光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)辨識

付兵彬，賈春蓉，楊昌海，張中丹

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050）

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的參數(shù)辨識

付兵彬，賈春蓉，楊昌海，張中丹

（甘肅省電力公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，蘭州 730050）

為保證光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展了光伏發(fā)電參數(shù)的辨識研究。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)，從光伏陣列及并網(wǎng)逆變器兩個方面進(jìn)行分析，找出影響光伏模型輸出的關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用遞推最小二乘法制定了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)辨識方法，并利用光伏實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了光伏電池及光伏逆變器的參數(shù)辨識，最終得到一組較為準(zhǔn)確的光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)。最后將解析計(jì)算、系統(tǒng)辨識下的仿真輸出與光伏實(shí)測輸出進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)方法及結(jié)果的可行性，為進(jìn)一步研究配電網(wǎng)分布式光伏接入配電網(wǎng)問題奠定基礎(chǔ)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；仿真建模；參數(shù)辨識；最小二乘法

據(jù)預(yù)測太陽能光伏發(fā)電在21世紀(jì)會占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，并將成為世界能源供應(yīng)的主體。隨著電力政策的放寬，光伏發(fā)電接入配電網(wǎng)成為必然趨勢。為研究光伏大規(guī)模接入對配電網(wǎng)的影響，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)均將電力系統(tǒng)數(shù)字仿真作為研究的重要手段[1]。

光伏發(fā)電數(shù)字仿真技術(shù)的關(guān)鍵是保證光伏發(fā)電模型的輸出特性符合系統(tǒng)實(shí)測特性，為此需要較為精確合理的光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置方面，常用的方法有理論解析法和系統(tǒng)辨識法，理論解析法能最大限度再現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部過程，因此被研究人員廣泛應(yīng)用。但由于光伏系統(tǒng)的復(fù)雜性，理論解析法在求解控制參數(shù)時遇到非線性微積分方程，且部分不可測變量會影響參數(shù)計(jì)算結(jié)果，致使求得的參數(shù)不能直接用于光伏控制，往往需要多次人工調(diào)整；系統(tǒng)辨識法是利用模型實(shí)測的輸入和輸出來求解未知參數(shù)，因此模型最終輸出與系統(tǒng)實(shí)測的擬合度較高，其在航空航天、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和電機(jī)控制等領(lǐng)域已得到成功應(yīng)用。但在光伏并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域，目前僅針對光伏陣列本身開展了辨識研究工作，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體尚無研究成果[2，3]。

本文對光伏陣列和并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了系統(tǒng)性地參數(shù)辨識。首先分析光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，得到影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型輸出的關(guān)鍵參數(shù)；然后利用遞推最小二乘法確定了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)辨識方法，并利用光伏實(shí)測數(shù)據(jù)與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型進(jìn)行多次辨識，得到一組確切的控制參數(shù)；最后將系統(tǒng)辨識與理論解析參數(shù)下的光伏運(yùn)行特性進(jìn)行對比，驗(yàn)證了光伏發(fā)電控制參數(shù)辨識的可行性，增強(qiáng)了光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真的可信度。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，并通過逆變器將直流電能變換成交流電能，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。典型的光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of single-stage PV grid

圖1中光伏發(fā)電并網(wǎng)主要包括兩個部分：光伏電池和光伏逆變器。光伏電池的理想等效電路如圖2所示，由光生電流源和一個二極管并聯(lián)得到。

圖2 光伏電池理想電路模型Fig.2 Idealcircuitmodelof PV cells

其伏安關(guān)系為

式中：V為光伏電池輸出電壓；I為光伏電池輸出電流；Iph為光生電流源電流；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，值為1.602×10-19C；k為玻耳茲曼常數(shù)，為1.381×10-23J/K。對于該等值電路，當(dāng)其開路時輸出V對應(yīng)的開路電壓為Voc，ref；其短路時輸出電流I對應(yīng)的短路電流為Isc，ref。

為了最大限度的利用太陽能，光伏電池中需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制，每隔一定的時間增加或減小光伏方陣輸出電壓，并觀測光伏方陣輸出功率的變化，以此決定下一步的調(diào)整方向，此時等值電路的輸出電壓V和輸出電流I對應(yīng)的最大功率點(diǎn)電壓為Vmp，ref和最大功率點(diǎn)電流為Imp，ref。綜上，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)需要對Voc，ref、Isc，ref和Vmp，ref、Imp，ref這4個參數(shù)進(jìn)行辨識和控制[4～6]。

