CN113867471B - 一种光伏系统功率控制器参数选取方法及系统 - Google Patents

一种光伏系统功率控制器参数选取方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种光伏系统功率控制器参数选取方法及系统，包括：根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；确定光伏系统工作模式；光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数；本公开考虑了不同负载模式下光伏系统功率控制器参数的选取。

Description

一种光伏系统功率控制器参数选取方法及系统
技术领域
本公开属于最大功率控制器技术领域，尤其涉及一种光伏系统功率控制器参数选取方法。
背景技术
为了更好地利用光伏发电资源，其控制非常关键；在光伏发电功率控制方面，主要有最大功率跟踪控制和恒功率控制；最大功率跟踪控制采用的方法主要是短路电流法、扰动观测法和电导增量法等；而恒功率控制采用的方法主要是基于牛顿二次插值的光伏定功率控制技术和扰动观测法等。
本公开发明人发现，现有的功率控制器参数选取方法中，存在以下问题：1.没有考虑不同负载模式下光伏系统功率控制器参数的选取；2.为提高光伏系统在实际应用中的能量转换效率，大多数现代光伏系统都采用最大功率点跟(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)技术，该技术主要基于三个部件：MPPT方法、MPPT控制器和DC-DC(Directcurrent-Direct current converter)功率变换器；太阳能电池板的电流-电压特性的非线性及其对照明和温度的依赖性使得光伏系统主要部件的设计非常困难，这使得DC-DC变换器与MPPT控制器的参数不能很好的匹配，不能最大程度的提高能源转换效率。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种光伏系统功率控制器参数选取方法及系统，本公开提供了最有效的太阳能转换，并在MATLAB/simulink中对光伏的动态状态进行了验证。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本公开提供了一种光伏系统功率控制器参数选取方法，包括：
根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
确定光伏系统工作模式；
光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数。
进一步的，所述节点指标数据包括电流、电压和电阻；所述电流和电压由标准试验条件下的电压和电流、光伏串中串联和并联面板的数量、光伏组件的串联电阻、短路电流的温度系数、短路电压的温度系数、室外温度和室外辐照度确定；所述电阻由电流和电压确定。
进一步的，光伏系统工作模式包括第一模式和第二模式；所述第一模式包括光伏阵列和在功率控制器控制下运行的电压转换器；所述第二模式为带有储能装置的光伏系统。
进一步的，光伏系统为第一模式时，当功率控制器与电压变换器相连时，将电压转换器等效为负载；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比。
进一步的，光伏系统为第二模式时，忽略储能装置夹具上的电压变化，不考虑直流母线的静态性，通过输出功率确定电压转换器的等效电阻值；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比。
进一步的，电压转换器的控制参数包括电感器的纹波电流、电感条件、输出电容器上的电荷变化、滤波电容器的条件和输入电容器的条件；
所述电感器的纹波电流由电压转换器的输出电压、占空比、开关频率和电感确定；所述电感条件由电压转换器的等效电阻值、占空比、纹波系数和开关频率确定；所述输出电容器上的电荷变化由开关频率和电压转换器的输出电流确定；所述滤波电容器的条件由占空比、输出电压的允许纹波系数、电感和开关频率确定；所述输入电容器的条件由输入电压的允许纹波系数、电感和开关频率确定。
进一步的，所述功率控制器参数包括采样时间和采样时间内工作周期的变化值；
所述采样时间由电感和电压转换器的等效电阻的比值确定；所述采样时间内工作周期的变化值由允许相对误差、占空比的最小值和占空比的最大值确定。
