提高組串光伏發(fā)電效率的直流動(dòng)態(tài)重構(gòu)控制策略

薛世偉 賈清泉 李 盼 梁紀(jì)峰 耿 亮

（1. 燕山大學(xué)電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島 066004 2. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院 石家莊 050021 3. 河北省電力有限公司石家莊供電分公司 石家莊 050021）

0 引言

為促進(jìn)清潔太陽能資源利用，我國相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)分布式光伏發(fā)展的政策[1-2]。據(jù)國家能源局對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)統(tǒng)計(jì)可知，從 2016 年底到2020 年上半年，我國分布式光伏發(fā)電累計(jì)安裝容量占比從13%達(dá)到31%，分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量逐年上升迅猛[3-4]。分布式光伏發(fā)電集群由于其穩(wěn)定、高效、靈活、友好并網(wǎng)特性，將逐漸成為電力生產(chǎn)和光伏能源消納的新模式[5]，其整體效率也越來越受重視。

通常情況下，分布式光伏發(fā)電中，光伏組串與逆變器固定連接[6]。在早晚及陰雨天等低光照情況下逆變器處于輕載條件下運(yùn)行[7]。然而，逆變器在輕載時(shí)工作效率很低。光伏逆變器轉(zhuǎn)換效率受其輸入功率影響，特別是當(dāng)逆變器輸入功率在額定功率20%以下時(shí)，隨著輸入功率下降，逆變器轉(zhuǎn)換效率也會(huì)明顯降低[8]。低光照下，組串逆變器大規(guī)模并網(wǎng)能量損失嚴(yán)重，直接降低了企業(yè)效益。

采取適當(dāng)?shù)拇胧?，如改變光伏系統(tǒng)直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、添加開關(guān)設(shè)備等可以提高光伏系統(tǒng)效率[9-10]。一些文獻(xiàn)研究了光伏組件在光伏陣列中的重構(gòu)配置。文獻(xiàn)[11]提出的重新配置方法將光伏（Photovoltaic,PV）板分為兩部分，一部分光伏組件固定，另一部分光伏組件作為可重構(gòu)部分。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]分別采用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)技術(shù)對(duì)光伏陣列重新配置，以均衡光伏陣列各串中的電流。上述文獻(xiàn)均是對(duì)光伏組件串并聯(lián)重構(gòu)，在滿足光伏串電壓相同的前提下，提高光伏串的總電流。但是，大多數(shù)情況下，光伏組件都接受均勻的光照，改變光伏陣列中組件的連接狀態(tài)難以提高光伏陣列輸出功率，低光照條件下光伏系統(tǒng)效率仍然很低。

文獻(xiàn)[14]綜述了大量的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，選擇逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高性能。盡管在低功率運(yùn)行條件下，特定拓?fù)浼败涢_關(guān)可以改善逆變器的轉(zhuǎn)換效率[15-18]，但由于半導(dǎo)體的固定損耗，逆變器在輕載時(shí)的效率仍然非常低。微型逆變器可實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的最佳運(yùn)行，提高系統(tǒng)效率，但這種逆變器裝置由于復(fù)雜的拓?fù)?、低轉(zhuǎn)換效率和額定功率限制，主要用于小型光伏發(fā)電系統(tǒng)[19-20]。

