一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法。光伏发电系统多采用扰动观察法实现最大功率控制，针对其非线性、不连续的特点，本发明专利技术利用描述函数建立基于扰动观察法的功率控制模型，结合光伏发电系统小信号建模，形成完整的考虑功率控制影响的系统模型，进而运用描述函数法分析光伏发电系统的稳定性。此种方法解决了小信号稳定性分析无法适用于不连续、非线性环节的问题，在系统稳定性分析中引入扰动观察法的相关参数，使分析更加全面准确，同时为功率控制器参数设定提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法
本专利技术涉及一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法，属于光伏系统控制领域中的稳定性分析范畴。
技术介绍
近年来，光伏发电占比不断提高，装机容量持续增长，光伏发电系统的稳定控制问题逐渐受到重视。为了更好地利用光能，必须采用合适的控制方法实现最大功率点跟踪，其中扰动观察法应用最为广泛。然而，扰动观察法具有非线性、不连续的特点，导致传统的小信号稳定性分析方法难以适用。目前已知的分析方法包括阻抗分析法、状态空间法都对系统模型进行了一定程度的化简，从而使光伏发电系统的动态特性不能被完全体现，尤其是包含非线性环节的功率控制器影响被忽略。描述函数法的基本思想是：当系统满足一定假设条件时，在正弦输入作用下，系统非线性环节的输出可用一次谐波分量来近似表示，从而获得非线性环节的近似等效频率特性。描述函数法是分析非线性系统稳定性的有效方法，尤其是系统中包含不连续环节时。应用描述函数法时，系统应该满足三个条件：1)非线性系统可简化为一个非线性环节和一个线性部分闭环连接的典型结构；2)非线性环节的输出特性应是输入的奇函数；3)系统的线性部分应具有较好的低通滤波性能。描述函数分析系统稳定性是本专利技术的重要理论基础，所述完整的考虑功率控制影响的光伏发电系统模型满足以上条件。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法，以解决采用扰动观察法实现最大功率控制时存在非线性、不连续环节，传统稳定性分析方法难以应用的问题。本专利技术采用如下技术方案：(1)获取待分析的光伏发电系统的拓扑结构，建立数学模型；在稳态运行点对该数学模型线性化，计算系统稳定运行参数，得到小信号模型；(2)基于步骤1得到的小信号模型，推导其传递函数G(s)。(3)实时采集待分析的光伏发电系统的电流值和电压值，获得实时功率值；对所述基于扰动观察法的功率控制器建立数学模型如下：其中，ε为电压扰动增量，TP为功率调节周期，sgn(x)为符号函数，如果x≥0，sgn(x)＝1，如果x<0，sgn(x)＝-1；Pref为功率控制的参考值，Pn为按照扰动观察法在n时刻采集的功率值；ΔPn为n时刻采集的功率值与第n-1时刻采集的功率值之差，Δvn为n时刻采集的电压值与第n-1时刻采集的电压值之差，为电压控制参考值；根据光伏组件的电压-功率运行特性，可将功率控制器数学模型化简为：其中，vMPP为最大功率点对应的电压值。(4)步骤3中的符号函数sgn(x)采用描述函数N(A)表示；(5)根据传递函数G(s)和描述函数N(A)，利用描述函数法对所述光伏发电系统的稳定性进行分析。进一步地，光伏系统中的dc/dc变换器经由LC滤波器滤波，滤波电感为L，滤波电容为C，相应的电感电流为iL，电容电压为vo，注入网络的输出电流为io；dc网络采用阻抗的形式等效，所述阻抗包括线阻抗；等效电感为Ls，等效电阻为Rs。步骤(1)中所述的光伏发电系统的数学模型为：其中，Cpv是光伏面板的端口电容，ipv和vpv分别是光伏面板的输出电流和端电压，Ppv是光伏面板的输出功率，d是占空比；Vdc为直流网络电压。在稳态运行点线性化得到小信号模型为：其中，分别为vpv、iL、vo、io、d的稳态值，Δ表示小信号，ΔPpv＝kΔvpv，系数k通过下式计算：其中，NP和NS是模组的并联数、串联数，Isc和Voc是光伏模组的短路电流和开路电压，Vt是端电压，a是等效二极管理想常数，G和GN分别是实际辐照度和基准辐照度，T和TN分别是实际温度和基准温度，KI和KV分别是电流和电压系数；计算系统稳定性参数，可由下式计算：在稳态运行点，或已知。进一步地，sgn(x)的描述函数表示为：进一步地，在步骤(5)中，稳定性按照a、b、c依次递减：a、G(s)的轨迹不包围的轨迹；b、G(s)的轨迹与的轨迹相交；c、G(s)的轨迹包围的轨迹。与现有技术相比，本专利技术的优点有：(1)本专利技术将描述函数法应用于光伏发电系统稳定性分析中，将基于扰动观察法的功率控制纳入考量，克服了传统小信号分析法无法适用于不连续、非线性环节的问题。(2)本专利技术基于修正奈奎斯特判据，可方便地分析系统参数对于系统稳定性的影响，这些参数包括但不限于运行点、控制参数、滤波器等，克服了传统分析方法无法全面考虑系统参数(如扰动观察法中扰动增量如何取值)的问题。(3)本专利技术为系统的参数设计提供了依据。