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(yùn)行性能對(duì)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(yáng)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(yùn)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(duì)推動(dòng)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(yùn)行原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)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(gè)光伏電池組成，光伏電池是由半導(dǎo)體材料制成的，當(dāng)太陽(yáng)光照射到光伏電池上時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(guò)電池組進(jìn)行儲(chǔ)存，電池組通常使用鉛酸蓄電池或鋰離子電池來(lái)存儲(chǔ)電能，當(dāng)需要使用電能時(shí)，儲(chǔ)存在電池組中的直流電能通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電能，以滿(mǎn)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(biāo)準(zhǔn)，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(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)、輸出功率等，且具備保護(hù)功能，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。此外，光伏發(fā)電系統(tǒng)還需要與電網(wǎng)連接，以便實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能超過(guò)自身用電需求時(shí)，多余的電能可以注入電網(wǎng)，供其他用戶(hù)使用；而在夜間或光照較弱，光伏發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足用電需求時(shí)，可從電網(wǎng)中獲取電能。

（二）光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(guó)的各個(gè)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(xiàn)路的壓力，且可以更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐挠秒娦枨?。而且，光伏發(fā)電過(guò)程中幾乎沒(méi)有任何排放物質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、污染物等有害物質(zhì)的排放，對(duì)環(huán)境沒(méi)有負(fù)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(wú)需燃燒燃料，工作時(shí)非常安靜，不會(huì)產(chǎn)生噪音污染，適合在對(duì)噪音敏感的地區(qū)使用，如居民區(qū)、醫(yī)院等。同時(shí)，光伏電池板的壽命通?？蛇_(dá)到25年以上，光伏發(fā)電系統(tǒng)幾乎不需要維護(hù)，且沒(méi)有移動(dòng)部件，系統(tǒng)的損耗相對(duì)較小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。在適當(dāng)?shù)臈l件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可滿(mǎn)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(hù)使用，從而降低對(duì)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的依賴(lài)，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(diǎn)跟蹤控制

最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱(chēng)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(qiáng)度、溫度和電池工作點(diǎn)等因素的影響，MPPT控制策略通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，以使其輸出功率達(dá)到最大值，從而實(shí)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(xiàn)來(lái)確定光伏電池的最大功率點(diǎn)（MPP），該曲線(xiàn)描述了光伏電池在不同電壓和電流下的輸出特性，通過(guò)不斷調(diào)整電池工作點(diǎn)，使其電流和電壓在MPP附近波動(dòng)，以獲得最大輸出功率。在實(shí)際應(yīng)用中，MPPT控制策略通常通過(guò)電子電路或者微控制器實(shí)現(xiàn)，具體來(lái)說(shuō)，MPPT控制器會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度和溫度等環(huán)境信息，計(jì)算出當(dāng)前的最大功率點(diǎn)，并相應(yīng)地調(diào)整電池的工作點(diǎn)，以使其輸出功率達(dá)到最大。常見(jiàn)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(guò)改變電池電壓的微小變化來(lái)觀(guān)察功率變化的方向，從而找到最大功率點(diǎn)；而IncCond算法則是通過(guò)考慮電池的增量電導(dǎo)率來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的控制?？傊?，MPPT控制策略是光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的控制策略，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，以確保其輸出功率達(dá)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(yùn)行的一個(gè)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(guò)不同的控制策略來(lái)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(diǎn)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(lèi)型，一種是在獨(dú)立運(yùn)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(dú)立運(yùn)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(diǎn)跟蹤（MPPT）和功率限制控制。最大功率點(diǎn)跟蹤策略旨在確保光伏電池的輸出功率達(dá)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(fù)載變化或故障情況下保持穩(wěn)定運(yùn)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(biāo)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(yùn)行，常見(jiàn)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(wú)功功率控制等。

（三）電流和電壓保護(hù)控制

電流和電壓保護(hù)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(shí)能夠及時(shí)作出反應(yīng)，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障、不恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行或維護(hù)、電壓波動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)電壓超過(guò)安全工作范圍的情況，便會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器通常具有過(guò)電壓保護(hù)功能，一旦檢測(cè)到過(guò)電壓情況，逆變器會(huì)自動(dòng)通過(guò)斷開(kāi)電路或降低輸出功率等方式進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電網(wǎng)故障、降低光照強(qiáng)度、長(zhǎng)線(xiàn)路電阻等現(xiàn)象時(shí)，電壓低于安全工作范圍的情況，便會(huì)引起低電壓，而逆變器具備低電壓保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)電壓過(guò)低時(shí)，逆變器會(huì)采取措施以保護(hù)設(shè)備和維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)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(shí)，系統(tǒng)中的電流超過(guò)設(shè)備能夠承受的額定電流，便會(huì)引起過(guò)電流，逆變器也具備過(guò)電流保護(hù)功能，一旦檢測(cè)到過(guò)電流情況，逆變器會(huì)自動(dòng)采取措施，如斷開(kāi)電路或減小輸出功率，以防止設(shè)備過(guò)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(fù)載電流均勻分配的重要手段，當(dāng)系統(tǒng)中某些組件的電流明顯大于其他組件時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降、發(fā)熱過(guò)度或設(shè)備故障等問(wèn)題，而逆變器則可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整電流平衡，如通過(guò)調(diào)整組件的連接方式或調(diào)整組件的輸出功率?？傊?，電流和電壓保護(hù)控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的保護(hù)機(jī)制，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速反應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備免受電壓過(guò)高、過(guò)低、電流過(guò)大或短路等異常情況的影響，從而確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行并維持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

