正常與故障工況下光伏并網發電系統運行控制技術

徐智華

（江西電力職業技術學院 動力工程系，江西 南昌）

太陽能因其清潔環保、取之不盡、利用率高等優點在電力領域得到廣泛應用，截止2023 年第一季度，我國光伏發電裝機總量達到4.4 億千瓦，對滿足各行各業用電需求方面發揮了重要作用。在光伏并網過程中，由于光伏測和并網側的功率不平衡，容易發生電壓跌落故障，除了影響電網運行的穩定性和安全性，如果跌落深度較大還有可能燒毀電力設備或電力線纜，給電力公司和電力用戶造成嚴重損失。因此，加強正常工況和故障工況下光伏并網發電系統的運行控制水平，尤其是在發生電壓跌落故障后及時向電網注入功率使電壓恢復，才能切實保障電網的可靠運行。

1 正常工況下光伏并網發電系統運行控制

1.1 控制策略的選擇

光伏系統的輸出功率會受到外界環境（如光照強度、溫度等）的影響，要想達到光電轉化效率的最大化，必須讓光伏系統始終在最大功率點（MPP）處工作，即最大功率點跟蹤（MPPT）技術。目前常用的MPPT 算法有電導增量法、擾動觀測法、恒定電壓法等若干種，但是在實際應用中均存在一定的缺陷。以擾動觀測法為例，對擾動步長有嚴格要求，步長較小需要花費更多的尋優時間；步長較大則會出現震蕩情況，影響系統運行穩定性。本文提出了一種基于模型預測的MPPT 控制策略，通過構建數學模型的方式，建立基于PI 控制器的閉環控制系統，該系統采用直接電流控制模式，一方面能顯著加快光伏并網發電系統的響應速度，另一方面又能改善并網電流的質量[1]。

1.2 模型的構建

在dq 坐標系中建立PI 控制器模型，考慮到該數學模型的d 軸和p 軸之間有強耦合關系，采用“前饋解耦”原理消除耦合影響。該模型為雙閉環控制系統，其中電壓外環負責保證直流母線電壓的穩定性，電流內環負責進行功率的解耦控制。利用MPPT 技術改變直流母線電壓的參考值（Udc-ref），利用外環控制有功電流的參考值（idc-ref），保證電壓和電流的可調性。電流內環輸出信號經過空間矢量脈寬調制后，變成逆變器可識別的控制信號，根據該信號實現對逆變器工作狀態的控制。

1.3 參數的設計

在脈沖寬幅調制（PWM）控制模式下，控制電路的傳遞函數可表示為：

式中，KPWM為調制比，在PWM 調制模式下取1；TPWM表示慣性時間常數，為逆變器開關周期的1/2。用PI 零點抵消傳遞函數極點的電流控制，可得：

式中，L 為濾波電感，R 為濾波電感的內阻抗，Kii為PI控制參數；Kip為電流環控制參數，τi為電流時間常數。利用上式求得Kip的參考值，即可實現對PI 電流環參數的調節。按照同樣的方式也能求得電壓環的控制參數，并實現對PI 電壓環參數的調節，電壓外環控制圖如圖1 所示。

圖1 電壓外環控制結構

圖1 中Udcref表示輸入電壓，Udc表示直流電壓，K為常量，s 表示電壓采樣時間，C 表示儲能電容，Tevs表示電壓采樣周期，Kvp表示電壓環控制參數，τv為電壓時間常數。

1.4 儲能系統控制

在逆變器并網運行狀態下，光伏系統中的儲能設備（蓄電池）會利用“DC-DC”雙向變換器保證直流側母線電壓的恒定，帶有儲能系統的逆變器拓撲結構如圖2 所示。

圖2 并網逆變器拓撲結構

圖2 中S1、S2、S3表示NPN 型三極管；Cpv和Cdc表示光伏儲能電容；D1、D2、D3表示普通二極管；L 和L2表示電感；E 表示直流電源。并網逆變器的儲能電路采用“功率外環+電流內環”的雙環控制模式[2]。以外環功率作為參考值，將蓄電池電壓的采樣值與參考功率坐商，即可求出蓄電池的輸出電流，即：

式中，ib表示蓄電池輸出電流，Pb*表示參考功率，u 表示電壓采樣值。然后再將輸出電流與蓄電池電流的參考值作差，所得結果輸入到PI 控制器中，進行轉換后可以得到開關管驅動信號。當光伏并網發電系統需要儲能時，給開關一個導通信號，控制開關管從關斷狀態變為導通狀態，實現儲能。當儲能結束，或者是達到儲能系統的上限后，開關管自動關斷。