文獻(xiàn)[9-10]綜述了光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中提到了團(tuán)隊(duì)概念，即多個(gè)逆變器以團(tuán)隊(duì)合作的方式運(yùn)行。在低太陽輻射下，光伏陣列的所有串并聯(lián)到一個(gè)逆變器，而其他逆變器斷開。在增加輻射的情況下，光伏陣列被分成若干子陣列，這些子陣列連接到不同的獨(dú)立工作的串聯(lián)逆變器上。這種方式能夠提高光伏發(fā)電性能。文獻(xiàn)[20]提出具有共享直流母線和交流母線的連接方法。針對(duì)不同的負(fù)載條件調(diào)整多臺(tái)逆變器的負(fù)載分配，使并聯(lián)逆變器逐一從待機(jī)到滿載運(yùn)行，以減少功率損耗。這種控制策略比較簡單，提升效率有限。文獻(xiàn)[21]提出提高歐洲加權(quán)效率的策略，逐一使逆變器以滿負(fù)荷的h%運(yùn)轉(zhuǎn)并具有最大效率的優(yōu)先級(jí)。最后每個(gè)并網(wǎng)逆變器將從滿負(fù)載的h%逐一移至滿負(fù)載模式。文獻(xiàn)[22]研究了逆變器的多種拓?fù)浼罢{(diào)制策略解決高頻循環(huán)電流問題，并推薦了具有低漏電流（例如H5 拓?fù)洌┑膯蜗酂o變壓器全橋逆變器。文獻(xiàn)[20-22]的連接方法需要并聯(lián)逆變器具有不同的控制參數(shù)以及一些特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，抗干擾能力差，實(shí)際工程中的操作受限很大。文獻(xiàn)[23-24]根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)輸入或輸出功率，采用固定閾值方法改變不同逆變器工作臺(tái)數(shù)提高光伏系統(tǒng)整體效率，靈活性較差。文獻(xiàn)[25-26]中光伏陣列串聯(lián)和并聯(lián)一同使用，使光伏陣列與逆變器進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)匹配連接，以系統(tǒng)功率輸出最大為目標(biāo)控制切換裝置。但該方法中光伏板直流側(cè)任意串聯(lián)會(huì)出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，但文中未考慮電池板串并聯(lián)保護(hù)。文獻(xiàn)[27]利用直流可變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過多目標(biāo)的方式提高系統(tǒng)性能，但忽略了短時(shí)間內(nèi)天氣的波動(dòng)性，可能會(huì)引起開關(guān)頻繁動(dòng)作和短時(shí)間的功率越限等問題。

考慮天氣波動(dòng)性的光伏系統(tǒng)運(yùn)行情況，本文提出一種時(shí)間尺度下提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率的直流開關(guān)動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略?；诠夥绷鞑⒙?lián)開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)多臺(tái)逆變器運(yùn)行臺(tái)數(shù)進(jìn)行控制。考慮光伏系統(tǒng)效率和開關(guān)動(dòng)作次數(shù)等運(yùn)行指標(biāo)，控制逆變器運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使性能指標(biāo)最優(yōu)。利用控制決策防止開關(guān)頻繁切換和逆變器功率越限?；谧钚《嘶貧w算法預(yù)測(cè)天氣短時(shí)間變化范圍，確定光伏系統(tǒng)允許的開關(guān)重構(gòu)方案；基于投票理論方法對(duì)比歷史時(shí)間內(nèi)開關(guān)連接方案，得出最佳運(yùn)行方案。通過本策略與常規(guī)連接方式和不考慮控制決策的連接方式對(duì)比，驗(yàn)證本文策略的可行性。

1 光伏群控系統(tǒng)直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏串與逆變器固定連接的方式是比較常規(guī)的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不能滿足本文策略的需要。而本文基于文獻(xiàn)[24]結(jié)構(gòu)使光伏串與逆變器靈活連接，有效控制多臺(tái)逆變器起停狀態(tài)，提高系統(tǒng)運(yùn)行性能。

