楊振睿,沈主浮,孫 辰,蔡 斌,姜 寬

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司調(diào)度控制中心,上海 200080;2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市區(qū)供電公司總師室,上海 200080)

0 引言

太陽(yáng)能作為一種應(yīng)用較為普遍的可再生能源,環(huán)保效果顯著,因此其廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)中[1]。光伏發(fā)電主要由光伏發(fā)電機(jī)組完成,該機(jī)組由多個(gè)部分設(shè)備組成,包含光伏陣列、蓄電池組等。光伏發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中,具有出力隨機(jī)波動(dòng)[2]、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化顯著等特性,導(dǎo)致直流近區(qū)電網(wǎng)較為薄弱,對(duì)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定造成了不利影響[3]。在光伏接入量較大時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量會(huì)大幅度降低,直接影響整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,進(jìn)行光伏發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制可保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制,湯茂東等[4]和樊國(guó)東等[5]分別基于離散一致性算法和基于負(fù)荷頻率協(xié)調(diào)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)光伏機(jī)組的自動(dòng)控制。上述方法均具有一定的控制效果,但是在控制過(guò)程中,對(duì)于最大功率點(diǎn)跟蹤效果不高,導(dǎo)致控制質(zhì)量大幅度下降。因此,為了提升光伏機(jī)組自動(dòng)控制能力,本文對(duì)光伏機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)研究和分析后,依據(jù)光伏機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn),提出基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]的光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制方法。

1 光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制方法設(shè)計(jì)

1.1 光伏發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)

1.1.1 光伏陣列數(shù)學(xué)模型

由于電網(wǎng)中大量接入光伏發(fā)電機(jī)組后,其與直流近區(qū)電網(wǎng)之間的連接導(dǎo)致直流近區(qū)電網(wǎng)薄弱[7],因此,為保證光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制效果,需通過(guò)建立光伏發(fā)電系統(tǒng)模型,分析光伏機(jī)組特性。光伏發(fā)電機(jī)組和直流輸電系統(tǒng)是光伏發(fā)電機(jī)組重要組成部分,光伏陣列和母線之間的接入通過(guò)逆變器完成,功率輸出則經(jīng)由直流輸電系統(tǒng)完成。

光伏陣列是光伏發(fā)電機(jī)組中的重要發(fā)電設(shè)備之一,在實(shí)際應(yīng)用中,為分析其伏安特性需構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,該模型構(gòu)建時(shí)需參考光伏陣列廠家提供的組件參數(shù)[8]。假設(shè)光照強(qiáng)度和電池板溫度分別為S和T,則此時(shí)光伏陣列的數(shù)學(xué)模型公式為

(1)

式中:i1為輸出電流;u1、usc為不同端口電壓;uoc為開(kāi)路電壓;isc為光伏發(fā)電組件中,光子激發(fā)產(chǎn)生的電流;um為最大輸出大功率點(diǎn)m處的電壓;im為m點(diǎn)的電流;C1、C2為不同的調(diào)節(jié)系數(shù)。

由于光伏陣列的實(shí)際和參考2個(gè)工作條件之間存在差異,則在實(shí)際情況下的uoc、isc、um、im的計(jì)算公式為

(2)

式中:a、b、c為常數(shù);Sref和Tref分別為對(duì)應(yīng)光照強(qiáng)度、光伏電池板溫度參考值;uocref和iscref分別為開(kāi)路與短路情況下的電壓和電流;umref和imref分別為最大功率點(diǎn)的電壓和電流。

光伏陣列最為普遍的是集中式結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)由多個(gè)光伏組件組成[9],且組成方式為并聯(lián)和串聯(lián)。在不考慮接線損耗和組件差異的情況下[10],光伏陣列端口處的電壓和電流計(jì)算公式為

(3)

式中:udc和iPV分別為光伏陣列端口處電壓和電流;Ns和Np分別為串聯(lián)組件、并聯(lián)組件數(shù)量。

依據(jù)式(3)即可對(duì)單個(gè)光伏組件的電壓和電流進(jìn)行求解;獲取集中式光伏陣列的數(shù)學(xué)模型,將求解結(jié)果代入式(1)中得出,其計(jì)算公式為

(4)

