林宇杰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局）

0 引言

工業(yè)革命的發(fā)展進(jìn)一步帶動(dòng)了能源革命，開(kāi)啟了大規(guī)模的化石燃料利用的序幕。當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得以煤、石油等為主的傳統(tǒng)化石燃料的消耗不斷增加，并出現(xiàn)了嚴(yán)重的枯竭現(xiàn)象［1］。而太陽(yáng)能作為一種清潔、無(wú)污染、可再生的優(yōu)質(zhì)資源，逐漸受到人們的高度關(guān)注。當(dāng)前，太陽(yáng)能的利用主要可實(shí)現(xiàn)光熱的轉(zhuǎn)換和光電的轉(zhuǎn)換，其中，光電之間的轉(zhuǎn)換可以直接應(yīng)用到光伏效應(yīng)當(dāng)中，將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠始終保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)光伏發(fā)電的功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行獲取，通過(guò)對(duì)最大功率點(diǎn)的有效控制，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。早期針對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)的檢測(cè)能夠針對(duì)不同的負(fù)載調(diào)整相應(yīng)的光伏陣列，并通過(guò)串并聯(lián)的組合方式，實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出［2］。但是在實(shí)際應(yīng)用中，這種檢測(cè)方法由于受到周?chē)h(huán)境因素的影響較大，并且實(shí)施難度較高，因此存在實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，且對(duì)于天氣情況存在劇烈變化的地區(qū)不宜采用。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，為提高檢測(cè)方法的適應(yīng)性，本文結(jié)合階躍響應(yīng)，對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)檢測(cè)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

1 基于階躍響應(yīng)的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)檢測(cè)

1.1 構(gòu)建光功率捕獲數(shù)學(xué)模型

根據(jù)太陽(yáng)能動(dòng)力學(xué)原理，將光功率捕獲的機(jī)械能和機(jī)械轉(zhuǎn)矩以如下公式表示，其中機(jī)械能的表達(dá)式如式（1）所示：

式（1）中，P表示光功率捕獲的機(jī)械能；ρ表示空氣密度；R表示太陽(yáng)電池半導(dǎo)體橫截面半徑；V表示光照強(qiáng)度；Cp（β，λ）表示光能利用系數(shù)。

光功率捕獲機(jī)械轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如式（2）所示：

式（2）中，λ表示光伏發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速率。將式（1）和式（2）作為光功率捕獲的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)模型的線性化處理提供模型基礎(chǔ)。

1.2 基于階躍響應(yīng)的模型線性化處理

在光伏發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其補(bǔ)償器的增益數(shù)值越大，則其轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)淖饔迷酱螅?dāng)增益數(shù)值為零時(shí)，則補(bǔ)償作用同樣為零［3］。在這一特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)本文上述構(gòu)建的光功率捕獲數(shù)學(xué)模型，需要結(jié)合階躍響應(yīng)對(duì)其進(jìn)行線性化處理，得到線性化公式為：

式（3）中，δ表示穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)下的光照強(qiáng)度；Tm表示電池溫度；K表示增益數(shù)值。式（3）中，增益數(shù)值K的計(jì)算公式為：

按照式（3）和式（4）得出線性化結(jié)果并將其作為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩計(jì)算輸出，將不同增益數(shù)值條件下的光伏發(fā)電功率的階躍響應(yīng)曲線進(jìn)行繪制，并得到如圖1所示的曲線結(jié)果。

圖1中KI、KII和KIII分別為三個(gè)不同數(shù)值的增益，其中KI為1，KII為0.5，KIII為0。從圖1可以看出增益數(shù)值越大，光伏發(fā)電系統(tǒng)的階躍響應(yīng)速度越快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所消耗的時(shí)間越短，并且沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。但在達(dá)到階躍時(shí)負(fù)脈沖幅值較大，其主要原因是隨著系統(tǒng)運(yùn)行響應(yīng)速度的不斷提高，光伏階躍引起的功率輸出出現(xiàn)了較大的轉(zhuǎn)變［4］。根據(jù)上述得出的結(jié)論，在對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合改進(jìn)OTC法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，從而防止在暫態(tài)過(guò)程中出現(xiàn)超調(diào)的現(xiàn)象，確保檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)特性。

圖1 不同增益數(shù)值條件下的階躍響應(yīng)曲線圖

1.3 最大功率點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)與跟蹤

通過(guò)上述論述可知，在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，光照強(qiáng)度與電池溫度和光伏電池的輸出功率之間存在非線性的關(guān)系，因此在對(duì)其最大功率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，本文引入SVR算法，通過(guò)該算法克服傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在運(yùn)算過(guò)程中存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的檢測(cè)。將SVR算法輸入計(jì)算機(jī)當(dāng)中，得到光伏發(fā)電系統(tǒng)電池輸出電壓隨時(shí)間變化的數(shù)值，如下表所示。