（四）大風(fēng)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的光伏電池組件通常是通過(guò)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(huì)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(dòng)停機(jī)保護(hù)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速變化，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)安全范圍時(shí)，傳感器會(huì)向控制器發(fā)送信號(hào)，控制器接收到信號(hào)后，會(huì)發(fā)送指令給逆變器或其他設(shè)備，使其自動(dòng)停機(jī)或關(guān)閉，從而減少光伏電池組件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)系統(tǒng)的安全和可靠。同時(shí)，大風(fēng)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)系統(tǒng)還可以防止電網(wǎng)擾動(dòng)和電力質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生，確保系統(tǒng)與電網(wǎng)的穩(wěn)定連接，延長(zhǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。

（五）儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可將光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在需要時(shí)進(jìn)行釋放，以滿(mǎn)足負(fù)荷需求或應(yīng)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)，一般用于管理和調(diào)度儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量流動(dòng)，提高系統(tǒng)的自供能能力和供電穩(wěn)定性。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力超過(guò)負(fù)荷需求時(shí)，可利用多余的能量給儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和負(fù)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(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存。而在負(fù)載需要電能的時(shí)候，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)監(jiān)測(cè)負(fù)載需求和電網(wǎng)情況，根據(jù)電力供需平衡，調(diào)度儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電過(guò)程，以滿(mǎn)足電力需求，并保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電網(wǎng)電價(jià)、光伏發(fā)電量、負(fù)荷需求等因素，確定最佳的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率調(diào)度策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的管理和優(yōu)化，最大限度地提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和能量利用率。此外，儲(chǔ)能系統(tǒng)通常以電池作為能量?jī)?chǔ)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，以確保儲(chǔ)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常分為獨(dú)立式、并聯(lián)式和混合式，其中獨(dú)立式并網(wǎng)（Stand-Alone Grid-Connected）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，再將交流電直接注入獨(dú)立的電網(wǎng)中，一般適用于遠(yuǎn)離主電網(wǎng)或沒(méi)有電網(wǎng)供電的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可獨(dú)立為當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)提供電力。其次，并聯(lián)式并網(wǎng)（Parallel Grid-Connected）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)電網(wǎng)提供電力，并從電網(wǎng)獲取所需的電能，該并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最常見(jiàn)，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?fù)浣Y(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(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合使用的一種形式，并通過(guò)混合多種能源的優(yōu)勢(shì)，提供更穩(wěn)定、可靠的電網(wǎng)供電，還可以用來(lái)儲(chǔ)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(dòng)[4]。

（二）光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，一般有光伏陣列設(shè)計(jì)、逆變器選擇和電網(wǎng)連接和配網(wǎng)設(shè)計(jì)。在光伏陣列設(shè)計(jì)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(yáng)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(yáng)輻射陰影和傾斜角度等因素。同時(shí)，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(hù)功能等，并確定與電網(wǎng)的接口方案和連接要求，該過(guò)程涉及電網(wǎng)連接點(diǎn)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(jì)并實(shí)施適當(dāng)?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(pán)的設(shè)計(jì)和布置、電能計(jì)量設(shè)備的安裝、保護(hù)設(shè)備和機(jī)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(diǎn)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(yùn)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(jìn)行光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真分析時(shí)，首先需要根據(jù)實(shí)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(fù)載模型等，并確定仿真所需的輸入?yún)?shù)，如太陽(yáng)輻射、溫度、光照條件和電網(wǎng)參數(shù)等，可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定仿真時(shí)段、時(shí)間步長(zhǎng)和數(shù)據(jù)采集間隔等參數(shù)。其次，可通過(guò)仿真軟件運(yùn)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(yùn)行情況，并通過(guò)改變輸入?yún)?shù)、調(diào)整控制策略等來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的性能。此外，還需分析仿真結(jié)果，評(píng)估系統(tǒng)的性能指標(biāo)，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(duì)比不同設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)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(yùn)行，以提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

結(jié)語(yǔ)

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(diǎn)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(yùn)行。而對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，需對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與電網(wǎng)的安全高效互聯(lián)，促進(jìn)清潔能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。