CN117096851A - 逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质，该功率预测方法假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件。本发明无需添加额外的电压、电流采样电路，便可实现针对光伏阵列的功率预测，避免了逆变器的频繁开关机，提高了逆变器整体寿命，并进一步防止可能的电气设备损坏，具有较强的实用性。

Description

逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及一种光伏逆变器技术，特别涉及一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质。

背景技术

新能源应用中的并网光伏逆变器(以下简称逆变器)的基本连接是：组串式光伏阵列连接逆变器，逆变器连接电网。工作时，逆变器在直流侧(对非隔离式逆变器而言一般是Boost电路)追踪组串式光伏阵列的最大功率，在交流侧锁定电网电压相位，并根据需要输出交流电流(一般来说是与电网电压同相位，也有根据并网规范的指定相位)。

组串式光伏阵列，在早上时(具体时间取决于光伏阵列的安装纬度、本地天气等因素)，其开路电压虚高，短路电流极低，也就是此时的最大功率非常小。通常光伏逆变器采用直流侧电压作为开机条件时，可能因为光伏阵列实际功率太小，从而导致光伏逆变器重复开关机，并进一步引发逆变器内部继电器等器件由于频繁动作而导致整体寿命下降。如果是一个逆变器阵列的话，可能会引发电网的波动，从而降低本地电网质量，对本地电网负载造成进一步的二次损坏。

因此，提供一种在逆变器开机时可以快速预测光伏组串最大功率的方法，防止逆变器重复开关机，是亟待需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，提出了一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质。

本发明的技术方案为：一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，所述逆变器的内部为PV端直流输入到交流输出的架构；逆变器的前端为Boost电路，负责全电压工作范围内PV最大功率追踪；逆变器的后端为逆变电路，负责整合前级输入能量并输出至交流侧；假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件。

进一步所，述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，具体包括如下步骤：

1)根据开关机情况自学习电池板的填充因子，填充因子为该电池板V_mppt/V_OpenCir，即最大功率电压/开路电压；

2)设置逆变器每路Boost的PV电压给定值V_pvRef，为每路Boost对应的电池板开路电压*填充因子与每路Boost对应的最大功率点跟踪控制电压的最小值之间中的较大值，即V_pvRef＝max(开路电压*填充因子，最小MPPT电压)；

3)设置逆变器直流母线电压Bus电压给定值V_busRef，为电池板最大电压与并网电网峰值电压+△V之间中的较大值，即V_busRef＝max(最大PV电压，电网峰值电压+△V)；其中△V为预定义的固定电压值，用于确保电网波动情况下，逆变器维持在直流侧向交流侧输送能量；

4)按照当前电网情况开始让逆变电路工作，尽量保证逆变电压与电网电压同幅值同相位，Boost通过闭环运行，控制PV电压达到V_pvRef或者控制Bus电压达到V_busRef；

5)当逆变电路稳定运行时，根据Boost电压环饱和的光伏组串数，分别计算所有的Boost回路功率，叠加之后得到整个系统的预测最大输出功率P_Max；如果P_Max大于开机功率，认为功率足够，则允许逆变器开机；如果P_Max小于开机功率，认为功率不足，则不允许逆变器开机。

进一步，所述步骤5)具体分三种情况：

第一种情况:V_bus<V_busRef，V_{pv_i}＝V_{pvRef_i}，

V_{pv_i}指的是当前任意路i的PV电压，V_{pvRef_i}指的是当前任意路i的PV给定值；如果任意一路的PV电压和PV给定值两者相等，这时直流母线电压Bus电压小于Bus电压给定值V_busRef，说明任意路光伏电路板全部到达最大功率，但所有路的最大功率值全部叠加后仍然小于逆变器的Boost和逆变开关损耗，认为当前功率不足，则不允许开机；

第二种情况:V_bus＝V_busRef，且V_pv>V_pvRef，Boost电流等于Bus电压限流值，此时每一路Boost电流I_bst达到限流值，且PV电压大于PV电压给定值，这表明每一路的PV电压环处于饱和态，Bus电压环起作用，限制Boost电流，此时可认为所有路Boost电流相等，消耗功率如下式所示:

P_LOSS＝P₁+P₂+…+P_n； (1)

P_LOSS＝V₁*I_bst+V₂*I_bst+…+V_n*I_bst (2)