第二方面，本公开还提供了一种光伏系统功率控制器参数选取系统，包括光伏节点指标数据计算模块、工作模式判断模块、电压转换器负载特性计算模块、电压转换器控制参数计算模块和功率控制器参数选取模块；
所述光伏节点指标数据计算模块模块，被配置为：根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
所述工作模式判断模块模块，被配置为：确定光伏系统工作模式；
所述电压转换器负载特性计算模块模块，被配置为：光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
所述电压转换器控制参数计算模块模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
所述功率控制器参数选取模块模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数。
第三方面，本公开还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
第四方面，本公开还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1.本公开考虑了不同负载模式下光伏系统功率控制器参数的选取；
2.本公开针对MPPT控制器与DC-DC变换器存在的参数不匹配问题提出解决方案，通过此方法可以提高光伏发电系统的发电效率，最大程度的提高了能源转换效率。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本公开实施例1的流程图；
图2为本公开实施例1的第一模式光伏系统；
图3为本公开实施例1的第二模式中具有单一发电源的的光伏系统；
图4为本公开实施例1的第二模式的具有混合能源的光伏系统；
图5为本公开实施例1的变换器负载仿真模型；
图6为本公开实施例1的第一模式下的变换器负载仿真模型；
图7为本公开实施例1的第二模式下具有单一发电源的变换器负载仿真模型；
图8为本公开实施例1的第二模式下具有混合能源的变换器负载仿真模型；
图9为本公开实施例1的器降压变换器的原理图；
图10为本公开实施例1的增量电导算法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种光伏系统功率控制器参数选取方法，包括：
根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
确定光伏系统工作模式；
光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数。
具体实现过程为：
在本实施例中，通过使用光伏板技术规范解析求解，并假设外部气候条件变化时，最大功率点(MPP)中的电压与开路电压成比例变化，MPP中的电流与光电流成比例变化。然后，为了确定室外辐照度G和室外温度TFM的任意值的VMPP和IMPP，VMPP和IMPP为在实际运行情况下，在最大功率点下的实际电压和电流；可以使用以下方程式：
Figure BDA0003332161950000061
Figure BDA0003332161950000062
式中，VMPP_STC和IMPP_STC是标准试验条件下(GSTC＝1000W/m2，TSTC＝25℃)MPP中的电压和电流；NFMs和NFMp分别表示光伏串中串联和并联面板的数量；Rs是光伏组件的串联电阻；kI为短路电流的温度系数；kV为短路电压的温度系数；TFM为室外温度；G为室外辐照度。
由表达式确定的RS值：
Figure BDA0003332161950000063
式中，NS是模块中系列太阳能电池的数量；A为是二极管理想系数(取值范围为1到5)，k为1.38*10-23J/K，q为1602*10-19C，VOC_STC为标准条件下光伏变流器的开路电压，ISC_STC为标准条件下光伏变流器的短路电流。
在每个I-V特性上，都有一个点，对应于电流冲击IMPP和电压VMPP的某些值，光伏板将在该点产生最大功率PMPP；这些电压和电流值确定最大功率点处的等效光伏板电阻：
Figure BDA0003332161950000071
本实施例中，在最简单的配置第一模式中，太阳能发电(photovoltaic，PV)仅包括PV阵列和在最大功率点跟踪(MPPT)系统点搜索控制器控制下运行的DC-DC转换器，DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。这种光伏系统最大的优点是结构简单且成本较低，一个明显的缺点是向用户供电的可靠性较低。此类光伏电站的实际应用领域是对供电电压参数要求不高的加热、烹饪和抽水系统。这种光伏控制系统的主要功能是最大限度地利用可用太阳能，而无需控制DC-DC转换器的输出电压和电流。
