一種光伏發(fā)電系統(tǒng)的柔性功率輸出控制策略

高長偉， 鄭偉強(qiáng)， 朱 寧， 黃翀陽， 李潤生

（1.遼寧科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院， 遼寧 本溪117004； 2.遼寧營口供電公司， 遼寧 營口 115002；

3.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 遼寧 沈陽110870）

0 引言

為了提高光電轉(zhuǎn)換效率，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常以最大功率跟蹤（MPPT）方式運(yùn)行[1]～[3]。MPPT 運(yùn)行方式往往不利于維持光伏發(fā)電系統(tǒng)功率供需平衡，當(dāng)光伏源端輸出功率發(fā)生波動時(shí)，會對系統(tǒng)的功頻穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響[4]～[7]。為了提高光伏發(fā)電高滲透率電力系統(tǒng)的功頻穩(wěn)定性，使光伏發(fā)電系統(tǒng)具有優(yōu)良的有功調(diào)頻能力，近年來國內(nèi)外學(xué)者對光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究[8]，[9]。VSG 控制技術(shù)通過在光伏源端配備儲能裝置實(shí)現(xiàn)虛擬同步功能，抑制光伏系統(tǒng)源端功率隨機(jī)波動，但在本質(zhì)上忽略了光伏源端能量隨機(jī)波動對系統(tǒng)輸出特性的影響[10]～[12]。 在工程實(shí)踐中，一方面受經(jīng)濟(jì)性制約，不可能無限配置儲能容量；另一方面受太陽能、風(fēng)能等可再生能源易受環(huán)境條件制約， 表現(xiàn)出強(qiáng)烈的隨機(jī)波動性。這兩方面因素均對光伏VSG 系統(tǒng)直流側(cè)能量的持續(xù)穩(wěn)定供給形成制約，對系統(tǒng)功率供需平衡帶來負(fù)面影響。

為解決上述問題，一些專家開展了采用光伏有功備用方式實(shí)現(xiàn)慣性與一次調(diào)頻支撐的研究探討。 文獻(xiàn)[13]提出一種基于有功備用的光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略， 對光伏陣列間斷實(shí)施MPPT 控制，以獲取短期內(nèi)最大功率點(diǎn)；通過最低電壓限制使光伏系統(tǒng)在調(diào)頻中保持穩(wěn)定， 使傳統(tǒng)光伏逆變器在不增加儲能、不改造電路的情況下，具有調(diào)頻調(diào)壓功能。 文獻(xiàn)[14]在傳統(tǒng)VSG 控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用了直流電壓穩(wěn)定控制技術(shù)，當(dāng)光伏電源供給功率低于負(fù)載需求時(shí)， 具有抑制直流母線電壓跌落、維持直流電壓穩(wěn)定的良好作用。然而， 因?yàn)槿圆捎媒?jīng)典的擾動觀察法對光伏陣列實(shí)施MPPT 控制， 故當(dāng)光伏源端供給功率高于負(fù)載需求時(shí)， 容易因功率供需失衡而引起直流母線電壓升高。 文獻(xiàn)[15]，[16]提出了以固定功率或以最大功率點(diǎn)一定比值輸出功率， 使光伏發(fā)電系統(tǒng)通過有功備用方式解決光伏源端波動性問題。 采用該控制策略的光伏發(fā)電系統(tǒng)具備了一定的調(diào)頻調(diào)壓功能，但最大功率點(diǎn)不易確定，且用于穩(wěn)定控制的系統(tǒng)參數(shù)不易整定。文獻(xiàn)[17]提出一種自適應(yīng)MPPT 光伏虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略， 實(shí)現(xiàn)了在無儲能情況下，模擬同步發(fā)電機(jī)慣性和阻尼特性，但光伏電源輸出功率無法有效地匹配負(fù)載功率需求。 文獻(xiàn)[18]提出了一種基于滑模變功率跟蹤的PV-VSG 控制策略， 可實(shí)現(xiàn)光伏出力自適應(yīng)匹配負(fù)載需求； 但該控制策略為抑制光伏源端干擾而引入的變結(jié)構(gòu)控制項(xiàng)的確定方法過于復(fù)雜， 難以獲取系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點(diǎn)。

