一种基于逆变器特性的光伏并网功率控制系统

第３５卷第２期　２０１７年２月　敏倾鼻蕾否　ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ＆ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．２Ｏ１７　一种基于逆变器特性的光伏并网功率控制系统　王旭昊，李红刚　（许昌许继风电科技有限公司，河南许昌４６１０００）　摘　要：为了能够快速响应电力调度指令，光伏电站需要对并网发电功率进行实时控制。基于这一　问题，提出一种根据频率一功率响应特性可调并网逆变器的特性，对其各自输出的最大有功功率进行限　制，进而达到对电站总并网功率进行控制的方法。首先，针对频率一功率响应特性可调逆变器，对频率一功　率特性参数等于默认值时的各个频率点下的功率样本数据进行变换，生成一组以输出功率上限为输入　量，以频率一功率特性参数值为输出量的样本数据。然后，对样本数据利用多项式插值法求出以输出功率　上限为自变量的特性参数预测式。最后，在算出特性参数预测值并据其调节逆变器后，根据调节后实际　输出功率与目标限定功率之间的误差对特性参数值进行自动调节，最终使各台逆变器的并网输出功率满　足要求。　关键词：光伏电站；并网逆变器；频率一功率响应特性；多项式插值法；并网功率调节　中图分类号：ＴＭ９３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—２２５７（２０１７）０２—００５１—０４　Ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ＰＶ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ’Ｓ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ＷＡＮＧ　Ｘｕｈａｏ，ＬＩ　Ｈｏｎｇｇａｎｇ　（）（Ｊ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ　４６１０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｔｏ　ｐｏｗｅｒ　ｄｉｓｐａｔｃｈ　ｃｏｍｍａｎｄ，ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｔｓ　ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｉｓ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｌｉｍｉｔ　ｔｈｅ　ａｃ—　ｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｏｎ　ｌｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ＇ｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ａｄｊ　ｕｓｔ　ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｇｉｒｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｔａｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ，ｆｏｒ　ｔｈｏｓｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｗｈｏｓｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｄｊ　ｕｓｔｅｄ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ＇ｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｐｏｗｅｒ　ｓａｍｐｌｅ　ｄａｔａ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｓ　ｅｑｕａｌ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｄｅｆａｕｌｔ　ｖａｌｕｅ，ａｎｄ　ｏｂｔａｉｎ　ａ　ｇｒｏｕｐ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅ　ｄａｔａ　ｗｈｏｓｅ　ｉｎｐｕｔ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｕｐｐｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ——ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｎ　ｕｓｅ　ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｏｕｔ—　ｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｕｐｐｅｒ　ｌｉｍｉｔ　ａｓ　ｉｔｓ　ａｒｇｕｍｅｎｔ．