1.1 光伏群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常規(guī)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池板串和并網(wǎng)逆變器組成。常規(guī)情況下，光伏串固定接入逆變器，若干臺(tái)逆變器并聯(lián)接入電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行[6]。為便于光伏串的相關(guān)表述，本文將常規(guī)連接方式進(jìn)行簡化處理，將正常配置1 臺(tái)逆變器所需的光伏串統(tǒng)一定義為1 串光伏串。本文利用控制器使X串光伏串與Y臺(tái)并網(wǎng)逆變器靈活連接構(gòu)成光伏群控系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D如圖1 所示。光伏串和并網(wǎng)逆變器分別通過直流電纜插頭接入開關(guān)控制箱，其中控制箱放于逆變器側(cè)連接光伏串與逆變器?？刂葡渲械臄?shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processing, DSP）和逆變器以通信接口連接，用來傳輸光伏串的電壓和電流信息。DSP 根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出不同時(shí)刻的控制決策，每過一段時(shí)間，發(fā)送一次逆變器起停狀態(tài)及線路開關(guān)連接狀態(tài)控制指令，使群控系統(tǒng)運(yùn)行性能最優(yōu)。

圖1 光伏群控系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Topology of the PV group control system

1.2 群控系統(tǒng)功能

群控系統(tǒng)主要由光伏串、開關(guān)控制箱和逆變器組成，通過控制光伏串與逆變器連接并控制逆變器的起停，可以實(shí)現(xiàn)多光伏串與多逆變器的靈活組合，滿足不同光照下系統(tǒng)運(yùn)行要求。在低光照條件下，跨橋開關(guān)控制N串光伏串并聯(lián)到1 臺(tái)逆變器并網(wǎng)發(fā)電，其他逆變器處于停機(jī)狀態(tài)；隨著光照增強(qiáng)，多串光伏串間重構(gòu)并逐步起動(dòng)更多逆變器并網(wǎng)發(fā)電；當(dāng)光照足夠強(qiáng)時(shí)，回歸到常規(guī)連接方式，這時(shí)逆變器全部起動(dòng)。同理，光照從最強(qiáng)到最弱的過程，跨橋開關(guān)控制光伏串連接逆變器數(shù)量從y臺(tái)逐漸變?yōu)? 臺(tái)。

群控系統(tǒng)增加了光伏系統(tǒng)冗余性和可擴(kuò)展性，且逆變器并聯(lián)技術(shù)較為成熟[28-31]，在實(shí)際工程中易于實(shí)現(xiàn)。在目前大型分布式光伏電站若干臺(tái)逆變器集中并聯(lián)匯到一個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)，再由多個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)匯到一處集中升壓連到大電網(wǎng)中。因此，可根據(jù)需要考慮由若干個(gè)小型群控系統(tǒng)組成光伏電站整個(gè)系統(tǒng)。開關(guān)控制箱具有即插即用功能，而光伏串和逆變器的電纜插頭可直接和開關(guān)控制箱相連，操作簡單。

2 運(yùn)行效益指標(biāo)函數(shù)

本節(jié)中研究了光伏系統(tǒng)的輸出功率效益和開關(guān)動(dòng)作成本，并建立了運(yùn)行效益指標(biāo)函數(shù)。

2.1 逆變器輸出功率效益

首先從逆變器中獲得所測(cè)電壓和電流數(shù)據(jù)，然后計(jì)算各串光伏串電流和電壓大小，再計(jì)算開關(guān)重構(gòu)之后逆變器的輸入功率，最后求出該段時(shí)間內(nèi)逆變器輸出功率效益。

將光伏串按1,2,…,X的順序編號(hào)排序，并將這些光伏串分為m組，每組與1 臺(tái)逆變器相連。其中第j組中光伏串的數(shù)量記為kj，而未與光伏串連接的逆變器則待機(jī)運(yùn)行。一般情況下，光伏組串配置相同，其輸出特性基本一致。從逆變器獲取輸入電壓和電流，即可確定該組中第z串光伏串的電壓和電流為

式中，Ud,m,j和Id,m,j分別為開關(guān)重構(gòu)前第j組逆變器的輸入電壓和電流；kj為第j組光伏串?dāng)?shù)量；j=1,2,… ,m。

