貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院　孫宏偉　陳翌斕

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光伏電源的并網(wǎng)控制綜述

貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院孫宏偉陳翌斕

【摘要】光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅有將光能轉(zhuǎn)換成電能的功能，而且還具有調(diào)節(jié)電能質(zhì)量、維持電網(wǎng)穩(wěn)定的作用，故近些年逐漸受到關(guān)注。本文就光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)模型進(jìn)行了綜述，首先對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的整體框架作了介紹；其次介紹了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的原理及控制；再次羅列了主要的直流變換電路；然后又簡要分析了逆變電路的整體框架，并對其控制技術(shù)做了總結(jié)；最后針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的不足，對今后的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)跟蹤；直流變換電路；逆變電路

0　引言

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，終將成為以后的主流能源，研究太陽能并網(wǎng)控制有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國幅員遼闊，雖然可利用太陽能充沛，但是其富集區(qū)域與負(fù)荷集中區(qū)域往往呈現(xiàn)逆向分布，導(dǎo)致許多大型光電站需要通過遠(yuǎn)距離輸送才能到達(dá)負(fù)荷端。由于光照強(qiáng)度等因素的非線性和不可控性，使得分布式發(fā)電系統(tǒng)的瞬時(shí)功率和順勢電壓的變化較大。這些問題不僅造成了巨大損失，還導(dǎo)致了大量的能源浪費(fèi)，因此依賴于新能源并網(wǎng)技術(shù)的提高。

本文針對大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)系統(tǒng)，將目前各類并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行綜述，從裝置功能，控制技術(shù)的角度進(jìn)行比較分析，提出相對適合可再生能源分散接入電網(wǎng)的并網(wǎng)框架，以緩解大量新能源并網(wǎng)帶來對電網(wǎng)的過大沖擊，提高配電網(wǎng)對光能的接納能力，從而最終實(shí)現(xiàn)其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行要求。

1　典型光伏并網(wǎng)模型

1.1整體框架

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)一般由光伏電池陣列、DC/DC變換電路、并網(wǎng)逆變器、濾波網(wǎng)絡(luò)以及控制部分等組成。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可由是否與電網(wǎng)相連分為兩大類：一類被稱為獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一類被稱作并網(wǎng)運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)。其中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于未與電網(wǎng)相連的光伏系統(tǒng)，主要被用于較為偏遠(yuǎn)的山區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)等地區(qū)，因而通常需要光伏蓄電池為其儲能；而與公共電網(wǎng)連接的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電的主流，主要應(yīng)用于大規(guī)模商業(yè)、工業(yè)供電。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又可以分為：可調(diào)度式和不可調(diào)度式。不可調(diào)度式系統(tǒng)中不含光伏蓄電池，因此系統(tǒng)不具備儲能的功能。這種系統(tǒng)只能在電能滿足本地負(fù)載后才能將多余的電能輸送給電網(wǎng)；在系統(tǒng)無法滿足本地負(fù)載的電能需求的時(shí)候，就需要電網(wǎng)提供所需的電能。可調(diào)度式系統(tǒng)較之最大的不同之處是該系統(tǒng)中包含有用于儲能的儲能環(huán)節(jié)。通過對蓄電池充放電加以控制，在電網(wǎng)因故障斷電時(shí)，可調(diào)度式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不間斷向負(fù)載供電。此外，可調(diào)度式系統(tǒng)還具備可調(diào)節(jié)電能質(zhì)量的作用，使得系統(tǒng)輸出更加安全穩(wěn)定。

1.2MPPT的原理及控制介紹

MPPT通過檢測裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測光伏陣列的功率輸出，借助于預(yù)測控制能夠預(yù)測光伏陣列可能的最大功率輸出，調(diào)整阻抗值使光伏陣列輸出的功率為最大值。光伏陣列的功率輸出特性曲線是呈拋物曲線變化，Vmax是光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓值。當(dāng)工作電壓值位于其左側(cè)時(shí)，輸出功率隨著光伏陣列兩端的電壓值的上升而上升；當(dāng)工作電壓值位于其右側(cè)時(shí)，輸出功率隨著官府陣列兩端電壓值的上升而降低。除此之外，MPPT的智能控制也可以先采集工作數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)區(qū)分其運(yùn)行所在的工作區(qū)，根據(jù)不同的工作區(qū)所對應(yīng)的不同的指令實(shí)現(xiàn)智能性的控制。

