基于干擾觀測(cè)器的多光伏光柴混合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究

黃文寧，米 陽(yáng)

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

光伏新能源以其無(wú)污染、無(wú)噪聲、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的關(guān)注.［1-2］光柴混合供電［3］是解決我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)用電的重要途徑.由于光伏新能源受天氣變化的影響，其輸出功率具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，特別是多個(gè)光伏系統(tǒng)和柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合供電時(shí)，電源出力的波動(dòng)性以及系統(tǒng)中負(fù)荷的不斷變化可能會(huì)引起混合供電系統(tǒng)有功功率不平衡和頻率大幅偏移，超出安全運(yùn)行范圍，需要采取適當(dāng)?shù)念l率控制策略.［2-4］

近年來(lái)，關(guān)于如何降低可再生能源輸出功率波動(dòng)的研究已取得了一定的成果.文獻(xiàn)［5］至文獻(xiàn)［8］針對(duì)光伏最大功率跟蹤控制進(jìn)行了優(yōu)化，減小了由于受天氣條件的影響而產(chǎn)生的光伏輸出功率的波動(dòng)性，但是沒(méi)有考慮微網(wǎng)中的負(fù)荷變化，并且沒(méi)有直接針對(duì)系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié).文獻(xiàn)［9］通過(guò)增加蓄電池儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)改善光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量，使得光伏系統(tǒng)的輸出變得更加平滑，但當(dāng)光伏系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，需要安裝大容量的蓄電池，將會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)安裝成本大幅增加，而且使用蓄電池會(huì)不可避免地帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題.此外，還有學(xué)者專門(mén)設(shè)計(jì)了負(fù)載電阻來(lái)消耗波動(dòng)的功率，但這并不能有效抑制功率波動(dòng).文獻(xiàn)［3］提出了基于最小階觀測(cè)器［10-11］的光柴混合系統(tǒng)的多光伏協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)最小階觀測(cè)器預(yù)測(cè)系統(tǒng)負(fù)荷值，利用估計(jì)的負(fù)荷值來(lái)調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)的功率輸出，從而減小了系統(tǒng)的頻率偏差.但該文獻(xiàn)中的最小階觀測(cè)器只適用于確定線性系統(tǒng)，而實(shí)際電力系統(tǒng)都是不確定的.

基于以上研究成果，本文提出了基于干擾觀測(cè)器的多光伏協(xié)調(diào)控制策略.建立了光柴供電系統(tǒng)的模型，分析了太陽(yáng)能發(fā)電的基本原理和特性.設(shè)計(jì)了干擾觀測(cè)器，以估計(jì)混合電力系統(tǒng)中不斷變化的負(fù)荷值.再根據(jù)估計(jì)的負(fù)荷值計(jì)算出負(fù)荷的變化值，利用負(fù)荷變化值調(diào)節(jié)各光伏系統(tǒng)的輸出功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各光伏板出力的協(xié)調(diào)控制.最后，通過(guò)對(duì)10個(gè)光伏板在不同日照強(qiáng)度下的出力情況和頻率變化進(jìn)行了仿真分析.

1 光柴系統(tǒng)模型

本文研究的多光伏接入的光柴互補(bǔ)獨(dú)立電力系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)中有一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)和10個(gè)光伏系統(tǒng)共同為負(fù)荷供電.假設(shè)所考慮的小型電力系統(tǒng)不與主網(wǎng)聯(lián)接，即在孤島狀態(tài)下單獨(dú)調(diào)度運(yùn)行.

圖1 光柴互補(bǔ)孤立電力系統(tǒng)示意

多光伏混合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示.其中包括柴油發(fā)電機(jī)、多光伏發(fā)電系統(tǒng)和負(fù)載.

圖2 光柴混合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

太陽(yáng)能電池模塊對(duì)設(shè)計(jì)逆變器和控制系統(tǒng)具有重要意義，可以用一個(gè)電流源模型表示，如圖3所示.