带有储能装置的自主光伏系统，主要使用可充电电池(电池组)，得到了更广泛的应用。使用电池组可以显著提高光伏的可靠性，并为用户提供所需质量的电力，但光伏的成本和控制系统的复杂性增加。根据用途，在实践中，有两种主要方案可用于建造具有储能功能的自主光伏发电厂：具有单一发电源的能源系统(如图3所示)和混合能源综合设施，除光电倍增管站外，其他发电厂也可用作发电源，例如风能(如图4所示)。
DC-DC电压转换器负载的性质由电厂施工方案决定；对于根据第一模式(如图2所示)构造的PV，DC-DC转换器的工作模式可被视为等效于具有相同有源电阻的负载的工作条件。在第二模式中具有单一发电源的的光伏系统中，转换器的负载是电池组；在第二模式的具有混合能源的光伏系统中，DC-DC转换器加载在DC总线上。
在构建光伏系统的仿真模型时，变流器的负载被建模为一个单独的功能单元(如图5、图6、图7和图8所示)，这使得改变所研究系统的配置变得容易。
在本实施例中，使用MATLAB/Simulink库中的电池标准块作为电池的动态模型；直流母线模型基于CDC电容器和带有内阻RDC的直流电压源。
在本实施例中，为了确定MPPT控制器的参数，必须考虑DC-DC转换器的负载特性；对于根据第一模式构造的PV，等效电负载的值由以下表达式唯一确定：
Rout＝Rload (5)
式中，Rload解释为：当MPPT控制器与DC-DC变换器相连时，将DC-DC转换器等效为负载，则Rload为DC-DC转换器的等效电阻值。
当在MPP光伏组件的等效输出电阻RMPP与转换器的等效输入电阻Rin相等时，可确保光伏板的最大功率；Rin的值取决于转换器拓扑、其负载路径和占空比值d(占空比)。当搜索MPP时，控制器更改d的值，以便满足条件：RMPP＝Rin。如果忽略降压直流变换器中的损耗，则从其输入和输出功率相等的条件推导出一个重要的实用关系：
Figure BDA0003332161950000081
由于d的值不能大于1，因此从(6)可以看出，降压变换器的输出电阻必须小于光伏板在MPP下的最小等效电阻，以确保光伏组件在所有可能的操作模式下均处于MPP：
Rout＜RMPP(min) (7)
在PV中，根据第一模式，变流器输出端的电压稳定；忽略电池组夹具上的电压变化，不考虑直流母线的静态性，可通过输出功率确定DC-DC转换器的等效电阻值。对于输出电压稳定的理想转换器，等效输出电阻由以下公式确定：
Figure BDA0003332161950000091
式中，PMPP(max)，PMPP(min)是光伏组件产生的最大和最小功率值。
同样根据公式(6)中MPP光伏组件的等效输出电阻RMPP与输出电阻Rout以及占空比d之间的关系，设计光伏系统变流器，根据第二模式构建，该条件转化为根据条件选择转换器标称输出电压的合理值，其中：
Vout＜VMPP(min) (9)
在本实施例中，降压变换器的电路图如图9所示；转换器的主要元件是输入电容滤波器Cin、晶体管开关VT、电感L和Cout元件上的输出LC型平滑滤波器以及放电二极管VD。转换器的电源是光伏板，输出端子连接到电阻线路，电阻线路模拟光伏的输出负载。晶体管开关控制信号由脉宽调制(PWM)发生器提供，并根据MPPT控制器计算的占空比d值生成。
在大多数实际情况下，转换器设计为在连续电流模式(CCM)下运行，从而确保其更好的可控性和能量损失最小化。
如果忽略输出电压的纹波，则电感器的纹波电流：
Figure BDA0003332161950000092
其中，ton是键的传导状态的时间间隔；toff-暂停时间间隔；T0＝1/f是脉宽调制脉冲的周期；f为开关频率；d＝ton/T0＝Vout/Vin-占空比或相对脉冲持续时间。
为了将CCM保持在最小负载电流，必须满足以下条件：ΔiL＝2·Iout(min)。满足此条件将提供CCM，但是，较大的纹波会对电感铁芯的饱和和转换器输出电压的质量产生负面影响。因此，在实践中，电流纹波的值受到相应纹波系数的选择的限制kΔi＝ΔiL/Iout，其值通常在20％-50％范围内。然后，考虑公式(10)，得到选择L的条件：
Figure BDA0003332161950000101
通过假设电流的交流分量仅通过滤波电容器Cout闭合，可以确定转换器输出电压的纹波值。假设最大纹波电流对应于模式d＝0.5，从图10可以表示输出电容器上的电荷变化：
Figure BDA0003332161950000102
