光伏電源的并網(wǎng)控制綜述

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院　孫宏偉　陳翌斕

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光伏電源的并網(wǎng)控制綜述

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院孫宏偉陳翌斕

【摘要】光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅有將光能轉(zhuǎn)換成電能的功能，而且還具有調(diào)節(jié)電能質(zhì)量、維持電網(wǎng)穩(wěn)定的作用，故近些年逐漸受到關(guān)注。本文就光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型進行了綜述，首先對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體框架作了介紹；其次介紹了最大功率點跟蹤（MPPT）的原理及控制；再次羅列了主要的直流變換電路；然后又簡要分析了逆變電路的整體框架，并對其控制技術(shù)做了總結(jié)；最后針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，對今后的研究發(fā)展方向進行了展望。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；最大功率點跟蹤；直流變換電路；逆變電路

0　引言

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，終將成為以后的主流能源，研究太陽能并網(wǎng)控制有著重要的現(xiàn)實意義。我國幅員遼闊，雖然可利用太陽能充沛，但是其富集區(qū)域與負荷集中區(qū)域往往呈現(xiàn)逆向分布，導(dǎo)致許多大型光電站需要通過遠距離輸送才能到達負荷端。由于光照強度等因素的非線性和不可控性，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)的瞬時功率和順勢電壓的變化較大。這些問題不僅造成了巨大損失，還導(dǎo)致了大量的能源浪費，因此依賴于新能源并網(wǎng)技術(shù)的提高。

本文針對大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)，將目前各類并網(wǎng)技術(shù)進行綜述，從裝置功能，控制技術(shù)的角度進行比較分析，提出相對適合可再生能源分散接入電網(wǎng)的并網(wǎng)框架，以緩解大量新能源并網(wǎng)帶來對電網(wǎng)的過大沖擊，提高配電網(wǎng)對光能的接納能力，從而最終實現(xiàn)其安全、可靠、經(jīng)濟的運行要求。

1　典型光伏并網(wǎng)模型

1.1整體框架

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般由光伏電池陣列、DC/DC變換電路、并網(wǎng)逆變器、濾波網(wǎng)絡(luò)以及控制部分等組成。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可由是否與電網(wǎng)相連分為兩大類：一類被稱為獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一類被稱作并網(wǎng)運行光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于未與電網(wǎng)相連的光伏系統(tǒng)，主要被用于較為偏遠的山區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地區(qū)，因而通常需要光伏蓄電池為其儲能；而與公共電網(wǎng)連接的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電的主流，主要應(yīng)用于大規(guī)模商業(yè)、工業(yè)供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又可以分為：可調(diào)度式和不可調(diào)度式。不可調(diào)度式系統(tǒng)中不含光伏蓄電池，因此系統(tǒng)不具備儲能的功能。這種系統(tǒng)只能在電能滿足本地負載后才能將多余的電能輸送給電網(wǎng)；在系統(tǒng)無法滿足本地負載的電能需求的時候，就需要電網(wǎng)提供所需的電能?？烧{(diào)度式系統(tǒng)較之最大的不同之處是該系統(tǒng)中包含有用于儲能的儲能環(huán)節(jié)。通過對蓄電池充放電加以控制，在電網(wǎng)因故障斷電時，可調(diào)度式系統(tǒng)可實現(xiàn)不間斷向負載供電。此外，可調(diào)度式系統(tǒng)還具備可調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的作用，使得系統(tǒng)輸出更加安全穩(wěn)定。

1.2MPPT的原理及控制介紹

MPPT通過檢測裝置實現(xiàn)實時跟蹤監(jiān)測光伏陣列的功率輸出，借助于預(yù)測控制能夠預(yù)測光伏陣列可能的最大功率輸出，調(diào)整阻抗值使光伏陣列輸出的功率為最大值。光伏陣列的功率輸出特性曲線是呈拋物曲線變化，Vmax是光伏陣列工作在最大功率點時的電壓值。當工作電壓值位于其左側(cè)時，輸出功率隨著光伏陣列兩端的電壓值的上升而上升；當工作電壓值位于其右側(cè)時，輸出功率隨著官府陣列兩端電壓值的上升而降低。除此之外，MPPT的智能控制也可以先采集工作數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)區(qū)分其運行所在的工作區(qū)，根據(jù)不同的工作區(qū)所對應(yīng)的不同的指令實現(xiàn)智能性的控制。

對于MPPT的控制技術(shù)，在國內(nèi)外都已經(jīng)有了不同程度的研究成果。其中最為常用的MPPT控制方法有：定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法，不同的控制方法有各自特點，需要根據(jù)實際要求選用。本文選取幾種主要的MPPT控制方法，對其簡要分析介紹。

定電壓跟蹤法是最早的MPPT 控制算法。其原理是，當光照強度較高時，所對應(yīng)的最大功率輸出點主要分布在同一條垂直線的兩側(cè)，由此，可以將最大功率輸出點與某一恒定電壓輸出相對應(yīng)，從而完成最大功率點跟蹤的控制，即只要求將輸出電壓固定在最大輸出電壓值點。恒壓跟蹤法的優(yōu)點是可操作性高，不易出現(xiàn)震蕩；其缺點是對于溫度變化較為敏感，外界干預(yù)成本較高。

