专利名称：一种光伏发电控制系统的构建方法
技术领域：
一种光伏发电控制系统的构建方法，适用于光伏发电，特别适用于包含储能装置、 电能变换装置时分析光伏发电系统的工作状态和能量流动的领域。
背景技术：
现代电力系统中由于各种新能源发电的接入、电力电子器件的广泛使用和智能电 网的构建，电网中存在大量的换流设备和器件，其间的能量流动与转换十分复杂，系统运行 状态十分繁多。要完全掌握各种部件的工作状态，十分困难。而掌握各装置的工作状态，尽 可能地考虑发电系统各种运行工况，不同工作模式采用相应的控制方法，对于提高新能源 发电系统的控制精度和可靠性具有重要意义。然而，目前常用的方法是通过枚举或列表的 方式罗列出系统的各种运行状态，以便实施具体的控制，但这种组态过程复杂，列表庞大， 容易遗漏某些工作状态，使得控制精度不高，控制方法不够完备。如针对光伏并网系统，分析光伏发电系统的运行状态时，往往只考虑了部分情况， 且描述复杂。如文献《光伏并网独立供电两用逆变电源的研究》描述的四种工作状态及其切 换过程，文字性描述繁杂，不便理解和形成相应的控制方案。比如有关并网逆变和独立逆变 间切换过程的描述为“系统开机后首先检测电网电压、蓄电池电压和太阳电池电压，如果电 网电压正常，且太阳电池电压正常，蓄电池电压也是满的，这时可以进行并网发电，逆变器 输出电压供给电网和交流负载，此时如果电网发生故障，则系统在检测到电网故障后会立 即转入独立逆变状态，继续给负载供电，起到不间断电源的作用。当电网恢复后又继续并网 发电。”根据这种笼统的描述，无法判断如果出现电压暂降，或者太阳电池电压不正常(如 阳光不足)，或者蓄电池电压不满，或几种情况兼具时，系统应该转向何种工作方式，应该采 用何种控制方案。在文献《光伏并网发电独立供电系统的工作原理探究》中介绍了五种模 型的七种切换过程，但仍然不足以涵盖整个光伏发电系统的各种工作模式，研究人员和运 行人员也难以全面掌握系统中各部分的工作状态并采取相应控制措施。总的来说，现有光伏发电系统控制过程中存在的不足之处包括，工作状态定义不 清，而且考虑不全面，控制方案单一，难以涵盖光伏发电系统复杂的运行工况，不利于提高 控制精度和可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光伏发电控制系统的构建方法，该方法便于掌握系统的 工作状态，确定合理准确的控制方案，提高系统的控制精确性和可靠性。为实现上述发明目的，本发明技术方案是一种光伏发电控制系统的构建方法，其 特征在于该方法的光伏发电系统包括超级电容和光伏电池双电源、双DC/DC变换和三相 逆变桥主电路；检测装置检测到光伏发电系统控制所需的电流、电压参数后，确定光伏发电 系统的当前状态，根据状态库中的状态码从决策库中提取控制方案，然后根据该控制方案 通过控制器发出控制信号，对光伏发电系统中DC/DC和逆变器等变流部件实施控制，进而输出期望的补偿量，如补偿电流；该方法按以下顺序步骤进行(1)定义光伏发电系统中主要部件的工作状态主要部件包括超级电容，光伏电池，电网，超级电容充放电双向DC/DC变换器，光 伏电池最大功率输出DC/DC变换器以及逆变器；(2)利用阶梯形状态关联表初步获取系统的可行工作状态将部件状态表示于阶梯形状态关联表中，确定各部件状态间的关系，淘汰不可并 存或矛盾的状态关系，从而实现系统可行状态的初步筛选；(3)将部件工作状态利用码轮图表示利用计算机软件Word绘制基于码轮坐标系的码轮图，码轮坐标系的轴向坐标代 表光伏发电系统超级电容、光伏电池等部件，其码轮上的编号代表某一部件的各种工作状 态；或者利用纸质、木质等材料制作简易的实物码轮，手动转动码轮，更加直观的展示各种 状态；(4)光伏发电系统状态的形成码轮坐标系统中的各个码轮独自转动，或关联部件同步转动，码轮每一次转动使 得各部件间总存在一条平行于轴向的连线，位于这条连线上的状态码都会构成一种新的工 作状态，并判断该种状态的存在性和可行性；根据步骤⑵中各部件的初选状态，转动码轮 或更改码轮坐标，产生一条包含各部件状态的状态链，状态链由状态编码表示；(5)光伏发电控制系统的形成重复执行步骤(4)，产生新的工作状态，直到遍历各部件的所有可行状态，得到多 条状态链；对于每一条状态链，建立相应的控制方案；多条状态链形成光伏发电系统的状 态库，相应的多个控制方案形成光伏发电的控制系统。