太陽(yáng)能電池模塊的傳統(tǒng)I-V特性可以表示為:

式中:Io，Uo——太陽(yáng)能電池模塊的輸出電流和輸出電壓;

Ig——光生電流;

Isat——光電池反向飽和電流;

q——電子電量;

K——波爾茲曼常數(shù)，1.38 ×1023J/k;

J——二極管理想因子;

NP——并聯(lián)電池?cái)?shù);

NS——串聯(lián)電池?cái)?shù);

Ish——光電池內(nèi)阻電流.

圖3 太陽(yáng)能電池模塊的等效電路

太陽(yáng)能電池模塊的飽和電流Isat隨溫度變化的情況可以表示為:

式中:Ior——溫度為T(mén)ref時(shí)的飽和電流;

Ta——光伏陣列的溫度;

Tref——參考溫度;

Eg——材料跨越能階所需能量;

It——短路電流溫度系數(shù);

Isc——太陽(yáng)能電池模塊的短路電流.

光電池內(nèi)阻電流可以表示為:

式中:Rsh——太陽(yáng)能電池模塊內(nèi)阻.

光伏的輸出功率為:

2 協(xié)調(diào)控制命令

圖4為根據(jù)式(1)至式(5)得出的I-V和P-V特性仿真曲線.［5］可以看出，光伏陣列受日照強(qiáng)度的影響，其輸出特性是非線性的.

為了減小混合系統(tǒng)的頻率偏差，需要根據(jù)系統(tǒng)中負(fù)荷的變化來(lái)協(xié)調(diào)各光伏系統(tǒng)的出力，而電力系統(tǒng)中的負(fù)荷是不斷變化和不確定的，因此本文設(shè)計(jì)了干擾觀測(cè)器來(lái)估計(jì)不斷變化的負(fù)荷值.由圖2可知，電力系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型滿足如下方程:

其中:

式中:x(t)——狀態(tài)向量;

x1——頻率偏差;

x2——柴油發(fā)電機(jī)輸出功率Pd;

x3——調(diào)速器輸出;

x4——積分控制量.

圖4 太陽(yáng)能電池模塊特性曲線

令f(t)=HPL，則系統(tǒng)模型簡(jiǎn)化為:

為了設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器，構(gòu)造原系統(tǒng)的增量模型如下:

對(duì)應(yīng)干擾觀測(cè)器滿足如下?tīng)顟B(tài)方程:

I——4 ×4 單位矩陣;

L1，L2——觀測(cè)器的增益矩陣，L1=A+2Λ，L2=Λ2.

由式(8)和式(9)可得觀測(cè)誤差方程為:

其中:

由于系統(tǒng)矩陣A，B，H是已知的常數(shù)矩陣，分別為:

因此觀測(cè)器矩陣應(yīng)滿足:

可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的干擾觀測(cè)器能夠精確地估計(jì)出系統(tǒng)中的負(fù)荷擾動(dòng)值.

為了減小系統(tǒng)的頻率偏差，需要根據(jù)負(fù)荷變化來(lái)協(xié)調(diào)各光伏板的出力.下面根據(jù)估計(jì)的負(fù)荷值，設(shè)計(jì)多光伏系統(tǒng)的中央控制命令和局部控制命令.利用設(shè)計(jì)的干擾觀測(cè)器得到負(fù)荷的估計(jì)值，則負(fù)荷變化為:

式中，積分區(qū)間T=100 s.

式中:m——光伏板的個(gè)數(shù);

ζ——阻尼系數(shù)，取為 0.707;

fn——自然頻率，取為50 Hz;

PNmax——第i個(gè)光伏板最大功率.

中央控制命令可表示為:

下面分析各個(gè)光伏板的局部控制命令.圖2中各光伏板的混合功率PA可表示為:

式中:PAN——各光伏板輸出功率.

本文使用調(diào)整系數(shù)β來(lái)協(xié)調(diào)中央控制命令和局部控制命令，β可表示為:

式中:PNmax——第 N個(gè)光伏系統(tǒng) MPPT的輸出功率.

