分布式光伏發電站的并網控制及其系統設計

劉建發

（湖南動力源電力勘測設計有限公司 湖南 長沙 410021）

前言

面對越發嚴峻的資源消耗危機和自然環境問題，全球范圍內的可再生能源角度的開發項目開始成為當今主流能源方面的的關鍵研究課題。在太陽光照射在由主要二極管構成的電池板上面以后，此時光伏陣列能夠吸收來自外界的光能并保證自身吸收到的光能利用光電轉換作用輸出電能，該能源轉化流程即為太陽能光伏電池板正常發電的一般過程。因為光伏發電形式與傳統模式的火力發電有所不同，并不需要消耗煤炭或者天然氣等傳統能源，所以在生產電能期間也不會排放各種有害氣體，不會對周邊環境造成污染，可以將其理解為一種節能減排、綠色環保的新型發電方式，并且正在漸漸成為一種電力能源領域結構中的常見內容，同時也被認為是二十一世紀后最具應用前景新型能源，被廣泛的應用在各行各業中。

1 光伏并網發電原理與控制

1.1 光伏發電原理

因為光伏發電系統本身主要是憑借固有的光伏性能電池將來自太陽輻射產生的能量轉化成電能，因此其工作基礎屬于半導體P-N結發生的光伏效應。通過半導體P-N結在受光后，自身吸收的光照中會蘊含一定的太陽能，此時P型硅或者N型硅中存在的電子均能夠高能光子激發下產生作用，進而在共價鍵中得以進一步激發，最終產生電子、空穴，對于電子和空穴而言，二者分別會向帶正電N區與帶負電P區發生運動，因為界面層帶有的實時電荷分離，此時P-N結兩端則會產生電壓，若此時將P-N結外部進行短路作用，則會同步產生光電流。簡單來說，光伏效應在此時感受到來自外界的光照作用，同時電池結構中存在的P-N結則會將實時電荷作出能量形式的改變，最終產生電動勢反映效應[1]。

1.2 光伏并網逆變器控制策略

單級光伏并網逆變結構控制主要有下述三個方面的基本控制要求，分別為：MPPT控制、并網電流控制以及三環控制結構或雙環控制結構。針對兩級式類型的并網逆變直流濾波電容器而言，一般會在其前側為其設定DC/DC轉換器，同時保證后端DC/AC逆變器位置正確，并且電容器可以有效改變前后級差生的的能量等級，正式解除前后級之間存在的耦合現象，此時前級直流升壓能量轉換器能夠最高標準實現設備而的最大功率點跟蹤任務，同時控制工作也更為出色，并且后級直流交流能量逆變器的實時控制要求主要為：前級、后級二者之間存在的連接直流側電壓處于恒定狀態，此時可以實現對并網實時電流的有效控制，根據產生的實時電壓指令，完成電網系統配置的任務，并保證無功功率調節作用有效[2]。

并網逆變器需要通過對自身的輸出電流做出有效的矢量控制，保證實現對輸出功率和設備無功功率的有效控制。具體控制操作如下：通過對設備中的兩端電壓控制，進一步實現設備對輸出電流實時穩定性，保證幅相控制作用實時且有效。因為矢量方向以及控制器控制變量存在一定程度的差別，能夠將光伏并網進行改良，并將逆變器的實時控制策略合理轉化為閉環矢量控制體系，此間采取的應對策略需要保證實效性，同時還需要主義功率閉環功率策略之間的區別[3]。在此期間，由于電流閉環控制矢量選用的控制策略需要對坐標系進行變換作用，將原本靜止狀態下的坐標系交流量代表的坐標進行變換，而后將其中的能量轉換成為一張與系統保持一致，同時實時角頻率轉速也需要主義，將其與旋轉坐標系的直流量形式放在同一水平電壓上，利用比例積分調節器能夠實現無差調節電流；因為同處一個坐標系下，此時的電流與電壓分量均會同步發生旋轉，所以實現有功功率和無功功率解耦控制方面的效果極佳；針對電網電壓而言，需要保證系統定向矢量控制工作(VOC)、設備虛擬磁鏈矢量控制(VFOC)工作穩定性，同時還需要將二者放置與同一旋轉坐標系中，此后階段的d軸參考方向會發生實時變化，所以會產生一定程度的差異性[4]。

1.3 光伏并網系統體系結構

一般情況下，并網光伏發電系統包括：并網光伏陣列、并網直流配電柜、并網逆變裝置以及負荷等幾個方面。系統發電全部過程如下：首先由太陽光照射太陽能電池塊，此時并網光伏陣列會發生變化，同時光生伏打效應也會在此時發生，設備輸出直流電，此后經由并網逆變器，最終實現直流電效應，此后階段的交流電能量也會轉換，利用傳輸線將實時交流電完全輸送給系統的負載設備使用，期間的各項儲能裝置均可以光伏發電產能過剩的情況下吸收多余電能，還可以在光照不足或者發電量不能有效滿足負荷要求的情況下將自身存儲的能量予以釋放，因為并網逆變器本身的原因，主系統中需要保證配置結構的合理性，由太陽能量為首選條件，保證量級控制部件的使用性能正常，功率優化控制部件、并網故障保護部件以及充放電控制等均能夠發揮出非常良好的作用[5]。

2 光伏發電系統的最大功率跟蹤控制

2.1 最大功率跟蹤原理.