目前， 在光伏發(fā)電高滲透率接入電網(wǎng)的情況下，電力系統(tǒng)功率的供需關(guān)系已不再要求光伏系統(tǒng)時(shí)刻處于滿發(fā)狀態(tài)，而應(yīng)以更加靈活的方式實(shí)現(xiàn)其并網(wǎng)控制，避免因系統(tǒng)功率供需關(guān)系失衡而造成頻率和電壓失穩(wěn)等電能質(zhì)量問題。 基于上述原因，本文從功率供需平衡角度出發(fā)，深入研究基于有功備用的光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行控制策略，提出一種光伏發(fā)電系統(tǒng)柔性功率跟蹤控制（FPPT）方法，以改善無儲能配置光伏發(fā)電系統(tǒng)虛擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。

1 光伏源端功率波動對VSG 運(yùn)行特性的影響

典型的兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of photovoltaic power generation system

光伏陣列與DC/DC 變流器共同組成光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流源端，逆變器為VSG 控制技術(shù)的實(shí)施對象，實(shí)現(xiàn)直流到交流的能量變換。為了大幅度地提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率， 既可利用DC/DC 環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓等級，還須利用該環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)功率控制功能。

在分布式光伏發(fā)電對電網(wǎng)滲透率不高時(shí)，MPPT 控制對確保光伏系統(tǒng)工作效率起到了關(guān)鍵作用。在光伏發(fā)電對電網(wǎng)滲透率較高時(shí)，無須光伏系統(tǒng)始終以滿發(fā)狀態(tài)運(yùn)行。 在不超出電網(wǎng)設(shè)計(jì)容量的前提下， 光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷或并網(wǎng)調(diào)度功率需求以柔性方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)其輸出功率，避免因功率過剩而引起電力系統(tǒng)功頻穩(wěn)定及其它電能質(zhì)量問題。

以采用VSG 控制的單臺光伏逆變器為例，當(dāng)忽略有功功率損耗時(shí)，功率平衡方程為

式中：Ppv為光伏陣列輸出功率；Pe為逆變器輸出功率；Pc為直流母線電容功率；Ud為逆變器的輸入端電壓；C 為直流母線電容值。

由式（1）可知：

假設(shè)初始時(shí)光伏陣列輸出功率恒定， 并且其直流輸出電壓為Ud0。 將式（2）線性化后得到如式（3）所示的增量方程：

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定， 特征根通常為負(fù)數(shù) （即s＜0），光伏陣列穩(wěn)定運(yùn)行判據(jù)為

式（7）所示的判據(jù)說明，當(dāng)光伏陣列穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其輸出功率對直流電壓的微分小于零，即穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)位于圖2 所示P-U 特性曲線上切線斜率為負(fù)的區(qū)域（2 區(qū)）。

圖2 光伏陣列運(yùn)行區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic array working area

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)柔性功率輸出控制

計(jì)及負(fù)荷及并網(wǎng)調(diào)度功率需求與光伏源端輸出功率間供需平衡關(guān)系， 當(dāng)光伏陣列源端功率存在缺額時(shí)，控制其運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，為系統(tǒng)穩(wěn)定提供必要的功率支持；當(dāng)光伏陣列功率盈余時(shí)，調(diào)整其工作點(diǎn)降低輸出功率， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供需功率關(guān)系平衡?；谏鲜隹刂颇繕?biāo)，提出可根據(jù)系統(tǒng)功率供需平衡關(guān)系而靈活調(diào)整跟蹤方向的光伏陣列柔性功率點(diǎn)跟蹤（FPPT）控制方法。 控制流程如圖3所示。

圖3 光伏陣列柔性功率點(diǎn)跟蹤控制方法流程Fig.3 Flow chart of photovoltaic array flexible power point tracking control method

FPPT 控制方法是在擾動觀察法的基礎(chǔ)上引入直流母線電壓測量比較環(huán)節(jié)， 判別光伏陣列與負(fù)荷間的功率供需關(guān)系， 利用直流母線電壓實(shí)時(shí)測量值UD（i）與指令值UR的偏差反映光伏VSG系統(tǒng)直流母線兩側(cè)的功率供需平衡關(guān)系。 設(shè)F（i）為反映直流母線兩側(cè)功率供需平衡關(guān)系的符號函數(shù)，UT為直流母線電壓誤差閾值。

