分布式光伏電源并網控制措施探究

邱 哲

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司濱海新區分公司（天津），天津 300072）

0 引 言

本研究旨在對分布式光伏電源并網控制措施進行綜合探究，系統地介紹其技術原理、分類和特點，深入剖析網側、機側、負荷側以及集中式控制策略，并探討實際應用中的挑戰和解決方案。通過對已有的研究成果和實際應用案例進行綜合總結，為進一步推動分布式光伏電源并網技術的發展和應用提供參考，促進可再生能源的可持續利用，實現能源的清潔、低碳、高效利用。

1 分布式光伏電源并網控制技術概述

分布式光伏電源并網控制技術是將分布式光伏發電系統與電力網連接并有效、安全、穩定地進行并網運行的一系列技術措施。其主要目的是確保光伏電源系統能夠按照電力網的要求進行電能注入和電能提取，同時保護電力網的穩定運行。在分布式光伏電源并網控制技術中，包括了多個方面的控制措施，如網側控制、機側控制、負荷側控制以及集中式控制等。

（1）網側控制。網側控制主要監測、控制和保護光伏電源系統與電力網之間的電流、電壓、功率等參數。網側控制通常包括功率因數控制、有功功率控制、無功功率控制等，以確保光伏電源系統能夠滿足電力網的要求，并保障電力網的穩定運行。

（2）機側控制。機側控制主要控制和管理光伏電源系統內部的逆變器，以實現對光伏電能的轉換和注入電力網。機側控制通常包括逆變器的電流控制、電壓控制、頻率控制等，以確保逆變器的運行穩定和與電力網的協調運行。

（3）負荷側控制。負荷側控制主要管理和調度光伏電源系統輸出的電能，以滿足負荷需求并確保電力網的穩定運行。負荷側控制通常包括了負荷管理、電能儲存管理、負荷優化等，可以實現對負荷的靈活控制和調度[1]。

（4）集中式控制。集中式控制主要通過遠程監控和管理系統集中控制和協調管理多個分布式光伏電源系統。同時，可以監測和管理光伏電源系統的運行狀態、性能和故障，從而實現光伏電源系統的整體優化和協調控制。

2 分布式光伏電源并網控制措施

2.1 網側控制策略

光伏電源并網對電網的影響較大，因此采取合適的網側控制策略對光伏電源系統進行有效的控制和管理至關重要。網側控制策略主要包括有功和無功控制、頻率、電壓控制等。

（1）有功控制。其對光伏電源系統的有功功率進行控制，以確保其滿足電力網的要求。有功控制通常采用功率反饋控制和電壓反饋控制2 種方式。功率反饋控制通過控制光伏電源系統的輸出功率，使其與電力網的需求保持一致，從而實現有功功率的控制。電壓反饋控制通過控制光伏電源系統的輸出電壓，使其與電力網的電壓保持一致，從而實現有功功率的控制。有功控制可以實現光伏電源系統的有序注入和電能提取，保障電力網的穩定運行。

（2）無功控制。其對光伏電源系統的無功功率進行控制，以滿足電力網的無功需求。無功控制通常包括無功功率調節和功率因數調節2 種方式。無功功率調節通過控制光伏電源系統的無功功率輸出，使其與電力網的無功需求相匹配。功率因數調節控制光伏電源系統的功率因數，使其維持在合理的范圍內，從而避免對電力網的無功負荷造成影響[2]。

（3）頻率控制。其對光伏電源系統的輸出頻率進行控制，以確保其與電力網的頻率保持一致。頻率控制通常采用頻率反饋控制和直接調制控制2種方式。頻率反饋控制通過監測電力網的頻率，并根據其變化來調整光伏電源系統的頻率輸出，使其與電力網同步。直接調制控制直接控制光伏電源系統的輸出頻率，使其與電力網的頻率保持一致。頻率控制對于保障電力網的頻率穩定具有重要意義。

（4）電壓控制。其對光伏電源系統的輸出電壓進行控制，以確保其與電力網的電壓保持一致。電壓控制通常包括電壓反饋控制和直接調制控制2種方式。電壓反饋控制監測電力網的電壓變化情況，并將光伏電源系統的輸出電壓調整與電力網的電壓一致。直接調制控制直接控制光伏電源系統的輸出電壓，使其與電力網的電壓保持一致。電壓控制對于保障電力網的電壓穩定具有重要意義。

2.2 機側控制策略

機側控制策略指光伏電源系統中逆變器的控制策略，包括最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）和逆變器輸出控制等。這些策略對于光伏電源系統的高效能輸出和對電力網的可靠并網具有重要作用。

（1）MPPT 策略。該策略是一種通過調整光伏電池陣列的工作狀態，在不同光照條件下始終工作在最大功率點的控制策略。光伏電池陣列在不同光照條件下具有不同的電壓-電流特性曲線，因此需要通過MPPT控制策略實時跟蹤光伏電池陣列的最大功率點，從而保證系統能夠以最大的光伏發電效率工作。常見的MPPT 控制策略包括基于估計法、基于掃描法、基于模型預測控制等。這些策略實時監測和計算光伏電池陣列的電壓、電流和功率等參數，從而調整逆變器的工作狀態，使光伏電源系統在不同光照條件下始終工作在最大功率點，實現光伏電源的高效輸出[3]。

（2）逆變器輸出控制策略。該策略對逆變器輸出電壓、電流等參數進行調節，以保障光伏電源系統的并網安全和穩定。逆變器作為將光伏電池陣列產生的直流電轉換為交流電并注入電力網的關鍵設備，其輸出控制對于確保光伏電源系統與電力網的安全連接至關重要。逆變器輸出控制通常包括電壓控制、電流控制、頻率控制等，這些控制策略可以通過比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）控制、模型預測控制、滑模控制等方式實現。逆變器輸出控制策略的合理設計和實施可以確保光伏電源系統與電力網的穩定互聯互通，并對電力網的電壓、電流、頻率等參數產生積極影響。

