分布式光伏電源并網(wǎng)控制措施探究

邱 哲

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司濱海新區(qū)分公司（天津），天津 300072）

0 引 言

本研究旨在對分布式光伏電源并網(wǎng)控制措施進行綜合探究，系統(tǒng)地介紹其技術(shù)原理、分類和特點，深入剖析網(wǎng)側(cè)、機側(cè)、負荷側(cè)以及集中式控制策略，并探討實際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和解決方案。通過對已有的研究成果和實際應(yīng)用案例進行綜合總結(jié)，為進一步推動分布式光伏電源并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供參考，促進可再生能源的可持續(xù)利用，實現(xiàn)能源的清潔、低碳、高效利用。

1 分布式光伏電源并網(wǎng)控制技術(shù)概述

分布式光伏電源并網(wǎng)控制技術(shù)是將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與電力網(wǎng)連接并有效、安全、穩(wěn)定地進行并網(wǎng)運行的一系列技術(shù)措施。其主要目的是確保光伏電源系統(tǒng)能夠按照電力網(wǎng)的要求進行電能注入和電能提取，同時保護電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行。在分布式光伏電源并網(wǎng)控制技術(shù)中，包括了多個方面的控制措施，如網(wǎng)側(cè)控制、機側(cè)控制、負荷側(cè)控制以及集中式控制等。

（1）網(wǎng)側(cè)控制。網(wǎng)側(cè)控制主要監(jiān)測、控制和保護光伏電源系統(tǒng)與電力網(wǎng)之間的電流、電壓、功率等參數(shù)。網(wǎng)側(cè)控制通常包括功率因數(shù)控制、有功功率控制、無功功率控制等，以確保光伏電源系統(tǒng)能夠滿足電力網(wǎng)的要求，并保障電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（2）機側(cè)控制。機側(cè)控制主要控制和管理光伏電源系統(tǒng)內(nèi)部的逆變器，以實現(xiàn)對光伏電能的轉(zhuǎn)換和注入電力網(wǎng)。機側(cè)控制通常包括逆變器的電流控制、電壓控制、頻率控制等，以確保逆變器的運行穩(wěn)定和與電力網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行。

（3）負荷側(cè)控制。負荷側(cè)控制主要管理和調(diào)度光伏電源系統(tǒng)輸出的電能，以滿足負荷需求并確保電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行。負荷側(cè)控制通常包括了負荷管理、電能儲存管理、負荷優(yōu)化等，可以實現(xiàn)對負荷的靈活控制和調(diào)度[1]。

（4）集中式控制。集中式控制主要通過遠程監(jiān)控和管理系統(tǒng)集中控制和協(xié)調(diào)管理多個分布式光伏電源系統(tǒng)。同時，可以監(jiān)測和管理光伏電源系統(tǒng)的運行狀態(tài)、性能和故障，從而實現(xiàn)光伏電源系統(tǒng)的整體優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制。

2 分布式光伏電源并網(wǎng)控制措施

2.1 網(wǎng)側(cè)控制策略

光伏電源并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響較大，因此采取合適的網(wǎng)側(cè)控制策略對光伏電源系統(tǒng)進行有效的控制和管理至關(guān)重要。網(wǎng)側(cè)控制策略主要包括有功和無功控制、頻率、電壓控制等。

（1）有功控制。其對光伏電源系統(tǒng)的有功功率進行控制，以確保其滿足電力網(wǎng)的要求。有功控制通常采用功率反饋控制和電壓反饋控制2 種方式。功率反饋控制通過控制光伏電源系統(tǒng)的輸出功率，使其與電力網(wǎng)的需求保持一致，從而實現(xiàn)有功功率的控制。電壓反饋控制通過控制光伏電源系統(tǒng)的輸出電壓，使其與電力網(wǎng)的電壓保持一致，從而實現(xiàn)有功功率的控制。有功控制可以實現(xiàn)光伏電源系統(tǒng)的有序注入和電能提取，保障電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

（2）無功控制。其對光伏電源系統(tǒng)的無功功率進行控制，以滿足電力網(wǎng)的無功需求。無功控制通常包括無功功率調(diào)節(jié)和功率因數(shù)調(diào)節(jié)2 種方式。無功功率調(diào)節(jié)通過控制光伏電源系統(tǒng)的無功功率輸出，使其與電力網(wǎng)的無功需求相匹配。功率因數(shù)調(diào)節(jié)控制光伏電源系統(tǒng)的功率因數(shù)，使其維持在合理的范圍內(nèi)，從而避免對電力網(wǎng)的無功負荷造成影響[2]。

（3）頻率控制。其對光伏電源系統(tǒng)的輸出頻率進行控制，以確保其與電力網(wǎng)的頻率保持一致。頻率控制通常采用頻率反饋控制和直接調(diào)制控制2種方式。頻率反饋控制通過監(jiān)測電力網(wǎng)的頻率，并根據(jù)其變化來調(diào)整光伏電源系統(tǒng)的頻率輸出，使其與電力網(wǎng)同步。直接調(diào)制控制直接控制光伏電源系統(tǒng)的輸出頻率，使其與電力網(wǎng)的頻率保持一致。頻率控制對于保障電力網(wǎng)的頻率穩(wěn)定具有重要意義。

