光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式無縫切換控制路徑

侯文東

摘 要：因?yàn)楠?dú)立光伏發(fā)電是通過電壓型予以控制，而并網(wǎng)光伏發(fā)電是通過電流型予以控制，但是，卻始終沒能實(shí)現(xiàn)無縫切換的運(yùn)行模式。本文對這兩種運(yùn)行模式都通過電壓型予以控制，以免在控制策略切換方面出現(xiàn)沖擊。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；運(yùn)行模式；無縫切換；控制路徑

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求量也逐漸提高，使得化石能源儲量呈現(xiàn)下降的趨勢，因此，分布式能源研究備受關(guān)注，而光伏發(fā)電是其中比較典型的一種。因?yàn)楣╇娍煽颗c靈活性的要求有所提高，很多新型供電方案都希望能夠具備獨(dú)立發(fā)電以及并網(wǎng)發(fā)電的能力，且在電網(wǎng)出現(xiàn)故障的時(shí)候不影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。為此，逆變器孤島運(yùn)行模式和并網(wǎng)運(yùn)行模式無縫切換是目前亟待解決的問題，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載供電的可靠，并且對可再生能源予以充分的利用。

1 關(guān)于下垂控制研究

在逆變器無線并聯(lián)中，下垂控制是一種控制方法，針對電力系統(tǒng)當(dāng)中同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻與調(diào)壓進(jìn)行模擬，進(jìn)而保證逆變器的有功功率及無功功率解耦控制。通過這種方法，并聯(lián)各逆變器只要針對本身信息進(jìn)行檢測，就能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載功率的自動(dòng)化分配，且需要進(jìn)行通信，所以，是一種對等的控制方法。而對于傳統(tǒng)下垂控制，假設(shè)逆變器處于并聯(lián)狀態(tài)，線路的阻抗是感性，那么就可以獲得P-f與Q-U之間的近似線性關(guān)系，即

（1）

在該公式中，f與U所表示的是逆變器的輸出頻率以及電壓，而與所代表的則是有功功率及無功功率的下垂系數(shù)。另外，P與Q則分別表示了逆變器所輸出的有功功率以及無功功率。最后，P0與Q0是逆變器的額定有功功率及無功功率。

2 光伏逆變器并網(wǎng)控制

在光伏并網(wǎng)發(fā)電過程中，要想對太陽能予以充分利用，需要前級Boost通過最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，確保光伏能夠保持最大的功率。另外，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)后級逆變器通過電流型予以控制，并且利用鎖相環(huán)對電網(wǎng)的電壓進(jìn)行跟蹤，以電流控制來對逆變器進(jìn)行直接的控制，確保其實(shí)現(xiàn)最大功率并網(wǎng)。

而在逆變器孤島運(yùn)行過程中，只有通過電壓型控制才能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載供電電壓及頻率的穩(wěn)定性。所以，要想對模式切換沖擊進(jìn)行有效控制，就一定要通過電壓型控制方案實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，以免在并網(wǎng)與孤島運(yùn)行過程中控制策略切換。其中，孤島運(yùn)行中，下垂控制比較常見，是一種電壓型的控制方法，所以，很難利用電流反饋對并網(wǎng)電流進(jìn)行直接的地控制，僅僅能夠?qū)δ孀兤魉敵龅碾妷哼M(jìn)行稍微調(diào)整予以間接性的控制，所以，在并網(wǎng)控制策略方面就更加復(fù)雜。

通常情況下，電網(wǎng)就是無窮大的電源，而在理想狀態(tài)下，并網(wǎng)逆變器頻率能夠同電壓和電網(wǎng)強(qiáng)制一致。而逆變器f和U是根據(jù)電網(wǎng)情況來決定的，根據(jù)上述公式，也能夠確定出P和Q。這樣一來，對下垂方程參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，就可以確保逆變器所輸出的功率符合需求。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式切換控制

當(dāng)光伏逆變器要由并網(wǎng)切換至孤島運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)的下垂控制就會按照本地的負(fù)荷功率具體狀況對頻率以及電壓的幅值進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)節(jié)。然而，正是因?yàn)楣聧u運(yùn)行過程中，下垂控制與本地負(fù)荷會直接影響到逆變器頻率及電壓的幅值，所以，必然會同電網(wǎng)頻率及電壓幅值存在一定的差異。而要想盡量規(guī)避逆變器由孤島運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行中的沖擊，就應(yīng)當(dāng)保證并網(wǎng)運(yùn)行之前逆變器所輸出的電壓各物理量同電網(wǎng)盡量保持一致，而且應(yīng)當(dāng)重視預(yù)同步的作用，如圖1所示：

在圖1（a）中，逆變器的頻率是f0，而所輸出的有功功率是P0，在這種情況下，在a點(diǎn)運(yùn)行。而當(dāng)啟動(dòng)預(yù)同步的情況下，所檢測到的電網(wǎng)頻率就是。當(dāng)孤島運(yùn)行的時(shí)候，負(fù)荷會直接決定功率，但是，實(shí)際輸出的有功功率始終都是P0，可以將下垂曲線平移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)逆變器在b點(diǎn)的工作。而電壓預(yù)同步的過程相同，可以由圖1（b）來表示。

如果逆變器的頻率和電網(wǎng)保持一致，并不代表兩者相位之間是一致的。但是，如果逆變器相位和電網(wǎng)始終保持一致，那么，這兩者頻率一定是一致的。為此，根據(jù)對逆變器和電網(wǎng)相位以及電壓方法的檢測來實(shí)現(xiàn)預(yù)同步。其中，f0調(diào)整量可以表示成：

在上述公式當(dāng)中與代表的就是PI調(diào)節(jié)器相應(yīng)的比例與積分系數(shù)，而表示的是電網(wǎng)相位，代表的是逆變器的相位。

根據(jù)相同的原理也可以得出U0的調(diào)整量。這樣一來，將兩者的調(diào)整量疊加至公式（1）當(dāng)中，進(jìn)而得出孤島同步下垂方程。

由此可見，本文對能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)化平移的下垂曲線對于光伏逆變器和并網(wǎng)運(yùn)行模式的無縫切換進(jìn)行了合理的改進(jìn)，最終的改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以由圖2表示：

針對線路阻抗是阻性這種情況，也可以把公式（1）合理地轉(zhuǎn)變成阻性下垂方程，并且同樣根據(jù)上述方法進(jìn)行分析，進(jìn)而獲取相應(yīng)的改進(jìn)下垂控制器。

4 結(jié)束語

在光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島運(yùn)行模式及并網(wǎng)運(yùn)行模式的狀態(tài)之下，本文都采用了下垂控制的方法，所以，有效地規(guī)避了這兩種模式控制策略的切換。與此同時(shí)，對下垂控制以及光伏逆變器并網(wǎng)控制都進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式切換控制。在孤島運(yùn)行當(dāng)中，將預(yù)同步環(huán)節(jié)增加到傳統(tǒng)的下垂控制當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)相位與電壓的同步追蹤，使得并網(wǎng)瞬間沖擊有所減小。在化石能源儲量面臨枯竭的背景下，為了更好地滿足人們的能源需求，就必須積極研發(fā)出新的可再生能源。而光伏發(fā)電的產(chǎn)生與應(yīng)用恰恰滿足了這一需求，為了能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行模式的無縫切換，仍然需要采取相應(yīng)的控制措施。

參考文獻(xiàn)

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