當(dāng)UD（i）＜（UR-UT）時(shí)，直流母線電壓實(shí)測值小于指令值，即光伏陣列輸出功率有缺額，將反映直流母線兩側(cè)功率供需平衡關(guān)系符號函數(shù)F（i）取為1。 此時(shí)，光伏陣列保持原功率跟蹤方向逐漸向其最大功率點(diǎn)靠近，光伏陣列輸出功率增大，直流母線電壓值升高。

當(dāng)|UD（i）-UR|≤UT時(shí)，直流母線電壓實(shí)時(shí)測量值與指令值相同，直流母線兩端功率供需平衡，將反映直流母線兩側(cè)功率供需平衡關(guān)系的符號函數(shù)F（i）取為0。此時(shí)，光伏陣列輸出端電壓維持恒定。

當(dāng)UD（i）＞（UR+UT）時(shí)，直流母線電壓實(shí)時(shí)測量值大于指令值，光伏陣列輸出功率盈余，將反映直流母線兩側(cè)功率供需平衡關(guān)系的符號函數(shù)F（i）取為-1。 此時(shí)，光伏陣列功率跟蹤方向反向，逐漸遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，光伏陣列輸出功率減小，直流母線電壓值降低， 直至直流母線兩側(cè)功率供需關(guān)系達(dá)到平衡。

3 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出控制策略的正確性與有效性，搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要由上位機(jī)、RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真機(jī)、DSP 控制器和示波器組成。

按圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在上位機(jī)搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型。為便于比較分析，分別采用MPPT 和FPPT 兩種功率跟蹤控制策略對DC/DC 環(huán)節(jié)實(shí)施控制。 DC/AC 環(huán)節(jié)采用了經(jīng)典VSG 控制，將模型編譯生成C 代碼的方式載入實(shí)時(shí)仿真機(jī)中運(yùn)行。RT-LAB 中的實(shí)時(shí)仿真模型包含主電路與控制系統(tǒng)兩部分。 RT-LAB 仿真機(jī)與上位機(jī)之間采用TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議傳遞信息，DSP 與RT-LAB之間采用A/D 與D/A 轉(zhuǎn)換接口直接相連，實(shí)現(xiàn)高速率的信號傳輸。 DSP 運(yùn)算產(chǎn)生PWM 脈沖經(jīng)光電隔離模塊與RT-LAB 的脈沖輸入端口相連。

對系統(tǒng)負(fù)荷功率需求發(fā)生變化以及光伏陣列表面光照強(qiáng)度發(fā)生變化的典型工況進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)分析。 以M×N 光伏陣列為例（M 為光伏電池組件串聯(lián)個(gè)數(shù)，N 為光伏電池組件并聯(lián)個(gè)數(shù)）的參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of photovoltaic system

3.1 負(fù)荷功率需求變化

工況條件：光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度恒定為25 ℃。 負(fù)荷功率需求變化時(shí)序如表2 所示。

表2 功率需求變化情況Table 2 Variation of power supply and demand

由表1 光伏電池基本參數(shù)配置計(jì)算， 光伏陣列最大輸出功率約3.8 kW。 設(shè)置光伏陣列功率盈余與陣列功率缺乏兩種情況。 當(dāng)采用MPPT 控制時(shí)，若環(huán)境條件恒定不變，光伏陣列始終以最大功率（約3.8 kW）輸出電能。

（1）采用MPPT 控制

基于上述工況設(shè)置條件， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。 在0～0.5 s，光伏陣列輸出功率高于負(fù)荷功率需求（功率盈余2.3 kW），逆變器直流母線電容充電儲存能量， 導(dǎo)致直流母線電壓遠(yuǎn)高于額定值運(yùn)行在1 100 V。在0.5～1.0 s，負(fù)荷突增1 kW，盈余功率下降為1.3 kW， 直流母線電壓隨之降低為750 V。 在1.0～1.5 s，負(fù)荷功率需求下降為初始值后，直流母線電壓重新回升到1 100 V。在1.5 s 時(shí)，負(fù)荷突增3 kW，導(dǎo)致負(fù)荷功率需求超出光伏陣列最大功率，光伏源端輸出功率存在缺額，直流母線穩(wěn)壓電容放電以支撐系統(tǒng)功率供需平衡， 使直流母線電壓有所下降。由于受存儲容量限制，當(dāng)逆變器直流母線電容釋放電能后, 仍然無法使功率供需關(guān)系達(dá)到平衡，系統(tǒng)崩潰。 由此可見，在系統(tǒng)中應(yīng)用MPPT 控制存在固有技術(shù)缺陷。