（4）電壓控制。其對光伏電源系統(tǒng)的輸出電壓進行控制，以確保其與電力網(wǎng)的電壓保持一致。電壓控制通常包括電壓反饋控制和直接調(diào)制控制2種方式。電壓反饋控制監(jiān)測電力網(wǎng)的電壓變化情況，并將光伏電源系統(tǒng)的輸出電壓調(diào)整與電力網(wǎng)的電壓一致。直接調(diào)制控制直接控制光伏電源系統(tǒng)的輸出電壓，使其與電力網(wǎng)的電壓保持一致。電壓控制對于保障電力網(wǎng)的電壓穩(wěn)定具有重要意義。

2.2 機側(cè)控制策略

機側(cè)控制策略指光伏電源系統(tǒng)中逆變器的控制策略，包括最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）和逆變器輸出控制等。這些策略對于光伏電源系統(tǒng)的高效能輸出和對電力網(wǎng)的可靠并網(wǎng)具有重要作用。

（1）MPPT 策略。該策略是一種通過調(diào)整光伏電池陣列的工作狀態(tài)，在不同光照條件下始終工作在最大功率點的控制策略。光伏電池陣列在不同光照條件下具有不同的電壓-電流特性曲線，因此需要通過MPPT控制策略實時跟蹤光伏電池陣列的最大功率點，從而保證系統(tǒng)能夠以最大的光伏發(fā)電效率工作。常見的MPPT 控制策略包括基于估計法、基于掃描法、基于模型預(yù)測控制等。這些策略實時監(jiān)測和計算光伏電池陣列的電壓、電流和功率等參數(shù)，從而調(diào)整逆變器的工作狀態(tài)，使光伏電源系統(tǒng)在不同光照條件下始終工作在最大功率點，實現(xiàn)光伏電源的高效輸出[3]。

（2）逆變器輸出控制策略。該策略對逆變器輸出電壓、電流等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以保障光伏電源系統(tǒng)的并網(wǎng)安全和穩(wěn)定。逆變器作為將光伏電池陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入電力網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其輸出控制對于確保光伏電源系統(tǒng)與電力網(wǎng)的安全連接至關(guān)重要。逆變器輸出控制通常包括電壓控制、電流控制、頻率控制等，這些控制策略可以通過比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）控制、模型預(yù)測控制、滑?？刂频确绞綄崿F(xiàn)。逆變器輸出控制策略的合理設(shè)計和實施可以確保光伏電源系統(tǒng)與電力網(wǎng)的穩(wěn)定互聯(lián)互通，并對電力網(wǎng)的電壓、電流、頻率等參數(shù)產(chǎn)生積極影響。

2.3 負荷側(cè)控制策略

負荷側(cè)控制策略指在分布式光伏電源系統(tǒng)并網(wǎng)時，對負荷側(cè)進行的控制策略，包括負荷側(cè)優(yōu)先供電策略和負荷側(cè)管理策略等。這些策略旨在確保負荷得到穩(wěn)定供電，同時充分利用光伏電源系統(tǒng)的電能輸出。

（1）負荷側(cè)優(yōu)先供電策略。該策略指在分布式光伏電源系統(tǒng)并網(wǎng)時，優(yōu)先滿足負荷的用電需求。該策略通常通過負荷側(cè)電能管理系統(tǒng)（Load-side Energy Management System，LEMS）實現(xiàn)，通過對負荷側(cè)電能需求的實時監(jiān)測和預(yù)測，控制光伏電源系統(tǒng)的輸出功率，使其足夠滿足負荷需求，并將多余的電能注入電力網(wǎng)。負荷側(cè)優(yōu)先供電策略可以確保負荷的穩(wěn)定供電，降低對電力網(wǎng)的依賴，同時最大限度地利用光伏電源系統(tǒng)的電能輸出。

（2）負荷側(cè)管理策略。該策略通過管理和調(diào)整負荷側(cè)的能耗和符合，從而實現(xiàn)光伏電源系統(tǒng)的控制。這種策略通常包括負荷側(cè)的能耗管理、負荷的啟停控制、負荷的時段調(diào)整等。通過合理的負荷側(cè)管理策略，可以調(diào)整負荷的用電行為，使其在光伏電源系統(tǒng)輸出充足的情況下優(yōu)先使用自身產(chǎn)生的電能，減少對電力網(wǎng)的需求，從而實現(xiàn)負荷側(cè)的能耗優(yōu)化。