將各組光伏串按原編號(hào)順序進(jìn)行排序，光伏串總個(gè)數(shù)X與每組中光伏串?dāng)?shù)量關(guān)系為

再計(jì)算開關(guān)擬重構(gòu)后第i組逆變器輸入電流、輸入電壓為

定義ηi(p)為開關(guān)擬重構(gòu)后第i組逆變器在輸入功率p處對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率，利用逆變器輸入功率與轉(zhuǎn)換效率求出群控系統(tǒng)輸出總功率為

兩次控制指令發(fā)出的時(shí)間間隔主要由主觀因素決定，其設(shè)置時(shí)間不易過長。令每次發(fā)出的控制指令為一個(gè)切換點(diǎn)，則用當(dāng)前切換點(diǎn)的數(shù)據(jù)近似作為切換間隔期間內(nèi)平均數(shù)據(jù)，構(gòu)建群控系統(tǒng)輸出功率收益指標(biāo)為

式中，CG為光伏上網(wǎng)電價(jià)或售電電價(jià)；Tsw_interval為控制系統(tǒng)連續(xù)兩個(gè)控制指令的時(shí)間間隔。

2.2 開關(guān)動(dòng)作成本

光伏串和逆變器不同數(shù)量之間連接，其連接方式多種多樣。在不同連接方式之間切換時(shí)，群控系統(tǒng)中開關(guān)帶電切換會(huì)對(duì)降低電氣壽命，因此本文考慮降低開關(guān)動(dòng)作次數(shù)來降低系統(tǒng)成本損耗。開關(guān)矩陣每次動(dòng)作均需要對(duì)比上一次連接狀態(tài)，確定開關(guān)動(dòng)作數(shù)量。開關(guān)矩陣每次動(dòng)作成本損耗為

式中，ksw為需要?jiǎng)幼鞯拈_關(guān)數(shù)量；Csw為開關(guān)市場價(jià)格；Ksel為開關(guān)電氣壽命。

光伏系統(tǒng)本次控制指令時(shí)間點(diǎn)到下一次的運(yùn)行效益指標(biāo)為

3 群控系統(tǒng)切換策略

本節(jié)分析了光伏系統(tǒng)切換后逆變器可能會(huì)出現(xiàn)功率越限的情況，對(duì)光伏系統(tǒng)切換的連接方式作出限制。另外，頻繁變化的天氣可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)頻繁切換。因此，對(duì)開關(guān)頻繁切換的情況作出了系統(tǒng)控制決策。最后，提供了系統(tǒng)連接的最終方案。

3.1 考慮防功率越限的連接方案分析

系統(tǒng)切換時(shí)，逆變器輸入量應(yīng)滿足其承受范圍。另外，為防止出現(xiàn)光伏組串與被遮擋光伏組串并聯(lián)導(dǎo)致失配損失嚴(yán)重的特殊問題，光伏串并聯(lián)時(shí)電壓差應(yīng)滿足一個(gè)約束范圍。由式（3）可知，對(duì)于第i組逆變器所連接的光伏串來說，任意光伏串a(chǎn)和b，和應(yīng)滿足

式中，Udmin和Udmax分別為最大功率點(diǎn)跟蹤最小和最大工作電壓；Idmax為逆變器規(guī)定的最大輸入電流；Pmax為逆變器規(guī)定的最大輸入功率閾值；Δu為光伏串電壓差閾值。

光伏發(fā)電具有波動(dòng)性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，在開關(guān)切換間隔期間，逆變器輸入量可能會(huì)超過本身允許值。因此，本文有必要根據(jù)已有運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)各逆變器輸入功率變化趨勢(shì)，給出其變化范圍以增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

