光伏并網發電系統運行控制技術的研究

黔西縣水務局 徐開平

0 引言

太陽能屬于清潔能源，隨著科學技術的發展，太陽能在能源中的地位越來越高。利用太陽能有利于構建節約型、生態型社會，并網型光伏發電系統能夠充分利用太陽能，因此，本文將對其進行詳細探究。

1 光伏并網發電系統的結構形式以及工作原理

1.1 光伏并網發電系統結構形式

圖1指的是光伏并網發電系統結構形式，主要由兩部分組成，分別為DC/DC以及DC/AC。其中，DC/DC指的是光伏并網發電系統的前級，而DC/AC指的是光伏并網發電系統后級。DC/DC屬于高頻直流升壓變換器，其組成結構有很多種，主要包括升壓變換器、單管以及單端等等，通過DC/DC可以將低壓直流電上升至高壓直流電，通常電壓為360V，通過DC/DC作用得到的直流電可以供DC/AC使用。光伏并網發電系統的DC/AC是逆變輸出級，其結構形式為單相全橋結構，通過該結構，能夠將從DC/AC中輸出的高壓直流點轉換為高頻SPWM波，通過電感濾波，SPWM波能夠為電網提供正弦電流波。DC/AC的作用可以直接省略工頻變壓器，與傳統的并網系統相比，能夠在很大程度上提高系統的工作效率和工作質量。

圖1 光伏陣列并網發電系統結構

1.2 光伏并網逆變器功率輸出級等效模型

光復并網發電系統能夠通過有源逆變器對輸出電流控制電壓類型，有源逆變器的輸出端的特性主要是由受控電流源決定的。光伏并網發電系統采用SPWM控制方式，單項全橋結構中有兩個橋臂，輸出的相位差形式為180°的高頻SPWM波，通過濾波作用，能夠有效消除載波信號，有利于將正弦電流波及時有效的饋入電網中。

對圖2進行分析研究，圖中的r指的是濾波電感L以及系統線路中的等效電阻；右邊Unet即電壓值大小，而左邊的Uab即從逆變器中輸出的SPWM波，iL指的是電感電流。

圖2 電流控制型電壓源逆變器的等效電路模型

根據上圖2，將iL定為狀態變量，則可以得出：

經過公式（1），并且經過Laplas的轉換，可以得出 ：

由此可見，控制對象的傳遞函數為公式（3）：

不考慮系統中各項功率構件等因素的作用，可以將SPWM脈寬調制器以及逆變橋路表示為一階慣性環節，如公式（4）所示：

在公式（4）中，T即逆變器開關周期；而KPWM是逆變器增益。

如果在實際工作中，開關頻率數值較高，則 ，因此可以將公式（4）簡化為：

通過公式（3）以及公式（5）可以得出，系統功率輸出級的開環傳遞函數可以表示為公式（6）：

在光伏并網發電系統中，由于濾波等效電阻較小，所以，系統穩定的裕度也相應的比較小，所以，在實際工作中，系統的穩定性較低，因此，為了改善光伏并網發電系統特性，可以加入調節器，提高系統穩定裕度，確保系統工作的穩定性和可靠性。

2 光伏并網發電系統運行控制技術

2.1 滯環瞬時比較方式

滯環瞬時比較形式，通過同一控制單元，可以同時產生電流誤差補償以及PWM信號，而且可以形成閉環反饋，有利于控制線發揮功效，在動態響應以及電流保護方面作用突出，但是該形式也是有一定的缺陷的，例如控制會出現延時反應、不能產生零電壓矢量等等，由于這些缺陷，會導致輸出電流波動較大，諧波的畸變率也會隨之增加。

2.2 三角波比較方式

三角波比較方式原理，其中，放大器一般采用比例積分放大器，三角波比較方式與瞬時值比較方式相比，可以體現出很多優勢，包括輸出電壓中的諧波較少以及器件開關頻率比較固定等等，但是三角波比較方式也是有一定的缺陷的，包括硬件結構復雜、誤差較大等。目前，更好的閉環電流控制方法是基于載波周期的控制方法。

2.3 內模原理

內模原理中指出，如果在反饋控制環路內部，存在某種信號，能夠準確的描述出外部輸出質量，并且擾動動力學特性的數學模型，則能夠體現出反饋控制系統抵消擾動能力較強，而且對于指令的跟蹤能力較強，另外，還可以體現出其對誤差調節的穩定性較好，這種數學模型就是“內模”。以上就是內模原理的定義，由此可見，發生器可以產生參考信號，而當其處于閉環系統中時，則該系統的穩定性也會相應的提高，能夠輸出不會產生誤差的跟蹤參考信號。

2.4 重復控制

重復控制思想的來源是內模原理。對光伏并網發電系統的本質進行剖析，逆變器的輸出電流波形控制屬于伺服系統設計范疇，系統需要對基波正弦波進行跟蹤分析，另外，還需要對基波以及多重諧波這類擾動信號進行有效抑制。由此可見，在實際工作中，積分控制的效果并不高，不能夠對指令信號和擾動信號進行無靜差跟蹤，其只能夠在低頻段為系統提供開環增益，減少靜差，但是還是會對系統的穩定性造成不良影響，由于相位滯后問題，系統的運行可靠性會降低。對內模原理進行詳細分析可以得出，當給定為正弦指令信號時，可以在控制器中設置一個與指令同頻的正弦信號模型：

公式（7）中， 即為正弦指令信號的角頻率。

在以上公式中， 即為正弦信號的數學模型。當指令信號與擾動信號頻率相同時，光伏并網系統即可以做到無靜差跟蹤。然而，在實際運行中，系統逆變器的運行過程復雜程度高，因此，上述分析只是在理想狀態下所得出的結果。光伏并網系統的擾動信號頻率呈多樣性的特點，很難實現對所有擾動信號的無靜差跟蹤，如果有實際需要，則需要在整個系統中設置較多的內模，而這樣就會導致對于系統的控制更為復雜，影響系統運行的穩定性，降低工程價值。通過對這方面的時間研究發現，幾乎所有的擾動信號都有一個共性，當其處于每個基波周期內時，信號頻率都會相同，所以，可以采用與公式（9）不同的信號發生器內模：

其離散脈沖傳遞函數為：

2.5 電網電壓的前饋控制方式

對重復控制技術進行不斷改進研究，能夠對正弦給定信號實現無靜差跟蹤，同時還能夠在很大程度上降低輸出波形畸變率。但是，由于在實際工作中，誤差跟蹤控制的滯后性問題比較明顯，因此，系統的動態性較差，在此情況下，系統的輸出波形可能會出現比較嚴重的畸變問題。對此，必須采取有效措施控制瞬時擾動，對于光伏并網系統，可以使用電網前饋控制方式，這樣才能有效抵消電網作用，將系統作為無源逆變系統，不僅可以有效簡化系統結構，而且還有利于提高系統運行穩定性。所以，如果已經確定了直流側電壓，則電網電壓前饋環節可以增益1/KPWM，能夠有效實現電網電壓的精確對消。

3 結語

新時期，科學技術發展迅速，隨著主電路拓撲結構的不斷發展，光伏并網發電系統控制技術也在不斷進步。目前，研究分布式系統的綜合控制是光伏并網發電系統的重要控制技術，因為該控制方法具有非線性、強耦合、多變量等特點。在系統中將數字信號處理器作為控制中心，能夠有效實現數字化控制。

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