圖4 基于MPPT 的控制結(jié)果Fig.4 Control results based on MPPT

（2）采用FPPT 控制

圖5 所示為采用FPPT 控制策略， 當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)， 系統(tǒng)光伏陣列輸出電壓與逆變器直流母線電壓隨負(fù)荷的變化情況。由圖5 可見，兩級式光伏發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC 環(huán)節(jié)（BOOST 電路）將光伏陣列輸出電壓放大2.5 倍。 表1 所示的光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓為183 V。 圖5 顯示，在系統(tǒng)功率供需平衡關(guān)系發(fā)生變化過程中， 光伏陣列端電壓始終維持在200～220 V， 系統(tǒng)工作點(diǎn)一直位于光伏陣列P-U 特性曲線最大功率點(diǎn)右側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。

圖5 負(fù)荷變化時(shí)光伏陣列輸出電壓與直流母線電壓Fig.5 Photovoltaic array output voltage and DC bus voltage when load changes

如圖5 所示，在0～1.5 s，光伏陣列最大輸出功率大于負(fù)荷需求，F(xiàn)PPT 控制能夠?qū)夥嚵袑?shí)際輸出功率進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)， 使系統(tǒng)功率供需關(guān)系維持平衡， 逆變器直流母線電壓基本穩(wěn)定在550 V 左右。 1.5 s 后，負(fù)荷變化導(dǎo)致光伏陣列容量出現(xiàn)缺額，逆變器直流母線穩(wěn)壓電容放電，導(dǎo)致直流母線電壓有所下降，并最終維持在500 V。

圖6，圖7 分別為逆變器輸出的電壓、電流波形。 在0～1.5 s，系統(tǒng)以額定電壓輸出電能；在1.5～2.0 s，系統(tǒng)功率供需關(guān)系失去平衡，輸出電壓以偏離額定值運(yùn)行輸出電能。 輸出電流隨負(fù)荷功率需求變化， 其變化規(guī)律與系統(tǒng)輸出功率變化規(guī)律相同。

圖6 負(fù)荷變化時(shí)逆變器輸出電壓Fig.6 Inverter output voltage when load changes

圖8 所示為逆變器和光伏陣列輸出功率的情況。 在0～1.5 s，負(fù)荷功率需求未超出光伏陣列的設(shè)計(jì)容量，系統(tǒng)輸出功率可及時(shí)跟隨負(fù)荷變化，以維持功率供需平衡。在1.5～2.0 s，負(fù)荷功率需求為4.5 kW，光伏陣列容量出現(xiàn)缺口，控制光伏陣列運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，為系統(tǒng)功率供需平衡提供支持，以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)的輸出功率Fig.8 Output power of system when load changes

當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)， 系統(tǒng)頻率響應(yīng)曲線如圖9 所示。 在0～0.5 s 和1.0～1.5 s，負(fù)荷功率需求等于光伏VSG 系統(tǒng)額定功率，系統(tǒng)輸出頻率經(jīng)過約0.2 s的調(diào)整后穩(wěn)定于50 Hz。 在0.5～1.0 s 和1.5～2.0 s，負(fù)荷功率需求大于光伏VSG 系統(tǒng)額定功率，經(jīng)過約0.2 s 的調(diào)整后分別穩(wěn)定于49.9 Hz 和49.8 Hz左右。系統(tǒng)頻率變化符合一次調(diào)頻規(guī)律，且頻率響應(yīng)曲線呈現(xiàn)明顯的慣性特征。

圖9 負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)Fig.9 Frequency response of system when load changes

