并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的節(jié)能控制

郭再泉

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫　214121）

并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的節(jié)能控制

郭再泉

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214121）

并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制過(guò)程中，采樣和計(jì)算存在一定的誤差，傳統(tǒng)的節(jié)能控制過(guò)程，匯流箱輸出電壓不準(zhǔn)確，實(shí)際輸出匯流箱組串電流無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤指令電流的變化，不能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。提出一適用于并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制方法，將并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串指令電流轉(zhuǎn)換成指令電壓，并將其當(dāng)成SPWM的調(diào)制波。在輸出指令電壓中加入一個(gè)前饋電壓，使得并網(wǎng)光伏電站匯流箱電感兩端的電壓差含有一個(gè)基波分量，依據(jù)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流控制結(jié)果獲得隱含層全部節(jié)點(diǎn)的正定矩陣，通過(guò)cholesky對(duì)隱含層的輸出矩陣進(jìn)行分解，基于分解結(jié)果獲取并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制效果最優(yōu)解。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在組串電流控制精度和節(jié)能方面均具有較好的工作性能。

并網(wǎng)光伏電站；匯流箱；組串電流；節(jié)能控制

近年來(lái)，電力能源利用形勢(shì)日益嚴(yán)峻，太陽(yáng)能成為傳統(tǒng)發(fā)電的有益補(bǔ)充［1-2］。并網(wǎng)光伏電站通常由光伏電池組件、匯流箱、逆變器等設(shè)備構(gòu)成，光伏方陣中，匯流箱普遍存在組串電流偏低同時(shí)能耗較大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了光伏電站的發(fā)電量［3-5］。因此，研究如何實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的節(jié)能控制，具有重要意義［6］。

并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制過(guò)程中的采樣和計(jì)算存在一定的誤差。傳統(tǒng)的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制過(guò)程，由于屬于線性控制方法，導(dǎo)致匯流箱輸出電壓不準(zhǔn)確，實(shí)際輸出匯流箱組串電流無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤指令電流的變化，不能有效實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的節(jié)能控制［7-10］。

提出一種基于SPWM和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制方法，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在組串電流控制精度和節(jié)能方面均具有較高的性能。

1　并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制理想電壓輸出值的選擇

為了適應(yīng)并網(wǎng)光伏電站匯流箱的離散化處理特點(diǎn)，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的，需要對(duì)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流進(jìn)行節(jié)能控制，使電壓輸出達(dá)到理想輸出值。

為了得到理想的電壓輸出值，首先要使ie［k+1］= 0，也就是第k+1個(gè)采樣點(diǎn)的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流i［k+1］和當(dāng)前理想電流i*［k+1］相等，則輸出電壓為：

分析上述過(guò)程可知，若合理調(diào)整并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流，使輸出電壓如上式所示，則在該電壓影響下，下一個(gè)開關(guān)周期結(jié)束時(shí)電流誤差將為零。

要求出平均輸出電壓，為理想電壓在2個(gè)周期保持不變提供依據(jù)。為了求出并網(wǎng)光伏電站匯流箱的平均輸出電壓Vinv［k］，首先需對(duì)進(jìn)行估計(jì)。假設(shè)求出代入式（1）中，則理想輸出電壓為：

同理有：

上述2種方式均含有ie［k］一項(xiàng)，ie［k］僅在開關(guān)周期［k－1，k］結(jié)束時(shí)才能獲取，而k時(shí)刻也是開關(guān)周期［k，k+1］期間輸出電壓的節(jié)能控制點(diǎn)，所以，前一個(gè)開關(guān)周期［k－1，k］內(nèi)需獲取所有所需節(jié)能控制的采樣電流誤差，同時(shí)結(jié)束整個(gè)運(yùn)算過(guò)程，所以式（3）和式（4）不可直接在并網(wǎng)光伏電站匯流箱中實(shí)現(xiàn)，ie［k］通過(guò)前兩個(gè)開關(guān)的周期獲取近似值。

假設(shè)并網(wǎng)光伏電站匯流箱理想電壓在前3個(gè)周期是常量，也就是獲取ie［k］后，將式（2）轉(zhuǎn)換成輸出電壓可數(shù)字化處理的形式，如下式所示：

上述方法的穩(wěn)定性均局限于低于30%電感不匹配程度的范圍內(nèi)，因此，將電流控制目標(biāo)從零變成前兩個(gè)周期誤差差分的一半，則有：

在最初預(yù)測(cè)電流ie［k］發(fā)生的改變情況下，V*inv［k］可通過(guò)下述電壓線性預(yù)測(cè)方法完成平滑估計(jì)：

最終獲得最理想的輸出電壓Vinv［k］可描述成：

2　基于SPWM和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制

2.1并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的控制

在通過(guò)獲得理想電壓的情況下，可進(jìn)一步對(duì)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流進(jìn)行更好的控制。

