光伏發電系統的電網接入與功率調控技術研究

孫記忠，張太亮，龐金龍

（1.山東新能電力科技有限公司，山東 濟南 250000；2.山東尚禾電力工程咨詢有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著全球對可再生能源需求的不斷增長，以光伏發電系統為代表的清潔能源已成為電力系統中不可或缺的一部分。然而光伏發電存在間斷性和波動性，急需解決光伏發電系統的電網接入與功率調控問題。文章對電網接入與功率調控技術進行了深入研究，提出創新性的解決方案，以推動光伏發電系統在電力系統中更加穩定、高效運行。

1 光伏發電系統電網接入技術

1.1 電網接入裝置與技術

光伏發電系統的電網接入技術中，電網接入裝置與技術的關鍵在于實現光伏系統與電網之間高效、穩定的能量交互。電網接入裝置需要具備高度智能化的能力，利用先進的電力電子器件（如逆變器），確保將光伏發電系統產生的直流電轉換為符合電網要求的交流電。光伏發電系統電網接入如圖1 所示。

圖1 光伏發電系統電網接入

電網接入技術采用先進的同步控制策略，確保光伏系統的電流與電網的波形保持一致，最大限度地降低光伏接入對電網的干擾。同時，引入電流注入控制和諧波抑制等技術手段，提高光伏系統對電網的適應性，降低系統與電網之間的電磁兼容性風險[1]。此外，電網接入技術還可充分利用電網側的智能保護裝置，實現對電網異常情況的實時監測和快速響應，確保系統在各種工作狀態下的安全性。

1.2 電網互聯問題與解決方案

在光伏發電系統的電網接入技術中，電網互聯問題是一個復雜且關鍵的技術挑戰。由于電網具有動態性和復雜性，光伏系統與電網的互聯可能面臨電壓、頻率不穩定等問題，進而影響系統的安全性和性能。為解決這一問題，需要采用電網同步控制技術，實時監測電網的電壓、頻率等參數，使光伏系統能夠快速響應，保持與電網的同步運行。

為解決電網互聯問題，需引入智能逆變器和電網同步控制器，實現對電流和電壓波形的精準控制。同時，運用高級電流注入控制、頻率同步技術等精細化的電力電子技術。此外，為應對電網突發波動和故障等問題，需采用先進的電壓穿越保護和瞬時無功控制技術，確保系統在電網異常情況下能夠迅速實現斷電保護，防止對系統和電網造成不利影響。

2 光伏發電系統功率調控技術

2.1 光伏發電系統功率特性分析

在利用光伏發電系統功率調控技術時，需要對光伏發電系統功率特性進行深入分析。光伏發電系統的功率特性受諸多因素的影響，包括日照強度、溫度、陰影效應等，其中光伏電池的伏安特性曲線是分析功率特性的核心。通過詳細研究不同日照條件下電池的電流-電壓特性，可以揭示系統在實際工作中的電性能特征。

在技術層面，通過建立電池組的等效電路模型，可以更準確地描述光伏系統在不同工況下的輸出電流和電壓響應。通過引入最大功率點追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法，動態調整光伏電池的工作點，使其始終運行在最大功率輸出點，從而最大限度地提高系統整體的能量轉換效率。考慮到環境變化對系統性能的影響，光伏系統還可采用先進的溫度補償和陰影補償技術，以優化功率特性響應[2]。

綜合而言，通過深入分析光伏發電系統的功率特性，借助電性能模型和先進的調控算法，能夠更全面地了解系統在不同工況下的性能表現，為實現功率調控提供了有力的技術基礎。

2.2 儲能技術在功率調控中的應用

在光伏發電系統功率調控技術中，儲能技術的應用是為了解決光伏發電的間歇性和波動性，提高系統的穩定性和可調度性。儲能技術通常采用高效的電池儲能系統（如鋰離子電池），并將其作為能量的緩沖和存儲單元。通過深度分析光伏系統的發電特性可知，儲能系統可以在光照強度充足時儲存多余的電能，在日照不足時釋放電能以維持系統的輸出功率。

通過采用先進的能量管理系統和功率控制算法，儲能技術可以實現對光伏發電系統的智能調度和優化。例如，引入MPPT 算法和電池管理系統（Battery Management System，BMS）后，儲能系統能夠動態調整充放電過程，確保在變化的環境條件下最大限度地利用儲存的能量。此外，通過使用智能預測算法，儲能系統還能提前預測天氣和負載變化情況，從而實現更精準的功率調控。

綜合而言，儲能技術的應用為光伏發電系統提供了可靠的能量存儲手段，不僅能夠有效降低系統功率波動，提高系統的輸出穩定性，還為系統在微電網和獨立電力系統中的可靠性提供了關鍵支持。

