光伏并网发电功率波动与对策

张兴科

(东营职业学院工业工程系,山东东营257091)

光照是不可控和不可预测的，有时候变化较快，特别是当受到云层的影响，光照强度会发生剧烈的变化，进而导致光伏阵列输出功率强烈波动，如西藏羊八井的l00 kW光伏电站功率波动达70%每分钟，浙江示范工程250 kW屋顶工程功率波动达20%每分钟。当光伏系统输出功率波动达到一定程度时，电网往往会采取限制、隔离的方式来处理[2-3]，以减小光伏系统对电网的冲击。为了充分发掘光伏发电的价值，协调光伏系统与电网之间的矛盾，提高电能质量，有必要对光伏系统的输出功率进行控制。

1 功率波动对电网的影响

光伏系统输出的功率波动太大会给电网规划、调度和运行造成很多影响，其中，电压波动问题尤其严重[4]。下面将深入研究电压波动产生的机理。

大型光伏系统多在距离电力主系统和负荷中心较远的地方，所以光伏系统一般在薄弱的地方与电力系统相联，相当于接入弱电网。光伏系统的接入改变了电网的潮流分布。如果把光伏系统等效为一个交流电源，其并网示意图如图1所示，其中U为电网相电压向量，E为光伏系统出口电压向量，R1为线路的电阻，X1为线路的电抗，Id为线路上有功电流向量，Iq为线路上无功电流向量。

由图1（b）和（c）可以看出，j IdX1和IqR1与电网电压U垂直，造成的电压降落可以忽略不计，造成电压降落的主要原因是IdR1和j IdX1。当光伏系统输出功率波动时，有功电流Id和无功电流Iq会随着波动，导致电网电压波动。

下面推导结果可以更直接地显示电压波动和功率波动的关系。设光伏系统注入到电网的有功功率和无功功率分别为P和Q，同时还假设电网电压U=1(标么值)，则输电线路两端的电压差:

当输电线较短的时候，两端电压相角差很小，故电压波动如下式:

记k=Q/P，则上式可以简写为

当功率因数为1的时候，k=0。所以，光伏系统输出功率的波动会直接导致电网电压的波动。

图1 光伏系统并网示意图

光照是不可控和不可预测的，光伏系统发出的能量波动不定。光伏发电功率的波动达到一定程度时，会导致明显的电网电压波动，破坏电力系统的电压稳定性。电压稳定性是电力系统规划和运行需要重点考虑的问题，日益受到电力系统专家学者的重视。所谓电力系统的电压稳定性，是指系统在满足负荷功率要求的情况下，受到一定的扰动后，各负荷节点能维持负荷电压在容许范围内的能力。当系统具备这种能力时，系统电压是稳定的，反之就是系统电压不稳定。系统电压不稳定可能会导致电力系统崩溃，造成大面积停电事故。因此，电网对光伏并网系统的电压稳定性都有严格的要求，如果在运行过程中电压波动超出一定的范围，电网甚至会要求系统停止并网运行。光伏系统在电网中的比例越大，功率波动问题就越突出。

另外，光伏系统的功率波动还会造成其他一些影响[5-6]:

1）如果光伏系统在正常运行时，光照突然变弱，逆变器将工作在轻载模式，THD这样会导致电流谐波含量增加，(总谐波失真度)变大，电能质量下降。

2）功率波动过大会浪费输配电设备的容量，增加合理规划电网的难度。

3）特别是当云层完全挡住光伏阵列的时候，光伏阵列只能提供很少的功率，可能导致停机脱网。即使采用软并网的方式，频繁的启停机动作也会对电网造成一定的冲击。

4）功率波动对电网的调度造成困难。光伏系统输出功率是不可控和不可预测的，即使电网能适应光伏系统注入功率的随机波动，也会导致电网调度设备频繁动作。

5）光伏系统输出功率的波动，还有可能会导致保护设备误动。

2 功率平抑控制对策

上节分析了光伏系统输出功率波动过大的危害，下面通过引进储能技术以解决功率波动的问题，储能装置通过上双向DC/DC变换器和光伏系统配合工作，进行能量的释放和储存，对光伏阵列发出的功率进行“削峰”和“填谷”，控制光伏系统输出功率的变化率。

2.1 并网功率的控制

为了控制并网功率的波动，可以结合光伏电站的容量、当地的光照情况和电网的需求，采用恒并网功率控制[7]，然后对系统进行功率闭环控制。这种方法的优点是，光伏系统在白天始终稳定地输出功率，从大电网角度看，光伏系统完全是一个可调度的“负负荷”。但是，系统方法无法根据不同季节不同时段的光照情况实时调整并网功率参考值Pref。这样，如果光照长时间比参考光照弱，则电池要持续放电;反之，如果光照长时间比参考光照强，则电池要持续充电。这种工作方式要求较大的容量储能装置。

针对恒功率控制不能实时调整并网功率的缺点，本文通过对光伏阵列发出的功率值PPV进行低通滤波，滤波后的值P*作为光伏系统并网的参考功率。当光照被云层暂时挡住导致一个“波谷”的时候，或者光照暂时变强出现一个“波峰”的时候，低通滤波器通过滤除这些干扰，使参考的并网功率Pref变得平滑，光伏阵列的输出功率和并网参考功率PPV间的差值ΔP＝PPV-P*即为储能电池的工作功率。

