一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法及系统 (Photovoltaic output prediction method and system based on edge Internet of things proxy ) 是由 黄建业 舒胜文 刘冰倩 林爽 范元亮 吴涵 郑州 郑峰 廖飞龙 杨彦 谢炜 雷 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法及系统。该方法基于边缘物联代理结构,利用Non-MPPT算法解决两级式光伏发电系统出力过剩问题。光伏阵列正常运行时,通过修正光伏阵列环境参数,实时调节其输出电压,使其输出最大功率,实现光伏阵列最大功率跟踪。若出现部分遮荫,则基于光伏模块分布式优化斩波器,实现不同环境条件下光伏模块分散控制。而当出现区域电网光伏发电系统出力过剩,则根据光伏阵列实际光照强度分区管理,并对其出力份额重新分配,并根据分配功率额度推导光伏阵列对应输出电压,进而使光伏发电系统输出功率按主网需求快速调节。本发明能够有效减轻大量数据同时传输到管控中心的通信堵塞情况,提高调控的效率和实时性。(The invention relates to a photovoltaic output prediction method and system based on an edge internet of things agent. The method is based on the edge Internet of things agent structure, and solves the problem of excessive output of the two-stage photovoltaic power generation system by using a Non-MPPT algorithm. When the photovoltaic array normally operates, the output voltage of the photovoltaic array is adjusted in real time by correcting the environmental parameters of the photovoltaic array, so that the photovoltaic array outputs the maximum power, and the maximum power tracking of the photovoltaic array is realized. If partial shading occurs, the distributed optimization chopper based on the photovoltaic modules realizes the distributed control of the photovoltaic modules under different environmental conditions. And when the output of the regional power grid photovoltaic power generation system is excessive, managing the photovoltaic power generation system in a subarea mode according to the actual illumination intensity of the photovoltaic array, redistributing the output share of the photovoltaic power generation system, deducing the corresponding output voltage of the photovoltaic array according to the distribution power limit, and further enabling the output power of the photovoltaic power generation system to be quickly adjusted according to the main network requirement. The invention can effectively reduce the communication blockage condition that a large amount of data is simultaneously transmitted to the control center, and improve the efficiency and the real-time performance of regulation and control.)
