并网光伏电站汇流箱组串电流的节能控制

郭再泉

（无锡职业技术学院物联网技术学院，江苏无锡　214121）

并网光伏电站汇流箱组串电流的节能控制

郭再泉

（无锡职业技术学院物联网技术学院，江苏无锡214121）

并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制过程中，采样和计算存在一定的误差，传统的节能控制过程，汇流箱输出电压不准确，实际输出汇流箱组串电流无法准确跟踪指令电流的变化，不能有效实现节能控制。提出一适用于并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制方法，将并网光伏电站汇流箱组串指令电流转换成指令电压，并将其当成SPWM的调制波。在输出指令电压中加入一个前馈电压，使得并网光伏电站汇流箱电感两端的电压差含有一个基波分量，依据并网光伏电站汇流箱组串电流控制结果获得隐含层全部节点的正定矩阵，通过cholesky对隐含层的输出矩阵进行分解，基于分解结果获取并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制效果最优解。仿真实验结果表明，所提方法在组串电流控制精度和节能方面均具有较好的工作性能。

并网光伏电站；汇流箱；组串电流；节能控制

近年来，电力能源利用形势日益严峻，太阳能成为传统发电的有益补充［1-2］。并网光伏电站通常由光伏电池组件、汇流箱、逆变器等设备构成，光伏方阵中，汇流箱普遍存在组串电流偏低同时能耗较大的问题，严重影响了光伏电站的发电量［3-5］。因此，研究如何实现并网光伏电站汇流箱组串电流的节能控制，具有重要意义［6］。

并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制过程中的采样和计算存在一定的误差。传统的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制过程，由于属于线性控制方法，导致汇流箱输出电压不准确，实际输出汇流箱组串电流无法准确跟踪指令电流的变化，不能有效实现并网光伏电站汇流箱组串电流的节能控制［7-10］。

提出一种基于SPWM和神经网络的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制方法，仿真实验结果表明，所提方法在组串电流控制精度和节能方面均具有较高的性能。

1　并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制理想电压输出值的选择

为了适应并网光伏电站汇流箱的离散化处理特点，同时达到节能的目的，需要对并网光伏电站汇流箱组串电流进行节能控制，使电压输出达到理想输出值。

为了得到理想的电压输出值，首先要使ie［k+1］= 0，也就是第k+1个采样点的并网光伏电站汇流箱组串电流i［k+1］和当前理想电流i*［k+1］相等，则输出电压为：

分析上述过程可知，若合理调整并网光伏电站汇流箱组串电流，使输出电压如上式所示，则在该电压影响下，下一个开关周期结束时电流误差将为零。

要求出平均输出电压，为理想电压在2个周期保持不变提供依据。为了求出并网光伏电站汇流箱的平均输出电压Vinv［k］，首先需对进行估计。假设求出代入式（1）中，则理想输出电压为：

同理有：

上述2种方式均含有ie［k］一项，ie［k］仅在开关周期［k－1，k］结束时才能获取，而k时刻也是开关周期［k，k+1］期间输出电压的节能控制点，所以，前一个开关周期［k－1，k］内需获取所有所需节能控制的采样电流误差，同时结束整个运算过程，所以式（3）和式（4）不可直接在并网光伏电站汇流箱中实现，ie［k］通过前两个开关的周期获取近似值。

假设并网光伏电站汇流箱理想电压在前3个周期是常量，也就是获取ie［k］后，将式（2）转换成输出电压可数字化处理的形式，如下式所示：

上述方法的稳定性均局限于低于30%电感不匹配程度的范围内，因此，将电流控制目标从零变成前两个周期误差差分的一半，则有：

在最初预测电流ie［k］发生的改变情况下，V*inv［k］可通过下述电压线性预测方法完成平滑估计：

最终获得最理想的输出电压Vinv［k］可描述成：

2　基于SPWM和神经网络的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制

2.1并网光伏电站汇流箱组串电流的控制

在通过获得理想电压的情况下，可进一步对并网光伏电站汇流箱组串电流进行更好的控制。

并网光伏电站汇流箱的基本工作原理是作为一个可控的电流源向并网光伏电站提供负载所需的谐波电流，因此，并网光伏电站汇流箱组串指令电流i*c首先需被转换成指令电压uc，作为SPWM的调制波。

为了使并网光伏电站汇流箱具有很好的补偿性能，需对SPWM进行控制电流的改进控制，使其直流侧电容电压Udc保持稳定。从理论的角度分析，在并网光伏电站汇流箱中直流侧电容电压Udc的反馈值和给定值的差经PI调节器后，被叠加至瞬时有功电流的直流分量上，经迭代处理，在指令信号i*c中含有部分基波有功电流，补偿组串电流发生电路依据形成补偿电流ic。注入并网光伏电站中，使汇流箱组串补偿电流中含有部分基波有功电流分量，以实现并网光伏电站汇流箱直流侧和交流侧的能量小环，并将Udc调整到给定值。