本文利用最小二乘法回歸方法分析切換前Tsw_before時(shí)刻功率數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)本次切換到下一次切換時(shí)間段Tsw_interval功率數(shù)據(jù)。線性回歸預(yù)測(cè)相比非線性回歸計(jì)算簡便；對(duì)于可用參數(shù)較少的情況，光伏波動(dòng)預(yù)測(cè)誤差相對(duì)較小。因此，本文采用最小二乘法對(duì)光伏功率進(jìn)行線性回歸分析。利用擬合函數(shù)預(yù)測(cè)開關(guān)切換后Tsw_interval時(shí)間內(nèi)功率變化情況，使系統(tǒng)在切換空檔期不出現(xiàn)功率越限情況。最后根據(jù)功率數(shù)據(jù)波動(dòng)大小和歷史經(jīng)驗(yàn)確定預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可變范圍。值得注意的是，由于線性回歸的單調(diào)性，僅需計(jì)算初始和末端預(yù)測(cè)時(shí)間的數(shù)據(jù)即可初步獲得光伏串預(yù)測(cè)的功率范圍。

最小二乘法原理是根據(jù)最小化誤差的二次方和來尋找數(shù)據(jù)最佳匹配函數(shù)。因此，一元線性最小二乘樣本回歸模型為

式中，為數(shù)據(jù)樣本第s個(gè)自變量；為數(shù)據(jù)樣本中對(duì)應(yīng)的因變量；e s為第s個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算誤差；0β和1β分別為回歸系數(shù)和偏移系數(shù)；x'和y'分別為擬合函數(shù)的自變量和因變量。

一般利用二次方損失函數(shù)Q最小計(jì)算式（9）中的系數(shù)，即

可利用函數(shù)Q對(duì)β0和β1求偏導(dǎo)等于0 來確定系數(shù)大小，即

根據(jù)最小二乘法對(duì)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行 1 次曲線擬合，并利用其變化趨勢(shì)對(duì)切換間隔期間功率作出簡單預(yù)測(cè)。利用逆變器所連接的光伏串?dāng)?shù)量ki及光伏功率波動(dòng)情況計(jì)算得到切換時(shí)刻功率約束為

式中，Pd′,m,i和Pd′,′m,i分別為切換點(diǎn)前Tsw_interval時(shí)刻m臺(tái)逆變器工作時(shí)第i組逆變器輸入功率的線性擬合值和切換點(diǎn)后Tsw_interval時(shí)刻第i組逆變器輸入功率的預(yù)測(cè)值；Pymax,i為切換點(diǎn)前Tsw_before時(shí)間第i組逆變器輸入功率數(shù)據(jù)最大擬合值；ΔPi為第i組中光伏串功率樣本數(shù)據(jù)Yp,i與功率擬合函數(shù)yp,i最大差值，ε0為擬合函數(shù)功率波動(dòng)系數(shù)。

3.2 群控系統(tǒng)控制決策

本策略對(duì)系統(tǒng)切換前Tsw_before這段時(shí)間內(nèi)的各光伏串輸出功率平均值進(jìn)行三次曲線擬合。對(duì)擬合曲線進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間間隔和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集時(shí)間間隔相同。利用擬合采樣值替代數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。

控制器控制跨橋開關(guān)及逆變器起?？捎?-1 矩陣算法處理。逆變器y的起停狀態(tài)用符號(hào)Sy,y表示，PVx與逆變器y之間的跨橋開關(guān)連接狀態(tài)用Sx,y表示，其中x＜y。以三串光伏串與三臺(tái)逆變器組成的發(fā)電單元為例，將Sy,y和Sx,y組成上三角矩陣用0-1矩陣表示為

式中，0/1 代表連接或起停狀態(tài)；0 表示開關(guān)斷開或逆變器停運(yùn)；1 表示開關(guān)連接或逆變器運(yùn)行；“××”表示沒有該連接。