并網(wǎng)光伏電站匯流箱的基本工作原理是作為一個(gè)可控的電流源向并網(wǎng)光伏電站提供負(fù)載所需的諧波電流，因此，并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串指令電流i*c首先需被轉(zhuǎn)換成指令電壓uc，作為SPWM的調(diào)制波。

為了使并網(wǎng)光伏電站匯流箱具有很好的補(bǔ)償性能，需對(duì)SPWM進(jìn)行控制電流的改進(jìn)控制，使其直流側(cè)電容電壓Udc保持穩(wěn)定。從理論的角度分析，在并網(wǎng)光伏電站匯流箱中直流側(cè)電容電壓Udc的反饋值和給定值的差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后，被疊加至瞬時(shí)有功電流的直流分量上，經(jīng)迭代處理，在指令信號(hào)i*c中含有部分基波有功電流，補(bǔ)償組串電流發(fā)生電路依據(jù)形成補(bǔ)償電流ic。注入并網(wǎng)光伏電站中，使匯流箱組串補(bǔ)償電流中含有部分基波有功電流分量，以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)光伏電站匯流箱直流側(cè)和交流側(cè)的能量小環(huán)，并將Udc調(diào)整到給定值。

分析上式有：

由此可知，改進(jìn)后的SPWM方法通過(guò)在輸出指令電壓中加入一個(gè)前饋電壓，使得并網(wǎng)光伏電站匯流箱電感兩端的電壓差含有一個(gè)基波分量，從而有效地控制并網(wǎng)光伏電站匯流箱輸出或輸入組串電流。Kp值主要取決于主電路交流側(cè)濾波電感L值以及控制電路的放大倍數(shù)。K值主要負(fù)責(zé)調(diào)整經(jīng)補(bǔ)償后組串電流的基波幅值，盡量使其控制在一個(gè)較小的波動(dòng)范圍內(nèi)。合理選擇Kp與K的值，能夠使ucx值和值相等或相近，增強(qiáng)了輸出電壓的準(zhǔn)確性，使并網(wǎng)光伏電站匯流箱實(shí)際輸出組串電流可準(zhǔn)確跟蹤指令電流的變化，從而有效降低輸出電流誤差，完成并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流的控制。

2.2引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取節(jié)能控制最優(yōu)解

在上述基于SPWM的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)PLC法實(shí)現(xiàn)整個(gè)組串電流控制過(guò)程中的節(jié)能思想。上述過(guò)程是一個(gè)反向問(wèn)題，可通過(guò)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)能控制。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層為非線性的，輸入與輸出層均為線性的，所以，將并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制結(jié)果作為輸入層的節(jié)點(diǎn)，節(jié)能效果作為輸出層的節(jié)點(diǎn)，將高斯核函數(shù)作為徑向基函數(shù)，依據(jù)PLC的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制結(jié)果的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用圖1進(jìn)行描述。

圖1　并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制結(jié)果的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　The topology of the energy saving control result of the junction box set-of-string current of the grid-connected photovoltaic power station

其中，C=［c1，c2，…，cm］用于描述輸入電流樣本，也就是并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流控制結(jié)果；K=［k1，k2，…，kn］用于描述徑向基函數(shù)的中心；W=［w1，w2，…，wn］用于描述隱含層到輸出層的傳遞系數(shù)矩陣，輸入層和隱含層之間僅需分析此設(shè)置傳遞系數(shù)的權(quán)值，以便控制電流的傳遞，所以假設(shè)傳遞系數(shù)的權(quán)值是1，y是并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串節(jié)能控制效果輸出，則輸出層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流輸出可描述成：

式中：‖·‖為描述歐幾里得范數(shù)的符號(hào)；wj為描述隱含層到輸出層的權(quán)值；kj為描述第j個(gè)隱含層中徑向基函數(shù)的中心；σ2j為描述徑向基函數(shù)的寬度；ucx為輸入組串電流。

所以，通過(guò)電流輸出，電流節(jié)能控制效果可描述成如下所示：

式中：hN：N=1，2，…，n用于描述隱含層的輸出，H∈RN×n，W∈Rn×1，如果N=n，H是正定矩陣，則并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制效果的最優(yōu)解的求解過(guò)程為：

1）依據(jù)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流控制結(jié)果獲得隱含層全部控制節(jié)點(diǎn)的正定矩陣H。

