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光伏发电技术
★ 5.0
太阳辐照度变化下光伏系统的动态状态估计
Dynamic State Estimation for Photovoltaic Under Variations of Solar Irradiance
| 作者 | Jianan Shan · Yijun Xu · Wei Gu · Zongsheng Zheng · Ruizhi Yu · Yongbing Yao |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Informatics |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 光伏发电技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 动态状态估计 光伏系统 太阳辐照度 无迹卡尔曼滤波 精确估计 |
语言:
中文摘要
动态状态估计(DSE)在电力系统的监测和运行中起着基础性作用。尽管以往的研究主要集中于传统同步发电,但随着可再生能源渗透率的不断提高,光伏(PV)系统的状态估计越来越受到关注。然而,现有研究主要针对静态估计,或者采用过于简化的动态模型,且对太阳辐照度采用确定性假设。显然,这种假设在实际中并不成立,必然会导致估计结果出现偏差。针对这些问题,本文首次对包含光伏阵列、升压转换器、逆变器和滤波器的详细两级光伏系统进行动态状态估计研究。此外,为避免太阳辐照度变化导致估计结果出现偏差,本文进一步提出将太阳辐照度的随机性视为动态状态估计的未知输入,并以无偏最小方差(UMV)的方式将其融入无迹卡尔曼滤波器(UKF)框架。在IEEE标准测试系统上进行的仿真表明,即使在太阳辐照度作为系统未知输入发生剧烈变化的情况下,所提方法仍能对光伏系统的动态状态进行无偏估计,这一结果在实际系统中也得到了验证。这种准确的动态状态估计可为含光伏电力系统的保护和控制提供可靠的前提条件。
English Abstract
Dynamic state estimation (DSE) plays a fundamental role in the monitoring and operation of power systems. Although previous work focuses mainly on traditional synchronous generations, with the increasing penetration of renewables, the estimation of photovoltaic (PV) systems is gaining increasing popularity. However, they primarily address static estimation or adopt an oversimplified dynamic model with a deterministic assumption for solar irradiance. Obviously, this cannot hold in practice, which will inevitably lead to biased estimation results. Facing these problems, this article explores DSE for the first time for a detailed two-stage PV system with the PV array, boost converter, inverter, and filter included. Also, to avoid biased estimation results under solar irradiance variations, we further propose to treat the randomness of solar irradiance as the unknown input of a DSE, which is further analytically merged into the unscented Kalman filter (UKF) framework with an unbiased minimum-variance (UMV) manner. Simulations performed on IEEE standard test systems reveal that even under severe variations of solar irradiation that serve as unknown inputs to the system, the proposed method can produce an unbiased estimate of the dynamic states of the PV, which is also verified in a real-world system. This accurate DSE can serve as a reliable prerequisite for the protection and control of PV-penetrated power systems.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对光伏系统动态状态估计(DSE)的研究具有重要的工程应用价值。论文首次针对包含光伏阵列、升压变换器、逆变器和滤波器的完整两级光伏系统建立了详细动态模型,这与我司主流光伏逆变器产品的实际拓扑结构高度契合,为实现更精准的系统监控和控制奠定了理论基础。
该技术的核心创新在于将光照强度的随机性作为未知输入处理,并通过无偏最小方差(UMV)方式融入无迹卡尔曼滤波(UKF)框架。这一方法突破了传统静态估计或简化动态模型的局限性,即使在光照剧烈波动条件下也能实现无偏状态估计。对于阳光电源而言,这项技术可直接应用于以下场景:一是提升逆变器的最大功率点跟踪(MPPT)算法性能,特别是在云层遮挡等复杂工况下;二是增强光储一体化系统的协调控制能力,通过精准的动态状态感知优化储能系统的充放电策略;三是为电站级能量管理系统(EMS)提供更可靠的实时数据支撑。
从技术成熟度评估,该方法已在IEEE标准测试系统和实际系统中得到验证,具备较好的工程化基础。主要挑战在于算法的实时性要求和计算资源消耗,需要在嵌入式控制器中进行优化实现。建议我司技术团队关注该研究方向,探索将其集成到新一代智能逆变器和能量管理系统中,这将显著提升产品在高比例新能源接入场景下的稳定性和可靠性,强化我司在智能化新能源解决方案领域的技术领先优势。