2.3 智能逆變器與功率控制策略

在光伏發電系統功率調控技術中，智能逆變器的運用和功率控制策略的制定是關鍵。智能逆變器作為光伏系統的核心組件，運用了先進的電力電子技術，能夠將直流電能高效地轉換為符合電網要求的交流電。在技術層面，智能逆變器引入了先進的MPPT 算法，以實時監測光照條件和電池輸出，調整工作點，最大限度地提高系統的能量轉換效率。

同時，智能逆變器利用電流注入控制、頻率同步技術等先進策略，實現對輸出功率的精確控制，確保系統在不同電網工況下的平穩運行。具體而言，逆變器通過實時檢測電網參數，調整輸出波形的相位和幅值，以適應電網的動態變化，減少對電網的不良影響。此外，智能逆變器還具備電壓穿越保護和快速響應機制，確保系統在電網異常情況下能夠迅速切斷電網連接，保障設備和電網的安全。

3 電網接入與功率調控協同優化

3.1 電網接入與功率調控的協同優化模型

在光伏發電系統中引入電網接入與功率調控的協同優化模型，最大限度地提高系統的能量利用效率和穩定性。該模型的核心是一個復雜的數學表達式，包含光伏發電功率、電池儲能狀態、電網電壓頻率等多個變量，可以用公式表示為

式中：Pp為光伏發電功率；Eb為電池儲能狀態；Ug為電網電壓；Fg為電網頻率；Poutputmax為最大化功率輸出。設計目標函數時，需要考慮如何最大化光伏發電系統的功率輸出，并適當地調節電池儲能狀態與電網電壓頻率。

在技術實施上，電網接入與功率調控的協同優化模型通過引入先進的優化算法，如線性規劃、遺傳算法等，以實現不同變量之間的協同調控。通過實時監測光伏功率、電池儲能狀態、電網參數等數據，優化模型可以動態調整光伏輸出功率和電池充放電狀態，以最大限度地滿足電網的運行要求[3]。

綜合而言，電網接入與功率調控的協同優化模型的建立不僅提高了光伏發電系統的整體性能，還優化了系統在不同工況下的運行狀態，為清潔能源的高效利用提供了科學有效的手段。

3.2 數據采集與監測系統

在電網接入與功率調控協同優化中，數據采集與監測系統是關鍵的技術支撐，旨在實現對光伏發電系統各關鍵參數的實時監測和精準采集。該系統可以監測光伏功率、電池狀態、電網電壓頻率等多個關鍵指標，以確保系統對運行狀況的全面感知。

數據采集與監測系統通過部署傳感器網絡和先進的監測設備，實時獲取參數的變化趨勢。通過合理的數據存儲和處理機制，確保大量的實時數據能夠有效地傳輸至協同優化模型[4]。此外，采用智能算法對數據進行實時分析，以檢測是否存在系統異常或潛在問題，并實施相應的調控策略。

綜合而言，數據采集與監測系統在電網接入與功率調控協同優化中扮演著關鍵角色，為系統提供了準確的運行數據，也為協同優化模型的實施提供了可靠的技術支持。

3.3 實時調度與響應機制

實時調度與響應機制是電網接入與功率調控協同優化中的重要組成部分，通過迅速響應系統變化，實現對電力系統的實時調度和優化。實時調度與響應機制流程如圖2 所示。

圖2 實時調度與響應機制流程

第一，通過數據采集與監測系統實時獲取光伏功率、電池狀態、電網電壓頻率等參數，并將這些數據傳輸至實時調度與響應機制的核心控制中心[5]。第二，基于獲取的數據，實時調度與響應機制利用先進的優化算法，如模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）等，動態調整光伏發電功率和電池充放電狀態，以最大限度地滿足電網運行需求，確保系統的經濟性和可靠性。實時調度與響應機制通過結合電網接入與功率調控的協同優化模型，能夠快速識別系統的運行狀況，并根據實時數據調整功率，實現對系統的實時監控和調度。

由實時調度與響應機制流程可知，實時調度與響應機制不僅能夠應對電力系統運行中的突發情況，也能優化系統的功率輸出，提高系統的能源利用效率。這一機制的建立為光伏發電系統的穩定運行和電網接入提供了高效的技術支持。

4 結 論

文章主要研究光伏發電系統的電網接入與功率調控技術。通過該研究，能夠認識到在光伏發電系統中，科學合理的電網接入與優化功率調控是實現系統高效運行和可持續發展的關鍵。在未來的工程實踐中，需要積極引入先進技術與設備，加強施工管理培訓，制定規范與標準，以應對市場變化和不斷涌現的新技術。