光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略及并網(wǎng)研究

彭 博

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種分布式能源系統(tǒng)，其可靠性、穩(wěn)定性和運行性能對能源供給的安全與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，由于太陽能的不穩(wěn)定性和光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的相互作用，系統(tǒng)的控制策略和并網(wǎng)技術(shù)成為保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。因此，深入研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略和并網(wǎng)技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性和性能，對推動清潔能源發(fā)展具有重要意義。

一、光伏發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)概述

（一）光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏效應(yīng)將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由光伏電池板、電池組、逆變器、電網(wǎng)連接器等組件組成。光伏電池板是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，由多個光伏電池組成，光伏電池是由半導(dǎo)體材料制成的，當太陽光照射到光伏電池上時，光子的能量被半導(dǎo)體材料吸收，激發(fā)出電子與空穴，這些帶電的電子和空穴的運動產(chǎn)生電流，這就是光伏效應(yīng)。光伏電池板將光能轉(zhuǎn)化為直流電能，然后通過電池組進行儲存，電池組通常使用鉛酸蓄電池或鋰離子電池來存儲電能，當需要使用電能時，儲存在電池組中的直流電能通過逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能，以滿足家庭、企業(yè)或公共設(shè)施的用電需求[1]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器扮演著重要的角色，逆變器可將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，以適應(yīng)電網(wǎng)的供電標準，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與電網(wǎng)的連接，并監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)、輸出功率等，且具備保護功能，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)還需要與電網(wǎng)連接，以便實現(xiàn)電能的雙向流動，當光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能超過自身用電需求時，多余的電能可以注入電網(wǎng)，供其他用戶使用；而在夜間或光照較弱，光伏發(fā)電系統(tǒng)無法滿足用電需求時，可從電網(wǎng)中獲取電能。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能是一種可再生的能源，用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電，可實現(xiàn)長期穩(wěn)定的電力供應(yīng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分布于我國的各個地方，如建筑物的屋頂、農(nóng)田、沙漠等，可有效減少電能輸送損耗，降低了輸電線路的壓力，且可以更好地適應(yīng)當?shù)氐挠秒娦枨?。而且，光伏發(fā)電過程中幾乎沒有任何排放物質(zhì)，不會產(chǎn)生二氧化碳、污染物等有害物質(zhì)的排放，對環(huán)境沒有負面影響，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)無需燃燒燃料，工作時非常安靜，不會產(chǎn)生噪音污染，適合在對噪音敏感的地區(qū)使用，如居民區(qū)、醫(yī)院等。同時，光伏電池板的壽命通?？蛇_到25年以上，光伏發(fā)電系統(tǒng)幾乎不需要維護，且沒有移動部件，系統(tǒng)的損耗相對較小，運行穩(wěn)定可靠。在適當?shù)臈l件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可滿足建筑物自身的用電需求，甚至可產(chǎn)生多余的電能供其他用戶使用，從而降低對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的依賴，減少電力供應(yīng)的不確定性。

二、光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

（一）最大功率點跟蹤控制

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵策略，光伏電池的輸出功率受到光照強度、溫度和電池工作點等因素的影響，MPPT控制策略通過實時監(jiān)測、分析和調(diào)整光伏電池的工作點，以使其輸出功率達到最大值，從而實現(xiàn)最高的能量轉(zhuǎn)換效率[2]。MPPT控制策略的核心技術(shù)是利用電流-電壓（I-V）曲線來確定光伏電池的最大功率點（MPP），該曲線描述了光伏電池在不同電壓和電流下的輸出特性，通過不斷調(diào)整電池工作點，使其電流和電壓在MPP附近波動，以獲得最大輸出功率。在實際應(yīng)用中，MPPT控制策略通常通過電子電路或者微控制器實現(xiàn)，具體來說，MPPT控制器會根據(jù)實時的光照強度和溫度等環(huán)境信息，計算出當前的最大功率點，并相應(yīng)地調(diào)整電池的工作點，以使其輸出功率達到最大。常見的MPPT控制算法包括Perturb&Observe（P&O）算法和Incremental Conductance（IncCond）算法等，P&O算法通過改變電池電壓的微小變化來觀察功率變化的方向，從而找到最大功率點；而IncCond算法則是通過考慮電池的增量電導(dǎo)率來跟蹤最大功率點，以實現(xiàn)更準確的控制。總之，MPPT控制策略是光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的控制策略，通過實時監(jiān)測和調(diào)整光伏電池的工作點，以確保其輸出功率達到最大化，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和性能。

