一種光伏發電系統的柔性功率輸出控制策略

高長偉， 鄭偉強， 朱 寧， 黃翀陽， 李潤生

（1.遼寧科技學院 電氣與信息工程學院， 遼寧 本溪117004； 2.遼寧營口供電公司， 遼寧 營口 115002；

3.沈陽工業大學 電氣工程學院， 遼寧 沈陽110870）

0 引言

為了提高光電轉換效率，光伏發電系統通常以最大功率跟蹤（MPPT）方式運行[1]～[3]。MPPT 運行方式往往不利于維持光伏發電系統功率供需平衡，當光伏源端輸出功率發生波動時，會對系統的功頻穩定性產生不良影響[4]～[7]。為了提高光伏發電高滲透率電力系統的功頻穩定性，使光伏發電系統具有優良的有功調頻能力，近年來國內外學者對光伏虛擬同步發電機（VSG）控制技術進行了深入研究[8]，[9]。VSG 控制技術通過在光伏源端配備儲能裝置實現虛擬同步功能，抑制光伏系統源端功率隨機波動，但在本質上忽略了光伏源端能量隨機波動對系統輸出特性的影響[10]～[12]。 在工程實踐中，一方面受經濟性制約，不可能無限配置儲能容量；另一方面受太陽能、風能等可再生能源易受環境條件制約， 表現出強烈的隨機波動性。這兩方面因素均對光伏VSG 系統直流側能量的持續穩定供給形成制約，對系統功率供需平衡帶來負面影響。

為解決上述問題，一些專家開展了采用光伏有功備用方式實現慣性與一次調頻支撐的研究探討。 文獻[13]提出一種基于有功備用的光伏虛擬同步發電機控制策略， 對光伏陣列間斷實施MPPT 控制，以獲取短期內最大功率點；通過最低電壓限制使光伏系統在調頻中保持穩定， 使傳統光伏逆變器在不增加儲能、不改造電路的情況下，具有調頻調壓功能。 文獻[14]在傳統VSG 控制的基礎上進一步采用了直流電壓穩定控制技術，當光伏電源供給功率低于負載需求時， 具有抑制直流母線電壓跌落、維持直流電壓穩定的良好作用。然而， 因為仍采用經典的擾動觀察法對光伏陣列實施MPPT 控制， 故當光伏源端供給功率高于負載需求時， 容易因功率供需失衡而引起直流母線電壓升高。 文獻[15]，[16]提出了以固定功率或以最大功率點一定比值輸出功率， 使光伏發電系統通過有功備用方式解決光伏源端波動性問題。 采用該控制策略的光伏發電系統具備了一定的調頻調壓功能，但最大功率點不易確定，且用于穩定控制的系統參數不易整定。文獻[17]提出一種自適應MPPT 光伏虛擬同步發電機控制策略， 實現了在無儲能情況下，模擬同步發電機慣性和阻尼特性，但光伏電源輸出功率無法有效地匹配負載功率需求。 文獻[18]提出了一種基于滑模變功率跟蹤的PV-VSG 控制策略， 可實現光伏出力自適應匹配負載需求； 但該控制策略為抑制光伏源端干擾而引入的變結構控制項的確定方法過于復雜， 難以獲取系統的穩定工作點。

目前， 在光伏發電高滲透率接入電網的情況下，電力系統功率的供需關系已不再要求光伏系統時刻處于滿發狀態，而應以更加靈活的方式實現其并網控制，避免因系統功率供需關系失衡而造成頻率和電壓失穩等電能質量問題。 基于上述原因，本文從功率供需平衡角度出發，深入研究基于有功備用的光伏發電系統穩定運行控制策略，提出一種光伏發電系統柔性功率跟蹤控制（FPPT）方法，以改善無儲能配置光伏發電系統虛擬同步發電機的運行特性。

1 光伏源端功率波動對VSG 運行特性的影響

典型的兩級式光伏發電系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 光伏發電系統拓撲結構Fig.1 Topology of photovoltaic power generation system

光伏陣列與DC/DC 變流器共同組成光伏發電系統的直流源端，逆變器為VSG 控制技術的實施對象，實現直流到交流的能量變換。為了大幅度地提升光伏發電系統的運行效率， 既可利用DC/DC 環節調節光伏電池的輸出電壓等級，還須利用該環節實現光伏系統功率控制功能。

