光伏并網發電功率波動與對策

張興科

(東營職業學院工業工程系,山東東營257091)

光照是不可控和不可預測的，有時候變化較快，特別是當受到云層的影響，光照強度會發生劇烈的變化，進而導致光伏陣列輸出功率強烈波動，如西藏羊八井的l00 kW光伏電站功率波動達70%每分鐘，浙江示范工程250 kW屋頂工程功率波動達20%每分鐘。當光伏系統輸出功率波動達到一定程度時，電網往往會采取限制、隔離的方式來處理[2-3]，以減小光伏系統對電網的沖擊。為了充分發掘光伏發電的價值，協調光伏系統與電網之間的矛盾，提高電能質量，有必要對光伏系統的輸出功率進行控制。

1 功率波動對電網的影響

光伏系統輸出的功率波動太大會給電網規劃、調度和運行造成很多影響，其中，電壓波動問題尤其嚴重[4]。下面將深入研究電壓波動產生的機理。

大型光伏系統多在距離電力主系統和負荷中心較遠的地方，所以光伏系統一般在薄弱的地方與電力系統相聯，相當于接入弱電網。光伏系統的接入改變了電網的潮流分布。如果把光伏系統等效為一個交流電源，其并網示意圖如圖1所示，其中U為電網相電壓向量，E為光伏系統出口電壓向量，R1為線路的電阻，X1為線路的電抗，Id為線路上有功電流向量，Iq為線路上無功電流向量。

由圖1（b）和（c）可以看出，j IdX1和IqR1與電網電壓U垂直，造成的電壓降落可以忽略不計，造成電壓降落的主要原因是IdR1和j IdX1。當光伏系統輸出功率波動時，有功電流Id和無功電流Iq會隨著波動，導致電網電壓波動。

下面推導結果可以更直接地顯示電壓波動和功率波動的關系。設光伏系統注入到電網的有功功率和無功功率分別為P和Q，同時還假設電網電壓U=1(標么值)，則輸電線路兩端的電壓差:

當輸電線較短的時候，兩端電壓相角差很小，故電壓波動如下式:

記k=Q/P，則上式可以簡寫為

當功率因數為1的時候，k=0。所以，光伏系統輸出功率的波動會直接導致電網電壓的波動。

圖1 光伏系統并網示意圖

光照是不可控和不可預測的，光伏系統發出的能量波動不定。光伏發電功率的波動達到一定程度時，會導致明顯的電網電壓波動，破壞電力系統的電壓穩定性。電壓穩定性是電力系統規劃和運行需要重點考慮的問題，日益受到電力系統專家學者的重視。所謂電力系統的電壓穩定性，是指系統在滿足負荷功率要求的情況下，受到一定的擾動后，各負荷節點能維持負荷電壓在容許范圍內的能力。當系統具備這種能力時，系統電壓是穩定的，反之就是系統電壓不穩定。系統電壓不穩定可能會導致電力系統崩潰，造成大面積停電事故。因此，電網對光伏并網系統的電壓穩定性都有嚴格的要求，如果在運行過程中電壓波動超出一定的范圍，電網甚至會要求系統停止并網運行。光伏系統在電網中的比例越大，功率波動問題就越突出。

另外，光伏系統的功率波動還會造成其他一些影響[5-6]:

1）如果光伏系統在正常運行時，光照突然變弱，逆變器將工作在輕載模式，THD這樣會導致電流諧波含量增加，(總諧波失真度)變大，電能質量下降。

2）功率波動過大會浪費輸配電設備的容量，增加合理規劃電網的難度。

3）特別是當云層完全擋住光伏陣列的時候，光伏陣列只能提供很少的功率，可能導致停機脫網。即使采用軟并網的方式，頻繁的啟停機動作也會對電網造成一定的沖擊。

4）功率波動對電網的調度造成困難。光伏系統輸出功率是不可控和不可預測的，即使電網能適應光伏系統注入功率的隨機波動，也會導致電網調度設備頻繁動作。

5）光伏系統輸出功率的波動，還有可能會導致保護設備誤動。

2 功率平抑控制對策

上節分析了光伏系統輸出功率波動過大的危害，下面通過引進儲能技術以解決功率波動的問題，儲能裝置通過上雙向DC/DC變換器和光伏系統配合工作，進行能量的釋放和儲存，對光伏陣列發出的功率進行“削峰”和“填谷”，控制光伏系統輸出功率的變化率。

