光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究

裴建楠++馬濤+++馮斌++李開鑫++許新成++曹康洋永

摘 要：近些年，隨著并網(wǎng)光伏容量的逐漸提升，光伏場(chǎng)站與電網(wǎng)的聯(lián)系與影響也愈來愈緊密。針對(duì)這樣的情況，本文針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行闡述，對(duì)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了深入研究。并且針對(duì)光伏系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行了整定，通過仿真驗(yàn)證了理論的正確性。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng)光伏系統(tǒng)；控制策略；控制參數(shù)整定

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大規(guī)模工業(yè)化所帶來的問題日益嚴(yán)重起來，其中以能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大社會(huì)問題最為重要。據(jù)新一輪的調(diào)查顯示，煤炭最多還能開采二百至三百年；石油儲(chǔ)量?jī)H能維持?jǐn)?shù)十年；天然氣也是儲(chǔ)量極其有限的不可再生能源，世界三大能源正在慢慢枯竭。另一方面，使用傳統(tǒng)能源所帶來的環(huán)境污染問題等也不容忽視，在利用傳統(tǒng)能源的過程中會(huì)產(chǎn)生許多嚴(yán)重污染環(huán)境的物質(zhì)，不僅加劇了“溫室效應(yīng)”，破壞了生態(tài)平衡，還會(huì)嚴(yán)重危及到人類的健康。如果不及時(shí)的采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q這些問題，人類包括人類賴以生存的家園將遭到嚴(yán)重危害甚至是毀滅。為此，世界各國(guó)都開始致力于尋找能夠解決傳統(tǒng)能源所帶來的種種問題，來取代傳統(tǒng)能源的新型能源。

以太陽能為代表的新型能源的出現(xiàn)給人類帶來了曙光。太陽能資源取之不盡，用之不竭，儲(chǔ)量十分豐富；傳統(tǒng)能源在使用的過程中，常常會(huì)由于燃燒等工業(yè)手段而產(chǎn)生大量破壞環(huán)境的有毒氣體，而太陽能卻避免了此類問題的產(chǎn)生，太陽能能夠做到綠色發(fā)電，屬于清潔型能源；使用方便，可以就地開發(fā)和利用，省去了遠(yuǎn)距離傳輸問題，這些都是其他新型能源發(fā)電技術(shù)所不能夠企及的特色優(yōu)勢(shì)[1]。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)控制邏輯

1.1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成部分

圖1為目前傳統(tǒng)的單極式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主拓?fù)鋱D。系統(tǒng)由四個(gè)部分組成，分別為光伏陣列、直流側(cè)電容、逆變器、LCL濾波器[2]。其中光伏陣列是系統(tǒng)的電源部分，當(dāng)光照射到光伏陣列的表面，光伏陣列就會(huì)輸出電壓。當(dāng)光伏系統(tǒng)并網(wǎng)后就會(huì)產(chǎn)生功率的傳輸。直流側(cè)電容具有兩個(gè)作用。一是由于電容的電壓不會(huì)突變，因此直流側(cè)電容具有穩(wěn)定直流側(cè)電壓的作用。二是直流側(cè)電容具有濾波的效果，可以濾除直流側(cè)的諧波。直流側(cè)電容電壓波動(dòng)的大小反映直流側(cè)輸出功率和電網(wǎng)側(cè)接受功率的平衡程度。L1、L2、Cf組成了系統(tǒng)的濾波器，主要作用為濾除流入電網(wǎng)的諧波，提高電網(wǎng)的電流基波含有率。由它們組成的LCL型濾波器相比與L型濾波器有更大的優(yōu)點(diǎn)。在伯德圖中LCL具有更快的下降陡度，因此可以更好濾除高次電流諧波。

1.2 光伏并網(wǎng)控制策略

圖1下面的控制框圖為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略。它由兩部分組成，一個(gè)是最大功率跟蹤控制，另外一個(gè)是并網(wǎng)電流控制[3]。由于每一種工況下光伏陣列都存在發(fā)送最大功率的狀態(tài)，因此使光伏陣列在當(dāng)前工況下發(fā)出最大功率會(huì)提升光能利用率。實(shí)現(xiàn)這樣的控制就是最大功率控制。最大功率控制器是一個(gè)兩輸入一輸出的單元，輸入端采集光伏陣列實(shí)時(shí)的電壓與電流，而輸出端為參考電壓信號(hào)。

并網(wǎng)電流控制采用基于電網(wǎng)電壓矢量定向的雙閉環(huán)控制理論。雙閉環(huán)控制理論由兩部分組成，分為電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的控制目標(biāo)是控制光伏陣列的輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)的控制目標(biāo)是控制并網(wǎng)電流與電網(wǎng)同相。基于S域的逆變器模型中d軸和q軸相互耦合，相互干擾，對(duì)彼此的控制性能相互影響。因此引入前饋來消除干擾。其處理后的控制框圖如圖2和圖3所示。其中Udcref是MPPT的輸出控制信號(hào)，Tc是逆變器開關(guān)周期，P2，K2是電壓外環(huán)控制器的比例積分系數(shù)，P1，K1是電流內(nèi)環(huán)控制器比例積分系數(shù)，m為調(diào)制比，σ為逆變器出口電壓基波超前電網(wǎng)相位的角度，Ipv是光伏陣列的輸出電流。G0是電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)。由于LCL濾波器在穩(wěn)態(tài)的時(shí)候可以等效成L，因此控制框圖中的L為L(zhǎng)1+L2。

由上述分析可以推導(dǎo)得到整個(gè)控制環(huán)傳遞函數(shù)（1.2.1）。式中的參數(shù)如上所述。控制參數(shù)的整定要滿足一定的要求，系統(tǒng)的超調(diào)與調(diào)整時(shí)間在合理區(qū)。根據(jù)這樣的原則給出控制器參數(shù)整定公式（1.2.2）。

2 算例仿真分析

整個(gè)系統(tǒng)的控制邏輯如圖1，仿真中各個(gè)部分參數(shù)如表1。

通過仿真表明：隨著光照的變化，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的直流母線電壓及輸出功率也隨之改變。光伏發(fā)電系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大功率輸出狀態(tài)。并網(wǎng)點(diǎn)的電壓與電流始終保持同相位，向電網(wǎng)僅輸送有功功率。進(jìn)一步說明本文提出控制參數(shù)整定方法的正確性。