光伏系統(tǒng)的逆變器采用電壓功率外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。其中電壓功率外環(huán)是將光伏陣列經(jīng)過MPPT控制后的直流電壓和逆變器輸出的無功功率分別與參考信號進(jìn)行比較，并對誤差進(jìn)行PI控制，從而得到內(nèi)環(huán)控制器的參考信號Idref與Iqref。電流內(nèi)環(huán)控制器采取“dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的內(nèi)環(huán)控制”，即利用正交派克變換，將三相電壓電流變換到以頻率ω旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系下，此時的三相對稱平衡分量將成為直流量。派克坐標(biāo)變換公式為

在逆變器控制系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)有外環(huán)PI參數(shù)有功比例系數(shù)KP、有功積分系數(shù)kiP、無功比例系數(shù)KQ、無功積分系數(shù)kiQ和內(nèi)環(huán)PI參數(shù)直軸比例系數(shù)Kd、直軸時間常數(shù)Td、交軸比例系數(shù)Kq、交軸時間常數(shù)Tq[7，8]。

2 光伏并網(wǎng)仿真模型的參數(shù)辨識

參數(shù)辨識是根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出信息，在某種準(zhǔn)則下，估計(jì)出模型的未知參數(shù)，基本原理如圖3所示。h（k）和z（k）是系統(tǒng)輸入輸出變量，θ為未知的模型參數(shù)。

圖3 參數(shù)辨識原理Fig.3 Schematic diagram of parameter identification

常用的參數(shù)辨識方法是最小二乘法，即利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)以最小方差為目標(biāo)對參數(shù)估計(jì)值進(jìn)行不斷修正，以取得更為準(zhǔn)確的參數(shù)估計(jì)值。對于從t1到tn時刻輸入和輸出的觀測值xi、y以及辨識參數(shù)θi，構(gòu)建m個線性方程組為

針對該系統(tǒng)的誤差ε=y-Xθ，則對應(yīng)的方差J為

此時，存在一組參數(shù)θ?滿足

為降低最小二乘法在矩陣維數(shù)較大情況下計(jì)算復(fù)雜或無法求解的情況，需要加以改進(jìn)和完善。其基本思想是：新的估計(jì)值=舊的估計(jì)值+修正項(xiàng)，即估計(jì)值是利用本次的觀測數(shù)據(jù)對預(yù)測值進(jìn)行修正得到的，隨著新的觀測數(shù)據(jù)逐次引入，逐步地進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，直到估計(jì)值達(dá)到滿意的精度為止[9～11]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，配電網(wǎng)光伏單點(diǎn)接入容量不大于6MW，本文研究選取1MW光伏發(fā)電系統(tǒng)，并利用數(shù)字仿真軟件DigSILENT進(jìn)行參數(shù)辨識前后的對比。其中光伏逆變器和出口變壓器容量取1MW，逆變器交流側(cè)電壓取0.328 kV，逆變器控制采用UdcQ控制，控制功率因數(shù)為0.995，并通過升壓變壓器以10 kV接入配電網(wǎng)。

圖4 光伏參數(shù)辨識流程Fig.4 Flow chartof PV parameter identification

光伏發(fā)電控制參數(shù)辨識的流程如圖4所示。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)Voc，ref、Isc，ref、Vmp，ref、Imp，ref，以及逆變器外環(huán)控制參數(shù)KP、TiP、KQ、TiQ和內(nèi)環(huán)控制參數(shù)Kd、Td、Kq、Tq，其目標(biāo)函數(shù)是實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的差值平方和，即

式中：V1i和I1i分別各次實(shí)測和仿真中光伏電池的電壓和電流，θi為需要光伏陣列需要辨識的參數(shù)（Voc，ref，Isc，ref，Vmp，ref，Imp，ref）T，V2i和I2i分別為各次實(shí)測和仿真輸出的逆變器輸出電壓和電流，ωi為光伏逆變器需要辨識的外環(huán)控制參數(shù)和內(nèi)環(huán)控制參數(shù)（KP，TiP，KQ，TiQ，Kd，Td，Kq，Tq）T。