所以第k路PV消耗的功率P_k，占总消耗功率P_LOSS的占比由下式所得：

第k路最大输出功率预测值：

分别计算所有的Boost回路功率，叠加之后得到P_Max，即整个系统n个回路的最大输出功率的预测值：

第三种情况:V_bus＝V_busRef，且部分V_{_i}＝V_{pvRef_i}，即部分Boost电流小于Bus电压限流值，此部分V_{_i}对应的光伏组串输出最大功率预测值非常小，忽略不计；根据Boost电压环饱和的光伏组串数，重新拟合系统功率损耗P_Loss，根据第二种情况相同的方式，预测整个系统的最大功率输出。

进一步，所述步骤1)中填充因子初始值根据光伏板厂家的电池板参数选定，后续根据自学习算法计算，对实际填充因子数值进行纠偏。

进一步，所述步骤1)中△V为预定义的固定电压值，其中V_{bus_ripple}是指母线纹波；V_s是指符合并网法规和逆变器硬件性能，满足在并网法规规定的电网变化的范围内，保证稳定输出的叠加电压。

进一步，所述第k路最大输出功率预测值P_kMax近似等于但小于即实际最大功率大于最大输出功率的预测值，以最大输出功率的预测值为开机条件，避免重复开关机。

本发明还提供一种非隔离型光伏逆变器架构的逆变器启动并网判断方法，采用Boost负责全电压工作范围内PV最大功率追踪，获得直流电经过逆变器并入电网，假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件，如满足则启动逆变器进入并网。

进一步，所述计算整个系统的预测最大输出功率中仅对Boost的PV电压大于PV给定值V_pvRef的各个Boost支路进行计算，避免其它已经被判定为功率过小的支路的计算数值影响整个系统的开机条件计算。

本发明还提供一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测装置，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法或所述的逆变器启动并网判断方法。

本发明的有益效果在于：本发明逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法、装置及存储介质，无需添加额外的电压、电流采样电路，便可实现针对光伏阵列的功率预测，避免了逆变器的频繁开关机，提高了逆变器整体寿命，并进一步防止可能的电气设备损坏，具有较强的实用性。

附图说明

图1为本发明功率预测方法部分流程图；

图2为本发明PV电压环均饱和限流输出示意图；

图3为本发明功率预测相似三角形示意图；

图4为本发明部分光伏组串功率比较小的情况图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本申请实施例适用于非隔离型光伏逆变器架构逆变器的内部为PV端直流输入到交流输出的架构；逆变器的前端为Boost电路，负责全电压工作范围内PV最大功率追踪；逆变器的后端为逆变电路，负责整合前级输入能量并输出至交流侧。假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件。

一种应用于并网逆变器的组串式光伏阵列的功率预测方法，应用于分布式发电系统中的光伏并网场合，适用于多种逆变器结构设计方案，包括以下步骤：

S1：根据开关机情况自学习电池板的填充因子，填充因子是光伏电池板的固有属性，为该电池板V_mppt/V_OpenCir即最大功率电压/开路电压，其内部初值根据光伏板厂家的电池板参数选定，自学习是指后续利用算法计算，对实际填充因子数值进行纠偏。

S2：设置逆变器每路Boost的PV电压给定值V_pvRef，为每路Boost对应的电池板开路电压*填充因子与每路Boost对应的最大功率点跟踪控制电压的最小值之间中的较大值，V_pvRef＝max(开路电压*填充因子，最小MPPT电压)；

S3：设置逆变器直流母线电压Bus电压给定值V_busRef，为电池板最大电压与并网电网峰值电压+△V之间中的较大值，V_busRef＝max(最大PV电压，电网峰值电压+△V)，其中△V为预定义的固定电压值，用于确保电网波动情况下，逆变器维持在直流侧向交流侧输送能量，通常其中V_{bus_ripple}是指母线纹波；V_s是指符合并网法规和逆变器硬件性能，能够满足在并网法规规定的电网变化的范围内，保证稳定输出的叠加电压，通常由逆变器厂家在程序中指定；

S4：逆变器按照当前电网情况开始让逆变电路工作，尽量保证逆变电压与电网电压同幅值同相位，Boost通过闭环运行，控制PV电压达到V_pvRef或者控制Bus电压达到V_busRef；

S5：稳定运行时，可能存在以下几种情况：如图1所示功率预测方法部分流程图。

需要解释的是，为了说明本发明设计方法与常规设计方法的差异性，试分析S5中的三种情况：

1、V_bus<V_busRef，V_{pv_i}＝V_{pvRef_i}

V_{pv_i}指的是当前任意路i的PV电压，V_{pvRef_i}指的是当前任意路i的PV给定值。如果任意一路的PV电压和PV给定值两者相等，这时直流母线电压Bus电压小于Bus电压给定值V_busRef，说明任意路光伏电路板全部到达最大功率，但所有路的最大功率值全部叠加后仍然小于逆变器的Boost和逆变开关损耗，认为当前功率不足，不允许开机。