在分布式光伏發電對電網滲透率不高時，MPPT 控制對確保光伏系統工作效率起到了關鍵作用。在光伏發電對電網滲透率較高時，無須光伏系統始終以滿發狀態運行。 在不超出電網設計容量的前提下， 光伏發電系統應根據負荷或并網調度功率需求以柔性方式實時調節其輸出功率，避免因功率過剩而引起電力系統功頻穩定及其它電能質量問題。

以采用VSG 控制的單臺光伏逆變器為例，當忽略有功功率損耗時，功率平衡方程為

式中：Ppv為光伏陣列輸出功率；Pe為逆變器輸出功率；Pc為直流母線電容功率；Ud為逆變器的輸入端電壓；C 為直流母線電容值。

由式（1）可知：

假設初始時光伏陣列輸出功率恒定， 并且其直流輸出電壓為Ud0。 將式（2）線性化后得到如式（3）所示的增量方程：

為確保系統穩定， 特征根通常為負數 （即s＜0），光伏陣列穩定運行判據為

式（7）所示的判據說明，當光伏陣列穩定運行時，其輸出功率對直流電壓的微分小于零，即穩定運行點位于圖2 所示P-U 特性曲線上切線斜率為負的區域（2 區）。

圖2 光伏陣列運行區域示意圖Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic array working area

2 光伏發電系統柔性功率輸出控制

計及負荷及并網調度功率需求與光伏源端輸出功率間供需平衡關系， 當光伏陣列源端功率存在缺額時，控制其運行于最大功率點，為系統穩定提供必要的功率支持；當光伏陣列功率盈余時，調整其工作點降低輸出功率， 實現系統供需功率關系平衡。基于上述控制目標，提出可根據系統功率供需平衡關系而靈活調整跟蹤方向的光伏陣列柔性功率點跟蹤（FPPT）控制方法。 控制流程如圖3所示。

圖3 光伏陣列柔性功率點跟蹤控制方法流程Fig.3 Flow chart of photovoltaic array flexible power point tracking control method

FPPT 控制方法是在擾動觀察法的基礎上引入直流母線電壓測量比較環節， 判別光伏陣列與負荷間的功率供需關系， 利用直流母線電壓實時測量值UD（i）與指令值UR的偏差反映光伏VSG系統直流母線兩側的功率供需平衡關系。 設F（i）為反映直流母線兩側功率供需平衡關系的符號函數，UT為直流母線電壓誤差閾值。

當UD（i）＜（UR-UT）時，直流母線電壓實測值小于指令值，即光伏陣列輸出功率有缺額，將反映直流母線兩側功率供需平衡關系符號函數F（i）取為1。 此時，光伏陣列保持原功率跟蹤方向逐漸向其最大功率點靠近，光伏陣列輸出功率增大，直流母線電壓值升高。

當|UD（i）-UR|≤UT時，直流母線電壓實時測量值與指令值相同，直流母線兩端功率供需平衡，將反映直流母線兩側功率供需平衡關系的符號函數F（i）取為0。此時，光伏陣列輸出端電壓維持恒定。

當UD（i）＞（UR+UT）時，直流母線電壓實時測量值大于指令值，光伏陣列輸出功率盈余，將反映直流母線兩側功率供需平衡關系的符號函數F（i）取為-1。 此時，光伏陣列功率跟蹤方向反向，逐漸遠離最大功率點，光伏陣列輸出功率減小，直流母線電壓值降低， 直至直流母線兩側功率供需關系達到平衡。

3 實時仿真實驗

為驗證所提出控制策略的正確性與有效性，搭建了光伏發電系統硬件在環實驗測試系統。 該系統主要由上位機、RT-LAB 實時仿真機、DSP 控制器和示波器組成。

按圖1 所示的拓撲結構在上位機搭建光伏發電系統模型。為便于比較分析，分別采用MPPT 和FPPT 兩種功率跟蹤控制策略對DC/DC 環節實施控制。 DC/AC 環節采用了經典VSG 控制，將模型編譯生成C 代碼的方式載入實時仿真機中運行。RT-LAB 中的實時仿真模型包含主電路與控制系統兩部分。 RT-LAB 仿真機與上位機之間采用TCP/IP 網絡通信協議傳遞信息，DSP 與RT-LAB之間采用A/D 與D/A 轉換接口直接相連，實現高速率的信號傳輸。 DSP 運算產生PWM 脈沖經光電隔離模塊與RT-LAB 的脈沖輸入端口相連。