2.1 并網功率的控制

為了控制并網功率的波動，可以結合光伏電站的容量、當地的光照情況和電網的需求，采用恒并網功率控制[7]，然后對系統進行功率閉環控制。這種方法的優點是，光伏系統在白天始終穩定地輸出功率，從大電網角度看，光伏系統完全是一個可調度的“負負荷”。但是，系統方法無法根據不同季節不同時段的光照情況實時調整并網功率參考值Pref。這樣，如果光照長時間比參考光照弱，則電池要持續放電;反之，如果光照長時間比參考光照強，則電池要持續充電。這種工作方式要求較大的容量儲能裝置。

針對恒功率控制不能實時調整并網功率的缺點，本文通過對光伏陣列發出的功率值PPV進行低通濾波，濾波后的值P*作為光伏系統并網的參考功率。當光照被云層暫時擋住導致一個“波谷”的時候，或者光照暫時變強出現一個“波峰”的時候，低通濾波器通過濾除這些干擾，使參考的并網功率Pref變得平滑，光伏陣列的輸出功率和并網參考功率PPV間的差值ΔP＝PPV-P*即為儲能電池的工作功率。

2.2 系統運行工況

在某一段時間內，光照強度可能比較穩定，也可能受云層的影響突然變弱，當云層散開時光照又會很快恢復變強，根據這3種光照情況，本文采用的系統有3種運行工況。

l）光照強度相對穩定時，光伏陣列發出的能量全部經過并網逆變器并入電網，儲能系統幾乎沒有能量流動。

2）光照強度突然變弱時，不但光伏陣列發出的能量全部經過并網逆變器并入電網，而且儲能系統還要釋放出一部分能量。此時，儲能系統通過“填谷”來控制光伏系統并網功率陡降。

3）光照強度突然變強時，光伏陣列發出的能量一部分經過并網逆變器并入電網，剩下的能量存儲到儲能系統。此時，儲能系統通過“削峰”來防止并網功率突增。

2.3 低通濾波器的設計

數字濾波器，只是一個計算過程，可以通過編寫程序來實現，不存在阻抗匹配、非一致性、特性波動等問題，穩定可靠;只要適當改變相關參數，就可以改變濾波器的特性，設計方法簡單[9-10]。

數字濾波器是一個對抽樣數據進行數學處理來達到頻域濾波目的的數字系統，其輸入是一個數字系列，輸出是另一個數字系列。其原理是通過設計系統的頻率響應，讓它滿足一定的要求，對信號的某些特定頻率成分進行過濾。從頻域分析來看，輸入信號的頻譜與系統傳遞函數的乘積就是輸出信號的頻譜，所以，只要F（jω）不是常數，某些頻率成分將得到加強，而另外一些頻率成分將被削弱甚至變為0，濾波器輸出信號的頻譜將不同于輸入信號的頻譜。在設計濾波器時，只需要根據系統的差分方程編寫程序，根據需要設計好相關參數，濾波器就可以對信號的頻譜進行相應的加工，而且速度快，精度高，適用范圍廣，靈活性大,抗干擾能力強。

數字濾波器的種類很多，也有很多的分類方法。在實際應用中，常根據濾波器單位沖激響應h(n)的長度劃分，即無限沖激響應濾波器(IIR)和有限沖激響應濾波器(FIR)兩大類。從性能上來說，在相同選擇特性的情況下，FIR濾波器階數較高，要求較多的運算次數和較多的存儲單元;但這些缺點都是相對IIR濾波器比較而言的，IIR濾波器必須要加全通網絡來校正相位才能獲得相同的選擇性和相位線性，這會大大增加濾波器的階數。從結構上看，在FIR濾波器采用非遞歸結構，幅度特性可以隨便設計，可以保證精確、嚴格的線性相位特性，而且在有限精度的運算中總是穩定的;而IIR濾波器采用遞歸性結構，要保證系統的穩定性，極點位置必須在單位圓內。本文采用這種濾波器對光伏陣列的輸出功率進行濾波。

數字濾波器的設計方法有窗函數設計法、插值逼近法、Chebyshev逼近法、雙線性變換法等。FIR濾波器的設計主要采用窗函數法，利用這種方法將理想濾波器的沖激響應加窗截斷，FIR數字濾波器的輸入、輸出關系如式（4），其中h(n)表示系統的單位沖激響應。

對上式進行z變換，得到傳遞函數如下:

所以，可以得到系統的輸入輸出差分方程:

低通濾波器的一般結構如圖2所示。從其結構圖可以看出，FIR濾波器本質上就是一個分節的延時線，每節的輸出加權累加，最后得到濾波輸出。

圖2 FIR低通濾波器結構圖

可以看出，設計數字濾波器，就是按照系統的特性要求，求出一系列的系數

隨著MATLAB軟件的信號處理工具不斷完善，采用該軟件自帶的FDAtool(Filter Design and Analysis Tool)不但可以很簡單地進行計算機輔助設計，而且還可以使設計達到最優化。用FDAtool設計濾波器時，只要根據要求，選擇濾波器設計方法和響應類型，設定濾波器階數、采樣頻率、通過頻率、截止頻率等參數，即可生成所需的濾波器。在設計濾波器時，很多時候要根據設計要求和濾波效果不斷地調整階數和類型，以達到設計的最優化。

2.4 雙向DC/DC變換器的工作方式

BUCK/BOOST雙向DC/DC變換器是由BUCK電路和BOOST電路反并聯組成的，主電路拓撲結構如圖3所示。K1、D2、L和C2組成BUCK電路，K2、D1、L和C1組成BOOST電路，兩個開關管共同組成一個橋臂，根據兩個開關管工作時驅動信號的關系，可分獨立PWM工作方式和互補PWM工作方式[11]。

圖3 BUCK/BOOST雙向DC/DC變換器

2.4.1 獨立PWM工作方式

獨立PWM工作方式，即一個開關管工作在開關狀態時，另外一個開關管可靠關斷。如圖4，PWM1和PWM2分別對應圖3中的開關管K1和K2。在t0～t1時間內開關管K1導通;在t1～t2時間內開關管K1關斷，此時D2續流導通;開關管K1和二極管D2輪流工作，變換器工作在BUCK模式，使功率從高壓側流向低壓側，在這個過程中開關管K2始終可靠關斷。在t3時刻，變換器由BUCK模式切換到BOOST模式，為了防止整個橋臂直通，先要經過一個死區時間（t3～t4）;然后在t4時刻開關管K2導通，直到時刻t5;在t5～t6時間內，開關管K2關斷，二極管Dl續流導通;開關管K2和二極管D1輪流導通，變換器工作在B00ST模式，此時功率從低壓側流向高壓側，在這個過程中開關管K1始終可靠關斷。

圖4 獨立PWM工作方式

變換器在BUCK和B00ST兩種工作模式切換時可能會導致瞬間的電流沖擊，所以需要一個合理的狀態切換判據來實現兩種工作模式的平滑切換。

2.4.2 互補PWM工作方式

互補PWM工作方式，即不管變換器工作在BUCK模式還是BOOST模式，開關管K1和K2的控制信號都是互補的，當Kl高電平時，K2低電平，反之亦反。為了防止橋臂直通，兩個開關管之間要設置一個死區。這種工作方式可以平滑地實現BUCK和BOOST兩種工作模式的切換。本文采用這種工作方式，下面詳細分析其工作原理。

1）BUCK工作模式。當開關管Kl高電平導通時，下橋臂開關管K2低電平關斷，2個二極管Dl和D2均承受反壓關斷，此時，電流沿“正極-K1-L-C2、Battery-負極”形成回路，如圖5（a）;接著開關管K1低電平關斷，由于流過電感L的電流要保持原來方向流動，二極管D2導通，電流沿“L-C2、Battery-C2-L”形成續流回路，如圖5（b），所以盡管K2的驅動信號為高電平，但不會導通。

圖5 BUCK工作模式

2）B00ST工作模式。工作過程和BUCK工作模式相反，如圖6所示，電流周期性地沿著“C2、Battery－L-D1-C1、DClink-C2、Battery”或“C2、Battery-L-D2-C2、Battery”形成回路，使能量從低壓側往高壓側傳輸。綜合以上分析，功率平抑控制的流程如圖7所示，系統采用雙閉環控制。外環是功率控制環，光伏陣列發出的功率值PPV經過低通濾波器濾波，濾除高頻量、控制變化率，濾波后的值P作為并網功率的給定值，則電池工作的參考功率為P＝PPV-P；將P與電池工作的實際功率值Pb比較，誤差e1經過PI調節器，以調整電池的工作電流參考值Ib*。內環為電池工作電流控制環，使電池實際的工作電流值Ib跟蹤外環給定的電流參考值。在外環PI調節器后面采用了限幅環節，以限制電池工作電流[12-13]。此外，系統還有過充過放保護，當電池端電壓低于某一個值，接近臨界過放時，開關管K9是可靠封鎖的，電池停止放電;當電池端電壓高于某一個值，接近臨界過充時，開關管K8是可靠關斷的，電池停止充電。

