大型光伏發電系統的并網控制技術

張喜平，梅柏杉，胥杰，丁佐進

（上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090）

目前，太陽能利用主要有光熱利用、光伏利用和光化學利用3種形式，其中光伏并網發電是太陽能光伏利用的主要發展趨勢.我國在光伏并網逆變技術方面的研究經過“十·五”和“十一·五”的國家科技攻關，在基本理論和實用技術方面已經取得可喜成績，但在并網逆變技術的細節方面，特別是在大型光伏電站的并網方面，還有很多問題需要解決.隨著幾個10 MW以上光伏電站的投入運行，我國大型光伏并網發電并網設備的研制工作，特別是有關并網逆變器的研究得到了進一步的深入［1，2］.

本文在此背景下，對太陽能并網發電系統中的最大功率控制及其核心器件并網逆變器進行了探討，并對系統進行了仿真分析.

1 大型光伏并網發電系統基本原理

1.1 大型光伏并網發電系統

光伏并網發電系統是將太陽能電池發出的直流電轉化為與電網電壓同頻同相的交流電，并且實現既向負載供電，又向電網發電的系統.光伏并網發電系統主要由光伏陣列、并網逆變器、控制器和繼電保護裝置組成.光伏陣列是光伏并網發電系統的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉換為電能.目前工程上應用的光伏陣列一般是由一定數量的晶體硅太陽能電池組件按照系統需要的電壓串、并聯組成的.

隨著電力電子與控制技術的飛速發展，光伏電池效率不斷提高，光伏電站的建設規模越來越大.大規模的光伏并網電站不可能像目前已投入運行的屋頂光伏系統一樣，通過380 V低壓配電線路直接接入本地配電網，而是要通過升壓變壓器，以中壓或高壓接入輸電網絡.大型光伏系統結構如圖1所示.

圖1 大型光伏系統結構

圖1中，光伏接入電網時將大量的光伏組件通過多個逆變器并聯以擴大容量，其中逆變器的主電路采用兩級式并網系統，第一級DC/DC變換將光伏電池陣列所產生的直流電變換成受控的直流電存儲到儲能單元中，或提供給后級的光伏并網逆變器，第一級變換同時要實現對光伏電池陣列的最大功率跟蹤控制.后級的光伏并網逆變器將直流母線上的直流電逆變為交流電并饋送到電網，同時要實現中間直流母線電壓的穩壓功能.兩級式光伏并網發電系統同時允許多個由太陽能電池和直流變換器構成的支路共用一個并網逆變器，在實際應用中配置更靈活，將多個逆變器再并聯更加適合大型光伏并網發電系統.

1.2 光伏電池數學模型

為了描述電池的工作狀態，往往將電池及負載系統用一個等效電路來模擬［3，4］.圖2為太陽能電池的等效電路.

圖2 光伏電池等效電路示意

由圖2所示的光伏電池的等效電路模型可得：

若忽略太陽能電池內部的串聯和并聯電阻，太陽能電池的簡化模型可表示為：

并聯的Rsh為旁路電阻，主要由電池表面污濁和半導體晶體缺陷引起的漏電流所對應的PN結漏泄電阻和電池邊緣的漏泄電阻等組成，由于其阻值較大，所以對光伏電池的特性影響不大.

2 光伏發電系統的控制技術

2.1 主電路拓撲結構

圖3為兩級式三相光伏并網發電系統的拓撲結構圖.

圖3中，前級DC/DC是由Boost電路，輸入濾波元件Cs，開關管Tc，二極管D，以及輸出濾波元件Cd組成.而后級是典型的電壓型三相逆變器.再經過必要的無功補償與濾波功能并入電網.

圖3 兩級式三相光伏并網發電系統拓撲結構

采用兩級式主電路結構的原因：一是因為前后級可以分開獨立控制，控制器設計簡單;二是增加系統的儲能環節，可以實現并網/獨立兩種工作模式的切換運行;三是光伏電池陣列無需串聯到很高的電壓等級，使得光伏陣列的并聯擴容更加容易.

2.2 DC/DC 最大功率跟蹤控制

在對兩級式結構的光伏發電系統進行控制時，前級DC/DC變換器可以實現最大功率跟蹤控制（MPPT），此時可將后級DC/AC全橋結構的三相逆變器看作一個恒定的直流電壓源，因此可以對前級Boost電路做如下分析.

假設Tc是理想開關，根據電路分析基本原理，可以得到Tc在每一周期開、關兩個狀態的電路方程.

式中：eTC=（1－D）×ed（D是占空比，0＜D＜1）.

上述方程中，is的表達式中含有es，因此方程是非線性的，最大功率點應該是該控制的平衡點.為簡化計算，可在最大功率點處對方程進行線性化處理，即：

在式（10）中，es是狀態變量，而is不是，當L和Cd的值確定后，es的改變主要由eTC的變化決定.因此，調整eTC的大小可以改變es的值，并使功率改變電壓的微分d Ps/d es.而根據前面的敘述可知，eTC的大小可以通過改變占空比D來控制.因此，在上述條件下太陽能電池的工作點可以通過占空比D來控制，通過正確調整占空比D的大小就能實現d Ps/d es=0的控制，進而實現太陽能輸出的最大功率控制.