3 光伏系統(tǒng)辨識結(jié)果及驗(yàn)證

首先通過解析方法對光伏系統(tǒng)全部控制參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后設(shè)定光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器控制參數(shù)保持不變，從而對光伏電池控制參數(shù)進(jìn)行辨識，其解析參數(shù)與辨識后系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 光伏陣列參數(shù)辨識結(jié)果Tab.1 Parameter identification of PV array

針對已有光伏電池模型，分別設(shè)定其控制參數(shù)為解析法所得參數(shù)和辨識法所得參數(shù)，并設(shè)定光照變化在1 000～600W/m2范圍內(nèi)突變，記錄此時光伏輸出電壓和輸出電流波形，同時與光伏實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥闯?，當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生光照擾動時，光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流均會有所波動，然后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，其中應(yīng)用系統(tǒng)辨識后參數(shù)的光伏發(fā)電模型輸出與實(shí)測情況在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和波動趨勢上的擬合度均高于解析法仿真結(jié)果。

圖5 不同參數(shù)下光伏陣列電壓輸出結(jié)果Fig.5 Resultsof PV voltagew ith differentparameters

圖6 不同參數(shù)下光伏陣列電流輸出結(jié)果Fig.6 Resultsof PV currentw ith differentparameters

應(yīng)用辨識后的光伏陣列控制參數(shù)，對并網(wǎng)逆變器兩環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識，其解析參數(shù)與辨識后系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表2 光伏逆變器參數(shù)辨識結(jié)果Tab.2 Resultof parameters identification of PV inverter

分別設(shè)定控制參數(shù)為解析法所得參數(shù)和辨識法所得參數(shù)，并設(shè)定逆變器直流側(cè)電壓在0.5 s時發(fā)生擾動參考值變?yōu)?.95，記錄光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出波形，同時與光伏實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，采用參數(shù)辨識后光伏逆變器的功率特性較采用解析法的功率特性能夠更快地恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，與實(shí)測系統(tǒng)變化趨勢更為接近，能更好地反映光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況。

圖7 不同參數(shù)下光伏逆變器的輸出功率波形Fig.7 Outputpower waveform sof PV inverter w ith differentparameters

4 結(jié)論

（1）分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理得到了影響光伏系統(tǒng)模型輸出的陣列與逆變器的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）應(yīng)用遞推最小二乘法研究分布式光伏的參數(shù)辨識方法，并得到了光伏發(fā)電模型控制參數(shù)。

（3）光伏系統(tǒng)在解析參數(shù)、辨識參數(shù)運(yùn)行仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了本文辨識方法及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

值得指出的是，參數(shù)辨識前的初值設(shè)定與辨識結(jié)果成功與否有一定制約因素，有待后續(xù)進(jìn)一步完善。但本次研究成果仍有助于掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為后續(xù)光伏接入配電網(wǎng)的影響研究提供必要的技術(shù)支撐。

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Parameter Identification of Distributed Photovoltaic Power Generation System

FU Bing-bin，JIA Chun-rong，YANGChang-hai，ZHANG Zhong-dan
（Gansu Electric PowerResearch Instituteof Economicsand Technology，Lanzhou 730050，China）

In order toguarantee the outputaccuracy of the photovoltaic powergeneration system，this paper conductsa research on photovoltaic parameters identification.In photovoltaic powergeneration system，two aspectsofphotovoltaic（PV）array and the grid inverterareanalyzed.The key parametersaffecting PVmodeloutputare found.The parameter identificationmethod for PV grid power system ismade by using recursive leastsquaresmethod.Then，the parameters of photovoltaic PV cellsand PV inverter are identified by using themeasurement data.Finally，a setofmore accurate parameters of photovoltaic power generation system can be obtained.By comparing the simulation outputof the parse calculation and system identification with themeasured outputof PV，the feasibility of parametermethods and results for photovoltaic power generation system is verified，which can lay the foundation for further research on the access problemsofdistribution network distributed photovoltaic.

photovoltaic power generation system；modeling and simulation；parameter identification；least square method

TM744

A

1003-8930（2013）05-0116-05

付兵彬（1972—），男，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)建設(shè)管理工作。Email：fubb@g s.s g cc.co m.cn

2013-03-16；

2013-06-07

賈春蓉（1973—），女，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。Email：jcr730200@163.co m

楊昌海（1982—），男，本科，助理工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃工作。Email：ych0608@126.co m