圖6 BOOST工作模式

3 仿真結果與分析

為了驗證本文所提出的功率平抑控制，開展了仿真研究。仿真時，系統額定功率為6 k W，光伏陣列開路電壓320 V，電網相電壓220 V，頻率50 Hz，直流母線參考電壓600 V，電池正常工作電壓150 V，額定容量5 Ah。

仿真時溫度恒定28℃,光照情況如圖8（a）所示，在t=0.4 s和0.65 s的時候光照分別受到了-300 W/m2和+300 W/m2的干擾。圖8(b)中，PPV、Pg和Pb分別是光伏陣列輸出的功率、并網功率和電池的工作功率，可以看出，光照的變化導致光伏陣列輸出的功率波動較大，但在儲能系統的作用下，并網功率變得平緩、變化率減小，實現了本文提出的功率平抑控制。圖8（c）是在第一個功率波動期間逆變器輸出的電流，可以看出，整個波動過程中并網電流幅值穩定，波形質量好。圖8（d）是電池的工作電流，正值表示放電，負值表示充電，隨著光伏陣列發出功率的變化，電池能快速地改變工作電流，配合功率平抑控制對能量予以管理。

圖7 功率平抑控制策略

4 結語

圖8 功率平抑仿真結果

光伏并網發電是最有發展前景的新能源之一，規模越來越大。然而，當光照劇烈變化時，光伏系統輸出功率波動較大，會給電網的規劃、運行和調度造成困難，制約了光伏并網發電的大規模發展。上面，我們首先分析了光伏系統和電網的關系，得出了功率波動過大會導致電網電壓波動的結論，還探討了功率波動的其他危害，論述了功率平抑的必要性。其次，研究了功率平抑控制的方法，提出了通過對光伏陣列發出的功率值進行低通濾波來給定并網功率參考值的方法，全面介紹了系統的3種運行工況，詳細討論了低通濾波器的設計和雙向DC/DC變換器的工作方式，最后給出了功率平抑控制流程圖，系統采用雙閉環控制，還具有過流、過放和過充保護功能。最后，進行了仿真研究，仿真結果表明，采用本文提出的控制策略可以有效控制功率的波動，減小其變化率，即使光照波動較大，光伏系統輸出的電流波形也很好，儲能系統隨著光伏陣列發出功率的波動而改變功率流動的方向和大小。

[1] 趙平，嚴玉廷.并網光伏發電系統對對電網影響的研究[J].電氣技術,2009(3):41-44.

[2] 史立山，趙慶波，許洪華.光伏發電從獨立系統走向規模化并網.[2011-03-26].http://keji.eco.gov.cn2/2/3/1/2009/0514/13950.htm l.

[3] 陳維，沈輝，秦紅.太陽電池組件戶外性能測試[J].電源技術,2006,30(9):768-770.

[4] 吳汕，梅天華，龔建榮，等.分布式發電引起的電壓波動和閃變[J].能源工程,2006(4):54-58.

[5] 范瑞祥，吳素農.江西電網光伏電源規模化接入的對策探討[J].江西電力,2009,33(6):1-8.

[6] 黃亞峰.風電機輸出功率波動平抑控制的可行性研究[D].哈爾濱:東北電力大學電氣工程學院,2007:8-14.

[7] 李鵬，張玲，盛銀波.新能源及可再生能源并網發電規模化應用的有效途徑---微網技術[J].華北電力學報,2009,36(l):10-14.

[8] Shigematsu TKumamotoT Degnehi HHaraT.Applications ofa Vanadium Redox-flow Battery to Maintain Power Quality[C].IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002.Asia Pacific-New Wave of T&D Technology from Asia Pacific.vol.21

[9] 孫志涌.精通MATLAB[M].1版.北京:北京航空航天大學出版社，2000.

[10] 陳明軍，王金.采樣信號的數字濾波設計和DSP實現[J].信息技術 ,2006（l）:50-53.

[11] 許海平.大功率雙向DC/DC變換器拓撲結構及其分析理論研究[D].北京:中國科學院電工研究所,2005.

[12] 胡壽松.自動控制原理[M].4版.北京:科學出版社.2000.

[13] 肖巧景，張宇翔，郭敏.一種新的頻率偏移技術在光伏并網發電系統孤島檢測中的應用[J].現代電子技術，2007(1):107-108.