對于MPPT的控制技術(shù)，在國內(nèi)外都已經(jīng)有了不同程度的研究成果。其中最為常用的MPPT控制方法有：定電壓跟蹤法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法，不同的控制方法有各自特點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際要求選用。本文選取幾種主要的MPPT控制方法，對其簡要分析介紹。

定電壓跟蹤法是最早的MPPT 控制算法。其原理是，當(dāng)光照強(qiáng)度較高時(shí)，所對應(yīng)的最大功率輸出點(diǎn)主要分布在同一條垂直線的兩側(cè)，由此，可以將最大功率輸出點(diǎn)與某一恒定電壓輸出相對應(yīng)，從而完成最大功率點(diǎn)跟蹤的控制，即只要求將輸出電壓固定在最大輸出電壓值點(diǎn)。恒壓跟蹤法的優(yōu)點(diǎn)是可操作性高，不易出現(xiàn)震蕩；其缺點(diǎn)是對于溫度變化較為敏感，外界干預(yù)成本較高。

擾動觀察法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT控制最常用的方法之一，其原理是通過持續(xù)擾動光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來調(diào)整尋找最大功率點(diǎn)的方向。對光伏電池輸出電壓值和電流值進(jìn)行周期性的調(diào)整，然后檢測系統(tǒng)功率的變化，將其值與擾動前的功率值作比較，如果功率值增加，說明擾動方向選擇正確，可以繼續(xù)進(jìn)行上一周期的擾動；相反，如果擾動后功率值相較于擾動前的功率值減少了，則說明擾動方向選擇錯誤，需要改變電壓調(diào)整方向。反復(fù)進(jìn)行若干次，光伏陣列將逐漸接近最大功率點(diǎn)。擾動觀察法的優(yōu)點(diǎn)是控制參數(shù)少，構(gòu)建簡單；其缺點(diǎn)是系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)時(shí)存在振蕩，并且控制精度和跟蹤速度相互影響。

為了解決上述的功率損失問題，有學(xué)者提出了電導(dǎo)增量法。由光伏陣列輸出功率特性可知：P-V曲線在最大功率點(diǎn)Pmax處的斜率為零，即：

式（3）為判斷系統(tǒng)是否達(dá)到最大功率點(diǎn)的依據(jù)，即若電導(dǎo)的變化率與電導(dǎo)的負(fù)值相等，可以判斷為光伏陣列輸出已處在最大功率點(diǎn)。相反，若電導(dǎo)的變化率與電導(dǎo)的負(fù)值不相等，還需要進(jìn)一步判斷dP/dV是大于零還是小于零。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)精度高，響應(yīng)快，并且輸出較為穩(wěn)定，不易出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。其缺點(diǎn)是算法較復(fù)雜，不易控制，并且初始參數(shù)設(shè)置稍有不當(dāng)就會引起較大的功率損失，所需成本較高。

1.3DC-DC變換電路介紹

DC-DC電路是控制改變直流電壓輸出的變換電路，其原理是通過使用脈寬調(diào)制技術(shù)控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷及其延時(shí)長度，同時(shí)配合高頻變壓器等元件達(dá)到輸出可控、連續(xù)直流電壓的目的。該電路主要又可以分為非隔離型和隔離型兩種變換電路。前者沒有隔離變壓器，通過斬波直接進(jìn)行直流電壓變換；而后者多了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換環(huán)節(jié)，然后才通過變壓器又將交流電整流為直流電輸出。

非隔離型DC-DC電路為目前使用最多的一種結(jié)構(gòu)，其包含種類繁多，最常見的電路模型有BUCK電路、BOOST電路、BUCK-BOOST電路、橋式可逆變換電路等。

