光伏并網系統運行與控制研究

裴建楠++馬濤+++馮斌++李開鑫++許新成++曹康洋永

摘 要：近些年，隨著并網光伏容量的逐漸提升，光伏場站與電網的聯系與影響也愈來愈緊密。針對這樣的情況，本文針對并網光伏發電系統的各個組成部分進行闡述，對并網光伏系統的控制策略進行了深入研究。并且針對光伏系統的控制參數進行了整定，通過仿真驗證了理論的正確性。

關鍵詞：并網光伏系統；控制策略；控制參數整定

0 引言

隨著科學技術的進步和國民經濟的發展，大規模工業化所帶來的問題日益嚴重起來，其中以能源危機和環境污染兩大社會問題最為重要。據新一輪的調查顯示，煤炭最多還能開采二百至三百年；石油儲量僅能維持數十年；天然氣也是儲量極其有限的不可再生能源，世界三大能源正在慢慢枯竭。另一方面，使用傳統能源所帶來的環境污染問題等也不容忽視，在利用傳統能源的過程中會產生許多嚴重污染環境的物質，不僅加劇了“溫室效應”，破壞了生態平衡，還會嚴重危及到人類的健康。如果不及時的采取適當的措施來解決這些問題，人類包括人類賴以生存的家園將遭到嚴重危害甚至是毀滅。為此，世界各國都開始致力于尋找能夠解決傳統能源所帶來的種種問題，來取代傳統能源的新型能源。

以太陽能為代表的新型能源的出現給人類帶來了曙光。太陽能資源取之不盡，用之不竭，儲量十分豐富；傳統能源在使用的過程中，常常會由于燃燒等工業手段而產生大量破壞環境的有毒氣體，而太陽能卻避免了此類問題的產生，太陽能能夠做到綠色發電，屬于清潔型能源；使用方便，可以就地開發和利用，省去了遠距離傳輸問題，這些都是其他新型能源發電技術所不能夠企及的特色優勢[1]。

1 并網光伏發電系統控制邏輯

1.1 并網光伏發電系統組成部分

圖1為目前傳統的單極式光伏并網發電系統的主拓撲圖。系統由四個部分組成，分別為光伏陣列、直流側電容、逆變器、LCL濾波器[2]。其中光伏陣列是系統的電源部分，當光照射到光伏陣列的表面，光伏陣列就會輸出電壓。當光伏系統并網后就會產生功率的傳輸。直流側電容具有兩個作用。一是由于電容的電壓不會突變，因此直流側電容具有穩定直流側電壓的作用。二是直流側電容具有濾波的效果，可以濾除直流側的諧波。直流側電容電壓波動的大小反映直流側輸出功率和電網側接受功率的平衡程度。L1、L2、Cf組成了系統的濾波器，主要作用為濾除流入電網的諧波，提高電網的電流基波含有率。由它們組成的LCL型濾波器相比與L型濾波器有更大的優點。在伯德圖中LCL具有更快的下降陡度，因此可以更好濾除高次電流諧波。

1.2 光伏并網控制策略

圖1下面的控制框圖為并網光伏發電系統的運行控制策略。它由兩部分組成，一個是最大功率跟蹤控制，另外一個是并網電流控制[3]。由于每一種工況下光伏陣列都存在發送最大功率的狀態，因此使光伏陣列在當前工況下發出最大功率會提升光能利用率。實現這樣的控制就是最大功率控制。最大功率控制器是一個兩輸入一輸出的單元，輸入端采集光伏陣列實時的電壓與電流，而輸出端為參考電壓信號。

并網電流控制采用基于電網電壓矢量定向的雙閉環控制理論。雙閉環控制理論由兩部分組成，分為電壓外環與電流內環。電壓外環的控制目標是控制光伏陣列的輸出電壓，電流內環的控制目標是控制并網電流與電網同相。基于S域的逆變器模型中d軸和q軸相互耦合，相互干擾，對彼此的控制性能相互影響。因此引入前饋來消除干擾。其處理后的控制框圖如圖2和圖3所示。其中Udcref是MPPT的輸出控制信號，Tc是逆變器開關周期，P2，K2是電壓外環控制器的比例積分系數，P1，K1是電流內環控制器比例積分系數，m為調制比，σ為逆變器出口電壓基波超前電網相位的角度，Ipv是光伏陣列的輸出電流。G0是電流內環閉環傳遞函數。由于LCL濾波器在穩態的時候可以等效成L，因此控制框圖中的L為L1+L2。

由上述分析可以推導得到整個控制環傳遞函數（1.2.1）。式中的參數如上所述。控制參數的整定要滿足一定的要求，系統的超調與調整時間在合理區。根據這樣的原則給出控制器參數整定公式（1.2.2）。

2 算例仿真分析

整個系統的控制邏輯如圖1，仿真中各個部分參數如表1。

通過仿真表明：隨著光照的變化，并網光伏系統的直流母線電壓及輸出功率也隨之改變。光伏發電系統始終運行在最大功率輸出狀態。并網點的電壓與電流始終保持同相位，向電網僅輸送有功功率。進一步說明本文提出控制參數整定方法的正確性。