表 光伏發(fā)電系統(tǒng)電池輸出電壓記錄表

通過(guò)上表的光伏發(fā)電系統(tǒng)電池輸出電壓變化數(shù)據(jù)可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，其輸出電壓呈現(xiàn)出緩慢下降的趨勢(shì)，在0.20～0.30s時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)了輕微的上浮，但總體電壓變化趨勢(shì)并不明顯。同時(shí)，在這一過(guò)程中對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，在0.05～0.1s時(shí)，光照強(qiáng)度和溫度是恒定不變的；在0.10～0.15s時(shí)，光照強(qiáng)度出現(xiàn)逐漸減弱的現(xiàn)象，而溫度仍然保持著恒定不變的狀態(tài)；在0.15～0.20s時(shí)，光照強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸減弱的趨勢(shì)，而溫度也隨之出現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)；在0.20～0.25s時(shí)，光照強(qiáng)度始終保持恒定不變，而溫度出現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。綜合上述變化趨勢(shì)，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，采用網(wǎng)格搜索法，通過(guò)對(duì)搜索參數(shù)范圍以內(nèi)劃分的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行搜索，找出在該范圍內(nèi)最優(yōu)的參數(shù)。在搜索前需要將歷史電壓數(shù)據(jù)作為依據(jù)，對(duì)歷史最大功率點(diǎn)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，其表達(dá)式為：

式（5）中，x*表示歸一化處理后的電壓數(shù)據(jù)；xmin表示為最小電壓數(shù)據(jù)；xmax表示為最大電壓數(shù)據(jù)；x表示為電壓數(shù)據(jù)集合中的任意一個(gè)數(shù)值結(jié)果。按照上述公式計(jì)算，完成對(duì)電壓數(shù)據(jù)的歸一化處理后，還需要結(jié)合高斯RBF核函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格搜索的訓(xùn)練，其公式為：

式（6）中，k（x，y）表示網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的某一坐標(biāo)點(diǎn)；－g表示核函數(shù)參數(shù)。完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)搜索的訓(xùn)練后，為了找出最精確的最大功率點(diǎn)，將搜索的范圍設(shè)定在光伏發(fā)電系統(tǒng)電池輸出電壓變化幅度較大的區(qū)域范圍內(nèi)，并將初始的搜索步長(zhǎng)設(shè)置為10，采用交叉驗(yàn)證的方法對(duì)被搜索范圍內(nèi)的所有功率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試［5］。再調(diào)整步長(zhǎng)大小，將尋優(yōu)結(jié)果的搜尋范圍逐漸縮小，最終在最小的范圍內(nèi)確定最優(yōu)參數(shù)，該數(shù)值結(jié)尾最大功率點(diǎn)所在位置，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的檢測(cè)與跟蹤。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

完成對(duì)基于階躍響應(yīng)的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)檢測(cè)方法理論研究后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，選擇某電力企業(yè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，根據(jù)光伏發(fā)電原理，通過(guò)Matlab平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)雙饋異步光電循環(huán)發(fā)電機(jī)組，并進(jìn)行下述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，選擇將傳統(tǒng)檢測(cè)方法作為對(duì)照組，將本文提出的基于階躍響應(yīng)的檢測(cè)方法作為實(shí)驗(yàn)組，將兩種檢測(cè)方法同時(shí)應(yīng)用到上述雙饋異步光電循環(huán)發(fā)電機(jī)組當(dāng)中，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的最大功率點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。人為在光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置10～80個(gè)不等的最大功率點(diǎn)，利用兩種檢測(cè)方法完成對(duì)其最大功率點(diǎn)的檢測(cè)后，將結(jié)果進(jìn)行記錄，并將其與設(shè)定的實(shí)際最大功率點(diǎn)電壓進(jìn)行對(duì)比，得到如圖2所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖2得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比明顯更加接近實(shí)際值最大功率點(diǎn)電壓的變化曲線。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在最大功率點(diǎn)個(gè)數(shù)為30～45個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)照組曲線與實(shí)際值曲線相差較大的主要原因是，在這一段檢測(cè)時(shí)間當(dāng)中，由于受到了雷雨天氣的影響，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的電池溫度和光照強(qiáng)度都發(fā)生了明顯的變化，對(duì)照組的檢測(cè)方法受到了較大影響，而實(shí)驗(yàn)組的檢測(cè)方法能夠結(jié)合階躍響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)上述問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)對(duì)光伏發(fā)電情況的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此得到的檢測(cè)結(jié)果精度更高。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)及得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，本文提出的基于階躍響應(yīng)的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)檢測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中能夠保證檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際相符，有效提高檢測(cè)精度，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)條件。

圖2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)的高精度檢測(cè)，在明確光伏發(fā)電原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合階躍響應(yīng)提出一種全新的檢測(cè)方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)證明了該方法與其他檢測(cè)方法相比存在的優(yōu)勢(shì)。隨著數(shù)字處理器性能的不斷提高，本文還將數(shù)字處理器應(yīng)用到對(duì)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)檢測(cè)方法當(dāng)中，從而進(jìn)一步提高檢測(cè)方法的有效性和實(shí)時(shí)性，促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行效率的提升。