分析上式有：

由此可知，改进后的SPWM方法通过在输出指令电压中加入一个前馈电压，使得并网光伏电站汇流箱电感两端的电压差含有一个基波分量，从而有效地控制并网光伏电站汇流箱输出或输入组串电流。Kp值主要取决于主电路交流侧滤波电感L值以及控制电路的放大倍数。K值主要负责调整经补偿后组串电流的基波幅值，尽量使其控制在一个较小的波动范围内。合理选择Kp与K的值，能够使ucx值和值相等或相近，增强了输出电压的准确性，使并网光伏电站汇流箱实际输出组串电流可准确跟踪指令电流的变化，从而有效降低输出电流误差，完成并网光伏电站汇流箱组串电流的控制。

2.2引入神经网络获取节能控制最优解

在上述基于SPWM的并网光伏电站汇流箱组串电流控制的基础上，通过PLC法实现整个组串电流控制过程中的节能思想。上述过程是一个反向问题，可通过RBF神经网络解决节能控制。RBF神经网络的隐含层为非线性的，输入与输出层均为线性的，所以，将并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制结果作为输入层的节点，节能效果作为输出层的节点，将高斯核函数作为径向基函数，依据PLC的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制结果的拓扑结构用图1进行描述。

图1　并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制结果的拓扑结构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］用于描述输入电流样本，也就是并网光伏电站汇流箱组串电流控制结果；K=［k1，k2，…，kn］用于描述径向基函数的中心；W=［w1，w2，…，wn］用于描述隐含层到输出层的传递系数矩阵，输入层和隐含层之间仅需分析此设置传递系数的权值，以便控制电流的传递，所以假设传递系数的权值是1，y是并网光伏电站汇流箱组串节能控制效果输出，则输出层的第i个节点的电流输出可描述成：

式中：‖·‖为描述欧几里得范数的符号；wj为描述隐含层到输出层的权值；kj为描述第j个隐含层中径向基函数的中心；σ2j为描述径向基函数的宽度；ucx为输入组串电流。

所以，通过电流输出，电流节能控制效果可描述成如下所示：

式中：hN：N=1，2，…，n用于描述隐含层的输出，H∈RN×n，W∈Rn×1，如果N=n，H是正定矩阵，则并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制效果的最优解的求解过程为：

1）依据并网光伏电站汇流箱组串电流控制结果获得隐含层全部控制节点的正定矩阵H。

2）通过cholesky对隐含层的电流输出矩阵HT进行分解，获得分解结果为

其中，A用于描述下三角矩阵，则式（15）可转换成下述形式

3）A是下三角矩阵，所以可获取电流节能控制效果的最优解的递推公式为

通过上述过程即可获取神经网络输出层的权值，使电流节能控制效果达到最优解。因为该方法的训练效率较高，同时不存在因为初始值设置不当造成的局部最小值的问题，所以，并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制精度有很大的提高。

3　仿真实验分析

为了验证本文提出的基于SPWM和PLC的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制方法的有效性，需要进行相关的实验分析。本文将传统并网光伏电站汇流箱组串电流预测节能控制方法作为对比实验。下面通过Siumhnk仿真实验对两种方法的滤波效果及节能控制指标进行比较。

图2描述的是采用本文方法和传统方法对并网光伏电站汇流箱组串电流进行节能控制的结果。

分析图2可以看出，本文方法和传统方法均能使电流接近正弦，但是本文方法的滤波效果明显优于传统方法，同时经处理后的电流的正、负波形均有所改善，验证了本文方法的有效性。

图2　不同方法进行节能控制的结果图Fig.2　The results of different methods for energy saving control

为了进一步验证本文方法的有效性，对两种方法的节能控制指标进行比较分析，得到的结果如表1所示。

表1　2种方法节能控制指标比较结果Tab.1　The comparison result of the energy saving control indexes in two methods

分析表1可以看出，和传统方法相比，本文方法的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制产生的超调量更小，整个控制过程所需的时间更短，说明本文方法的节能控制效果优于传统方法，进一步验证了本文方法的有效性。

4　结语

本文提出一种基于SPWM和PLC的并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制方法，将并网光伏电站汇流箱组串指令电流转换成指令电压，将其当成SPWM的调制波。在输出指令电压中加入一个前馈电压，使得并网光伏电站汇流箱电感两端的电压差含有一个基波分量，依据并网光伏电站汇流箱组串电流控制结果获得隐含层全部节点的正定矩阵，通过cholesky对隐含层的输出矩阵进行分解，基于分解结果获取并网光伏电站汇流箱组串电流节能控制效果的最优解的递推公式。仿真实验结果表明，所提方法在组串电流控制精度和节能方面均具有较高的性能。

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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，主要研究领域为电力电子、系统控制。

（编辑徐花荣）

江苏省前瞻性项目（BY2014024）。

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