正常與故障工況下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)

徐智華

（江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力工程系，江西 南昌）

太陽能因其清潔環(huán)保、取之不盡、利用率高等優(yōu)點(diǎn)在電力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，截止2023 年第一季度，我國光伏發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)到4.4 億千瓦，對滿足各行各業(yè)用電需求方面發(fā)揮了重要作用。在光伏并網(wǎng)過程中，由于光伏測和并網(wǎng)側(cè)的功率不平衡，容易發(fā)生電壓跌落故障，除了影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，如果跌落深度較大還有可能燒毀電力設(shè)備或電力線纜，給電力公司和電力用戶造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，加強(qiáng)正常工況和故障工況下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行控制水平，尤其是在發(fā)生電壓跌落故障后及時(shí)向電網(wǎng)注入功率使電壓恢復(fù)，才能切實(shí)保障電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。

1 正常工況下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制

1.1 控制策略的選擇

光伏系統(tǒng)的輸出功率會(huì)受到外界環(huán)境（如光照強(qiáng)度、溫度等）的影響，要想達(dá)到光電轉(zhuǎn)化效率的最大化，必須讓光伏系統(tǒng)始終在最大功率點(diǎn)（MPP）處工作，即最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)。目前常用的MPPT 算法有電導(dǎo)增量法、擾動(dòng)觀測法、恒定電壓法等若干種，但是在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的缺陷。以擾動(dòng)觀測法為例，對擾動(dòng)步長有嚴(yán)格要求，步長較小需要花費(fèi)更多的尋優(yōu)時(shí)間；步長較大則會(huì)出現(xiàn)震蕩情況，影響系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。本文提出了一種基于模型預(yù)測的MPPT 控制策略，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的方式，建立基于PI 控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用直接電流控制模式，一方面能顯著加快光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)速度，另一方面又能改善并網(wǎng)電流的質(zhì)量[1]。

1.2 模型的構(gòu)建

在dq 坐標(biāo)系中建立PI 控制器模型，考慮到該數(shù)學(xué)模型的d 軸和p 軸之間有強(qiáng)耦合關(guān)系，采用“前饋解耦”原理消除耦合影響。該模型為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電壓外環(huán)負(fù)責(zé)保證直流母線電壓的穩(wěn)定性，電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)進(jìn)行功率的解耦控制。利用MPPT 技術(shù)改變直流母線電壓的參考值（Udc-ref），利用外環(huán)控制有功電流的參考值（idc-ref），保證電壓和電流的可調(diào)性。電流內(nèi)環(huán)輸出信號經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制后，變成逆變器可識別的控制信號，根據(jù)該信號實(shí)現(xiàn)對逆變器工作狀態(tài)的控制。

1.3 參數(shù)的設(shè)計(jì)

在脈沖寬幅調(diào)制（PWM）控制模式下，控制電路的傳遞函數(shù)可表示為：

式中，KPWM為調(diào)制比，在PWM 調(diào)制模式下取1；TPWM表示慣性時(shí)間常數(shù)，為逆變器開關(guān)周期的1/2。用PI 零點(diǎn)抵消傳遞函數(shù)極點(diǎn)的電流控制，可得：

式中，L 為濾波電感，R 為濾波電感的內(nèi)阻抗，Kii為PI控制參數(shù)；Kip為電流環(huán)控制參數(shù)，τi為電流時(shí)間常數(shù)。利用上式求得Kip的參考值，即可實(shí)現(xiàn)對PI 電流環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)。按照同樣的方式也能求得電壓環(huán)的控制參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對PI 電壓環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)，電壓外環(huán)控制圖如圖1 所示。

圖1 電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖1 中Udcref表示輸入電壓，Udc表示直流電壓，K為常量，s 表示電壓采樣時(shí)間，C 表示儲(chǔ)能電容，Tevs表示電壓采樣周期，Kvp表示電壓環(huán)控制參數(shù)，τv為電壓時(shí)間常數(shù)。

1.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

在逆變器并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下，光伏系統(tǒng)中的儲(chǔ)能設(shè)備（蓄電池）會(huì)利用“DC-DC”雙向變換器保證直流側(cè)母線電壓的恒定，帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 中S1、S2、S3表示NPN 型三極管；Cpv和Cdc表示光伏儲(chǔ)能電容；D1、D2、D3表示普通二極管；L 和L2表示電感；E 表示直流電源。并網(wǎng)逆變器的儲(chǔ)能電路采用“功率外環(huán)+電流內(nèi)環(huán)”的雙環(huán)控制模式[2]。以外環(huán)功率作為參考值，將蓄電池電壓的采樣值與參考功率坐商，即可求出蓄電池的輸出電流，即：

式中，ib表示蓄電池輸出電流，Pb*表示參考功率，u 表示電壓采樣值。然后再將輸出電流與蓄電池電流的參考值作差，所得結(jié)果輸入到PI 控制器中，進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可以得到開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)需要儲(chǔ)能時(shí)，給開關(guān)一個(gè)導(dǎo)通信號，控制開關(guān)管從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。當(dāng)儲(chǔ)能結(jié)束，或者是達(dá)到儲(chǔ)能系統(tǒng)的上限后，開關(guān)管自動(dòng)關(guān)斷。

1.5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述控制策略的可行性，本文使用Matlab 軟件建立了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)設(shè)定如下：

