光伏电站并网运行的时变追踪控制方法、控制器及系统与流程

1.本发明属于光伏电站控制领域，尤其涉及一种光伏电站并网运行的时变追踪控制方法、控制器及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.对于大型mw级光伏电站的并网运行，其自身的电压问题需要解决，原因在于：光伏电站内部拓扑结构不对称导致各个光伏单元汇集到并网母线的电气距离存在差异；各个光伏单元所在位置的光照强度不同，有功出力存在差异；光伏电站内部每个光伏阵列都要配备逆变器、箱式变压器，集电线路r/x比值较大且线路长度不可忽略，以及有功功率的波动和无功功率的不合理分布都将导致电压问题；光照的不确定性导致光伏发电功率具有极强的不确定性，随之引起的电压波动性较强。受上述因素影响，大型光伏电站并网点和内部节点都将出现不同程度的电压越限问题。因此，在光伏有功出力随光照波动的前提下，如何对大型光伏电站进行优化追踪控制来保证并网点和站内节点的电压满足约束，是研究大型光伏电站并网运行的关键所在。
4.不同于分布式光伏发电系统，大型光伏电站一般建立在远离负荷中心、光照充足的荒漠地区，输电线路长，电网相对薄弱，所以大型光伏电站必须参与调压控制，必要时为电网提供无功支撑，这就要求大型并网光伏系统具有灵活的有功、无功功率调节的能力，充分调动分布于电站内部各处的光伏逆变器，利用其无功容量来调节无功流动，起到电压调节的作用。
5.综上所述，光伏电站并网运行的过程中存在光伏出力不确定性引起的并网点及内部节点电压出现不同程度的电压越限的问题，从而影响光伏电站并网运行的稳定性。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种光伏电站并网运行的时变追踪控制方法、控制器及系统，其能够对各逆变器有功和无功功率设定点进行快速在线决策，从而实现大型光伏电站并网运行的时变优化追踪。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供一种光伏电站并网运行的时变追踪控制方法，其包括：
9.获取当前决策时段初始时刻的潮流状态，计算得到当前决策时段的各个并网逆变器的有功和无功设定点，并作为当前决策时段的pq控制的参考值；
10.在满足电压水平要求的前提下，以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标，在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正，通过各个决策时段的滚动优化，最终实现光伏电站并网运行的时变追踪控制。
11.本发明的第二个方面提供一种光伏电站并网运行的时变追踪控制器，其包括：
12.pq控制参考值计算模块，其用于获取当前决策时段初始时刻的潮流状态，计算得到当前决策时段的各个并网逆变器的有功和无功设定点，并作为当前决策时段的pq控制的参考值；
13.时变追踪控制模块，其用于在满足电压水平要求的前提下，以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标，在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正，通过各个决策时段的滚动优化，最终实现光伏电站并网运行的时变追踪控制。
14.本发明的第三个方面提供一种光伏电站并网运行的时变追踪控制系统，其包括如上述所述的光伏电站并网运行的时变追踪控制器。
15.本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的光伏电站并网运行的时变追踪控制方法中的步骤。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.本发明在满足电压水平要求的前提下，以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标，在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正，通过各个决策时段的滚动优化，最终实现了光伏电站并网运行的时变追踪控制，解决了大型光伏电站集中式并网自身内部存在的电压问题，挖掘出了光伏逆变器本身的无功电压调节能力。
18.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
20.图1是本发明实施例的光伏电站并网运行的时变追踪控制方法流程图；
21.图2是本发明实施例的光伏电站并网运行的时变追踪控制器结构示意图；
22.图3是本发明实施例的光伏电站的无功电压控制原理图；
23.图4是本发明实施例的光伏电站并网运行的时变追踪控制系统结构示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