2、V_bus＝V_busRef，且V_pv>V_pvRef，Boost电流等于Bus电压限流值，

此时每一路Boost电流I_bst达到限流值，且PV电压大于PV电压给定值，这表明每一路的PV电压环处于饱和态，Bus电压环起作用，限制Boost电流，如图2所示，此时可以认为所有路Boost电流相等，消耗功率如下式所示:

P_LOSS＝P₁+P₂+…+P_n； (1)

P_LOSS＝V₁*I_bst+V₂*I_bst+…+V_n*I_bst (2)

所以第k路PV消耗的功率P_k，占总消耗功率P_LOSS的占比由下式所得：

由图3所示三角形相似可以得到式(4)：

第k路最大输出功率预测值：

在图3的VP坐标轴下，根据三角形相似计算得到P_k'是三角形与直线P_kV_k的交点，P_k'略小于P_k，可近似等于P_k，再结合公式(3)可获得第k路最大输出功率预测值P_kMax。

分别计算所有的Boost回路功率，叠加之后得到P_Max。可以得到整个系统n个回路的最大输出功率的预测值：

如果P_Max大于开机功率，可以认为功率足够，让逆变器开机，如果P_Max小于开机功率，可以认为功率较小，不允许逆变器开机。

3、V_bus＝V_busRef，且部分V_{_i}＝V_{pvRef_i}(即部分Boost电流小于Bus电压限流值)

因为稳定运行电压V_{_i}＝V_{pvRef_i}，所以ζ_i＝1，又因为i_bst<i_BusLimit，所以Boost电流小于Bus电压限流值PV组串功率预测值：

如图4所示，此时光伏组串输出最大功率预测值非常小，可以忽略不计；认为这些路的光伏组串，没有功率输出，根据Boost电压环饱和的光伏组串数，重新拟合系统功率损耗P_Loss，根据2相同方式，预测整个系统的最大功率输出。也就是说一部分光伏输入路数被判定无能量输出之后，不会参与接下来可能的开机运行，这部分能量需要剔除出整个运算流程，重新拟合运算。

因拟合后的系统功率损耗P_Loss，小于实际损耗值，根据式(6)实际预测值也偏小，实际最大功率大于功率预测值，逆变器开机后，机器更不容易重复开关机。

在计算时可以记录V_pv>V_pvRef的Boost支路，只对记录的Boost支路进行驱动、计算操作，以避免其它已经被判定为功率过小的支路的计算数值影响整个系统的开机条件计算，按照步骤S1～步骤S5重新预测光伏系统的最大功率P_Max，如果P_Max大于开机功率，可以认为功率足够，让逆变器开机，如果P_Max小于开机功率，可以认为功率不足，不允许逆变器开机。

本发明根据自学习算法计算输入光伏阵列(PV Array)的填充因子，然后通过控制并内部分析计算功率的办法来有效预测光伏阵列可输出的最大功率。因此，本发明无需添加额外的电压采样电路和气候检测设备，便可实现逆变器的功率预测，增加了电路的设计灵活性，有效延长了逆变器使用寿命，并避免了可能出现的电气设备损害。

本发明光伏阵列功率预测设计已通过实验验证。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在实际的关系或者顺序。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对其限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，所述逆变器的内部为PV端直流输入到交流输出的架构；逆变器的前端为Boost电路，负责全电压工作范围内PV最大功率追踪；逆变器的后端为逆变电路，负责整合前级输入能量并输出至交流侧；假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件。

2.根据权利要求1所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)根据开关机情况自学习电池板的填充因子，填充因子为该电池板V_mppt/V_OpenCir，即最大功率电压/开路电压；

2)设置逆变器每路Boost的PV电压给定值V_pvRef，为每路Boost对应的电池板开路电压*填充因子与每路Boost对应的最大功率点跟踪控制电压的最小值之间中的较大值，即V_pvRef＝max(开路电压*填充因子，最小MPPT电压)；

3)设置逆变器直流母线电压Bus电压给定值V_busRef，为电池板最大电压与并网电网峰值电压+△V之间中的较大值，即V_busRef＝max(最大PV电压，电网峰值电压+△V)；其中△V为预定义的固定电压值，用于确保电网波动情况下，逆变器维持在直流侧向交流侧输送能量；