在兩級式光伏發電系統中，前級DC/DC變換器控制部分主要完成太陽能電池陣列的最大功率點跟蹤控制，其控制框圖如圖4所示.

圖4 前級DC/DC變換器控制示意

對當前太陽能電池陣列的輸出電壓和電流值進行采樣，并通過MPPT控制算法找到太陽能電池陣列的最佳工作點，然后通過控制Boost電路中開關管占空比來調節系統工作點.同時，為了防止直流母線電壓過高而損壞主電路的器件，前級DC/DC變換器還需要設計過電壓保護.從并網工作機制的能量流向來看，當直流母線電壓過高時，對前級DC/DC變換器的占空比進行調節是最直接有效的手段.

因此，需要在控制策略中設定上限電壓，當直流母線電壓幅值超過設定的電壓上限值時，將它們之間的幅值差經過一個比例環節，輸出一個反方向的調節量，調整控制Boost電路的占空比，最終達到抑制直流母線電壓的目的.

MPPT控制采用電導增量法，根據光伏列陣P-V曲線最大值Pmax的斜率為零的特點，利用一階導數求極值的方法，對P進行求導，則有：

式（14）為光伏陣列達到最大功率點的條件，也就是當輸出電導的變化量與輸出電導的負值相等時，光伏陣列工作在最大功率點.電導增量法通過對光伏陣列的瞬間電導和電導增量進行比較來改變控制信號，因此需要對陣列的電壓、電流進行實時采樣.電導增量法控制流程如圖5所示.

圖5 電導增量法控制流程

2.3 DC/AC并網控制策略

在兩級式光伏發電系統中，由于前級DC/DC變換器實現MPPT功能，一般認為后級DC/AC逆變器只需實現逆變和并網功能即可，但是為了保證逆變器的可靠運行，必須穩定直流母線電壓.而在進行最大功率跟蹤時前級DC/DC變換器無法使輸出電壓維持在一個恒定值，因此該功能只能由DC/AC逆變器來完成.其控制框圖如圖6所示.

圖6 后級DC/AC變換器控制示意

根據功率平衡原理，當太陽能電池陣列的輸出功率大于逆變器的輸出功率時，就是說此時太陽能電池陣列發出的功率沒能及時地饋送到電網，則直流母線電容因為能量堆積而使電壓升高，此時就需要增大電流指令，即增加DC/AC逆變器輸出到電網的功率來消耗直流母線電容中堆積的能量，從而使直流母線的電容電壓下降;反之，就要減少電流指令使直流母線上升，從而達到穩定直流母線電壓的目的.

圖6中，先計算出直流母線電壓參考值與采樣得到的實際電壓值的誤差，再通過一個比例積分環節得到參考電流值Iref;將Iref值與采樣得到的DC/AC逆變器實際輸出電流值Iout的誤差值通過一個電流調節器作用后，將輸出信號與固定頻率的三角波進行比較，得到SPWM控制信號，再經過驅動電路放大后去控制DC/AC逆變器的開關管.

需要注意的是，由于前級DC/DC變換器的控制目的是實現太陽能電池陣列的最大功率跟蹤控制，因而從DC/DC變換器輸出到DC/AC逆變器的功率是隨光強時刻變化的.為了確保DC/DC變換器輸出的功率能通過DC/AC逆變器及時地傳遞到電網而不在直流母線電容上產生能量堆積或能量虧損，就要使DC/AC逆變器控制部分的指令調節速度快于DC/DC變換器MPPT跟蹤的調節速度.

3 系統并網控制仿真

根據以上分析，利用MATLAB/Simulink仿真平臺，前級DC/DC實現MPPT功能，后級DC/AC逆變器實現穩定直流母線電壓與電流源型并網功能控制策略，搭建系統仿真模型如圖7所示.

圖7 兩級式大型光伏并網系統仿真

圖7中虛線框1表示光伏電池的模型;虛線框2表示光伏兩級式三相并網逆變器，前級DC/ DC電路采用電導增量法實現MPPT功能，后級并網逆變器采用直流母線電壓外環、電流作為內環的雙環控制策略;虛線框3表示光伏電源通過無功補償與變壓器接入電網.仿真時間設定為1 s，在0.08 s時太陽光照強度由2 000 W/m2瞬間降至1 000W/m2，得到的光伏輸出功率、并網時的單相電流及直流母線電壓如圖8所示.

由圖8可知，當光照強度突然減小時，光伏陣列輸出功率顯著下降，同時直流母線電壓出現波動，并網逆變器調節輸出電流，經過電壓環的調節，直流母線電壓穩定在400 V，并且最終經過0.07 s的調節過程，在0.15 s以后光伏并網系統穩定，同時光伏電池陣列穩定在新的最大功率點，并網電流幅值小于光照強度變化前的電流幅值，表明前后級變換器輸入輸出能量達到新的動態平衡.

圖8 大型光伏并網控制仿真結果

4 結語

本文對大型光伏系統直接并入輸電網的可行性進行了探討，并對太陽能并網發電系統進行了仿真分析.仿真結果表明，大型光伏電站并入電網技術上是可行的.這對今后全國大型光伏電站的建設提供了一定的參考價值.

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［2］董密，羅安.光伏并網發電系統中逆變器的設計與控制方法［J］.電力系統自動化，2006，30（20）：97-102.

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（編輯胡小萍）