考虑到电压纹波和电容电荷的变化是由ΔV＝ΔQ/C从(10)和(12)中，选择滤波电容器的条件可以表示为：
Figure BDA0003332161950000103
其中，kΔVout＝ΔVout/Vout是输出电压的允许纹波系数，该值可根据负载要求确定(通常为1％-5％)。
转换器的一个强制性元件是输入电容器Cin，由于其特性的非线性，它可以平滑光伏板的电压纹波。电容器Cin是从转换器输入电压的纹波限制在不超过kΔVin＝1％的条件下选择的，这将确保光伏板产生的能量得到最有效的利用。考虑到(11)、(12)和(13)，选择降压转换器的输入电容器的条件可以用表达式的形式表示：
Figure BDA0003332161950000111
设计电压变换器最重要的任务是计算和分析其动态特性。PWM电压变换器属于非线性离散自动控制系统，为了确定其动态特性，广泛采用基于变换装置近似平均模型的分析方法。根据从线性化平均模型获得的控制作用，DC-DC降压转换器的传递函数将以以下形式书写：
Figure BDA0003332161950000112
Figure BDA0003332161950000113
等式(15)描述转换器的输出电压和电流对占空比d变化(相对于线性化点的偏差)的响应。得到的等式(15)允许分析转换器的频率特性，并合成基于传统模拟控制器的控制系统。
在本实施例中，根据硬件版本的不同，MPPT控制器有两种主要类型：模拟和数字。在模拟控制器中，控制信号以参考电压的形式形成，并与转换器的输出电压进行比较，然后由基于比例积分控制器的传统控制系统处理失配信号。在数字控制器中，输出信号是占空比d，它通过PWM发生器直接馈送到转换器晶体管键。由于实施简单且可靠性高，MPP数字控制器主要用于现代光伏系统。当使用数字控制器时，d的值随Δd在特定采样时间ts(采样时间)后。然而，当太阳辐照度和PV温度发生变化时，数值直接影响MPP跟踪的精度和速度。因此，设计数字MPPT控制器的主要任务是确定系统的最优值Δd和ts，确保MPP跟踪的最大精度和速度。
本实施例考虑了一种实现增量电导算法(IC)的数字MPPT控制器。电导率增量算法的工作原理基于光伏板瞬时电导率与最大功率点电导率导数相等。考虑到最大功率点的导数消失的事实，通过区分太阳能电池的功率P与电压V，可以很容易地获得解释IC算法操作的数学关系：
dP/dV＝d(V·I)/dV＝I+VdI/dV)＝0 (16)
式(16)可表示为：
dI/dV＝-I/V (17)
表达式(17)暗示了两个重要关系，允许确定PV工作点相对于最大功率点在其电压-功率特性上的位置：
Figure BDA0003332161950000121
考虑到关系(18)，IC算法的操作可以用图10所示的方框图表示。在PV仿真模型中，IC算法模型作为功能程序在MATLAB/Simulink中的m文件中实现。
设计数字MPPT控制器的主要任务是确定DC-DC转换器占空比变化的时钟频率fd。
建议从控制系统稳定运行的条件中选择fd值，如果由控制动作或外部条件变化引起的转换器瞬态过程在时间ts＝1/fd内结束，则可确保该值。
降压DC-DC转换器的时间常数τ可通过以下方程式近似求得：
Figure BDA0003332161950000131
根据任何瞬态过程的持续时间为τ的5倍，建议使用表达式确定ts的最佳值：
ts≥5·τ (20)
根据条件(20)选择ts的值将确保MPPT控制器的最大性能，同时在MPP中稳定运行。
数字MPPT控制器的一个重要参数是转换器在采样时间ts内工作周期的变化值Δd.大的Δd的值会缩短了MPP搜索时间，但这会降低跟踪精度，并可能导致MPP附近出现振荡模式。可以大致假定，线性地改变光伏板输出功率的阶跃幅度ΔP来确定Δd的最优值。可以使用以下等式：
Figure BDA0003332161950000132
式中ε为允许相对误差(％)；dmin和dmin分别是占空比的最小值和最大值。研究结果表明，跟踪MPP的速度和精度之间的良好折衷提供了ε＝1％的值，用于计算实验。
实施例2：
本实施例提供了一种光伏系统功率控制器参数选取系统，包括光伏节点指标数据计算模块、工作模式判断模块、电压转换器负载特性计算模块、电压转换器控制参数计算模块和功率控制器参数选取模块；
所述光伏节点指标数据计算模块模块，被配置为：根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
所述工作模式判断模块模块，被配置为：确定光伏系统工作模式；
所述电压转换器负载特性计算模块模块，被配置为：光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