2.3 負荷側控制策略

負荷側控制策略指在分布式光伏電源系統并網時，對負荷側進行的控制策略，包括負荷側優先供電策略和負荷側管理策略等。這些策略旨在確保負荷得到穩定供電，同時充分利用光伏電源系統的電能輸出。

（1）負荷側優先供電策略。該策略指在分布式光伏電源系統并網時，優先滿足負荷的用電需求。該策略通常通過負荷側電能管理系統（Load-side Energy Management System，LEMS）實現，通過對負荷側電能需求的實時監測和預測，控制光伏電源系統的輸出功率，使其足夠滿足負荷需求，并將多余的電能注入電力網。負荷側優先供電策略可以確保負荷的穩定供電，降低對電力網的依賴，同時最大限度地利用光伏電源系統的電能輸出。

（2）負荷側管理策略。該策略通過管理和調整負荷側的能耗和符合，從而實現光伏電源系統的控制。這種策略通常包括負荷側的能耗管理、負荷的啟停控制、負荷的時段調整等。通過合理的負荷側管理策略，可以調整負荷的用電行為，使其在光伏電源系統輸出充足的情況下優先使用自身產生的電能，減少對電力網的需求，從而實現負荷側的能耗優化。

2.4 集中式控制策略

集中式控制策略是一種通過中央控制系統對分布式光伏電源進行統一管理和控制的先進方式。

首先，通過集中式監控系統，可以對多個光伏電源系統進行實時監測、數據采集和分析，從而了解系統的運行狀態、發電效率等關鍵信息。這種實時監控可以幫助運維人員及時發現并解決潛在問題，確保光伏電源系統的穩定運行。

其次，中央控制系統可以基于集中式監控系統的數據，對光伏電源系統進行遠程調度和控制。例如，通過遠程控制逆變器的輸出功率、電壓、頻率等參數，可以靈活調整光伏電源系統的發電能力，以滿足電力網的需求和系統運行的穩定性要求。這種遠程控制的方式可以提高光伏電源系統的靈活性和響應速度，適應電力網的實時調度和變化需求[4]。

最后，集中式控制策略可以進行能量管理和優化調度。通過中央控制系統對光伏電源系統的發電功率進行精細調度和管理，可以最大化利用太陽能資源，優化系統的經濟性和穩定性。例如：在電力網需求低谷期間，可以將光伏電源系統的發電功率調整到最大值，提高自給自足率；在電力網需求高峰期間，可以適度降低光伏電源系統的發電功率，避免對電力網造成過大的影響。這種能量管理和優化調度的策略可以使光伏電源系統更加智能化和高效化，進一步提高可再生能源的利用效率。

3 分布式光伏電源并網控制的技術挑戰與解決方案

分布式光伏電源并網控制面臨著一系列技術挑戰，包括MPPT 管理、逆變器控制、通信和協同控制以及并網電力管理等方面。以下是主要挑戰及其解決方案。

（1）MPPT 管理。光伏電源系統的輸出功率受到光照條件、溫度等多種因素的變化影響，因此如何實現高效的MPPT 跟蹤成為一個重要的挑戰。解決方案可以采用基于模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）、擾動觀測法（Perturb and Observe，P&O）、增量阻尼法（Incremental Conductance，IncCond）等高效的MPPT 算法，實時調整光伏電源系統的工作點，使其保持在最大功率點附近，從而提高系統的能源產出效率[5]。

（2）逆變器控制。逆變器是將光伏電源系統產生的直流電轉換為交流電并注入電力網的關鍵設備，其控制對于確保系統的安全和穩定運行至關重要。解決方案可以采用先進的逆變器控制策略，包括電壓控制、頻率控制、功率因數控制等，以保障光伏電源系統的并網安全性和電能質量。

（3）通信和協同控制。分布式光伏電源系統通常包括多個光伏電池組成的微電網，需要進行協同控制和通信，以實現系統的整體優化和協調運行。因此，可以采用先進的通信技術和協同控制算法，如分布式控制、虛擬同步發電機控制等，以實現光伏電源系統的協同運行，提高系統的可靠性和性能。

（4）并網電力管理。光伏電源系統并網后，需要與電力網進行有效的電力管理，包括對電力網電壓、頻率、功率等參數的控制。解決方案可以采用先進的電力管理技術，如電網側有功無功控制、電壓頻率控制等，以保障光伏電源系統與電力網的安全穩定連接。電網側有功無功控制可以根據電力網的需求，調整光伏電源系統的輸出功率，并根據電力網的功率因數要求，實現功率因數控制，以減小對電力網的影響。此外，電壓頻率控制可以保持光伏電源系統注入電力網的電壓和頻率在合理范圍內，以確保電力網的穩定運行。

4 結 論

分布式光伏電源系統并網控制技術是實現可再生能源高效利用和電力網穩定運行的關鍵。文章探討最大功率點跟蹤、逆變器控制、通信和協同控制以及并網電力管理等技術挑戰，并提出了相應的解決方案。通過采用高效的MPPT 算法、先進的逆變器控制策略、協同控制算法和電力管理技術，可以實現光伏電源系統與電力網之間的高效能量交互，確保系統的安全穩定運行。然而，仍然存在一些挑戰，如多光伏電池之間的信息交流和協同控制、新能源法律法規和政策的不斷演變等。因此，未來需要進一步研究和創新，不斷完善分布式光伏電源系統并網控制技術，推動可再生能源的廣泛應用和電力網的可持續發展。