1.5 仿真驗證

為了驗證上述控制策略的可行性，本文使用Matlab 軟件建立了光伏并網發電系統，并進行了仿真驗證。仿真參數設定如下：

（1） 直流電壓，800 V；

（2） 逆變器濾波電容，17e-6F；

（3） 逆變器濾波電感，0.16 mH；

（4） 內環PI 控制參數，67.2/231.4；

（5） 外環PI 控制參數，11.5/625；

（6） 開關頻率，10 KHz；

（7） 電網電壓，380 V；

（8） 電網頻率，50 Hz。

統計仿真開始后1 s 內直流母線電壓的變化情況，如圖3 所示。

圖3 直流母線電壓

由圖3 可知，在基于電網電壓定向適量控制下，光伏并網發電系統能迅速相應控制指令，在0.4 s 時即可將直流母線電壓穩定在800 V，與設定的仿真參數一致。同時，系統輸出功率因數在0.06 s 時數值為1，此時并網點電壓的有效值穩定在311 V，電流的有效值穩定在50 A，并且并網電流信號能夠跟蹤電壓信號，兩者頻率相同，說明光伏并網發電系統可以實現最大功率點跟蹤。當逆變器兩側功率平衡后，儲能系統的功率數值為0，達到了動態平衡，保證了光伏并網發電系統的穩定運行[3]。根據以上仿真結果可知，本文設計的正常工況下的控制策略達到了預期效果。

2 故障工況下光伏并網發電系統運行控制

2.1 電壓跌落檢測方法

電壓跌落是光伏并網常見的故障工況，可能導致光伏并網發電系統與電網之間斷開鏈接，對電力系統的安全性和穩定性有嚴重破壞，準確檢測和及時處理電壓跌落至關重要。目前常用的檢測方法有若干種，如有效值計算法、峰值電壓法基波分量法等峰值電壓法的檢測原理更為簡單，但是檢測時間較長，同時電網中存在的高次諧波可能干擾檢測結果的精確度；基波分量法的檢測結果更加精確，但是不能計算出電壓跌落的時間。對比來看，有效值計算法的綜合應用效果更好。這里以有效值計算法為例，其核心思想是把電網電壓看作一個周期信號，并以數字均方根的形式表示：

2.2 逆變器控制策略

在光伏并網發電系統運行中，如果電壓跌落深度較低，直流母線上累計的不平衡較小，這種情況下可以借助于電壓外環的調節功能，讓光伏系統脫離最大功率點運行，其目的是降低輸出功率，避免直流母線出現過壓電情況，從而保障光伏并網發電系統的穩定運行。如果電壓跌落深度較高，超出了電壓外環的最大調節范圍，直流母線會因為過電壓而存在發熱甚至是熔斷風險。這種情況下就需要進行逆變器輸出功率的重新分配，本文提出了一種基于無功電流支撐的逆變器控制策略，實現流程如圖4 所示。

圖4 無功電流支撐控制策略流程

在該控制策略下，按照設定好的檢測頻率每隔一段實際判斷一次電壓是否跌落，并在發生電壓跌落后計算跌落后的電壓值。執行一個判斷程序“跌落后的電壓值小于0.9U（U 為正常情況下電網電壓）？”如果判斷結果為“是”，則運用逆變器控制策略進行調整。按照逆變器輸出電流不得超過1.1 倍額定值的要求，確定有功電流：

式中，id表示逆變器輸出電流，即有功電流；iN表示額定電流；iq表示無功電流，給定值為0。根據上式計算結果，利用逆變器向電網輸送合適的有功功率，從而到解決電壓跌落故障的目的[5]。

2.3 仿真分析

為了驗證本文提出的故障工況下逆變器控制策略的有效性，使用仿真軟件Matlab 構建了光伏并網發電系統的仿真模型，并模擬電壓跌落故障下的運行環境。設定故障條件如下：

（1） 跌落故障發生時間，0.5 s；

（2） 電壓跌落深度，60%；

（3） 仿真時間，1 s；

（4） 電網額定電壓，380 V；

（5） 電網頻率，50 Hz；

（6） 直流母線額定電壓，800 V。

按照上述條件進行仿真，電壓跌落檢測結果如圖5 所示。

圖5 電壓跌落檢測結果

由圖5 可知，在仿真實驗開始0.5 s 后，電網電壓出現了電壓跌落故障，從原來的300 V 跌落至120 V，跌落深度為60%，與設置的仿真條件吻合。在發生電壓跌落故障后，逆變器兩側的功率平衡被打破，累計在直流側電容上的不平衡功率導致直流母線電壓上升。此時，儲能系統發揮作用，吸收了直流側電容上多余的功率，從而讓直流母線電壓上升趨勢得到了抑制，維持了光伏發電并網系統的穩定運行。從仿真結果來看，達到了預期的控制效果，說明本文設計的逆變器控制策略具有實用價值。

3 結論

光伏并網發電系統運行控制技術的創新和運行控制水平的提升，對保障電網運行安全、維護電力公司的利益有重要作用。對于正常工況下的光伏并網發電系統，基于模型預測的MPPT 控制策略能夠減小震蕩誤差、縮短尋優時間，保證了控制的靈敏性和準確性；在發生電壓跌落故障后，可采取基于逆變器控制策略，通過向電網注入有功功率的方式，讓已經發生跌落的電網電壓重新恢復至正常水平，從而保障電網正常運行。從仿真結果來看，本文提出的兩種控制策略均達到了較為理想的光伏并網發電系統運行控制效果。