由式（13）可知，通過兩次切換時(shí)0 和1 異或關(guān)系可方便求解式（6）中開關(guān)動(dòng)作數(shù)量。另外，由圖1 開關(guān)拓?fù)淇芍?，式?3）中0 和1 并非是完全重構(gòu)組合。一般情況下，光伏發(fā)電單元內(nèi)光伏組串?dāng)?shù)與逆變器臺(tái)數(shù)較少，其組合方式數(shù)量很小，其數(shù)量尤其涉及一種整數(shù)無序分拆問題。考慮同品牌的光伏板和逆變器，以三串光伏串與三臺(tái)逆變器配置的光伏群控系統(tǒng)為例，去除重復(fù)和不可連接的方式，組合方式有三種。本文策略主要是對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并在有限的開關(guān)組合方式中尋找最佳的連接方式，所涉及的數(shù)據(jù)量較小，采用窮舉法求解即可快速準(zhǔn)確求出各種連接方案的目標(biāo)函數(shù)結(jié)果。將各種函數(shù)結(jié)果按大小進(jìn)行排序可得到不同連接方式的優(yōu)先選擇順序。

系統(tǒng)切換控制決策步驟如下：

1）切換系統(tǒng)程序初始化，光伏系統(tǒng)保持為常規(guī)連接。光伏系統(tǒng)獲取光伏系統(tǒng)參數(shù)和逆變器歷史輸入、輸出功率。

2）切換系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3）系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷，檢測(cè)n次數(shù)據(jù)采集內(nèi)得到的功率數(shù)據(jù)是否有兩次數(shù)據(jù)超過閾值Pmax。若超過則進(jìn)行緊急操作處理，將該數(shù)值代入到式（7）中計(jì)算當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)最優(yōu)連接方式；否則進(jìn)行下一步操作。

4）切換系統(tǒng)間隔Tsw_interval發(fā)送一次切換指令，期間系統(tǒng)保持上一次連接狀態(tài)。在每個(gè)切換點(diǎn)處，切換點(diǎn)前Tsw_before時(shí)間段數(shù)據(jù)通過1 次線性曲線和3 次曲線被擬合。通過式（14）判斷功率數(shù)據(jù)變化曲線是否處于近似均勻變化狀態(tài)。

式中，kc,i為線性擬合曲線當(dāng)前切換點(diǎn)斜率；kb,i為前一個(gè)切換點(diǎn)線性擬合曲線斜率；Qi為線性擬合曲線平方損失函數(shù)；Δk為斜率變化閾值，參考具有穩(wěn)定天氣變化下光伏功率曲線變化的范圍選取，其中天氣數(shù)據(jù)可從氣象局或相關(guān)網(wǎng)站下載并處理，下同；ΔQ為擬合函數(shù)平均誤差閾值系數(shù)，參考略有波動(dòng)天氣下平均誤差系數(shù)選取。

若滿足式（14），曲線近似均勻變化，則將線性擬合曲線末端時(shí)刻的擬合值代入式（7）中進(jìn)行計(jì)算。將不同連接方式下的函數(shù)大小排序，通過式（12）分析此次切換系統(tǒng)可靠性。獲取最優(yōu)連接方式，切換系統(tǒng)連接狀態(tài)。

若不滿足式（14）或Tsw_before時(shí)間段內(nèi)連接方式出現(xiàn)循環(huán)變換的情況，則執(zhí)行防頻繁切換連接方法。這種情況下的控制決策類似于一種投票理論的方式，具體為：選取擬合曲線的最大值、最小值、中位數(shù)等三種典型數(shù)值所在時(shí)刻的數(shù)據(jù)代入式（7）、式（8）、式（12）中計(jì)算，分別得出三個(gè)時(shí)刻的最優(yōu)連接方式。將Tsw_before時(shí)間段內(nèi)擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)代入上述幾種連接方式對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行計(jì)算，確定該連接限制下各數(shù)據(jù)點(diǎn)最佳連接方式。最后選出時(shí)間段內(nèi)連接方式占比最多的方式作為開關(guān)頻繁動(dòng)作條件下最終連接方案。

5）系統(tǒng)進(jìn)行切換判斷后，繼續(xù)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程Fig.2 System control flow chart