2.4 集中式控制策略

集中式控制策略是一種通過中央控制系統(tǒng)對分布式光伏電源進行統(tǒng)一管理和控制的先進方式。

首先，通過集中式監(jiān)控系統(tǒng)，可以對多個光伏電源系統(tǒng)進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析，從而了解系統(tǒng)的運行狀態(tài)、發(fā)電效率等關(guān)鍵信息。這種實時監(jiān)控可以幫助運維人員及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，確保光伏電源系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

其次，中央控制系統(tǒng)可以基于集中式監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對光伏電源系統(tǒng)進行遠程調(diào)度和控制。例如，通過遠程控制逆變器的輸出功率、電壓、頻率等參數(shù)，可以靈活調(diào)整光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電能力，以滿足電力網(wǎng)的需求和系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性要求。這種遠程控制的方式可以提高光伏電源系統(tǒng)的靈活性和響應(yīng)速度，適應(yīng)電力網(wǎng)的實時調(diào)度和變化需求[4]。

最后，集中式控制策略可以進行能量管理和優(yōu)化調(diào)度。通過中央控制系統(tǒng)對光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電功率進行精細調(diào)度和管理，可以最大化利用太陽能資源，優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性。例如：在電力網(wǎng)需求低谷期間，可以將光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電功率調(diào)整到最大值，提高自給自足率；在電力網(wǎng)需求高峰期間，可以適度降低光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電功率，避免對電力網(wǎng)造成過大的影響。這種能量管理和優(yōu)化調(diào)度的策略可以使光伏電源系統(tǒng)更加智能化和高效化，進一步提高可再生能源的利用效率。

3 分布式光伏電源并網(wǎng)控制的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

分布式光伏電源并網(wǎng)控制面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，包括MPPT 管理、逆變器控制、通信和協(xié)同控制以及并網(wǎng)電力管理等方面。以下是主要挑戰(zhàn)及其解決方案。

（1）MPPT 管理。光伏電源系統(tǒng)的輸出功率受到光照條件、溫度等多種因素的變化影響，因此如何實現(xiàn)高效的MPPT 跟蹤成為一個重要的挑戰(zhàn)。解決方案可以采用基于模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）、擾動觀測法（Perturb and Observe，P&O）、增量阻尼法（Incremental Conductance，IncCond）等高效的MPPT 算法，實時調(diào)整光伏電源系統(tǒng)的工作點，使其保持在最大功率點附近，從而提高系統(tǒng)的能源產(chǎn)出效率[5]。

（2）逆變器控制。逆變器是將光伏電源系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電并注入電力網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其控制對于確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運行至關(guān)重要。解決方案可以采用先進的逆變器控制策略，包括電壓控制、頻率控制、功率因數(shù)控制等，以保障光伏電源系統(tǒng)的并網(wǎng)安全性和電能質(zhì)量。

（3）通信和協(xié)同控制。分布式光伏電源系統(tǒng)通常包括多個光伏電池組成的微電網(wǎng)，需要進行協(xié)同控制和通信，以實現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化和協(xié)調(diào)運行。因此，可以采用先進的通信技術(shù)和協(xié)同控制算法，如分布式控制、虛擬同步發(fā)電機控制等，以實現(xiàn)光伏電源系統(tǒng)的協(xié)同運行，提高系統(tǒng)的可靠性和性能。

（4）并網(wǎng)電力管理。光伏電源系統(tǒng)并網(wǎng)后，需要與電力網(wǎng)進行有效的電力管理，包括對電力網(wǎng)電壓、頻率、功率等參數(shù)的控制。解決方案可以采用先進的電力管理技術(shù)，如電網(wǎng)側(cè)有功無功控制、電壓頻率控制等，以保障光伏電源系統(tǒng)與電力網(wǎng)的安全穩(wěn)定連接。電網(wǎng)側(cè)有功無功控制可以根據(jù)電力網(wǎng)的需求，調(diào)整光伏電源系統(tǒng)的輸出功率，并根據(jù)電力網(wǎng)的功率因數(shù)要求，實現(xiàn)功率因數(shù)控制，以減小對電力網(wǎng)的影響。此外，電壓頻率控制可以保持光伏電源系統(tǒng)注入電力網(wǎng)的電壓和頻率在合理范圍內(nèi)，以確保電力網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

分布式光伏電源系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)是實現(xiàn)可再生能源高效利用和電力網(wǎng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。文章探討最大功率點跟蹤、逆變器控制、通信和協(xié)同控制以及并網(wǎng)電力管理等技術(shù)挑戰(zhàn)，并提出了相應(yīng)的解決方案。通過采用高效的MPPT 算法、先進的逆變器控制策略、協(xié)同控制算法和電力管理技術(shù)，可以實現(xiàn)光伏電源系統(tǒng)與電力網(wǎng)之間的高效能量交互，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。然而，仍然存在一些挑戰(zhàn)，如多光伏電池之間的信息交流和協(xié)同控制、新能源法律法規(guī)和政策的不斷演變等。因此，未來需要進一步研究和創(chuàng)新，不斷完善分布式光伏電源系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)，推動可再生能源的廣泛應(yīng)用和電力網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。