1.1.2 光伏陣列特性

依據(jù)1.1.1小節(jié)的分析可知,S會(huì)對(duì)光伏陣列產(chǎn)生直接影響,而溫度直接隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加,光照強(qiáng)度越高,光伏輸出功率也越高[11]。因此,正常情況下,存在2種光照情況,第1種為均勻光照、第2種為不均勻光照。在第1種情況下光伏陣列的P-V曲線中的極值點(diǎn)只有1個(gè),點(diǎn)即為MPP;在第2種情況下光伏陣列P-V曲線中的極值點(diǎn)存在局部和全局2種,則存在多個(gè)MPP。2種光照情況下的光伏陣列特性曲線結(jié)果如圖1所示。

圖1 光伏陣列特性曲線

1.2 光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制

1.2.1 自動(dòng)控制方案制定

根據(jù)上述分析得出,光伏發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中,S是影響光伏發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀況的主要因素,同時(shí),在實(shí)際環(huán)境中,S的變化存在隨機(jī)性和實(shí)時(shí)性,因此也導(dǎo)致存在隨機(jī)性和實(shí)時(shí)性的變化特性。而對(duì)光照和溫度的實(shí)時(shí)跟蹤[12],是實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制的基礎(chǔ),因此需要迅速跟蹤最大功率點(diǎn)(MPPT)。文中采用基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)MPPT實(shí)行控制,制定控制MPPT的控制方案,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制方案結(jié)構(gòu)

該控制方案在對(duì)MPPT實(shí)行控制時(shí),可對(duì)升壓電路的絕緣柵雙極型功率管的占空比進(jìn)行調(diào)整,保證光伏陣列的運(yùn)行一直處于最大功率點(diǎn)的位置[13]。當(dāng)偏差變化率e(k)等于0時(shí),光伏陣列則一直處于最大功率點(diǎn)位置,因此,為獲取該時(shí)刻的輸出功率P(K),需獲取光伏陣列在各時(shí)刻輸出的電壓U(K)和電流I(K)的測(cè)量結(jié)果。Δe(K)表示e(K)的變化量,最大功率點(diǎn)控制器的輸入即為Δe(K)和e(K),并且對(duì)其在k和k-1此2個(gè)時(shí)刻下的狀態(tài)實(shí)行對(duì)比和判斷,以此調(diào)整占空比的大小。

1.2.2 光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制模型

a.模型前件網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)部分包含4個(gè)層:

第3層為規(guī)則層:為獲取所有模糊規(guī)則的適應(yīng)度結(jié)果,需對(duì)全部的模糊規(guī)則前件實(shí)行匹配,完成匹配后計(jì)算權(quán)值ωj結(jié)果,該計(jì)算采用乘積法完成。

第4層為歸一化層:采用歸一化的方式完成ωj的處理,并將處理結(jié)果作為模型后件網(wǎng)絡(luò)部分中第3層的連接權(quán)值,則歸一化的處理公式為

(5)

b.模型的后件網(wǎng)絡(luò)部分:該網(wǎng)絡(luò)部分共由3層組成,第1層與前件部分相同;第2層則對(duì)所有的模糊規(guī)則輸出量實(shí)行計(jì)算,如果輸入的變量用xi表示,則第j層的輸出量ulj的計(jì)算公式為

(6)

當(dāng)控制規(guī)則相同時(shí),如果后件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)較多,則會(huì)增加上述參數(shù)調(diào)整的難度,對(duì)模型實(shí)行簡(jiǎn)化處理,以此減少后件網(wǎng)絡(luò)部分中的參數(shù),則權(quán)值學(xué)習(xí)過(guò)程中,誤差代價(jià)函數(shù)E的計(jì)算公式為

(7)

式中:yr、yt分別為期望和實(shí)際2種輸出值。

(8)

式中:β為學(xué)習(xí)速率。

結(jié)合最佳跟蹤結(jié)果和自動(dòng)控制模型實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制。

2 測(cè)試分析

為測(cè)試本文方法對(duì)于光伏發(fā)電機(jī)組的控制效果,將本文方法用于某電力企業(yè)的直流近區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)中,測(cè)試本文方法的應(yīng)用效果,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 直流近區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)中的直流輸電電壓為850 kV,光伏電站的相關(guān)參數(shù)詳情如表1所示。

表1 光伏電站的相關(guān)參數(shù)