本发明与现有技术相比，技术效果为1、采用阶梯形状态关联表，能够详尽而清晰地列出光伏发电系统各部件工作状 态，利于提高系统的控制精度和可靠性。同时根据状态间的包容或排斥关系，大大缩减状态 规模，得到系统的状态链。2、利用码轮坐标图直观地表现了系统及其部件所处的工作状态，为有序分析系统 的能量流动状况和确定准确的控制方案提供了方便。3、利用本发明的方法能够实现系统状态的准确定义，并淘汰不可能或不希望存在 的状态，而且不会遗漏系统可能出现的故障状态，实现“无缝”控制。
图1是光伏发电系统控制流程图；图2是图1中光伏发电系统结构的实施例图；图3是图1中阶梯形状态关联表的实施例图；图4是图1中码轮坐标系的实施例图。图2中，PV代表光伏电池，SC代表超级电容，DC/DC 1代表光伏电池的BOOST-BUCK 变换器，DC/DC2代表超级电容的双向充放电变换器，DC/AC代表逆变器，Grid代表电网；图3和图4中，PV代表光伏电池面临的天气状态，SC代表超级电容，GR代表主电网，INV代表逆变器，DC1代表光伏电池的BOOST-BUCK变换器，DC2代表超级电容的双向充 放电变换器。
具体实施例方式本发明将结合附图作进一步详细说明。如图2至图4所示1、定义部件的工作状态如图2所示，光伏发电系统包含超级电容(SC)和光伏发电(PV)双电源、双DC/DC 和三相逆变桥(DC/AC)主电路；按本发明所述方法构建的控制方案在PVS统一控制器中得 以实现；上述光伏发电系统能量流动复杂，各部件存在多种工作状态；影响系统运行的主 要部分及其主要工作状态定义如下光伏电池日照条件(3种状态)1天气晴好，2天气转阴雨，3夜间；超级电容储能状态(4种状态)1充电状态，2放电状态，3最高充电，4最低放电；电网工作状态(3种状态)1电压正常，2电压暂降，3电压骤升；逆变器(3种状态)1逆变，2整流，3闭锁；DC/DC 1 (3种状态)1升压，2降压，3闭锁；DC/DC2(5种状态)1正向升压，2正向降压，3反向升压，4反向降压，5闭锁；2、利用阶梯形状态关联表初选系统的可行状态光伏发电系统包含多个功能组成部分或部件(统称部件)，每种部件均有多种工 作状态，在一定时刻(或时间段)一种部件处于一种工作状态，由各部件的工作状态共同构 成整个系统的工作状态，称为系统的一种状态链(StateLink)，系统在不同的时刻或时间段 具有不同的状态链；按照穷举法，系统的状态链理论上达到3X4X3X3X3X5 = 1620条，即系统可能 具有1620种工作状态；显然穷举法是十分困难的，几乎不可能实现系统的完备分析，也难 以淘汰其中冗余状态或实际不可行的状态；附图3中的表格第一列包含了光伏发电系统的六个主要组成部分(部件)，第二 列给出各部件的主要工作状态的代码，其中，PV代表光伏电池面临的天气状态；SC代表超 级电容；GR代表主电网；INV代表逆变器；DC1代表光伏电池的BOOST-BUCK变换器；DC2代 表超级电容的双向充放电变换器；第三列为各个状态码的具体含义，从第四列开始为各种 状态的阶梯形关联表；其中，单元格中标有“X”时，表示同一部分(部件)的不同状态不可 能同时并存，也即不存在关联问题；当不同部件的两种状态间不能并存、存在矛盾或不希望 同时并存时，相应单元格的关联值为“0”，否则为“1”;比如在阴雨天或夜间太阳能不足或缺 乏，不希望在这样的天气状况下给超级电容充电时，超级电容的充电状态SC1与光伏电池 的天气状态PV2和PV3关联的单元格值为“0”，而在天气晴好状态PV1时，关联值为“ 1 ”，即 在天气晴好时为超级电容充电；表格中仅给出两个倒“L”形状态关联示例；比如，对于超级电容充电状态SC1所在 的“L”形状态链子集中，遍历了各部的不同状态，但有些关联值为“0”，因而在该状态链子 集的状态链中，排除“0”状态，比如在超级电容充电时，没有电压暂降发生，逆变器不工作在逆变状态，而是对交流电整流为超级电容充电，同时充放电变换器DC2应使能量流向超级 电容；对于超级电容充电时，根据该倒“L”形状态链子集得到1X1X2X2X3X2 = 24条状 态链，即超级电容充电时的24种系统状态，远比可能出现的理论状态数1X3X3X3X3X5 =405条状态链少；利用阶梯形关联表还能够评估系统的状态及影响系统的主要因素；3、根据码轮图形成光伏发电控制系统将各部件工作状态利用码轮坐标系统表示，其轴向坐标代表光伏发电系统超级电 容、光伏电池等部件，其码轮上的编号代表某一部件的各种工作状态；其码轮坐标系统中的 各个码轮独自转动，或关联部件同步转动，码轮每一次转动使得各部件间总存在一条平行 于轴向的连线，位于这条连线上的状态码都会构成一种新的工作状态，并判断该种状态的 存在性和可行性；图4所示码轮图直观的表示了关于光伏发电系统运行状态的码轮坐标系统 (CWS)，轴上标明各种部件名称代码，轮上的数字编码表示各部件的状态码.利用计算机软 件Word绘制基于码轮坐标系的码轮图，并更改码轮上的状态码，进而产生新的工作状态； 当制作简易实物轮轴模型时，直接将状态名称写在码轮(状态轮)上；旋转各个码轮直到 各码轮坐标沿轴向对正，如图中各轮的1、1、1、2、3、4对正，S卩构成一条状态链111234 ；该状 态链表示的系统状态为，即天气晴好，超级电容充电，电网电压正常，逆变器处于整流状态， DC1变换器不工作，DC2采取对交流电降压方式为超级电容充电；图4所示的码轮图，用纸板 或其它材料制作各个部件的码轮，并写上各部的状态，共同穿在一条轴上，即可制作出简易 的码轮模型，分析系统工作状态时更加直观；改变如图4所示的码轮坐标，直到遍历各部件的所有可行状态，得到多条状态链， 对于每一条状态链，建立相应的控制方案；多条状态链形成光伏发电系统的状态库，相应的 多个控制方案形成光伏发电的控制系统。
权利要求
一种光伏发电控制系统的构建方法，其特征在于该方法的光伏发电系统包括超级电容、光伏电池、双DC/DC变换和三相逆变桥主电路；检测装置检测到光伏发电系统控制所需的电流和电压参数后，确定光伏发电系统的当前状态，根据状态库中的状态码从决策库中提取控制方案，然后根据该控制方案通过控制器发出控制信号，对光伏发电系统中DC/DC和逆变器等变流部件实施控制，进而输出期望的补偿量，如补偿电流；该方法按照以下顺序步骤进行(1)定义光伏发电系统中主要部件的工作状态主要部件包括超级电容，光伏电池，电网，超级电容充放电双向DC/DC变换器，光伏电池最大功率输出DC/DC变换器以及逆变器；(2)利用阶梯形状态关联表初步获取系统的可行工作状态将部件状态表示于阶梯形状态关联表中，确定各部件状态间的关系，淘汰不可并存或矛盾的状态关系，从而实现系统可行状态的初步筛选；(3)将部件工作状态利用码轮坐标系统表示利用计算机软件Word绘制基于码轮坐标系的码轮图，码轮坐标系的轴向坐标代表光伏发电系统超级电容、光伏电池等部件，其码轮上的编号代表某一部件的各种工作状态；或者利用纸质、木质等材料制作简易的实物码轮，手动转动码轮，更加直观的展示各种状态；(4)光伏发电系统状态的形成码轮坐标系统中的各个码轮独自转动，或关联部件同步转动，码轮每一次转动使得各部件间总存在一条平行于轴向的连线，位于这条连线上的状态码都会构成一种新的工作状态，并判断该种状态的存在性和可行性；根据步骤(2)中各部件的初选状态，转动码轮或更改码轮坐标，产生一条包含各部件状态的状态链，状态链由状态编码表示；(5)光伏发电控制系统的形成重复执行步骤(4)，产生新的工作状态，直到遍历各部件的所有可行状态，得到多条状态链；对于每一条状态链，建立相应的控制方案；多条状态链形成光伏发电系统的状态库，相应的多个控制方案形成光伏发电的控制系统。
全文摘要
一种光伏发电控制系统的构建方法，适用于光伏发电，特别适用于包含储能装置、电能变换装置时分析光伏发电系统的工作状态和能量流动的领域。本发明所述的方法，主要包括定义系统部件的状态，利用阶梯形状态关联表缩减状态规模，产生有效的状态链，然后将状态链表示于码轮坐标系图形或简易实物模型中，同时建立相应状态的控制方案。该控制系统的构建方法优点是能直观、准确和全面掌握系统的运行状况，实现了完备可靠的控制。
文档编号H02N6/00GK101860267SQ20101014539
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者付志红, 张淮清, 朱学贵, 李新, 李春燕, 苏向丰 申请人:重庆大学