技术领域
本发明属于新能源调控领域，具体涉及一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法及系统。
背景技术
太阳能作为一种清洁、高效的可再生能源，在世界范围内得到了广泛关注。然而随着高渗透率光伏发电系统并入主网，在主网低消耗的情况下，若过剩的光伏电量通过被动式切除与系统解列，则会增大光伏发电系统并网逆变器的投切负担，加快光伏发电系统的老化进程。
光伏智能边缘终端是一种新型的光伏数据采集设备，不仅可以实现光伏数据采集的自动化，智能化，而且可以对采集到的光伏数据进行预处理，减轻云端处理器的压力，有效保证光伏站安全稳定运营。
如何解决光伏出力过剩问题，目前国内外已有研究主要围绕两个领域：第一，光伏发电系统消纳能力评估；第二，光伏发电系统如何提高其消纳能力。围绕上述领域，张博、唐巍等人提出了一种基于二层优化模型的协同规划方法，对含高比例光伏低压配电网的储能系统与通信网络进行优化配置；阮启运等人利用历史数据采用回归分析拟合数学模型，根据就地消纳原则，分析光伏出力与负荷需求曲线差值变化规律，提高区域光伏在现有负荷水平下光伏消纳能力。虽然上述方法可以通过吸收和消耗的方式解决光伏发电系统能量过剩的问题，但是负荷的变动和储能的增加，往往会使电网建设成本大大增大。而对于光伏自身的控制，则极少有学者提及。因此，针对光伏发电系统自身，研究一种可解决光伏发电系统能量过剩问题的光伏消纳控制策略就显的十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法及系统，该方法有效地提高了整体的控制能力与计算能力，基于边缘物联代理结构，利用Non-MPPT算法解决两级式光伏发电系统出力过剩问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法，在硬件架构上采用边缘代理模式，由一个管控中心与若干个边缘代理装置组成，管控中心与边缘代理装置之间通过有线通信的方式连接，每个边缘代理装置之间通过无线通信互联，各边缘代理装置分别通过测控设备与光伏装置连接，各边缘代理装置下的光伏装置通过测控设备输出参数，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1、判断光伏装置的光伏阵列的光伏运行方式；
步骤S2、边缘代理装置根据光伏阵列的光伏运行方式对光伏阵列进行相应控制，获得光伏装置的光伏阵列的外部环境参数；
步骤S3、边缘代理装置通过外部环境参数调控光伏阵列的输出功率；
步骤S4、边缘代理装置根据测控设备的监控参数得到负荷率，判断电网峰期并采取相应措施。
在本发明一实施例中，所述步骤S1中，光伏阵列的光伏运行方式包括：光伏阵列正常运行、光伏阵列出现部分遮荫、光伏阵列出力过剩。
在本发明一实施例中，所述步骤S2具体为：当光伏阵列正常运行时，采用环境自适应算法通过修正光伏阵列的外部环境参数，实时调节其输出电压，使其输出最大功率，实现光伏阵列最大功率跟踪；当光伏阵列出现部分遮荫，则将光伏阵列采用分布式结构使光伏模块与斩波器直接相连，实现不同外部环境条件下光伏模块分散控制；当光伏阵列出力过剩，则根据光伏阵列实际光照强度分区管理，对光伏阵列出力份额重新分配，并根据分配功率额度推导光伏阵列对应输出电压，进而使光伏阵列输出功率按主网需求快速调节。
在本发明一实施例中，所述采用环境自适应算法通过修正光伏阵列的外部环境参数的具体实现方式如下：
根据光伏半导体电压-电流特性及环境修正法，则得光伏阵列的输出为：
其中，U：光伏阵列输出电压；I：光伏阵列输出电流；Isc：短路电流；Uoc：开路电压；Im：最大功率输出电流；Um：最大功率输出电压；M：串联数；N：并联数；S、t分别表示输入光照强度、环境温度；a、c为温度补偿系数；b为光强补偿系数；Sref与tref分别为标准光照强度与温度；ΔU与ΔI分别为电压、电流环境修正系数；
将k-1、k-2时刻取样的光伏阵列的光伏模块输出电压UPV_(k-1)、UPV_(k-2)和输出电流IPV_(k-1)、IPV_(k-2)代入式(2)，则可得当前外部环境下输出最大功率对应的电压：
为进一步减少计算偏差，可将式(2)所得带入斩波器，并与电导增量法相结合，实现光伏阵列GMPPT；并且还根据UPV_(k-1)、UPV_(k-2)和IPV_(k-1)、IPV_(k-2)求得外部环境修正参数：