附图说明图1为所述光伏发电系统的拓扑结构和控制策略；图2为基于扰动观察法的功率控制逻辑框图；图3为光伏组件的电压-功率运行特性；图4为完整的考虑功率控制影响的系统模型；图5为描述函数-1/N(A)与传递函数G(s)的相对位置，(a)稳定，(b)不稳定，(c)临界稳定；图6为不同系统参数时的奈奎斯特图；图7改变控制参数时系统的动态特性，(a)改变ε，(b)改变kpvP。具体实施方式本专利技术旨在提出一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法，以解决采用扰动观察法实现最大功率控制时存在非线性、不连续环节，传统稳定性分析方法难以应用的问题。本专利技术所述的光伏发电系统拓扑结构及其控制器如图1所示。在本专利技术的一个具体实施例中，选取的光伏模块型号为KC200GT，串联数NS为40，并联数Np为30，额定工况下的最大功率可达240kW，系统的其他参数如表1所示。表1系统的主要参数在本专利技术的实施例中，第一步，对所述光伏发电系统建立数学模型，在稳态运行点线性化，计算系统稳定运行参数，得到小信号模型。所述光伏发电系统的数学模型为：其中，Cpv是光伏面板的端口电容，ipv和vpv分别是光伏面板的输出电流和端电压，Ppv是光伏面板的输出功率，d是占空比；Vdc为直流网络电压。在稳态运行点线性化得到小信号模型为：其中，分别为vpv、iL、vo、io、d的稳态值，Δ表示小信号，ΔPpv＝kΔvpv，系数k通过下式计算：其中，NP和NS是模组的串联、并联数，Isc和Voc是光伏模组的短路电流和开路电压，Vt是端电压，a是等效二极管理想常数，G和GN分别是实际辐照度和基准辐照度，T和TN分别是实际温度和基准温度，KI和KV分别是电流和电压系数；代入相关数据后，k＝245W/V。计算系统稳定性参数，可由下式计算：在本专利技术的实施例中，第二步，对所述基于扰动观察法(控制逻辑如图2所示)的功率控制器建立数学模型，此模型包含非线性环节，从而得到系统模型的非线性部分。所述基于扰动观察法的功率控制器数学模型为：其中，ε为电压扰动增量，TP为功率调节周期，sgn(x)为符号函数，如果x≥0，sgn(x)＝1，如果x<0，sgn(x)＝-1；Pref为功率控制的参考值，Pn为按照扰动观察法在n时刻采集的功率值；ΔPn为n时刻采集的功率值与第n-1时刻采集的功率值之差，Δvn为n时刻采集的电压值与第n-1时刻采集的电压值之差，为电压控制参考值；光伏组件的电压-功率运行特性如图3所示，可将功率控制器数学模型化简为：其中，vMPP为最大功率点对应的电压值在本专利技术的实施例中，第三步，对所述系统模型线性部分推导传递函数G(s)。所述系统模型线性部分的传递函数为：G(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取待分析的光伏发电系统的拓扑结构，建立数学模型；在稳态运行点对该数学模型线性化，计算系统稳定运行参数，得到小信号模型；(2)基于步骤1得到的小信号模型，推导其传递函数G(s)。(3)实时采集待分析的光伏发电系统的电流值和电压值，获得实时功率值；对所述基于扰动观察法的功率控制器建立数学模型如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于描述函数法考虑功率控制影响的光伏发电系统稳定性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)获取待分析的光伏发电系统的拓扑结构，建立数学模型；在稳态运行点对该数学模型线性化，计算系统稳定运行参数，得到小信号模型；(2)基于步骤1得到的小信号模型，推导其传递函数G(s)。(3)实时采集待分析的光伏发电系统的电流值和电压值，获得实时功率值；对所述基于扰动观察法的功率控制器建立数学模型如下：其中，ε为电压扰动增量，TP为功率调节周期，sgn(x)为符号函数，如果x≥0，sgn(x)＝1，如果x＜0，sgn(x)＝-1；Pref为功率控制的参考值，Pn为按照扰动观察法在n时刻采集的功率值；ΔPn为n时刻采集的功率值与第n-1时刻采集的功率值之差，Δvn为n时刻采集的电压值与第n-1时刻采集的电压值之差，为电压控制参考值；根据光伏组件的电压-功率运行特性，可将功率控制器数学模型化简为：其中，vMPP为最大功率点对应的电压值。(4)步骤3中的符号函数sgn(x)采用描述函数表示；(5)根据传递函数G(s)和描述函数N(A)，利用描述函数法对所述光伏发电系统的稳定性进行分析。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，光伏系统中的dc/dc变换器经由LC滤波器滤波，滤波电感为L，滤波电容为C，相应的电感电流为iL，电容电压为vo，注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：于淼，夏杨红，刘佳宁，李悦，韦巍，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33