為衡量本文方法對(duì)于光伏發(fā)電機(jī)組特性的分析可靠性,獲取光照強(qiáng)度變化情況下,光伏陣列功率和電壓輸出結(jié)果,如圖4所示。前40 s光照強(qiáng)度為1 000 W/m2,40～120 s光照強(qiáng)度為550 W/m2,120～180 s光照強(qiáng)度為800 W/m2。

圖4 光伏陣列功率和電壓輸出結(jié)果

由圖4可知,光伏陣列的輸出功率和電壓在光照強(qiáng)度發(fā)生變化后,也隨之發(fā)生變化,表明光伏陣列輸出功率和電壓會(huì)受到光照強(qiáng)度的直接影響,與實(shí)際情況吻合。

為衡量本文方法的應(yīng)用效果,以光伏陣列MPPT的跟蹤作為衡量標(biāo)準(zhǔn),獲取本文放在不同光照情況下,對(duì)于光伏陣列MPPT的跟蹤結(jié)果,如圖5所示。

圖5 光伏陣列MPPT的跟蹤結(jié)果

由圖5可知,在2種光照情況下,本文方法均可完成光伏陣列MPPT的跟蹤,且跟蹤所需時(shí)間均在0.3 s以?xún)?nèi),能夠有效跟蹤MPPT。即使光照不均勻,導(dǎo)致MPPT的變化發(fā)生顯著波動(dòng)情況下,本文方法依舊能夠快速完成MPPT跟蹤。

為進(jìn)一步衡量本文方法的應(yīng)用效果,獲取本文方法對(duì)光伏發(fā)電機(jī)組實(shí)行自動(dòng)控制后,不同時(shí)刻功率的波動(dòng)結(jié)果,并將該結(jié)果與控制前的功率波動(dòng)結(jié)果實(shí)行對(duì)比,判斷本文方法對(duì)功率波動(dòng)的控制效果,結(jié)果如圖6所示。

圖6 功率波動(dòng)控制效果

由圖6可知,經(jīng)過(guò)本文方法控制后,功率的波動(dòng)變化值被平穩(wěn)控制在260 kW以?xún)?nèi)。表明本文方法的自動(dòng)控制效果良好,能夠針對(duì)光伏發(fā)電輸出異常情況實(shí)行有效控制,保證光伏發(fā)電機(jī)組的輸出穩(wěn)定性。

為衡量本文方法的應(yīng)用效果,采用本文方法獲得在2種光照情況下直流近區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同時(shí)刻內(nèi)產(chǎn)生的棄光量,期望標(biāo)準(zhǔn)為30%以下,結(jié)果如圖7所示。

圖7 棄光量測(cè)試結(jié)果

由圖7可知,本文方法應(yīng)用后,在2種光照情況下光伏發(fā)電機(jī)組的棄光量均在30%以下,滿(mǎn)足控制需求。因此,本文方法具有良好的自動(dòng)控制效果,能夠最大程度降低機(jī)組棄光量,應(yīng)用效果良好。

為進(jìn)一步衡量本文方法的應(yīng)用,采用本文方法在2種光照情況下,對(duì)光伏發(fā)電機(jī)組實(shí)行控制,獲取光伏發(fā)電機(jī)組在不均勻光照下,發(fā)生負(fù)載突變情況下輸出的頻率結(jié)果,如圖8所示。本文的期望頻率控制偏差標(biāo)準(zhǔn)低于0.3 Hz。

圖8 光伏發(fā)電機(jī)組輸出頻率控制結(jié)果

由圖8可知,本文方法控制后,光伏發(fā)電機(jī)組輸出頻率結(jié)果的最大值和最小值分別為52.2 Hz和48.6 Hz,該結(jié)果和理想控制結(jié)果之間的偏差值均低于0.3 Hz,因此,本文方法的應(yīng)用性較好,能夠滿(mǎn)足控制需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

光伏發(fā)電機(jī)組的大量并網(wǎng),對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定存在一定的不利影響,因此,需實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)控制,保證機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。本文提出基于T-S模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制方法。經(jīng)過(guò)相關(guān)測(cè)試后可知,本文所提方法能夠有效分析出光伏發(fā)電機(jī)組在不同光照情況下的輸出特性,并可快速、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤,控制效果良好,控制后光伏發(fā)電機(jī)組的輸出功率和頻率均滿(mǎn)足控制需求,以此可保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。