2）通過(guò)cholesky對(duì)隱含層的電流輸出矩陣HT進(jìn)行分解，獲得分解結(jié)果為

其中，A用于描述下三角矩陣，則式（15）可轉(zhuǎn)換成下述形式

3）A是下三角矩陣，所以可獲取電流節(jié)能控制效果的最優(yōu)解的遞推公式為

通過(guò)上述過(guò)程即可獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的權(quán)值，使電流節(jié)能控制效果達(dá)到最優(yōu)解。因?yàn)樵摲椒ǖ挠?xùn)練效率較高，同時(shí)不存在因?yàn)槌跏贾翟O(shè)置不當(dāng)造成的局部最小值的問(wèn)題，所以，并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制精度有很大的提高。

3　仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于SPWM和PLC的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制方法的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。本文將傳統(tǒng)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流預(yù)測(cè)節(jié)能控制方法作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)。下面通過(guò)Siumhnk仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種方法的濾波效果及節(jié)能控制指標(biāo)進(jìn)行比較。

圖2描述的是采用本文方法和傳統(tǒng)方法對(duì)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流進(jìn)行節(jié)能控制的結(jié)果。

分析圖2可以看出，本文方法和傳統(tǒng)方法均能使電流接近正弦，但是本文方法的濾波效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，同時(shí)經(jīng)處理后的電流的正、負(fù)波形均有所改善，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

圖2　不同方法進(jìn)行節(jié)能控制的結(jié)果圖Fig.2　The results of different methods for energy saving control

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)兩種方法的節(jié)能控制指標(biāo)進(jìn)行比較分析，得到的結(jié)果如表1所示。

表1　2種方法節(jié)能控制指標(biāo)比較結(jié)果Tab.1　The comparison result of the energy saving control indexes in two methods

分析表1可以看出，和傳統(tǒng)方法相比，本文方法的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制產(chǎn)生的超調(diào)量更小，整個(gè)控制過(guò)程所需的時(shí)間更短，說(shuō)明本文方法的節(jié)能控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)方法，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文方法的有效性。

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于SPWM和PLC的并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制方法，將并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串指令電流轉(zhuǎn)換成指令電壓，將其當(dāng)成SPWM的調(diào)制波。在輸出指令電壓中加入一個(gè)前饋電壓，使得并網(wǎng)光伏電站匯流箱電感兩端的電壓差含有一個(gè)基波分量，依據(jù)并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流控制結(jié)果獲得隱含層全部節(jié)點(diǎn)的正定矩陣，通過(guò)cholesky對(duì)隱含層的輸出矩陣進(jìn)行分解，基于分解結(jié)果獲取并網(wǎng)光伏電站匯流箱組串電流節(jié)能控制效果的最優(yōu)解的遞推公式。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在組串電流控制精度和節(jié)能方面均具有較高的性能。

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Energy Saving Control of the Set-of-String Current of the Junction Box of the Grid Connected Photovoltaic Power Station

GUO Zaiquan
（School of Internet of Things Technology，Wuxi Institute of Technology，Wuxi 214121，Jiangsu，China）

There are some errors between the sampling and calculation in the energy saving control of the set-of-string current of the junction box for the grid-connected photovoltaic power station.In the traditional energy saving control process，the output voltage of the junction box is inaccurate，the actual output set-of-string current of the junction box cannot accurately track the instruction current change，therefore cannot effectively achieve energy-saving control.This paper presents a method suitable for the energy saving control of the set-ofstring current of the junction box for the the grid-connected photovoltaic power station，in which the instruction current is changed to the instruction voltage which is used as an SPWM modulation wave.A feed-forward voltage is added to the instruction voltage output，and the voltage difference between the two sides of the inducer of the junction box is made to contain a fundamental component，and according to the control result of the set-of-string current of the junction box，the positive definite matrix of all the nodes in the hidden layer are acquired and decomposition is made for the output matrix of the hidden layer by cholesky decomposition.Based on the decomposition result the optimal solution of the energy saving effect of the setof-string current of the junction box for the grid-connected photovoltaic power station can be obtained.The simulation results show that the proposed method has good performance in the set-of-string current control precision and energy saving.

grid photovoltaic power station；junction box；set-of-string current；energy saving control

1674-3814（2015）11-0107-05

TM615

A

2015-08-21。

郭再泉（1965—），男，本科，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮印⑾到y(tǒng)控制。

（編輯徐花榮）

江蘇省前瞻性項(xiàng)目（BY2014024）。

Project Supported by Prospective Project of Jiangsu Province（BY2014024）.