兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制研究

芮 典，周 斌

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市臨安區(qū)供電公司，浙江 杭州 311300）

1 兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換器、直流/交流（Direct Current/ Alternating Current，DC/AC）逆變器以及電網(wǎng)連接組成[1]。光伏陣列是系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換單元，由多個光伏電池組成，能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)化為直流電能。DC/DC 變換器用于將光伏陣列輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為適合逆變器輸入的直流電壓，以提高系統(tǒng)的整體效率和適應(yīng)性。電網(wǎng)連接部分包括電網(wǎng)接入點、電網(wǎng)保護(hù)裝置和電能計量裝置等，可確保系統(tǒng)與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定連接。

兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作原理基于光伏陣列的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）和電網(wǎng)電壓同步。首先，光伏陣列將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為直流電能，并經(jīng)過DC/DC 變換器提供給逆變器。在光照條件變化時，MPPT 算法監(jiān)測光伏陣列的輸出功率，并調(diào)整DC/DC 變換器的工作點，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r追蹤光伏陣列的最大功率點，以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。逆變器將經(jīng)過MPPT 調(diào)節(jié)的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并通過電網(wǎng)接入點連接電網(wǎng)。在并網(wǎng)模式下，逆變器需要滿足與電網(wǎng)的電壓頻率和相位同步，并且將發(fā)電功率與電網(wǎng)需求進(jìn)行匹配，以保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2 兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制的應(yīng)用研究

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制的需求

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種可再生能源發(fā)電技術(shù)，在實際應(yīng)用中面臨著光照強度和溫度等外界環(huán)境的變化，導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出功率存在波動和不穩(wěn)定性的問題。為了提高系統(tǒng)的發(fā)電效率、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，有效控制光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換至關(guān)重要。

光伏陣列的輸出特性受光照強度、溫度等因素影響，其輸出功率呈現(xiàn)非線性特性。因此，采用MPPT算法可以實時追蹤光伏陣列的最大功率點，確保系統(tǒng)能夠以最高效率轉(zhuǎn)化太陽能為電能。常見的MPPT 算法包括擾動觀察（Perturb and Observe，P&O）算法、電導(dǎo)增量（Incremental Conductance，INC）算法等[2]。光伏發(fā)電系統(tǒng)需要與電網(wǎng)連接，將發(fā)電功率注入電網(wǎng)。在電網(wǎng)連接過程中，需要保證系統(tǒng)與電網(wǎng)的電壓、頻率和相位同步，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行并滿足電網(wǎng)的要求。同時，根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷需求，需要對發(fā)電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而與電網(wǎng)的功率匹配。這涉及逆變器的控制策略，如功率限制、無功功率調(diào)節(jié)等。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)可能會面臨故障，如光伏陣列故障、逆變器故障等。因此，功率變換控制需要具備故障檢測和故障處理的能力。通過監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的運行狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理和修復(fù)，確保系統(tǒng)的可靠性和安全性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)功率變換控制的需求分析包括最大功率點跟蹤、電網(wǎng)連接、功率調(diào)節(jié)以及故障檢測和處理。通過合理的控制策略和算法，可以優(yōu)化系統(tǒng)的發(fā)電效率、穩(wěn)定性和可靠性，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實際應(yīng)用價值。

2.2 常見的功率變換控制算法

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，功率變換控制算法起著關(guān)鍵作用，用于實現(xiàn)最大功率點跟蹤和有效的功率轉(zhuǎn)換。常見的功率變換控制算法主要有P&O 算法、INC 算法和開路電壓比率法（Fractional Open Circuit Voltage，F(xiàn)OCV）算法。

P&O 算法是最常見的功率變換控制算法之一。該算法基于不斷擾動光伏陣列輸出電壓或電流，觀察功率變化并判斷所處的工作點位置，從而不斷調(diào)整工作點，使光伏陣列能夠接近最大功率點。P&O 算法簡單易實現(xiàn)，但在快速變化的環(huán)境條件下可能產(chǎn)生振蕩，且對陰影等情況的響應(yīng)不理想。

INC 算法是一種改進(jìn)的最大功率點跟蹤算法，通過比較光伏陣列輸出電導(dǎo)率的變化率來確定最大功率點。INC 算法在光照強度變化較大的情況下具有較好的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，且能夠減少振蕩現(xiàn)象。然而，INC 算法對參數(shù)的精確調(diào)整要求較高，在光伏陣列存在多個最大功率點時可能無法準(zhǔn)確跟蹤。