Ａｆｔｅｒ　ｏｂｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｓｅｎｄ　ｉｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｋｅｅｐ　ａｄｊ　ｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｕｎｔｉｌ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ＇ｓ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔｓ；ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｐｏｗｅｒ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃｈａｒａｃ—　ｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ；ｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ　ａｄｊ　ｕｓｔｉｎｇ　０　引言　的电能质量造成一定影响　，光伏电站必须能够　及时有效地响应电力部门的调度指令并对其并网　光伏并网发电系统会对配电网和高压输电网　发电功率（一般来说小型电站仅须调节有功功率，　收稿日期：２０１６一Ｏ９一ｌ４　作者简介：王旭昊（１９８４一），河南信阳人，工学硕士，研究方向为光伏产品开发；李红刚　（１９８４一），河南漯河人，工学硕士，研究方向为　风机偏航系统设计。　・　５１　・　够０ｌ呔舆蕾吾　大型电站调节有功功率的同时兼顾无功功率）进　行实时监控　］。针对这一问题提出一种利用并　网逆变器的频率一功率响应特性对这类逆变器并　网功率上限值进行实时调整，并进而将其作为对　电站总并网发电功率进行实时控制的方法。由于　逆变器并网后的工作频率必须保持在４９．５～５Ｏ．２　Ｈｚ的小范围内　］，无法直接利用频率一功率响应特　性曲线通过调整工作频率的方式控制逆变器的实　际并网功率。于是设计了一种通过实时调节逆变　由式（１）可见调节Ｋ可调节频率一功率曲线沿　着频率轴方向的缩放倍数，进而调节频率一功率响应　特性。逆变器处于出厂设置时Ｋ一１，厂家为描述　逆变器处于出厂设置下的频率一功率响应特性会提　供频率，与输入功率上限Ｐ．　之间的若干个离散　的样本数据，记为（ｆｏ，Ｐ　）、（ｆ　，Ｐ　）、…、（ｆｉ，Ｐ　）、　…、（　，　），（０＜　＜ｍ）。Ｐ。　（，）是人们为了保　证逆变器在频率，下的正常运行而规定的最大稳　态输出功率，一般在充分考虑冗余后将其简化成一　种线性关系，即：Ｐ。　（厂）一Ｌ厂，（Ｌ＞０）。效率叩　器的频率一功率响应特性参数值，使其在工频处输　出的有功功率上限值正好能够实时满足功率控制　要求，从而间接达到并网功率控制目的。　与输入功率上限Ｐｉｎ＿ｍａｘ的乘积刁Ｐ　Ｈｚ）输出功率上限　系，通过式（２）：　是输出功率上　限。为了得到逆变器处于并网状态时（此时，一５Ｏ　１　系统构成及原理　本方案的被控对象是支持频率一功率响应特性　在线可调的并网逆变器，实施关键是建立在此类被　…与调节参数Ｋ之间的关　Ｐ　一Ｐ　…（Ｉｆ　）一Ｐ　一　（Ｋ　×５０），１≤ｉ≤ｒｎ　（２）　控对象基础上的并网功率控制器（主要针对有功功　率）的设计。功率控制器通过现场总线获取光伏电　站现场各台并网逆变器的实时工作参数，并通过现　场总线获取光伏电站现场各个并网功率测量点的　实时数据。另外，功率控制器从二次盘柜室的ＡＧＣ　将已知的样本数据集合（　，Ｐ　）、（厂　，Ｐ　）、…、　（ｆｍ，　＿ｍ），转化成ｆ一５０　Ｈｚ时Ｋ与Ｐｉ　（Ｋ×５０）　的样本数据集合（ｆｏ／５０，Ｐ　）、（－厂　／５０，Ｐ　）、…、　（　／５０，户　），记作（忌。，Ｐ　）、（愚　，Ｐ　）、…、（走　，　）。　然后将转换后的所有样本数据中输入与输出变量　的位置互换，得（　，ｋ。）、（　，ｋ　）、…、（　，ｋ　）。考虑　系统获取并网功率控制指令，并实时决策和分配给　现场的各台逆变器，通过现场总线调节各台逆变器　的频率一功率特性参数，间接达到对各台逆变器的并　网输出功率进行实时控制的目的。系统构成及原　理如图１所示。　ｌ０　ｋＶ公网　到转换效率　，最后得到输出功率上限　×Ｐ。　