對系統負荷功率需求發生變化以及光伏陣列表面光照強度發生變化的典型工況進行實時仿真實驗分析。 以M×N 光伏陣列為例（M 為光伏電池組件串聯個數，N 為光伏電池組件并聯個數）的參數設置如表1 所示。

表1 光伏系統實驗參數Table 1 Experimental parameters of photovoltaic system

3.1 負荷功率需求變化

工況條件：光照強度為1 000 W/m2，溫度恒定為25 ℃。 負荷功率需求變化時序如表2 所示。

表2 功率需求變化情況Table 2 Variation of power supply and demand

由表1 光伏電池基本參數配置計算， 光伏陣列最大輸出功率約3.8 kW。 設置光伏陣列功率盈余與陣列功率缺乏兩種情況。 當采用MPPT 控制時，若環境條件恒定不變，光伏陣列始終以最大功率（約3.8 kW）輸出電能。

（1）采用MPPT 控制

基于上述工況設置條件， 實驗結果如圖4 所示。 在0～0.5 s，光伏陣列輸出功率高于負荷功率需求（功率盈余2.3 kW），逆變器直流母線電容充電儲存能量， 導致直流母線電壓遠高于額定值運行在1 100 V。在0.5～1.0 s，負荷突增1 kW，盈余功率下降為1.3 kW， 直流母線電壓隨之降低為750 V。 在1.0～1.5 s，負荷功率需求下降為初始值后，直流母線電壓重新回升到1 100 V。在1.5 s 時，負荷突增3 kW，導致負荷功率需求超出光伏陣列最大功率，光伏源端輸出功率存在缺額，直流母線穩壓電容放電以支撐系統功率供需平衡， 使直流母線電壓有所下降。由于受存儲容量限制，當逆變器直流母線電容釋放電能后, 仍然無法使功率供需關系達到平衡，系統崩潰。 由此可見，在系統中應用MPPT 控制存在固有技術缺陷。

圖4 基于MPPT 的控制結果Fig.4 Control results based on MPPT

（2）采用FPPT 控制

圖5 所示為采用FPPT 控制策略， 當負荷發生變化時， 系統光伏陣列輸出電壓與逆變器直流母線電壓隨負荷的變化情況。由圖5 可見，兩級式光伏發電系統前級DC/DC 環節（BOOST 電路）將光伏陣列輸出電壓放大2.5 倍。 表1 所示的光伏陣列最大功率點電壓為183 V。 圖5 顯示，在系統功率供需平衡關系發生變化過程中， 光伏陣列端電壓始終維持在200～220 V， 系統工作點一直位于光伏陣列P-U 特性曲線最大功率點右側的穩定運行區域。

圖5 負荷變化時光伏陣列輸出電壓與直流母線電壓Fig.5 Photovoltaic array output voltage and DC bus voltage when load changes

如圖5 所示，在0～1.5 s，光伏陣列最大輸出功率大于負荷需求，FPPT 控制能夠對光伏陣列實際輸出功率進行適時調節， 使系統功率供需關系維持平衡， 逆變器直流母線電壓基本穩定在550 V 左右。 1.5 s 后，負荷變化導致光伏陣列容量出現缺額，逆變器直流母線穩壓電容放電，導致直流母線電壓有所下降，并最終維持在500 V。

圖6，圖7 分別為逆變器輸出的電壓、電流波形。 在0～1.5 s，系統以額定電壓輸出電能；在1.5～2.0 s，系統功率供需關系失去平衡，輸出電壓以偏離額定值運行輸出電能。 輸出電流隨負荷功率需求變化， 其變化規律與系統輸出功率變化規律相同。

圖6 負荷變化時逆變器輸出電壓Fig.6 Inverter output voltage when load changes

圖8 所示為逆變器和光伏陣列輸出功率的情況。 在0～1.5 s，負荷功率需求未超出光伏陣列的設計容量，系統輸出功率可及時跟隨負荷變化，以維持功率供需平衡。在1.5～2.0 s，負荷功率需求為4.5 kW，光伏陣列容量出現缺口，控制光伏陣列運行于最大功率點，為系統功率供需平衡提供支持，以維持系統穩定運行。