FOCV 算法基于開路電壓的一部分實現(xiàn)最大功率點跟蹤，該算法不斷調(diào)整工作點，使開路電壓的一部分接近最大功率點。相比于P&O 算法，F(xiàn)OCV 算法能夠更準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點，但在光照條件變化劇烈時可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

除了最大功率點跟蹤算法，功率變換控制還涉及DC/DC 變換器和直流-交流逆變器的控制策略。常見的控制方法包括脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）控制、模塊化控制和MPPT 與逆變器控制的聯(lián)合策略等。光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換控制涉及多種算法和方法，其中最大功率點跟蹤算法是較關(guān)鍵的一部分。隨著技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步改進(jìn)這些算法，以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率、穩(wěn)定性和可靠性，推動光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

2.3 最大功率點跟蹤算法的基本原理與實現(xiàn)

MPPT 是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，用于追蹤光伏陣列的最大功率點，以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率和能量利用率。最大功率點跟蹤算法的基本原理是通過調(diào)整光伏陣列的工作點，使其在當(dāng)前光照和溫度條件下實現(xiàn)最大輸出功率[3]。光伏陣列的輸出功率與其電壓-電流特性曲線有關(guān)，曲線上存在一個最大功率點，即最大功率點。最大功率點的位置隨著環(huán)境條件的變化而變化，因此需要實時調(diào)整光伏陣列的工作點，以接近最大功率點。

P&O 算法在每個擾動周期內(nèi)增加或減小光伏陣列的電壓或電流，然后觀察功率的變化。如果功率增加，則繼續(xù)擾動同一方向；如果功率減小，則改變擾動方向。通過不斷調(diào)整光伏陣列的工作點，P&O 算法能夠逐漸接近最大功率點。然而，該算法可能在最大功率點附近產(chǎn)生振蕩，特別是在不穩(wěn)定的光照條件下。INC 算法不僅要考慮功率的變化，還要考慮光伏陣列輸出電導(dǎo)率的變化。該算法通過比較當(dāng)前電導(dǎo)率和前一時刻電導(dǎo)率的變化情況來確定工作點的調(diào)整方向。當(dāng)電導(dǎo)率的變化為0 時，表明光伏陣列接近最大功率點。通過不斷調(diào)整工作點，INC 算法能夠快速而準(zhǔn)確地找到最大功率點。模糊控制算法利用模糊邏輯實現(xiàn)最大功率點跟蹤。該算法根據(jù)輸入（光照強度和溫度）與輸出（光伏陣列電壓或電流）的關(guān)系，構(gòu)建模糊規(guī)則庫，然后根據(jù)當(dāng)前輸入值，并通過模糊推理得到相應(yīng)的輸出，從而實現(xiàn)光伏陣列工作點的調(diào)整。模糊控制算法能夠在不同的光照和溫度條件下實現(xiàn)良好的跟蹤效果，但需要進(jìn)行系統(tǒng)建模和規(guī)則庫的設(shè)計，計算復(fù)雜度較高。最大功率點跟蹤算法在光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換控制中起著至關(guān)重要的作用。不同的算法有各自的優(yōu)勢和適應(yīng)性，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)光照條件、成本和控制要求等因素進(jìn)行選擇。此外，算法的實現(xiàn)需要考慮計算復(fù)雜度、穩(wěn)定性和實時性等方面的問題。

3 基于最大功率點跟蹤算法的功率變換控制策略

3.1 系統(tǒng)控制框架的設(shè)計

系統(tǒng)控制框架指整個功率變換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成部分，包括光伏陣列、最大功率點跟蹤算法、功率變換器、控制器以及反饋環(huán)路等[4]?？刂瓶蚣艿脑O(shè)計旨在實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，并確保功率變換器能夠有效地將光伏陣列的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能并網(wǎng)。