所述电压转换器控制参数计算模块模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
所述功率控制器参数选取模块模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光伏系统功率控制器参数选取方法，其特征在于，包括：
根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
确定光伏系统工作模式；
光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数；光伏系统工作模式包括第一模式和第二模式；所述第一模式包括光伏阵列和在功率控制器控制下运行的电压转换器；所述第二模式为带有储能装置的光伏系统；光伏系统为第一模式时，当功率控制器与电压转换器相连时，将电压转换器等效为负载；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比；
光伏系统为第二模式时，忽略储能装置夹具上的电压变化，不考虑直流母线的静态性，通过输出功率确定电压转换器的等效电阻值；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比。
2.如权利要求1所述的一种光伏系统功率控制器参数选取方法，其特征在于，所述节点指标数据包括电流、电压和电阻；所述电流和电压由标准试验条件下的电压和电流、光伏串中串联和并联面板的数量、光伏组件的串联电阻、短路电流的温度系数、短路电压的温度系数、室外温度和室外辐照度确定；所述电阻由电流和电压确定。
3.如权利要求1所述的一种光伏系统功率控制器参数选取方法，其特征在于，电压转换器的控制参数包括电感器的纹波电流、电感条件、输出电容器上的电荷变化、滤波电容器的条件和输入电容器的条件；
所述电感器的纹波电流由电压转换器的输出电压、占空比、开关频率和电感确定；所述电感条件由电压转换器的等效电阻值、占空比、纹波系数和开关频率确定；所述输出电容器上的电荷变化由开关频率和电压转换器的输出电流确定；所述滤波电容器的条件由占空比、输出电压的允许纹波系数、电感和开关频率确定；所述输入电容器的条件由输入电压的允许纹波系数、电感和开关频率确定。
4.如权利要求3所述的一种光伏系统功率控制器参数选取方法，其特征在于，所述功率控制器参数包括采样时间和采样时间内工作周期的变化值；
所述采样时间由电感和电压转换器的等效电阻的比值确定；所述采样时间内工作周期的变化值由允许相对误差、占空比的最小值和占空比的最大值确定。
5.一种光伏系统功率控制器参数选取系统，其特征在于，包括光伏节点指标数据计算模块、工作模式判断模块、电压转换器负载特性计算模块、电压转换器控制参数计算模块和功率控制器参数选取模块；
所述光伏节点指标数据计算模块，被配置为：根据室外温度和室外辐照度，确定光伏节点指标数据；所述光伏节点指标数据为光伏板产生最大功率点处的指标数据；
所述工作模式判断模块，被配置为：确定光伏系统工作模式；
所述电压转换器负载特性计算模块，被配置为：光伏节点指标数据，确定不同模式下电压转换器的负载特性；
所述电压转换器控制参数计算模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性确定电压转换器的控制参数；
所述功率控制器参数选取模块，被配置为：根据电压转换器的负载特性和电压转换器的控制参数，确定功率控制器参数；
光伏系统工作模式包括第一模式和第二模式；所述第一模式包括光伏阵列和在功率控制器控制下运行的电压转换器；所述第二模式为带有储能装置的光伏系统；光伏系统为第一模式时，当功率控制器与电压转换器相连时，将电压转换器等效为负载；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比；
光伏系统为第二模式时，忽略储能装置夹具上的电压变化，不考虑直流母线的静态性，通过输出功率确定电压转换器的等效电阻值；根据电压转换器的等效电阻值和最大功率点处的等效光伏板电阻值确定占空比。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-4任一项所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-4任一项所述的光伏系统功率控制器参数选取方法的步骤。
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