由此可知，各光伏板的局部控制命令可表示為:

3 光伏系統(tǒng)模塊

3.1 光伏陣列功率模塊

光伏模塊的性能極易受天氣條件，特別是太陽(yáng)輻射和光伏模塊溫度的影響.根據(jù)實(shí)際情況將仿真模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，估計(jì)實(shí)際的光伏模塊在不同操作條件下的性能，通過(guò)5個(gè)參數(shù)(α，β，γ，Rs，nMPP)模擬環(huán)境因素對(duì)光伏模塊性能的非線性影響.光伏模塊的最大輸出功率可以表示為:

式中:nMPP——光伏模塊在最大功率點(diǎn)處的理想條件，1＜nMPP＜2;

UOC，UOC0——光伏模塊溫度為T(mén)和T0時(shí)的開(kāi)路電壓;

T，T0——兩個(gè)光伏模塊的溫度，K;

G，G0——兩個(gè)光伏模塊的太陽(yáng)幅照強(qiáng)度;

ISC，ISC0——光伏模塊溫度為T(mén)和T0時(shí)的短路電流;

q——充電電子的光度，1.6 ×1019C;

Rs——串聯(lián)電阻，Ω;

α——光伏電流的非線性效應(yīng);

β——光伏模塊系數(shù);

γ——考慮所有溫度與電壓影響的非線性因素.

詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 參考數(shù)據(jù)

仿真模型可用于光伏模塊的性能預(yù)測(cè)，其參數(shù)估計(jì)結(jié)果如表2所示.

表2 參數(shù)估計(jì)結(jié)果

光伏模塊是光伏系統(tǒng)的基本能量轉(zhuǎn)化單位，本文考慮的是Ns×Np的光伏模塊，其最大輸出功率為:

式中:ηMPPT——最大功率點(diǎn)跟蹤效率，隨工作條件的變化而變化，取95%;

ηoth——損耗因子，如電纜電阻和累積灰塵等所造成的損耗.

因此，若已知太陽(yáng)輻照強(qiáng)度和光伏模塊的溫度，就可以預(yù)測(cè)光伏系統(tǒng)的輸出功率.

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)原理如圖5所示.由圖5可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)包含太陽(yáng)能電池陣列、升壓斬波電路、MPPT控制器、雙向PV換流器，以及發(fā)電系統(tǒng)輸出功率參考值.

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)

4 仿真算例

本文使用10個(gè)額定功率為22.5 kW 的光伏板，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)［6］，仿真時(shí)間為1 800 s.負(fù)荷的實(shí)際值和估計(jì)值如圖6所示.可以看出，系統(tǒng)的負(fù)荷在800 s和1 100 s時(shí)發(fā)生了很大的波動(dòng).圖7為相應(yīng)時(shí)間內(nèi)負(fù)荷的變化情況.圖8為光伏板1，光伏板5，光伏板9的日照強(qiáng)度.圖9為光伏板的基準(zhǔn)功率，可以看出該功率一直在0.12左右波動(dòng).圖10至圖13為不同光伏板的出力變化.圖14為頻率偏差曲線.由圖10至圖13可以看出，在功率輸出參考命令中引入負(fù)荷變化后，各光伏板的出力波動(dòng)明顯減小.由圖14可知，采用本文方法得到的系統(tǒng)輸出頻率偏差遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法得到的頻率偏差.

圖6 負(fù)荷功率的實(shí)際值和估計(jì)值

圖7 負(fù)荷變化情況

圖8 3個(gè)光伏板的日照強(qiáng)度

圖9 光伏板的基準(zhǔn)功率

圖10 光伏板1的輸出功率

圖11 光伏板5的輸出功率

圖12 光伏板9的輸出功率

圖13 10個(gè)光伏板的輸出功率

圖14 頻率偏差曲線

5 結(jié)論

(1)提出了基于干擾觀測(cè)器的多光伏光柴混合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，利用干擾觀測(cè)器估計(jì)系統(tǒng)中的負(fù)荷值，計(jì)算負(fù)荷的變化值，并將負(fù)荷變化值應(yīng)用到光伏輸出功率參考值的設(shè)定中.

(2)與每個(gè)光伏系統(tǒng)只采用最大功率跟蹤控制的多光伏系統(tǒng)的供電效果進(jìn)行了對(duì)比.仿真結(jié)果證明，本文所提出的協(xié)調(diào)控制方法減小了光柴混合系統(tǒng)的頻率偏差，并且各個(gè)光伏系統(tǒng)也獲得了較大的功率輸出.

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