25.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.实施例一
28.基于背景技术可知，要解决光伏出力不确定性引起的并网点及内部节点电压问题，需要做到两点。一方面，从最优潮流的角度，合理调度分散于各光伏发电单元的逆变器的有功、无功调节能力，也就是保证电压的前提下决策逆变器输出有功、无功功率的控制基点；另一方面，决策各个逆变器功率设定点的时间尺度应尽量小，尽可能与光伏发电功率波动的速度相适应，也就是实现秒级决策。
29.随着量测、传感、通信和互联网技术的发展，光伏系统的潮流状态实时可知，再加上电力电子化技术在光伏系统中的成熟应用，使得上述光伏系统时变最优潮流优化追踪的实现成为可能。参考光伏逆变器快速追踪控制思想，利用实时量测的信息通过模型线性化求解最优潮流，在线决策光伏逆变器的控制基点，结合并网逆变器的pq控制方式，对大型光伏并网系统进行快速优化追踪，将是本文研究的核心。
30.针对大型光伏电站的电压控制问题，本实施例以光伏并网有功功率最大为目标，在满足并网点和电站内部各个节点电压水平约束的前提下，建立时变最优潮流优化追踪的非线性优化模型。同时以具备在线量测、通信条件为前提，利用在线量测的系统潮流状态，通过泰勒展开与线性拟合将该模型演变为时变的线性优化模型，进而完成秒级求解，对各逆变器有功和无功功率设定点进行快速在线决策，从而实现了大型光伏电站并网运行的时变优化追踪。
31.如图1所示，本实施例提供了一种光伏电站并网运行的时变追踪控制方法，其具体包括：
32.s101：获取当前决策时段初始时刻的潮流状态，计算得到当前决策时段的各个并网逆变器的有功和无功设定点，并作为当前决策时段的pq控制的参考值。
33.其中，所述潮流状态包括各节点电压幅值和各支路功率。
34.s102：在满足电压水平要求的前提下，以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标，在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正，通过各个决策时段的滚动优化，最终实现光伏电站并网运行的时变追踪控制。
35.在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正的过程中，将以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标构建目标函数，且对目标函数进行线性优化。
36.具体地，目标函数为：
[0037][0038]
其中，上标t为当前决策时段，ng为光伏发电单元的集合，也可以表示光伏电站中光伏发电单元对应的节点的集合，为时段t光伏电站pcc处的有功功率输出，为时段t第i个光伏发电单元的有功功率输出，为时段t光伏电站系统的有功功率损耗。
[0039]
其中，所述约束条件包括潮流平衡方程约束、节点电压允许变化范围约束和光伏p-q调节范围。
[0040]
具体地：
[0041]
(1)潮流平衡方程
[0042]
[0043][0044][0045][0046]
其中，n为光伏电站系统所有节点的集合，为时段t节点i、j的电压幅值，r
ij
、x
ij
为支路ij的电阻、电抗，为时段t支路ij的送端有功、无功功率，为时段t支路ij的电流幅值，h为以节点j为送端的所有支路受端节点h的集合，为节点j处光伏发电单元注入的有功、无功功率，当时，其为0。
[0047]
(2)节点电压允许变化范围
[0048][0049]
其中，u
i_min
、u
i_max
分别为光伏电站中节点i允许的最低、最高电压，设定u
i_min
＝0.95pu，u
i_max
＝1.05pu。
[0050]
对于光伏电站并网点pcc，电压允许变化范围为：
[0051][0052]
设定u
pcc_min
＝0.97pu，u
pcc_max
＝1.07pu。
[0053]
(3)光伏p-q调节范围
[0054][0055][0056]
其中，为时段t内光伏单元i能够输出的最大有功功率，忽略逆变器内部损耗，可由mppt最大功率追踪原理得到。而表示时段t内光伏单元i在有功功率的牵制下的无功功率下、上限，其计算受到逆变器容量和有功出力的限制，有：
[0057][0058]
所以光伏发电单元的无功容量限值随着有功出力增大而减小，按照公式计算。
[0059]
综上，由式(1)-(10)构成的优化模型即为光伏电站并网系统时变最优潮流的优化追踪问题的数学模型，但潮流方程与光伏p-q调节范围均为非线性约束，求解速度难以达到时变快速决策的目的。
[0060]