4)按照当前电网情况开始让逆变电路工作，尽量保证逆变电压与电网电压同幅值同相位，Boost通过闭环运行，控制PV电压达到V_pvRef或者控制Bus电压达到V_busRef；

5)当逆变电路稳定运行时，根据Boost电压环饱和的光伏组串数，分别计算所有的Boost回路功率，叠加之后得到整个系统的预测最大输出功率P_Max；如果P_Max大于开机功率，认为功率足够，则允许让逆变器开机；如果P_Max小于开机功率，认为功率不足，则不允许逆变器开机。

3.根据权利要求2所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，所述步骤5)具体分三种情况：

第一种情况:V_bus<V_busRef，V_{pv_i}＝V_{pvRef_i}，

V_{pv_i}指的是当前任意路i的PV电压，V_{pvRef_i}指的是当前任意路i的PV给定值；如果任意一路的PV电压和PV给定值两者相等，这时直流母线电压Bus电压小于Bus电压给定值V_busRef，说明任意路光伏电路板全部到达最大功率，但所有路的最大功率值全部叠加后仍然小于逆变器的Boost和逆变开关损耗，认为当前功率不足，则不允许开机；

第二种情况:V_bus＝V_busRef，且V_pv>V_pvRef，Boost电流等于Bus电压限流值，

此时每一路Boost电流I_bst达到限流值，且PV电压大于PV电压给定值，这表明每一路的PV电压环处于饱和态，Bus电压环起作用，限制Boost电流，此时可认为所有路Boost电流相等，消耗功率如下式所示:

P_LOSS＝P₁+P₂+…+P_n； (1)

P_LOSS＝V₁*I_bst+V₂*I_bst+…+V_n*I_bst (2)

所以第k路PV消耗的功率P_k，占总消耗功率P_LOSS的占比由下式所得：

第k路最大输出功率预测值：

分别计算所有的Boost回路功率，叠加之后得到P_Max，即整个系统n个回路的最大输出功率的预测值：

第三种情况:V_bus＝V_busRef，且部分V_{_i}＝V_{pvRef_i}，即部分Boost电流小于Bus电压限流值，此部分V_{_i}对应的光伏组串输出最大功率预测值非常小，忽略不计；根据Boost电压环饱和的光伏组串数，重新拟合系统功率损耗P_Loss，根据第二种情况相同的方式，预测整个系统的最大功率输出。

4.根据权利要求2所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，所述步骤1)中填充因子初始值根据光伏板厂家的电池板参数选定，后续根据自学习算法计算，对实际填充因子数值进行纠偏。

5.根据权利要求2所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，所述步骤1)中△V为预定义的固定电压值，其中V_{bus_ripple}是指母线纹波；V_s是指符合并网法规和逆变器硬件性能，满足在并网法规规定的电网变化的范围内，保证稳定输出的叠加电压。

6.根据权利要求3所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法，其特征在于，所述第k路最大输出功率预测值P_kMax近似等于但小于/>即实际最大功率大于最大输出功率的预测值，以最大输出功率的预测值为开机条件，避免重复开关机。

7.一种非隔离型光伏逆变器架构的逆变器启动并网判断方法，其特征在于，采用Boost负责全电压工作范围内PV最大功率追踪，获得直流电经过逆变器并入电网，假设在不同工况下所对应的PV输入电压和短路电流，可以分别拟合对应Boost电路开关损耗和逆变开关损耗，通过消耗光伏电池板能量，分析各个PV电压环处于饱和态下的输出功率，计算整个系统的最大可输出功率，控制调整PV电压，经计算后，将PV电压与开路电压进行比较，根据二者的关系，预测当前设定的整个系统的可输出功率是否满足开机条件，如满足则启动逆变器进入并网。

8.根据权利要求7所述非隔离型光伏逆变器架构的逆变器启动并网判断方法，其特征在于，所述计算整个系统的预测最大输出功率中仅对Boost的PV电压大于PV给定值V_pvRef的各个Boost支路进行计算，避免其它已经被判定为功率过小的支路的计算数值影响整个系统的开机条件计算。

9.一种逆变器用组串式光伏阵列功率预测装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器用于存储程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行权利要求1～6中任一项所述逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1～6任一项所述的逆变器用组串式光伏阵列功率预测方法或权利要求7～8任一项所述的逆变器启动并网判断方法。