（二）頻率控制和功率控制

在與電網(wǎng)或微電網(wǎng)系統(tǒng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，頻率控制十分重要。頻率是電力系統(tǒng)運行的一個關(guān)鍵參數(shù)，如果頻率超出正常范圍，可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰或設(shè)備損壞，且光伏發(fā)電系統(tǒng)需要通過不同的控制策略來確保輸出的電力與電網(wǎng)或微電網(wǎng)的頻率保持一致，如調(diào)整電力電子設(shè)備（如逆變器）的工作點或輸出功率，使其與電網(wǎng)的頻率保持同步。而光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率控制策略可以分為兩種類型，一種是在獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制功率的輸出，另一種是在與電網(wǎng)或微電網(wǎng)系統(tǒng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制功率的注入。在獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，功率控制策略通常包括最大功率點跟蹤（MPPT）和功率限制控制。最大功率點跟蹤策略旨在確保光伏電池的輸出功率達到最大值，從而提高系統(tǒng)的能量利用率，而功率限制控制策略則用于限制光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，以確保系統(tǒng)在負載變化或故障情況下保持穩(wěn)定運行。在與電網(wǎng)或微電網(wǎng)系統(tǒng)連接的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，功率控制的目標是使光伏系統(tǒng)的功率與電網(wǎng)或微電網(wǎng)的需求相匹配，包括調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率以響應(yīng)電網(wǎng)或微電網(wǎng)的需求變化，并保持電網(wǎng)或微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，常見的功率控制策略包括電壓和頻率響應(yīng)控制、有功功率和無功功率控制等。

（三）電流和電壓保護控制

電流和電壓保護控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要手段，旨在確保系統(tǒng)在出現(xiàn)異常情況時能夠及時作出反應(yīng)，以保護系統(tǒng)設(shè)備和維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障、不恰當?shù)倪\行或維護、電壓波動等現(xiàn)象時，系統(tǒng)電壓超過安全工作范圍的情況，便會出現(xiàn)過電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器通常具有過電壓保護功能，一旦檢測到過電壓情況，逆變器會自動通過斷開電路或降低輸出功率等方式進行保護。當光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障、降低光照強度、長線路電阻等現(xiàn)象時，電壓低于安全工作范圍的情況，便會引起低電壓，而逆變器具備低電壓保護功能，當系統(tǒng)電壓過低時，逆變器會采取措施以保護設(shè)備和維持系統(tǒng)的正常運行。當光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電路短路、設(shè)備故障、外部故障等現(xiàn)象時，系統(tǒng)中的電流超過設(shè)備能夠承受的額定電流，便會引起過電流，逆變器也具備過電流保護功能，一旦檢測到過電流情況，逆變器會自動采取措施，如斷開電路或減小輸出功率，以防止設(shè)備過載或損壞。其次，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電流平衡也是確保光伏發(fā)電系統(tǒng)中各組件負載電流均勻分配的重要手段，當系統(tǒng)中某些組件的電流明顯大于其他組件時，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降、發(fā)熱過度或設(shè)備故障等問題，而逆變器則可以實時監(jiān)測和調(diào)整電流平衡，如通過調(diào)整組件的連接方式或調(diào)整組件的輸出功率。總之，電流和電壓保護控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的保護機制，通過實時監(jiān)測和快速反應(yīng)，保護系統(tǒng)設(shè)備免受電壓過高、過低、電流過大或短路等異常情況的影響，從而確保系統(tǒng)的安全運行并維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（四）大風(fēng)自動停機保護

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池組件通常是通過支架和安裝結(jié)構(gòu)固定在地面或屋頂上，使得光伏電池組件通常會受到自然環(huán)境的影響，如大風(fēng)或暴雨，光伏電池組件便可能受到風(fēng)壓的作用產(chǎn)生損壞，為了避免這種損失，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般都配有大風(fēng)自動停機保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由風(fēng)速傳感器和控制器組成。風(fēng)速傳感器安裝在光伏電池組件支架或發(fā)電系統(tǒng)附近，用于實時監(jiān)測風(fēng)速變化，當風(fēng)速超過安全范圍時，傳感器會向控制器發(fā)送信號，控制器接收到信號后，會發(fā)送指令給逆變器或其他設(shè)備，使其自動停機或關(guān)閉，從而減少光伏電池組件損壞的風(fēng)險，保護系統(tǒng)的安全和可靠。同時，大風(fēng)自動停機保護系統(tǒng)還可以防止電網(wǎng)擾動和電力質(zhì)量問題產(chǎn)生，確保系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，延長光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。

（五）儲能系統(tǒng)控制

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)可將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量儲存起來，在需要時進行釋放，以滿足負荷需求或應(yīng)對電網(wǎng)波動，一般用于管理和調(diào)度儲能系統(tǒng)的能量流動，提高系統(tǒng)的自供能能力和供電穩(wěn)定性。當光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過負荷需求時，可利用多余的能量給儲能系統(tǒng)充電，儲能系統(tǒng)會實時監(jiān)測光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負荷需求，根據(jù)電力供需平衡，決定是否將多余的電能導(dǎo)向儲能系統(tǒng)進行儲存。而在負載需要電能的時候，儲能系統(tǒng)會監(jiān)測負載需求和電網(wǎng)情況，根據(jù)電力供需平衡，調(diào)度儲能系統(tǒng)的放電過程，以滿足電力需求，并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[3]。同時，儲能系統(tǒng)會根據(jù)電網(wǎng)電價、光伏發(fā)電量、負荷需求等因素，確定最佳的儲能系統(tǒng)功率調(diào)度策略，實現(xiàn)對能量的管理和優(yōu)化，最大限度地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和能量利用率。此外，儲能系統(tǒng)通常以電池作為能量儲存媒介，因此電池管理是其中的重要一環(huán)，包括電池的充放電控制、電池溫度、電池容量和狀態(tài)的實時監(jiān)測等，以確保儲能系統(tǒng)的電池安全、壽命和性能。