（1） 直流電壓，800 V；

（2） 逆變器濾波電容，17e-6F；

（3） 逆變器濾波電感，0.16 mH；

（4） 內(nèi)環(huán)PI 控制參數(shù)，67.2/231.4；

（5） 外環(huán)PI 控制參數(shù)，11.5/625；

（6） 開關(guān)頻率，10 KHz；

（7） 電網(wǎng)電壓，380 V；

（8） 電網(wǎng)頻率，50 Hz。

統(tǒng)計(jì)仿真開始后1 s 內(nèi)直流母線電壓的變化情況，如圖3 所示。

圖3 直流母線電壓

由圖3 可知，在基于電網(wǎng)電壓定向適量控制下，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能迅速相應(yīng)控制指令，在0.4 s 時(shí)即可將直流母線電壓穩(wěn)定在800 V，與設(shè)定的仿真參數(shù)一致。同時(shí)，系統(tǒng)輸出功率因數(shù)在0.06 s 時(shí)數(shù)值為1，此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的有效值穩(wěn)定在311 V，電流的有效值穩(wěn)定在50 A，并且并網(wǎng)電流信號能夠跟蹤電壓信號，兩者頻率相同，說明光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。當(dāng)逆變器兩側(cè)功率平衡后，儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率數(shù)值為0，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，保證了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。根據(jù)以上仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的正常工況下的控制策略達(dá)到了預(yù)期效果。

2 故障工況下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制

2.1 電壓跌落檢測方法

電壓跌落是光伏并網(wǎng)常見的故障工況，可能導(dǎo)致光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間斷開鏈接，對電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性有嚴(yán)重破壞，準(zhǔn)確檢測和及時(shí)處理電壓跌落至關(guān)重要。目前常用的檢測方法有若干種，如有效值計(jì)算法、峰值電壓法基波分量法等峰值電壓法的檢測原理更為簡單，但是檢測時(shí)間較長，同時(shí)電網(wǎng)中存在的高次諧波可能干擾檢測結(jié)果的精確度；基波分量法的檢測結(jié)果更加精確，但是不能計(jì)算出電壓跌落的時(shí)間。對比來看，有效值計(jì)算法的綜合應(yīng)用效果更好。這里以有效值計(jì)算法為例，其核心思想是把電網(wǎng)電壓看作一個(gè)周期信號，并以數(shù)字均方根的形式表示：

2.2 逆變器控制策略

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，如果電壓跌落深度較低，直流母線上累計(jì)的不平衡較小，這種情況下可以借助于電壓外環(huán)的調(diào)節(jié)功能，讓光伏系統(tǒng)脫離最大功率點(diǎn)運(yùn)行，其目的是降低輸出功率，避免直流母線出現(xiàn)過壓電情況，從而保障光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如果電壓跌落深度較高，超出了電壓外環(huán)的最大調(diào)節(jié)范圍，直流母線會(huì)因?yàn)檫^電壓而存在發(fā)熱甚至是熔斷風(fēng)險(xiǎn)。這種情況下就需要進(jìn)行逆變器輸出功率的重新分配，本文提出了一種基于無功電流支撐的逆變器控制策略，實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

圖4 無功電流支撐控制策略流程

在該控制策略下，按照設(shè)定好的檢測頻率每隔一段實(shí)際判斷一次電壓是否跌落，并在發(fā)生電壓跌落后計(jì)算跌落后的電壓值。執(zhí)行一個(gè)判斷程序“跌落后的電壓值小于0.9U（U 為正常情況下電網(wǎng)電壓）？”如果判斷結(jié)果為“是”，則運(yùn)用逆變器控制策略進(jìn)行調(diào)整。按照逆變器輸出電流不得超過1.1 倍額定值的要求，確定有功電流：

式中，id表示逆變器輸出電流，即有功電流；iN表示額定電流；iq表示無功電流，給定值為0。根據(jù)上式計(jì)算結(jié)果，利用逆變器向電網(wǎng)輸送合適的有功功率，從而到解決電壓跌落故障的目的[5]。

2.3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的故障工況下逆變器控制策略的有效性，使用仿真軟件Matlab 構(gòu)建了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并模擬電壓跌落故障下的運(yùn)行環(huán)境。設(shè)定故障條件如下：

（1） 跌落故障發(fā)生時(shí)間，0.5 s；

（2） 電壓跌落深度，60%；

（3） 仿真時(shí)間，1 s；

（4） 電網(wǎng)額定電壓，380 V；

（5） 電網(wǎng)頻率，50 Hz；

（6） 直流母線額定電壓，800 V。

按照上述條件進(jìn)行仿真，電壓跌落檢測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電壓跌落檢測結(jié)果

由圖5 可知，在仿真實(shí)驗(yàn)開始0.5 s 后，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)了電壓跌落故障，從原來的300 V 跌落至120 V，跌落深度為60%，與設(shè)置的仿真條件吻合。在發(fā)生電壓跌落故障后，逆變器兩側(cè)的功率平衡被打破，累計(jì)在直流側(cè)電容上的不平衡功率導(dǎo)致直流母線電壓上升。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮作用，吸收了直流側(cè)電容上多余的功率，從而讓直流母線電壓上升趨勢得到了抑制，維持了光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。從仿真結(jié)果來看，達(dá)到了預(yù)期的控制效果，說明本文設(shè)計(jì)的逆變器控制策略具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)論

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)的創(chuàng)新和運(yùn)行控制水平的提升，對保障電網(wǎng)運(yùn)行安全、維護(hù)電力公司的利益有重要作用。對于正常工況下的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，基于模型預(yù)測的MPPT 控制策略能夠減小震蕩誤差、縮短尋優(yōu)時(shí)間，保證了控制的靈敏性和準(zhǔn)確性；在發(fā)生電壓跌落故障后，可采取基于逆變器控制策略，通過向電網(wǎng)注入有功功率的方式，讓已經(jīng)發(fā)生跌落的電網(wǎng)電壓重新恢復(fù)至正常水平，從而保障電網(wǎng)正常運(yùn)行。從仿真結(jié)果來看，本文提出的兩種控制策略均達(dá)到了較為理想的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制效果。