将式(3)所得外部环境修正参数带入式(1)，可得各光伏阵列的外部环境参数。
在本发明一实施例中，所述步骤S3的具体为：
1)区域光伏出力分区管理
假定光照强度大于700W/m2的光伏阵列出力为P1，光照强度在区间[700W/m2,400W/m2]的光伏阵列出力为P2，光照强度在400W/m2以下的光伏阵列出力为P3，则
由式(3)、(4)可根据光伏阵列实际的外部环境参数进行光伏阵列输出功率的相应调节；
2)光伏阵列non-MPPT算法
假定当前光伏阵列最大功率点电压、电流分别为Uk、Ik，根据式(5)可得光伏阵列光照强度S、温度t：
依据式(5)与式(1)，可得当前光伏阵列输出功率：
而当检测到区域电网出力过剩时，则按公式(4)、(6)对不同光照强度的光伏阵列输出功率进行调节，则其不同光照强度下所需调节电压为：
根据式(7)可得U* PV，而后将不同光照强度下U* PV代替式(2)中的U* m可得：
则可实现光伏阵列的光伏模块输出电压快速、无静差调节，使光伏阵列输出功率能根据实际电网需要进行调节。
在本发明一实施例中，所述步骤S4的具体为：边缘代理装置还需根据测控设备的监控参数计算得到送用负荷率，以此判断电网是否处于用电高峰，若处于高峰期，上报采取电价措施。
本发明还提供了一种基于边缘物联代理的光伏出力预测系统，由管控中心与若干个边缘代理装置组成，管控中心与边缘代理装置之间通过有线通信的方式连接，每个边缘代理装置之间通过无线通信互联，各边缘代理装置分别通过测控设备与光伏装置连接，各边缘代理装置下的光伏装置通过测控设备输出参数；所述边缘代理装置上载有能够实现如上述所述的方法步骤的计算机程序。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明借助于边缘计算的优势解决光伏设备在数据分析、处理方面的弊端，将边缘计算应用在光伏架构中，可以有效地提高系统产生的巨量数据的存储和处理效率，减少传输数据所占用的带宽，使得管控中心更加有效及快速地对光伏装置进行优化调度，提高其可靠性及实时性；
2、本发明根据测控设备的监控参数计算得到送用负荷率，以此判断电网是否处于用电高峰，如果处于高峰期，那么就上报采取电价措施，起到调峰作用。
附图说明
图1为光伏阵列分布式联接结构。
图2为优化斩波器主结构。
图3为光伏发电系统边缘物联代理框架。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法，在硬件架构上采用边缘代理模式，由一个管控中心与若干个边缘代理装置组成，管控中心与边缘代理装置之间通过有线通信的方式连接，每个边缘代理装置之间通过无线通信互联，各边缘代理装置分别通过测控设备与光伏装置连接，各边缘代理装置下的光伏装置通过测控设备输出参数，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1、判断光伏装置的光伏阵列的光伏运行方式；
步骤S2、边缘代理装置根据光伏阵列的光伏运行方式对光伏阵列进行相应控制，获得光伏装置的光伏阵列的外部环境参数；
步骤S3、边缘代理装置通过外部环境参数调控光伏阵列的输出功率；
步骤S4、边缘代理装置根据测控设备的监控参数得到负荷率，判断电网峰期并采取相应措施。
本发明还提供了一种基于边缘物联代理的光伏出力预测系统，由管控中心与若干个边缘代理装置组成，管控中心与边缘代理装置之间通过有线通信的方式连接，每个边缘代理装置之间通过无线通信互联，各边缘代理装置分别通过测控设备与光伏装置连接，各边缘代理装置下的光伏装置通过测控设备输出参数；所述边缘代理装置上载有能够实现如权利要求1-6所述的方法步骤的计算机程序。
以下为本发明具体实现过程。
本发明一种基于边缘物联代理的光伏出力预测方法，在硬件架构上采用边缘代理模式，由一个管控中心与若干个比边缘代理装置组成，管控中心与边缘代理装置之间通过有限(以太网)通信的方式连接，每个边缘代理装置之间通过无线通信互联，各代理装置下的光伏装置通过测控设备输出参数，该方法具体包括如下步骤，
步骤S1、光伏运行方式(光伏阵列的光伏运行方式包括：光伏阵列正常运行、光伏阵列出现部分遮荫、光伏阵列出力过剩)判断；
步骤S2、边缘侧根据运行方式采取对应算法；
步骤S3、边缘侧通过预测参数调控光伏设备功率；
步骤S4、边缘侧根据监控参数得到负荷率，判断电网峰期并采取相应措施。
所述步骤S1的具体为：光伏电池间的性能及光伏阵列局部环境条件差异易引起光伏阵列错配效应。虽然增加二极管和旁路二极管有利于解决错配效应，但也影响光伏阵列全局最大功率跟踪(GMPPT)。常用的集中式、串联式光伏阵列联接受电压与电流钳制，故采用分布式结构(如图1所示)将光伏模块与斩波器直接相连，消除并联光伏阵列间电压钳制、串联支路光伏模块电流钳制，使各光伏模块按其最大功率输出。