3.2 光照強(qiáng)度變化

設(shè)置工況條件為環(huán)境溫度25 ℃，光照強(qiáng)度及負(fù)荷功率需求變化如表3 所示。

表3 光照強(qiáng)度及負(fù)荷變化情況Table 3 Variation of light intensity and load

（1）釆用MPPT 控制

基于MPPT 的PVVSG 控制結(jié)果如圖10 所示。 由于采用MPPT 控制，光伏陣列始終以最大功率輸出電能， 其輸出功率變化規(guī)律與光照強(qiáng)度變化規(guī)律相同。 光伏逆變器的輸出功率隨負(fù)荷功率需求變化，始終低于光伏陣列輸出功率。光伏陣列輸出功率盈余， 逆變器直流母線電容充電，導(dǎo)致直流母線電壓遠(yuǎn)高于光伏VSG 直流輸入電壓額定值，最高達(dá)到1 200 V 左右，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10 基于MPPT 的光伏VSG 控制結(jié)果Fig.10 Control results of photovoltaic VSG based on MPPT

（2）釆用FPPT 控制

圖11 為光照強(qiáng)度變化時(shí)光伏陣列輸出電壓與直流母線電壓波形。 光伏陣列端電壓一直維持在200～220 V， 表明系統(tǒng)始終運(yùn)行在光伏陣列功率-電壓特性曲線上最大功率點(diǎn)右側(cè)的穩(wěn)定區(qū)域。在0～2.0 s，負(fù)荷功率需求恒定為1.5 kW。采用FPPT 控制時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)夥嚵休敵龉β蔬M(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)功率供需關(guān)系維持平衡。逆變器直流母線電壓穩(wěn)定在550 V 左右， 達(dá)到直流輸入電壓要求。

圖11 光照強(qiáng)度變化時(shí)的光伏陣列電壓與直流母線電壓Fig.11 Photovoltaic array voltage and DC bus voltage when light intensity changes

圖12，圖13 分別為光照強(qiáng)度及負(fù)荷變化過程中逆變器輸出電壓和輸出電流波形。由圖12 可見， 光照強(qiáng)度的變化對系統(tǒng)輸出電壓具有一定的影響， 但基本上維持在額定工作電壓附近。 由圖13 可見，逆變器輸出電流波形變化規(guī)律與負(fù)荷保持一致。

圖12 光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)逆變器輸出電壓Fig.12 Output voltage of inverter when light intensity changes

圖13 光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)逆變器輸出電流Fig.13 Output current of inverter when light intensity changes

逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率的變化如圖14 所示。由圖14 可見，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)， 光伏陣列輸出功率始終與逆變器輸出功率保持一致，并同步響應(yīng)負(fù)荷功率需求。因逆變器直流側(cè)無儲能裝置， 故在光照強(qiáng)度發(fā)生變化的瞬間VSG 輸電功率具有一定的超調(diào)量，但在經(jīng)過大約0.05 s 的波動后迅速趨于穩(wěn)定。

圖14 光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)輸出功率Fig.14 output power of system when light intensity changes

光照強(qiáng)度變化時(shí)， 系統(tǒng)頻率響應(yīng)如圖15 所示。 在0～2.0 s，負(fù)荷保持功率需求恒定，雖然光照強(qiáng)度在此期間頻繁變化， 但系統(tǒng)頻率始終穩(wěn)定在50 Hz 左右。在2.0 s 時(shí)，負(fù)荷功率需求突增1 kW，系統(tǒng)輸出功率隨之提升。經(jīng)過約300 ms 動態(tài)調(diào)整后，頻率降至49.9 Hz 左右，系統(tǒng)頻率變化符合一次調(diào)頻規(guī)律且頻率響應(yīng)曲線呈現(xiàn)明顯慣性特征。

圖15 光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)Fig.15 Frequency response of system when light intensity changes

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)VSG 控制須配置足夠的儲能裝置，以平抑光伏源端隨機(jī)功率波動。本文提出了基于FPPT的VSG 控制策略，在不具備儲能裝置的情況下能實(shí)現(xiàn)分布式光伏系統(tǒng)直接并網(wǎng)運(yùn)行。 當(dāng)負(fù)荷與并網(wǎng)調(diào)度功率需求或外界光照條件等因素發(fā)生變化時(shí)， 使光伏陣列始終運(yùn)行在穩(wěn)定區(qū)域， 確保光伏VSG 系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。