黃文寧，米 陽

(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090)

光伏新能源以其無污染、無噪聲、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點而越來越受到人們的關(guān)注.［1-2］光柴混合供電［3］是解決我國偏遠(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性、隨機性、間歇性等特點，特別是多個光伏系統(tǒng)和柴油發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合供電時，電源出力的波動性以及系統(tǒng)中負(fù)荷的不斷變化可能會引起混合供電系統(tǒng)有功功率不平衡和頻率大幅偏移，超出安全運行范圍，需要采取適當(dāng)?shù)念l率控制策略.［2-4］

近年來，關(guān)于如何降低可再生能源輸出功率波動的研究已取得了一定的成果.文獻(xiàn)［5］至文獻(xiàn)［8］針對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性，但是沒有考慮微網(wǎng)中的負(fù)荷變化，并且沒有直接針對系統(tǒng)頻率偏差進(jìn)行調(diào)節(jié).文獻(xiàn)［9］通過增加蓄電池儲能設(shè)備來改善光伏系統(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，需要安裝大容量的蓄電池，將會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)安裝成本大幅增加，而且使用蓄電池會不可避免地帶來環(huán)境問題.此外，還有學(xué)者專門設(shè)計了負(fù)載電阻來消耗波動的功率，但這并不能有效抑制功率波動.文獻(xiàn)［3］提出了基于最小階觀測器［10-11］的光柴混合系統(tǒng)的多光伏協(xié)調(diào)控制策略，通過最小階觀測器預(yù)測系統(tǒng)負(fù)荷值，利用估計的負(fù)荷值來調(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)中的最小階觀測器只適用于確定線性系統(tǒng)，而實際電力系統(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，分析了太陽能發(fā)電的基本原理和特性.設(shè)計了干擾觀測器，以估計混合電力系統(tǒng)中不斷變化的負(fù)荷值.再根據(jù)估計的負(fù)荷值計算出負(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)而實現(xiàn)對各光伏板出力的協(xié)調(diào)控制.最后，通過對10個光伏板在不同日照強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獨立電力系統(tǒng)如圖1所示.系統(tǒng)中有一臺柴油發(fā)電機和10個光伏系統(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)下單獨調(diào)度運行.

圖1 光柴互補孤立電力系統(tǒng)示意

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

圖2 光柴混合系統(tǒng)動態(tài)模型

太陽能電池模塊對設(shè)計逆變器和控制系統(tǒng)具有重要意義，可以用一個電流源模型表示，如圖3所示.

太陽能電池模塊的傳統(tǒng)I-V特性可以表示為:

式中:Io，Uo——太陽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)電池數(shù);

NS——串聯(lián)電池數(shù);

Ish——光電池內(nèi)阻電流.

圖3 太陽能電池模塊的等效電路

太陽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Tref時的飽和電流;

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)計了干擾觀測器來估計不斷變化的負(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)電機輸出功率Pd;

x3——調(diào)速器輸出;

x4——積分控制量.

圖4 太陽能電池模塊特性曲線

令f(t)=HPL，則系統(tǒng)模型簡化為:

為了設(shè)計干擾觀測器，構(gòu)造原系統(tǒng)的增量模型如下:

對應(yīng)干擾觀測器滿足如下狀態(tài)方程:

I——4 ×4 單位矩陣;

L1，L2——觀測器的增益矩陣，L1=A+2Λ，L2=Λ2.

由式(8)和式(9)可得觀測誤差方程為:

其中:

由于系統(tǒng)矩陣A，B，H是已知的常數(shù)矩陣，分別為:

因此觀測器矩陣應(yīng)滿足:

可見，設(shè)計的干擾觀測器能夠精確地估計出系統(tǒng)中的負(fù)荷擾動值.

為了減小系統(tǒng)的頻率偏差，需要根據(jù)負(fù)荷變化來協(xié)調(diào)各光伏板的出力.下面根據(jù)估計的負(fù)荷值，設(shè)計多光伏系統(tǒng)的中央控制命令和局部控制命令.利用設(shè)計的干擾觀測器得到負(fù)荷的估計值，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個光伏板最大功率.

中央控制命令可表示為:

下面分析各個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，特別是太陽輻射和光伏模塊溫度的影響.根據(jù)實際情況將仿真模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，估計實際的光伏模塊在不同操作條件下的性能，通過5個參數(shù)(α，β，γ，Rs，nMPP)模擬環(huán)境因素對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處的理想條件，1＜nMPP＜2;

UOC，UOC0——光伏模塊溫度為T和T0時的開路電壓;

T，T0——兩個光伏模塊的溫度，K;

G，G0——兩個光伏模塊的太陽幅照強度;

ISC，ISC0——光伏模塊溫度為T和T0時的短路電流;

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，其參數(shù)估計結(jié)果如表2所示.

表2 參數(shù)估計結(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，若已知太陽輻照強度和光伏模塊的溫度，就可以預(yù)測光伏系統(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個額定功率為22.5 kW 的光伏板，相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)［6］，仿真時間為1 800 s.負(fù)荷的實際值和估計值如圖6所示.可以看出，系統(tǒng)的負(fù)荷在800 s和1 100 s時發(fā)生了很大的波動.圖7為相應(yīng)時間內(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.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)荷功率的實際值和估計值

圖7 負(fù)荷變化情況

圖8 3個光伏板的日照強度

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，利用干擾觀測器估計系統(tǒng)中的負(fù)荷值，計算負(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，并且各個光伏系統(tǒng)也獲得了較大的功率輸出.

［1］ WOYTE A，THONG VV，BELMANS R，et al.Voltage fluctuations on distribution level introduced by photovoltaic systems［J］.IEEE Transactions Energy Conversion，2006，21(1):202-209.

［2］ ASANO H，YAJIMA K，KAYA Y.Influence of photovoltaic power generation on required capacity for load frequency control［J］.IEEE Transactions Energy Conversion，1996，11(1):188-193.

［3］ TOMONOBU Senjyu，MANOJ Datta，ATSUSHI Yona，et al.A control method for small utility connected large PV system to reduce frequency deviation using a minimal-order observer［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2):520-528.

［4］ WIEMKEN E，BEYER H G，HEYDENREICH W，et al.Power characteristics of PV ensembles:Experiences from the combined power production of 100 grid connected PV systems distributed over the area of Germany［J］.Solar Energy，2001，70(6):513-518.

［5］ FEMIA N，PETRON G，SPAGNUOLO G，et al.Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method［J］.IEEE Trans.Power Electron，2005，20(4):963-973.

［6］ HUA C，LIN J，SHRN C.Implementation of a DSP controlled photovoltaic system with peak power tracking［J］.IEEE Trans.Ind.Electron，1998，45(1):99-107.

［7］ 周念成，閆立偉，王強鋼.光伏發(fā)電在微電網(wǎng)中接入及動態(tài)特性研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，11(14):119-127.

［8］ INA N，YANAGAWA S，KATO T，et al.Smoothing of PV system output by tuning MPPT control［J］.Elect.Eng.Jpn，2005(2):10-17.

［9］ WANGER R.Large lead/acid batteries for frequency regulation，load levelling and solar power applications［J］.J.Power Sources，1997，6(7):163-172.

［10］ LUENBURGER D G.An introduction to observer［J］.IEEE Trans.Autom Control，1971，16(6):596-602.

［11］ MIN L C，SHING C S.Control of power systems using minimal-order observers［J］.Computersand Electrical Engineering，1980，7(3):211-215.