为了消除串联光伏阵列局部阴影下的电流钳制，分布式联接结构对串联光伏阵列遮挡部分采用Buck电路来抬高其输出电流，从而避免电流钳制作用；无遮挡部分则采用Boost电路进行光伏模块MPPT，优化斩波器主结构如图2所示。
所述步骤S2具体为：光伏阵列正常运行时，通过修正光伏阵列环境参数，实时调节其输出电压，使其输出最大功率，实现光伏阵列最大功率跟踪(Global Maximum PowerPoint Tracking，GMPPT)。若出现部分遮荫，则基于光伏模块分布式优化斩波器，实现不同环境条件下光伏模块分散控制。而当出现区域电网光伏发电系统出力过剩，则根据光伏阵列实际光照强度分区管理，并对其出力份额重新分配，并根据分配功率额度推导光伏阵列对应输出电压，进而使光伏发电系统输出功率按主网需求快速调节，最终解决区域光伏出力过剩问题。
环境自适应算法：
根据光伏半导体电压-电流特性及环境修正法，则得光伏阵列的输出为：
其中，U：光伏阵列输出电压；I：光伏阵列输出电流；Isc：短路电流；Uoc：开路电压；Im：最大功率输出电流；Um：最大功率输出电压；M：串联数；N：并联数；S、t分别表示输入光照强度、环境温度；a、c为温度补偿系数；b为光强补偿系数；Sref与tref分别为标准光照强度与温度；ΔU与ΔI分别为电压、电流环境修正系数；
将k-1、k-2时刻取样的光伏阵列的光伏模块输出电压UPV_(k-1)、UPV_(k-2)和输出电流IPV_(k-1)、IPV_(k-2)代入式(2)，则可得当前外部环境下输出最大功率对应的电压：
为进一步减少计算偏差，可将式(2)所得带入斩波器，并与电导增量法相结合，实现光伏阵列GMPPT；并且还根据UPV_(k-1)、UPV_(k-2)和IPV_(k-1)、IPV_(k-2)求得外部环境修正参数：
将式(3)所得外部环境修正参数带入式(1)，可得各光伏阵列的外部环境参数。
所述步骤S3的具体实现如下：
1)区域光伏出力分区管理
光伏发电系统正常运行时，采用MPPT运行模式可实现其最大功率发电。光伏发电系统出力与当前光照强度直接相关，不同的光照强度对应着各自的最大功率，因此，若利用光伏发电系统的光照强度参与其出力过剩调节，则需要了解当前光照强度所对应的出力情况。因此，在不同光照强度下最优功率分为三个区间：将光照强度大于700W/m2的区间划分为一区；将光照强度在区间[700W/m2,400W/m2]的划分为二区；将光照强度在400W/m2以下的划分为三区。由于不同区间光照强度的占空比调节的便利性存在差异，因此，一般会根据不同光照强度进行出力调节。为便于后续分析，在此考虑：若区域电网间检测到光伏系统出力为P，根据自适应算法可以分别得到各光伏阵列的光照强度。假定光照强度大于700W/m2的光伏阵列出力为P1，光照强度在区间[700W/m2,400W/m2]的光伏阵列出力为P2，光照强度在400W/m2以下的光伏阵列出力为P3，则
由式(3)、(4)可根据光伏阵列实际的外部环境参数进行光伏阵列输出功率的相应调节；
2)光伏阵列non-MPPT算法
假定当前光伏阵列最大功率点电压、电流分别为Uk、Ik，根据式(5)可得光伏阵列光照强度S、温度t：
依据式(5)与式(1)，可得当前光伏阵列输出功率：
而当检测到区域电网出力过剩时，则按公式(4)、(6)对不同光照强度的光伏阵列输出功率进行调节，则其不同光照强度下所需调节电压为：
根据式(7)可得U* PV，而后将不同光照强度下U* PV代替式(2)中的U* m可得：
则可实现光伏阵列的光伏模块输出电压快速、无静差调节，使光伏阵列输出功率能根据实际电网需要进行调节。
步骤S3中，若光伏设备的发电量大于需求供电设备的需求量，此时再根据得到的储能容量判断是否需要继续蓄能，如果需要，则边蓄能边供电，如果不需要，就只想需供电设备供电；如果光伏发电量小于需求供电量，那么就由储能和发电同时供需，如果仍然不够，就上报区域管控中心，再由电网其他送电端同时供电。
所述步骤S4的具体为：为尽量减少伏发电量小于需求供电量的情况，需要缓解波峰，那么边缘节点(边缘代理装置)还需要根据测控点(测控设备)的监测参数计算得到送用负荷率(如图3所示)，以此判断电网是否处于用电高峰，如果处于高峰期，那么就上报采取电价措施。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
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