隔離型DC-DC電路由于其包含隔離變壓，故其電路需要增加交流變換環(huán)節(jié)。主要的隔離型DC-DC 變換電路結(jié)構(gòu)有正反激、半橋等結(jié)構(gòu)種類，本文不做過多介紹。

1.4DC-AC變換電路介紹

逆變環(huán)節(jié)的是光伏并網(wǎng)最重要的環(huán)節(jié)之一，其結(jié)構(gòu)極大程度的決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、輸出效率以及成本，因此對于逆變器拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)和選擇至關(guān)重要。隨著全球電力電子行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新興材料的研發(fā)，光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣化趨勢，目前，光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有電壓型并網(wǎng)逆變器和電流型并網(wǎng)逆變器兩種：電壓型三相逆變電路，它是一個(gè)三相六橋臂結(jié)構(gòu)。其三相導(dǎo)電的角度差為120o，同一相兩橋臂導(dǎo)電的角度差為180o。同一時(shí)刻三相中有且僅有一個(gè)橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，在同一相的上下橋臂之間進(jìn)行環(huán)流切換。并且常需要采用先斷后通的方式以防止同相橋壁的開關(guān)器件發(fā)生直通現(xiàn)象。該電路的特點(diǎn)是直流側(cè)多為電壓源或并聯(lián)大電容，故其直流側(cè)電壓幾乎無波動。電流型三相逆變電路，其輸出側(cè)電容的作用在于吸收負(fù)載在換流期間儲存的能量。其三相采用120o導(dǎo)電的工作方式。該電路的特點(diǎn)是電壓輸出波形要受負(fù)載影響。

1.5逆變控制技術(shù)介紹

光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法是整個(gè)系統(tǒng)并網(wǎng)控制最為關(guān)鍵的一環(huán)，其作用一是保持存在于兩級之間的直流側(cè)的直流電壓穩(wěn)定可控，二是對并網(wǎng)輸出的電壓、電流、功率進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制。由于光伏系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)，如單/多級式，單/多相式等，不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)所對應(yīng)的核心環(huán)節(jié)逆變控制部分種類也很繁多。其中一類最為常用的電流閉環(huán)矢量控制策略根據(jù)參考坐標(biāo)的不同可分為基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的控制策略和基于靜止坐標(biāo)系的控制策略兩種。前者利用派克變換將動態(tài)坐標(biāo)系下的直流變量和靜止坐標(biāo)系下的交流量之間的轉(zhuǎn)換成為可能，再利用典型的PI調(diào)節(jié)控制就可以達(dá)到無靜差控制，該控制適合控制單相并網(wǎng)逆變器。后者由于是在靜止坐標(biāo)系條件下，故不能采用PI調(diào)節(jié)控制，于是可利用PR調(diào)節(jié)器在基波頻率出增益無窮大的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對基波電流的無靜差控制，此控制多用在三相并網(wǎng)逆變器的控制。另一類基于功率閉環(huán)的控制策略，其原理為將系統(tǒng)輸出的瞬時(shí)有功功率分量以及無功功率分量這兩個(gè)受控分量進(jìn)行分析計(jì)算并與給定瞬時(shí)功率進(jìn)行比較，將偏差值輸入滯環(huán)比較器，最后的輸出值和電網(wǎng)電壓矢量位置決定著驅(qū)動功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。該控制方法魯棒性好，可操作性高。

2　展望

由于光伏發(fā)電是一個(gè)相對較為新興的領(lǐng)域，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論研究，尤其是光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)方面的研究仍需進(jìn)一步完善。目前，國內(nèi)外學(xué)者對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的絕大多數(shù)研究都集中在無功補(bǔ)償、諧波消除等方面，然而諸如三相不平衡、頻率偏差、間諧波等實(shí)際問題也將會成為今后的光伏系統(tǒng)研究發(fā)展方向。

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孫宏偉（1990－），男，四川攀枝花人，碩士研究生在讀，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

作者簡介：