关　于Ｋ值的ｒｎ个样本数据（叼×Ｐ　，ｋ。）、（ｒ１×Ｐ　，ｋ　）、　…、（叩×　，ｋ　），记为（户。，ｋ。）、（　１，ｋ１）、…、（Ｐ　，　ｋ　）。假设　为所有次数不超过３的多项式构成的函　数类，现求　Ｋ（户）＝＝＝∑ａｉＰ　∈声　使得平方差　（３）　ｌＩｒ　一∑ｒ－Ｋ（ｐ　）一ｋｉ］　一∑（∑ｎ　一ｋ　）　（４）　最小。显然，式（４）为ａ。，ａ　，ａ２，ｎ。的多元函　数，因此上述问题变为求Ｊ＝＝＝Ｉ（ａ。，ａ　，ａ　，ａ。）的极值　光伏阵列１　光伏阵Ｎ２　光伏阵列ｎ　问题。由多元函数求极值的必要条件　，得：　图１系统构成及原理　ａａｊ一２　（　即　３　ｍ　一ｋｉ）　—ｏ，ｊ—Ｏ，１’２，３　ｍ　２　频率一功率特性参数Ｋ的预测　选择的逆变器最大输出功率Ｐ　与频率厂、调　节参数Ｋ的关系可描述为：　Ｐ　（Ｋ，厂）一Ｍｉｎ（ｖＰＩｎ＿　（Ｋｆ），Ｐ。　・　５２　・　∑（∑　）ｎ　＝∑　忌　，Ｊ一０，１，２，３（５）　Ｚ＝０　ｉ　０　一０　式（５）是关于１２。，ａ　，口　，ｎ。的线性方程组，用矩　（厂））（１）　阵表示为：　王旭吴等：一种基于逆变器特性的光伏并网功率控制系统　自动控制与检测　ｍ＋１　∑Ｐ　∑　ｉ＝０　∑　∑尼　ｉ＝０　ｉ＝０　＝０　∑Ｐ　∑ｐ　∑户　∑户　∑ｐｉｋ　ｉ一０　ｉ一０　Ｉ＝０　ｉ　０　ｉ＝０　∑户　∑户　∑　∑户　∑　走　＝０　ｉ＝０　ｉ一０　＝０　ｉ　０　∑户　ｉ＝０　∑　ｚ＝０　∑　∑　∑　ｌ一０　ｉ＝０　＝０　（６）　由于式（６）的系数矩阵是对称正定矩阵，故存　在唯一解。从其解出ｎ。，ａ　，ａ　，ａ。可得多项式：　３　Ｋ（ｐ）一　ａｌｐ　一ｎ０＋ｎ１Ｐ＋ｎ２Ｐ　＋口３Ｐ。（７）　Ｚ＝０　可以证明，式（７）中的Ｋ（　）满足式（３），即　Ｋ（户）为所求的拟合多项式＿７］。假设我们需要限定　逆变器在工频处的输出功率不超过Ｐ　，０＜Ｐ　＜　Ｐ…　（５０）。如果逆变器的当前输出功率Ｐ。小于功　率限定值Ｐ　，则不进行任何操作；如果Ｐ。大于Ｐ　，　则将Ｐ　代入式（７）求出Ｋ值，记为Ｋ。。值得注意的　是，基于离散数据样本的多项式曲线拟合法本身仅　是一种数值近似方法，借助这种方法计算出来的Ｋ　值是有误差的。再者，逆变器厂家一般给出的是在　额定工作条件下的功率转换效率＇７一　，由于转换　效率叩会随着逆变器工作状况的变化而变化，也就　给样本数据（７／×Ｐ　，是。）、（’７×Ｐ　，忌　）、…、（叩×ｐ　，　忌　）引入一定的不确定性。因此通过该法得出的Ｋ。　仅仅是Ｋ的估计值，须经进一步修正。　３　功率控制误差的自动修正　在将逆变器的Ｋ值设置为预测值Ｋ。后，下一　步需要根据输出功率的实际反馈结果反复修正Ｋ　值，依次生成Ｋ　，Ｋ　，…，Ｋ　，并检测设定完每个Ｋ　值后的逆变器稳态输出功率Ｐ　，Ｐ　．．，Ｐ　，直至　与功率限定值Ｐ　的误差Ｅ满足精度要求。误差修正　流程图如图２所示。Ｋ值调整公式为：　Ｋ　—Ｋ卜ｌ＋ｓｇｎ×△尼ｆ　（８）　式中下标ｉ表示调整次数；Ｋ　表示经第ｉ次调　整后的Ｋ值；ｓｇｎ代表Ｋ值的调整方向（取值为１或　１，初始值为１）；Ａｋ　表示第ｉ次调整Ｋ时的步阶，　其中△忌。人为指定成一个较小的正数，而△忌ｚ，△足。，　…，△足　是根据误差的变化趋势计算而来的。假设　Ｋ　。，Ｋ　。，Ｋ　相距很近（均在Ｋ的真实值附近），我　们近似地认为从点（Ｋ　，Ｐ　）到点（Ｋ　，Ｐ　），与　图２功率误差的修正算法　从点（Ｋ　，Ｐ　）到点（Ｋ；，Ｐ　）的斜率变化不大，都　在一条直线上，有：　ｌ　Ｉ二　二　ｌ二　！一ｊ　二　兰　！　ｆ９　ｌ　Ｋ　一Ｋ　ｆ　　１Ｋ　一Ｋ　ｌ　设Ｅ　代表Ｐ　与Ｐ　之间的误差，即Ｅ　一Ｐｒ．　一Ｐ　，又ＡＫ　一ｌ是　一Ｋ　Ｊ，代入式（９）有　△Ｋ　一　△Ｋ　１ＥＨ　ｌ—Ｅ　　Ｅ　（１Ｏ）　设第ｉ次调整后的输出功率Ｐ　与目标限定功　率Ｐ　之间的误差为Ｅ　，有　Ｅｇ—Ｐ　—Ｐｇ　设误差Ｅ的最大允许值为Ｅ　，有Ｅ　＜Ｅ　＜　０。为控制Ｅ满足该范围，当Ｅ　×Ｅ　＞０且ｌ　Ｅ　｛＜ｌ　Ｅ　１时，ｓｇｎ不变，反之ｓｇｎ反向。　４验证与分析　现已知某逆变器厂家提供的下列典型参数：　①最大稳态输出功率Ｐ……与频率厂之间的　关系式为Ｐ　（厂）一５８３．３３×ｆ。　②额定转换效率刁一９５　。　③当Ｋ一１时，频率，与输入功率上限Ｐｔ　之间的样本数据（单位依次为Ｈｚ、Ｗ）为（１０．８Ｏ，　３３１）、（１４．４０，７８４）、（１８．００，１　５３１）、（２１．６０，２　６４６）、　（２５．２０，４　２０２）、（２８．８０，６　２７２）、（３２．４０，８　９３０）、　（３６．００，１２　２５０）、（２５．２Ｏ，４　２０２）、（２８．８Ｏ，６　２７２）、　（３２．４０，８　９３０）、（３６．００，１２　２５０）、（３９．６０，１６　３０５）、　（４３．２０，２１　１６８）、（４６．８０，２６　９１２）、（５０．４０，３３　６１２）、　（５４．００，３３　６１２）。　根据上述已知参数绘制成的逆变器频率一功率　・　５３　・