若当前决策时段t的时间尺度极短，因惯性的存在，可认为时段t内决策前后光伏并网系统潮流、逆变器运行工况等状态量变化量较小。则在时段t的初始时刻光伏并网系统各状态量可量测的基础上，可以利用实时、在线的潮流量测信息，通过泰勒展开和线性拟合将潮流方程、p-q调节范围等非线性约束线性化，以实现模型的快速时变求解。
[0061]
(1)潮流方程线性化处理
[0062]
式(2)-(5)中的非线性项为：
[0063][0064]
假设通过量测可得决策时段t初始时刻任一支路的送端功率以及相应节点的电压幅值其中有令在处将式(11)进行泰勒展开，并忽略其二阶及高阶项，得：
[0065][0066]
则式(12)将非线性项转化为随v
it
变化的线性项，代入式(2)-(4)，可将模型中的潮流约束转化为以v
it
、为变量的线性表示形式，由此潮流方程得以线性化表示。
[0067]
(2)光伏p-q调节范围线性化处理
[0068]
光伏发电单元的无功容量随着有功出力增大而减小，是非线性关系，需要线性化处理。选取(0,1)、(0.2588,0.9659)、(0.5,0.8660)、(0.7071,0.7071)、(0.8660,0.5)、(0.9659,0.2588)、(1,0)七个分段点，通过线性拟合对p-q调节范围上半部分进行分段线性化处理，下半部分同样，可得无功容量的限值与有功出力的关系。
[0069]
(3)时变的线性优化模型
[0070]
根据上述线性化分析，对潮流方程、p-q调节范围等约束条件进行线性化处理，简化后的线性优化模型如式(13)-(21)所示。
[0071][0072][0073][0074][0075][0076][0077]
[0078][0079][0080]
本实施例利用决策时间内的在线潮流量测信息作为线性化后优化模型的已知输入量，对各光伏发电单元有功、无功功率输出进行修正，通过各个时段的滚动优化，最终实现大型光伏电站并网运行的时变追踪控制，解决由于光伏功率不确定性引起的并网点和电站内部节点的电压问题。求解步骤具体如下：
[0081]
(1)根据mppt原理得到光伏发电单元i在时段t的最大有功功率限值量测时段t初始时刻的潮流状态，包括各节点电压幅值和各支路功率记为
[0082]
(2)形成线性优化模型，求解得到时段t内各个并网逆变器的有功、无功功率设定点
[0083]
(3)将信号传送给光伏电站站内的并网逆变器，通过pq控制执行有功、无功控制指令。
[0084]
(4)下一时段返回步骤(1)继续计算，实现多时段的滚动优化。
[0085]
实施例二
[0086]
如图2所示，本实施例提供了一种光伏电站并网运行的时变追踪控制器，其包括：
[0087]
(1)pq控制参考值计算模块，其用于获取当前决策时段初始时刻的潮流状态，计算得到当前决策时段的各个并网逆变器的有功和无功设定点，并作为当前决策时段的pq控制的参考值。
[0088]
其中，所述潮流状态包括各节点电压幅值和各支路功率。
[0089]
(2)时变追踪控制模块，其用于在满足电压水平要求的前提下，以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标，在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修正，通过各个决策时段的滚动优化，最终实现光伏电站并网运行的时变追踪控制。
[0090]
其中，所述约束条件包括潮流平衡方程约束、节点电压允许变化范围约束和光伏p-q调节范围。
[0091]
在约束条件下对各个决策时段的各个并网逆变器输出的有功和无功功率进行修
正的过程中，将以追求光伏电站整体输出的有功功率最大为目标构建目标函数，且对目标函数进行线性优化。
[0092]
实施例三
[0093]
如图3和图4所示，本实施例提供了一种光伏电站并网运行的时变追踪控制系统，其包括如上述所述的光伏电站并网运行的时变追踪控制器。
[0094]
具体地，通过量测得到当前决策时段初始时刻的潮流状态，经通信线路传送到光伏电站并网运行的时变追踪控制器，计算得到各个并网逆变器的有功和无功设定点，经通信线路传送到各个并网逆变器的控制系统，作为pq控制的参考值，光伏电站并网运行的时变追踪控制器控制对应逆变器输出相应的有功和无功功率。
[0095]
实施例四
[0096]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的光伏电站并网运行的时变追踪控制方法中的步骤。
[0097]
在其他实施例中，还一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的光伏电站并网运行的时变追踪控制方法中的步骤。
[0098]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0099]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。