一般情況下，Tsw_before＞Tsw_interval，為了使系統(tǒng)在設(shè)備初始化后盡快做出決策，在初始階段需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)時(shí)間序列長度Tsw_before進(jìn)行調(diào)整，如式（15）所示。另外，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，若觸發(fā)緊急處理操作，則系統(tǒng)會(huì)因避免頻繁操作而在下一次控制指令時(shí)刻暫停一次對(duì)數(shù)據(jù)處理。

式中，t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后數(shù)據(jù)分析的時(shí)間；kT為滿足式（15）的最大整數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本算例對(duì)多串光伏串和多臺(tái)逆變器搭建的光伏群控系統(tǒng)分析系統(tǒng)整體效率。系統(tǒng)群控示意圖如圖3 所示，系統(tǒng)各種參數(shù)見表1。單串光伏串與單臺(tái)逆變器配置容量均為5kW，初始狀態(tài)每組光伏串?dāng)?shù)量ki為1。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Experimental platform

4.1 算例

多臺(tái)光伏串模擬器發(fā)出恒定的輸出功率。在不同功率下，測(cè)量逆變器的輸出功率，其中直流電壓設(shè)置為400V。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

本節(jié)對(duì)比分析了不同配置場景下群控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升效果。光伏串?dāng)?shù)量和逆變器臺(tái)數(shù)均為3、4或5 時(shí)，光伏模擬器額定功率從0.05 到1 變化，不同容量配置的群控系統(tǒng)在不同功率下逆變器總轉(zhuǎn)換效率對(duì)比如圖4 所示，其中橫坐標(biāo)為以群控系統(tǒng)容量配置為基準(zhǔn)的逆變器總輸入功率水平。從圖4 中可以看出，在光伏串?dāng)?shù)量x=3, 4, 5 條件下和低于系統(tǒng)25%輸入功率水平下，相比常規(guī)連接方式，逆變器總體效率均有提升。歐洲效率[21]是歐洲聯(lián)合研究中心基于歐洲光照條件，賦予不同負(fù)載條件下逆變器轉(zhuǎn)換效率權(quán)重，用來估算逆變器的總體效率。由于在國際上歐洲效率具有很大的參考價(jià)值，且在光伏逆變器產(chǎn)品手冊(cè)中幾乎都標(biāo)有歐洲效率，因此本節(jié)用歐洲效率權(quán)重系數(shù)估算策略對(duì)逆變器總體效率提升效果。根據(jù)圖4 顯示的結(jié)果，在光伏串?dāng)?shù)量分別為x=3, 4, 5 條件下，歐洲效率分別提升了0.4%、0.44%和0.45%。通過分析多個(gè)場景下提升效果可知，隨著群控系統(tǒng)中光伏組串?dāng)?shù)量增多，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率提升效果逐漸減弱。另外，考慮群控系統(tǒng)配置的光伏串?dāng)?shù)量增多導(dǎo)致計(jì)算量增大和提升效果減弱的問題，以及考慮實(shí)際工程中場地布局的問題，為了減小系統(tǒng)復(fù)雜程度，配置3～5 串光伏串的光伏群控系統(tǒng)較為合適。

圖4 逆變器DC-AC 總轉(zhuǎn)換效率對(duì)比Fig.4 comparison diagram of DC-AC conversion efficiency of the inverter

4.2 實(shí)驗(yàn)場景分析

建立三個(gè)光伏陣列和三臺(tái)逆變器的群控系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行1h 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，對(duì)防功率越限功能進(jìn)行分析。從DKASC 網(wǎng)站獲取上午1h 光伏輻照度真實(shí)數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到光伏陣列模擬器中模擬光伏陣列功率變化趨勢(shì)。設(shè)置逆變器超過最大輸出功率5kW 斷開與電網(wǎng)連接。

其他文獻(xiàn)僅考慮目標(biāo)函數(shù)忽略了天氣變化的影響，對(duì)比了常規(guī)連接、僅考慮目標(biāo)函數(shù)和本策略三種方案運(yùn)行曲線如圖5 和圖6 所示。通過本策略方案運(yùn)行曲線與前兩種方案曲線對(duì)比來說明控制決策的有效性。