三、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

（一）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)通常分為獨立式、并聯(lián)式和混合式，其中獨立式并網(wǎng)（Stand-Alone Grid-Connected）拓撲結(jié)構(gòu)指光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再將交流電直接注入獨立的電網(wǎng)中，一般適用于遠離主電網(wǎng)或沒有電網(wǎng)供電的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可獨立為當?shù)仉娋W(wǎng)提供電力。其次，并聯(lián)式并網(wǎng)（Parallel Grid-Connected）拓撲結(jié)構(gòu)指光伏發(fā)電系統(tǒng)通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再與主電網(wǎng)并聯(lián)連接，在此拓撲結(jié)構(gòu)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過電網(wǎng)提供電力，并從電網(wǎng)獲取所需的電能，該并網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)最常見，適用于大多數(shù)商業(yè)和住宅應(yīng)用。此外，混合式并網(wǎng)（Hybrid Grid-Connected）拓撲結(jié)構(gòu)是將光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如風(fēng)力發(fā)電）或儲能系統(tǒng)相結(jié)合使用的一種形式，并通過混合多種能源的優(yōu)勢，提供更穩(wěn)定、可靠的電網(wǎng)供電，還可以用來儲存光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量或平衡電網(wǎng)波動[4]。

（二）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計涉及多個方面，一般有光伏陣列設(shè)計、逆變器選擇和電網(wǎng)連接和配網(wǎng)設(shè)計。在光伏陣列設(shè)計中，首先需要確定光伏陣列的大小、布局和方向，以最大限度地獲取太陽能，確保陣列的可靠性和效率，并選擇合適的光伏電池和支架，綜合考慮太陽輻射陰影和傾斜角度等因素。同時，選擇符合光伏陣列容量和性能要求的逆變器，逆變器的選擇應(yīng)考慮其轉(zhuǎn)換效率、并網(wǎng)能力、MPPT控制和保護功能等，并確定與電網(wǎng)的接口方案和連接要求，該過程涉及電網(wǎng)連接點的選擇、并網(wǎng)控制策略以及與電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定連接。其次，設(shè)計并實施適當?shù)呐渚W(wǎng)系統(tǒng)，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能能夠有效、穩(wěn)定地注入電網(wǎng)中，包括配電盤的設(shè)計和布置、電能計量設(shè)備的安裝、保護設(shè)備和機械安全設(shè)備的配備等。此外，還需確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，包括最大功率點跟蹤（MPPT）控制、電壓和頻率控制、功率限制控制等，以確保系統(tǒng)在允許范圍內(nèi)運行，提高能量轉(zhuǎn)換效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

（三）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真與分析

在進行光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真分析時，首先需要根據(jù)實際系統(tǒng)參數(shù)和組件特性，建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，包括光伏陣列模型、逆變器模型、清洗模型、電網(wǎng)模型和負載模型等，并確定仿真所需的輸入?yún)?shù)，如太陽輻射、溫度、光照條件和電網(wǎng)參數(shù)等，可根據(jù)實際情況設(shè)定仿真時段、時間步長和數(shù)據(jù)采集間隔等參數(shù)。其次，可通過仿真軟件運行該模型，如PSCAD、MATLAB/Simulink、PVsyst等，用于模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同條件下的運行情況，并通過改變輸入?yún)?shù)、調(diào)整控制策略等來評估系統(tǒng)的性能。此外，還需分析仿真結(jié)果，評估系統(tǒng)的性能指標，包括電能產(chǎn)量、光伏陣列效率、逆變器效率、功率因數(shù)、電壓和頻率穩(wěn)定性等，并對比不同設(shè)計方案或控制策略的性能差異，找出系統(tǒng)的優(yōu)化方向。最后，通過修改仿真模型中的參數(shù)或添加故障元素，模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)的故障情況，如陣列故障、逆變器故障、電網(wǎng)故障等，并通過調(diào)整MPPT算法參數(shù)、電壓/頻率控制策略、功率限制策略等措施，優(yōu)化系統(tǒng)運行，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

結(jié)語

為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)安全性和可靠性，一般可采用最大功率點跟蹤，算法、電壓和頻率控制策略以及功率限制等措施，以確保系統(tǒng)的正常運行。而對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，需對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，采用一定的控制策略和并網(wǎng)技術(shù)，以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，實現(xiàn)系統(tǒng)與電網(wǎng)的安全高效互聯(lián)，促進清潔能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。