若采集的某一时刻电压值向下取整后对应序列号的位置已填有电压和电流值，则用该时刻的数据对其进行覆盖。
如图2所示，首先对2*M维的数组Data进行初始化；然后实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值，将该电压值向下取整后和采集的电流值一起填入数组中与列序号对应的列空间。采集间隔等于控制周期，本实施例中的控制周期为1/10000s。
对于当前时刻的电压值和电流值，将电压值向下取整后和电流值组成的数据(Um，Im)存入列序号k的列空间；然后向后寻找第一对非零的数据(Un，In)；
最后，用这两对数据计算
Figure BDA0003272009290000061
再计算
Figure BDA0003272009290000062
为验证本发明的效果，利用本发明的控制策略进行仿真实验。
如图3所示，为应用本发明的光伏电源控制结构图，光伏阵列经变流器输出，采集光伏阵列输出电压电流给控制器，控制器实时计算dp/dv，与参考值比较后经过比例积分环节，产生占空比信号，输出PWM波给变流器。
如图4所示，为标准条件下(1000W/m2，25℃)KC200GT光伏板的输出功率，0-2s之间，参考值dp/dvref＝0，输出最大功率，理论值为8.06e4W，实际输出8.05e4W；2s的时候改变参考值dp/dvref＝-200，限制功率输出，实际输出7.73e4W。
如图5所示，为光照幅度变化下的KC200GT光伏板输出最大功率，参考值dp/dvref＝0，0s光照幅度为1200W/m2，理论值为9.504e4W，实际输出9.503e4W；2s增加到1400W/m2，理论值为1.095e5W，实际输出1.095e5W；4s增加到1600W/m2，理论值为1.235e5W，实际输出1.235W，光伏利用率均高于99.99％。
从上述仿真实验结果可知，本发明在光伏利用效率和输出稳定性上都有较好表现。
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)

1.一种适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，包括：
(1)定义2*M维的数组，数组的每一列用来存储某一时刻工作点的电压值和电流值；其中，电压值向下取整，等于数组的列序号；
(2)实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值，将该电压值向下取整后和采集的电流值一起填入数组中与列序号对应的列空间；
(3)对于当前时刻的电压值和电流值组成的数据(Um，Im)，对电压值Um进行向下取整，得到
Figure FDA0003747441490000011
然后将数据(Um，Im)存入列序号k的列空间，1≤k≤M；接着从数组第k列向后寻找第一对非零数据(Un，In)；
(4)根据上述两对数据计算dp/dv，光伏电源根据dp/dv的值控制实际功率输出；根据上述两对数据计算dp/dv的公式如下：
Figure FDA0003747441490000012
Figure FDA0003747441490000013
光伏电源根据dp/dv的值控制实际功率输出的方式为：控制器实时计算dp/dv，与参考值比较后经过比例积分环节，产生占空比信号，输出PWM波给变流器，光伏电源的经变流器输出最终的功率。
2.根据权利要求1所述的适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，步骤(1)中，M的值大于光伏电源的开路电压。
3.根据权利要求1所述的适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，步骤(2)中，实时采集每一时刻工作点的电压和电流值时，采集间隔等于控制周期。
4.根据权利要求1所述的适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，步骤(2)中，在实时采集每一时刻工作点的电压值和电流值之前，需先对2*M维的数组进行初始化。
5.根据权利要求1所述的适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，步骤(2)中，若采集的某一时刻电压值向下取整后对应序列号的位置已填有电压和电流值，则用该时刻的数据对其进行覆盖。
6.根据权利要求1所述的适用于光伏发电系统的功率输出控制策略，其特征在于，步骤(3)中，从数组第k列向后寻找第一对非零数据(Un，In)时，若不存在，则给占空比增加一个负向扰动，使得光伏输出电压减小。
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