圖5 系統(tǒng)1h 低功率運(yùn)行曲線Fig.5 Low-power operation curves of the system for 1h

4.2.1 防功率越限策略

圖5 中，PAC/PN表示群控系統(tǒng)中逆變器總輸出與總額定功率的比值。從圖5a 中可以看出光伏波動(dòng)隨機(jī)性很大，突然陡峭使得僅考慮目標(biāo)函數(shù)情況下容易出現(xiàn)功率越限情況。在20～30min 和40～50min期間，由于光伏產(chǎn)生波動(dòng)，系統(tǒng)超過設(shè)定的逆變器最大輸出，使得逆變器不能正常工作。圖5b 中本策略有效避免了因功率突然增加引起的功率越限情況，提高了系統(tǒng)可靠性。以上結(jié)果說明，考慮系統(tǒng)波動(dòng)情況下防止系統(tǒng)功率越限的策略是有必要和可行的，也進(jìn)一步得出了群控系統(tǒng)在低功率水平運(yùn)行下轉(zhuǎn)換效率有了很好的改善。

4.2.2 防止群控系統(tǒng)開關(guān)頻繁動(dòng)作策略

圖6 系統(tǒng)1h 功率波動(dòng)情況下運(yùn)行曲線Fig.6 Operating curves of the system under 1h power fluctuations

圖6a 為僅考慮目標(biāo)函數(shù)條件下，群控系統(tǒng)中的開關(guān)出現(xiàn)頻繁動(dòng)作情況。群控系統(tǒng)在20～50min 期間，系統(tǒng)切換后轉(zhuǎn)換效率提升不大，甚至可能略有下降。但是，圖6b 中采用控制策略之后群控系統(tǒng)減少了開關(guān)次數(shù)。從圖6 中可以看出，頻繁切換帶來的效果并不一定好，可能還會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。根據(jù)以上分析，本文防止開關(guān)頻繁切換的策略是可行且有效的。

5 結(jié)論

本文利用一種直流開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)其連接方式及群控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了分析，利用運(yùn)行效益指標(biāo)和控制決策，提出一種提升組串逆變器并行效率的直流側(cè)開關(guān)重構(gòu)策略。得出如下結(jié)論，可為光伏電站設(shè)計(jì)人員提供參考。

1）本文策略基于一種開關(guān)控制箱、多光伏串及逆變器組成群控系統(tǒng)。本文策略可以提高光伏逆變器總體效率，尤其在低光照下改善效果明顯。

2）群控系統(tǒng)中，考慮群控系統(tǒng)配置的光伏串?dāng)?shù)量增多，導(dǎo)致計(jì)算量增大和提升效果減弱的問題以及考慮實(shí)際工程中場地布局的問題，為了減小系統(tǒng)復(fù)雜程度，群控系統(tǒng)中擁有較小數(shù)量的PV 串和逆變器較為合適?？紤]光伏電站規(guī)模大小及逆變器位置等因素，建立若干個(gè)小型群控系統(tǒng)較為合適。

3）開關(guān)切換后，系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)超過系統(tǒng)要求的限值。對(duì)開關(guān)切換后短時(shí)間內(nèi)的功率變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，防止逆變器功率越限是可行和有效的。

4）復(fù)雜多變的天氣可能導(dǎo)致系統(tǒng)在切換的臨界位置頻繁變化，這種情況下開關(guān)切換帶來的系統(tǒng)提升效果并不顯著。頻繁切換還可能給系統(tǒng)安全帶來隱患，因此考慮防止頻繁切換是有必要的?；谕镀崩碚摰姆椒ㄟx取歷史時(shí)間內(nèi)最適應(yīng)的連接方式可以避免系統(tǒng)頻繁切換。