圖8 負荷變化時系統的輸出功率Fig.8 Output power of system when load changes

當負荷變化時， 系統頻率響應曲線如圖9 所示。 在0～0.5 s 和1.0～1.5 s，負荷功率需求等于光伏VSG 系統額定功率，系統輸出頻率經過約0.2 s的調整后穩定于50 Hz。 在0.5～1.0 s 和1.5～2.0 s，負荷功率需求大于光伏VSG 系統額定功率，經過約0.2 s 的調整后分別穩定于49.9 Hz 和49.8 Hz左右。系統頻率變化符合一次調頻規律，且頻率響應曲線呈現明顯的慣性特征。

圖9 負荷變化時系統的頻率響應Fig.9 Frequency response of system when load changes

3.2 光照強度變化

設置工況條件為環境溫度25 ℃，光照強度及負荷功率需求變化如表3 所示。

表3 光照強度及負荷變化情況Table 3 Variation of light intensity and load

（1）釆用MPPT 控制

基于MPPT 的PVVSG 控制結果如圖10 所示。 由于采用MPPT 控制，光伏陣列始終以最大功率輸出電能， 其輸出功率變化規律與光照強度變化規律相同。 光伏逆變器的輸出功率隨負荷功率需求變化，始終低于光伏陣列輸出功率。光伏陣列輸出功率盈余， 逆變器直流母線電容充電，導致直流母線電壓遠高于光伏VSG 直流輸入電壓額定值，最高達到1 200 V 左右，嚴重威脅系統安全穩定運行。

圖10 基于MPPT 的光伏VSG 控制結果Fig.10 Control results of photovoltaic VSG based on MPPT

（2）釆用FPPT 控制

圖11 為光照強度變化時光伏陣列輸出電壓與直流母線電壓波形。 光伏陣列端電壓一直維持在200～220 V， 表明系統始終運行在光伏陣列功率-電壓特性曲線上最大功率點右側的穩定區域。在0～2.0 s，負荷功率需求恒定為1.5 kW。采用FPPT 控制時，系統能夠對光伏陣列輸出功率進行自適應調節，使系統功率供需關系維持平衡。逆變器直流母線電壓穩定在550 V 左右， 達到直流輸入電壓要求。

圖11 光照強度變化時的光伏陣列電壓與直流母線電壓Fig.11 Photovoltaic array voltage and DC bus voltage when light intensity changes

圖12，圖13 分別為光照強度及負荷變化過程中逆變器輸出電壓和輸出電流波形。由圖12 可見， 光照強度的變化對系統輸出電壓具有一定的影響， 但基本上維持在額定工作電壓附近。 由圖13 可見，逆變器輸出電流波形變化規律與負荷保持一致。

圖12 光照強度發生變化時逆變器輸出電壓Fig.12 Output voltage of inverter when light intensity changes

圖13 光照強度發生變化時逆變器輸出電流Fig.13 Output current of inverter when light intensity changes

逆變器輸出功率與光伏陣列輸出功率的變化如圖14 所示。由圖14 可見，當光照強度發生變化時， 光伏陣列輸出功率始終與逆變器輸出功率保持一致，并同步響應負荷功率需求。因逆變器直流側無儲能裝置， 故在光照強度發生變化的瞬間VSG 輸電功率具有一定的超調量，但在經過大約0.05 s 的波動后迅速趨于穩定。

圖14 光照強度發生變化時系統輸出功率Fig.14 output power of system when light intensity changes

光照強度變化時， 系統頻率響應如圖15 所示。 在0～2.0 s，負荷保持功率需求恒定，雖然光照強度在此期間頻繁變化， 但系統頻率始終穩定在50 Hz 左右。在2.0 s 時，負荷功率需求突增1 kW，系統輸出功率隨之提升。經過約300 ms 動態調整后，頻率降至49.9 Hz 左右，系統頻率變化符合一次調頻規律且頻率響應曲線呈現明顯慣性特征。

圖15 光照強度發生變化時系統的頻率響應Fig.15 Frequency response of system when light intensity changes

4 結束語

傳統VSG 控制須配置足夠的儲能裝置，以平抑光伏源端隨機功率波動。本文提出了基于FPPT的VSG 控制策略，在不具備儲能裝置的情況下能實現分布式光伏系統直接并網運行。 當負荷與并網調度功率需求或外界光照條件等因素發生變化時， 使光伏陣列始終運行在穩定區域， 確保光伏VSG 系統的運行穩定性。