擾動觀察法是目前實現(xiàn)MPPT控制最常用的方法之一，其原理是通過持續(xù)擾動光伏系統(tǒng)的工作點來調(diào)整尋找最大功率點的方向。對光伏電池輸出電壓值和電流值進行周期性的調(diào)整，然后檢測系統(tǒng)功率的變化，將其值與擾動前的功率值作比較，如果功率值增加，說明擾動方向選擇正確，可以繼續(xù)進行上一周期的擾動；相反，如果擾動后功率值相較于擾動前的功率值減少了，則說明擾動方向選擇錯誤，需要改變電壓調(diào)整方向。反復(fù)進行若干次，光伏陣列將逐漸接近最大功率點。擾動觀察法的優(yōu)點是控制參數(shù)少，構(gòu)建簡單；其缺點是系統(tǒng)工作在最大功率點時存在振蕩，并且控制精度和跟蹤速度相互影響。

為了解決上述的功率損失問題，有學(xué)者提出了電導(dǎo)增量法。由光伏陣列輸出功率特性可知：P-V曲線在最大功率點Pmax處的斜率為零，即：

式（3）為判斷系統(tǒng)是否達到最大功率點的依據(jù)，即若電導(dǎo)的變化率與電導(dǎo)的負值相等，可以判斷為光伏陣列輸出已處在最大功率點。相反，若電導(dǎo)的變化率與電導(dǎo)的負值不相等，還需要進一步判斷dP/dV是大于零還是小于零。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)精度高，響應(yīng)快，并且輸出較為穩(wěn)定，不易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。其缺點是算法較復(fù)雜，不易控制，并且初始參數(shù)設(shè)置稍有不當就會引起較大的功率損失，所需成本較高。

1.3DC-DC變換電路介紹

DC-DC電路是控制改變直流電壓輸出的變換電路，其原理是通過使用脈寬調(diào)制技術(shù)控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷及其延時長度，同時配合高頻變壓器等元件達到輸出可控、連續(xù)直流電壓的目的。該電路主要又可以分為非隔離型和隔離型兩種變換電路。前者沒有隔離變壓器，通過斬波直接進行直流電壓變換；而后者多了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換環(huán)節(jié)，然后才通過變壓器又將交流電整流為直流電輸出。

非隔離型DC-DC電路為目前使用最多的一種結(jié)構(gòu)，其包含種類繁多，最常見的電路模型有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、橋式可逆變換電路等。

隔離型DC-DC電路由于其包含隔離變壓，故其電路需要增加交流變換環(huán)節(jié)。主要的隔離型DC-DC 變換電路結(jié)構(gòu)有正反激、半橋等結(jié)構(gòu)種類，本文不做過多介紹。

1.4DC-AC變換電路介紹

逆變環(huán)節(jié)的是光伏并網(wǎng)最重要的環(huán)節(jié)之一，其結(jié)構(gòu)極大程度的決定著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、輸出效率以及成本，因此對于逆變器拓撲的設(shè)計和選擇至關(guān)重要。隨著全球電力電子行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新興材料的研發(fā)，光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化趨勢，目前，光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)主要有電壓型并網(wǎng)逆變器和電流型并網(wǎng)逆變器兩種：電壓型三相逆變電路，它是一個三相六橋臂結(jié)構(gòu)。其三相導(dǎo)電的角度差為120o，同一相兩橋臂導(dǎo)電的角度差為180o。同一時刻三相中有且僅有一個橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，在同一相的上下橋臂之間進行環(huán)流切換。并且常需要采用先斷后通的方式以防止同相橋壁的開關(guān)器件發(fā)生直通現(xiàn)象。該電路的特點是直流側(cè)多為電壓源或并聯(lián)大電容，故其直流側(cè)電壓幾乎無波動。電流型三相逆變電路，其輸出側(cè)電容的作用在于吸收負載在換流期間儲存的能量。其三相采用120o導(dǎo)電的工作方式。該電路的特點是電壓輸出波形要受負載影響。

1.5逆變控制技術(shù)介紹

光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法是整個系統(tǒng)并網(wǎng)控制最為關(guān)鍵的一環(huán)，其作用一是保持存在于兩級之間的直流側(cè)的直流電壓穩(wěn)定可控，二是對并網(wǎng)輸出的電壓、電流、功率進行實時有效的控制。由于光伏系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)，如單/多級式，單/多相式等，不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)所對應(yīng)的核心環(huán)節(jié)逆變控制部分種類也很繁多。其中一類最為常用的電流閉環(huán)矢量控制策略根據(jù)參考坐標的不同可分為基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的控制策略和基于靜止坐標系的控制策略兩種。前者利用派克變換將動態(tài)坐標系下的直流變量和靜止坐標系下的交流量之間的轉(zhuǎn)換成為可能，再利用典型的PI調(diào)節(jié)控制就可以達到無靜差控制，該控制適合控制單相并網(wǎng)逆變器。后者由于是在靜止坐標系條件下，故不能采用PI調(diào)節(jié)控制，于是可利用PR調(diào)節(jié)器在基波頻率出增益無窮大的特點實現(xiàn)對基波電流的無靜差控制，此控制多用在三相并網(wǎng)逆變器的控制。另一類基于功率閉環(huán)的控制策略，其原理為將系統(tǒng)輸出的瞬時有功功率分量以及無功功率分量這兩個受控分量進行分析計算并與給定瞬時功率進行比較，將偏差值輸入滯環(huán)比較器，最后的輸出值和電網(wǎng)電壓矢量位置決定著驅(qū)動功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。該控制方法魯棒性好，可操作性高。

2　展望

由于光伏發(fā)電是一個相對較為新興的領(lǐng)域，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論研究，尤其是光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)方面的研究仍需進一步完善。目前，國內(nèi)外學(xué)者對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的絕大多數(shù)研究都集中在無功補償、諧波消除等方面，然而諸如三相不平衡、頻率偏差、間諧波等實際問題也將會成為今后的光伏系統(tǒng)研究發(fā)展方向。

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孫宏偉（1990－），男，四川攀枝花人，碩士研究生在讀，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

作者簡介：