光伏陣列模型是功率變換控制框架的基礎(chǔ)，描述了光伏陣列的電氣特性，并提供了光伏陣列輸出功率與輸入光照強度、溫度等因素之間的關(guān)系。典型的光伏陣列模型包括等效電路模型和數(shù)學(xué)模型。等效電路模型使用電流源、電壓源和電阻等元件來模擬光伏陣列的行為，數(shù)學(xué)模型利用數(shù)學(xué)方程來描述光伏陣列的輸出功率。根據(jù)實際情況和需求，選擇合適的光伏陣列模型對系統(tǒng)進(jìn)行建模。最大功率點跟蹤算法是功率變換控制策略的核心部分。在控制框架中，根據(jù)光伏陣列的輸出電流和電壓進(jìn)行實時測量，然后將這些測量值傳遞給最大功率點跟蹤算法。最大功率點跟蹤算法根據(jù)這些測量值計算出當(dāng)前最大功率點，并輸出相應(yīng)的控制信號。功率變換器是將光伏陣列的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能并網(wǎng)的關(guān)鍵組件。在功率變換控制框架中，需要設(shè)計適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠泶_保功率變換器能夠有效工作。系統(tǒng)控制框架通常通過反饋環(huán)路來實現(xiàn)閉環(huán)控制。反饋環(huán)路通過測量輸出電壓和電流，并將測量值與期望值進(jìn)行比較，實現(xiàn)系統(tǒng)的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)。通過反饋環(huán)路，系統(tǒng)可以及時響應(yīng)光照和負(fù)載變化，調(diào)整光伏陣列的工作點和功率變換器的輸出，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和最大功率輸出。

3.2 兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的功率變換控制策略

兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括光伏陣列、直流側(cè)的功率變換器（通常為DC/DC 變換器）和交流側(cè)的功率變換器（通常為DC/AC 變換器）。光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，并通過直流側(cè)的功率變換器進(jìn)行功率變換和最大功率點跟蹤控制。同時，交流側(cè)的功率變換器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。

在兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，直流側(cè)的功率變換器起著重要作用。功率變換控制策略的目標(biāo)是實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，并將輸出電能穩(wěn)定傳輸?shù)浇涣鱾?cè)。最常用的直流側(cè)功率變換控制策略是基于最大功率點跟蹤算法的控制方法，如P&O 算法和INC 算法。這些算法通過實時測量光伏陣列的電流和電壓，并根據(jù)最大功率點跟蹤算法的計算結(jié)果，調(diào)整直流側(cè)功率變換器的工作點，以實現(xiàn)最大功率輸出。交流側(cè)的功率變換器將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，并與電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)。功率變換控制策略的目標(biāo)是確保并網(wǎng)電流滿足電網(wǎng)的要求，并實現(xiàn)功率的穩(wěn)定注入。交流側(cè)功率變換器的控制通常采用電壓源控制和頻率控制2 種方式。電壓源控制旨在調(diào)整輸出電壓，使其與電網(wǎng)的電壓保持一致。頻率控制則用于調(diào)整輸出頻率，使其與電網(wǎng)的頻率匹配。這些控制策略可以基于傳統(tǒng)的比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）控制方法或先進(jìn)的控制算法進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)穩(wěn)定的并網(wǎng)操作。

3.3 控制策略的仿真分析

在進(jìn)行控制策略的仿真分析時，需要建立光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并選擇適當(dāng)?shù)姆抡嫫脚_進(jìn)行仿真實驗。光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括光伏陣列、功率變換器、電網(wǎng)等部分，同時考慮光照強度、溫度等影響因素。常用的仿真平臺包括MATLAB/Simulink、PSCAD 等[5]。

在進(jìn)行仿真分析時，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)姆抡鎱?shù)，并模擬不同的場景，包括光照強度變化、負(fù)載波動、故障情況等。通過調(diào)整仿真參數(shù)和場景模擬，可以評估控制策略在不同工況下的性能，再根據(jù)仿真實驗獲得光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同控制策略下的輸出功率、效率、響應(yīng)時間等性能指標(biāo)。將基于最大功率點跟蹤算法的控制策略與其他常見的控制策略進(jìn)行對比分析，評估其優(yōu)劣之處。常見的對比策略包括P&O算法、INC算法、模糊控制算法等。根據(jù)仿真分析的結(jié)果，可以對控制策略進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)果分析和優(yōu)化改進(jìn)。通過對比不同策略的性能差異，可以找出存在的問題，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。

4 結(jié) 論

通過對光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，了解功率變換控制的需求。在應(yīng)用研究中，介紹了常見的功率變換控制算法，如P&O 算法、INC 算法和模糊控制算法。此外，基于最大功率點跟蹤算法設(shè)計了系統(tǒng)控制框架和功率變換控制策略，并進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明，基于最大功率點跟蹤算法的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率輸出和穩(wěn)定并網(wǎng)運行。