系統最高功率跟蹤主要是指光伏電池在將接收到電能進行轉換的過程中，始終保持自身的最大輸出功率，同時還需要以最高標準利用太陽能發電控制技術，借助對電路占空比控制作用的調節，進一步實現輸出功率方面的改變。因為光伏電池自身功率較大，與其兩端電壓和經過電流的乘積大致相等，所以在其經過對功率檢測后，能夠得知最終階段的光伏電池狀態，在上述內容基礎上，可以對控制信號加以調節和控制，保證最終階段的電流變化穩定且有效，使光伏電池能夠維持最佳作業狀態，保持最高功率輸出效率。因為現有光伏電池特性不同，各種等效電路差異性較大，主要為非線性元件，所以此后階段的輸出特性不甚統一，流程復雜且分析難度較大，下文主要將簡單線性電路作為研究案例，針對最大功率原理展開說明，強化最佳功率輸出原理[6]。

2.2 最大功率跟蹤的基本拓撲

兩級式并網逆變器，其自身最大功率如圖1內容所示。圖中的一級是直流Boost升壓變換器，該設備能夠控制PWM信號，實現升壓作用。檢測PV光伏板設備，保證其電壓和電流穩定性，根據功率算法展開計算，此時電壓參考值為Ue，對光伏電池進行測試，并采樣輸出電壓，保證輸出電壓穩定，同時將光伏電池為標準，使電壓參考值處于相減狀態，將得到的最終電壓指令進行記錄，并將其輸入控制器，此時三角載波器會將PWM控制信號進行轉化，同時還會對Boost升壓變換器進行處理，保證其電壓處于閉環控制狀態下；第二級屬于光伏并網逆變器控制拓撲，設備電壓控制期間，可針對實時直流電壓調節，保證直流電壓趨于穩定，同時內環電流也需要主義，保證控制工作的有效性，并調節輸出因數[7]。

3 分布式光伏發電站系統設計

3.1 光伏電池組件選型

對于單晶硅太陽能電池而言，其自身主要由單晶硅棒構成，并且構成材料純度較高，這樣能夠使發電效率得到進一步保證。再加上單晶硅太陽能電池本身具有特殊性，其設計方式、制造工藝相對成熟，并且該設備的生產成本很低，所以，很多太陽能電池在今日依舊使用單晶硅棒材料。一般情況下，單晶硅太陽能實際光電轉換效率較高，可以到達15%以上，但此間生產材料性能會存在一定的問題，同時電池不存在倒角，所以發電面積較小，根據工程最終運行數據可知，太陽能電池運行期間，如果投入過多能量，電池功率產生的實際消耗速度較慢。如現有工程中的光伏板安裝面積比較小，但工程對發電量的需求較高，面對這種情況時，設計人員可以首先考慮單晶硅太陽能電池，通過這種方式滿足工程建設需求[8-9]。

3.2 光伏并網逆變器及其結構選擇

光伏并網逆變器極為重要，屬于太陽能發電系統中重要組成部分，按照隔離變壓器運行原理，可將其分為隔離型光伏并網逆變器和非隔離型光伏并網逆變器兩種，因為變壓器實際頻率存在差別，同時工頻和高頻也有著較大差別，所以可將隔離型光伏并網逆變器繼續細分為工頻隔離型光伏并網逆變器和高頻隔離型光伏并網逆變器[10]。

針對工頻隔離型光伏并網逆變器進行分析，該設備輸入和輸出功率并不存在直接聯系，沒有直接耦合關系，因此可有效避免輸入作業造成的干擾，同時輸出信號會受到的影響也可以得到有效控制。主控電路系統也需要主義，自身電路拓撲大多比較簡單，但是工頻變壓器具有轉化作用，高電壓可由其變換為設備運行所需的低電壓，能夠為檢修人員提供人身安全保障，同時也可以保證系統運行穩定性，在直流輸入電壓后，影響變化范圍會擴大時，此間的輸出與輸入需要保持匹配狀態;再加上工頻變壓器自身并不具備直流電專遞效用，所以可以降低飽和現象標準。

4 結語

綜上所述，本文主要針對分布式光伏發電系統的實時最大跟蹤控制能力及并網逆變控制技術展開研究，對光伏并網后續響應現象加以明確分析。通過對分布式光伏發電站最終設計方案的總結，指出選用兩級式并網逆變器MPPT單環控制結構以后能夠取得更為優質的使用效果，本文主要研究下述兩方面內容：

(1)選用兩級式并網逆變器MPPT單環控制結構，對能夠滿足系統正常運行狀態，且可靠性要求能做出大幅度的調整，保證可變步長電導增量MPPT控制算法有效性。最終階段結果能夠充分驗證MPPT設計方案，明確其控制方法切實可行，可以更加有效的效避免功率振蕩或者誤判問題的發生。

(2)與傳統形式的PI控制方式做出對比，并網電流發生畸變的概率較低，并且動態響應速度要更加快捷：當電網電壓處于不平衡狀態時，可以有效消除并網電流中存在的負序分量，也能夠有效保證并網電流運行的正弦化狀態；上述控制在使用期間并不需要鎖相環。