2.2 系统运行工况

在某一段时间内，光照强度可能比较稳定，也可能受云层的影响突然变弱，当云层散开时光照又会很快恢复变强，根据这3种光照情况，本文采用的系统有3种运行工况。

l）光照强度相对稳定时，光伏阵列发出的能量全部经过并网逆变器并入电网，储能系统几乎没有能量流动。

2）光照强度突然变弱时，不但光伏阵列发出的能量全部经过并网逆变器并入电网，而且储能系统还要释放出一部分能量。此时，储能系统通过“填谷”来控制光伏系统并网功率陡降。

3）光照强度突然变强时，光伏阵列发出的能量一部分经过并网逆变器并入电网，剩下的能量存储到储能系统。此时，储能系统通过“削峰”来防止并网功率突增。

2.3 低通滤波器的设计

数字滤波器，只是一个计算过程，可以通过编写程序来实现，不存在阻抗匹配、非一致性、特性波动等问题，稳定可靠;只要适当改变相关参数，就可以改变滤波器的特性，设计方法简单[9-10]。

数字滤波器是一个对抽样数据进行数学处理来达到频域滤波目的的数字系统，其输入是一个数字系列，输出是另一个数字系列。其原理是通过设计系统的频率响应，让它满足一定的要求，对信号的某些特定频率成分进行过滤。从频域分析来看，输入信号的频谱与系统传递函数的乘积就是输出信号的频谱，所以，只要F（jω）不是常数，某些频率成分将得到加强，而另外一些频率成分将被削弱甚至变为0，滤波器输出信号的频谱将不同于输入信号的频谱。在设计滤波器时，只需要根据系统的差分方程编写程序，根据需要设计好相关参数，滤波器就可以对信号的频谱进行相应的加工，而且速度快，精度高，适用范围广，灵活性大,抗干扰能力强。

数字滤波器的种类很多，也有很多的分类方法。在实际应用中，常根据滤波器单位冲激响应h(n)的长度划分，即无限冲激响应滤波器(IIR)和有限冲激响应滤波器(FIR)两大类。从性能上来说，在相同选择特性的情况下，FIR滤波器阶数较高，要求较多的运算次数和较多的存储单元;但这些缺点都是相对IIR滤波器比较而言的，IIR滤波器必须要加全通网络来校正相位才能获得相同的选择性和相位线性，这会大大增加滤波器的阶数。从结构上看，在FIR滤波器采用非递归结构，幅度特性可以随便设计，可以保证精确、严格的线性相位特性，而且在有限精度的运算中总是稳定的;而IIR滤波器采用递归性结构，要保证系统的稳定性，极点位置必须在单位圆内。本文采用这种滤波器对光伏阵列的输出功率进行滤波。

数字滤波器的设计方法有窗函数设计法、插值逼近法、Chebyshev逼近法、双线性变换法等。FIR滤波器的设计主要采用窗函数法，利用这种方法将理想滤波器的冲激响应加窗截断，FIR数字滤波器的输入、输出关系如式（4），其中h(n)表示系统的单位冲激响应。

对上式进行z变换，得到传递函数如下:

所以，可以得到系统的输入输出差分方程:

低通滤波器的一般结构如图2所示。从其结构图可以看出，FIR滤波器本质上就是一个分节的延时线，每节的输出加权累加，最后得到滤波输出。

图2 FIR低通滤波器结构图

可以看出，设计数字滤波器，就是按照系统的特性要求，求出一系列的系数

随着MATLAB软件的信号处理工具不断完善，采用该软件自带的FDAtool(Filter Design and Analysis Tool)不但可以很简单地进行计算机辅助设计，而且还可以使设计达到最优化。用FDAtool设计滤波器时，只要根据要求，选择滤波器设计方法和响应类型，设定滤波器阶数、采样频率、通过频率、截止频率等参数，即可生成所需的滤波器。在设计滤波器时，很多时候要根据设计要求和滤波效果不断地调整阶数和类型，以达到设计的最优化。

2.4 双向DC/DC变换器的工作方式

BUCK/BOOST双向DC/DC变换器是由BUCK电路和BOOST电路反并联组成的，主电路拓扑结构如图3所示。K1、D2、L和C2组成BUCK电路，K2、D1、L和C1组成BOOST电路，两个开关管共同组成一个桥臂，根据两个开关管工作时驱动信号的关系，可分独立PWM工作方式和互补PWM工作方式[11]。

图3 BUCK/BOOST双向DC/DC变换器

2.4.1 独立PWM工作方式

独立PWM工作方式，即一个开关管工作在开关状态时，另外一个开关管可靠关断。如图4，PWM1和PWM2分别对应图3中的开关管K1和K2。在t0～t1时间内开关管K1导通;在t1～t2时间内开关管K1关断，此时D2续流导通;开关管K1和二极管D2轮流工作，变换器工作在BUCK模式，使功率从高压侧流向低压侧，在这个过程中开关管K2始终可靠关断。在t3时刻，变换器由BUCK模式切换到BOOST模式，为了防止整个桥臂直通，先要经过一个死区时间（t3～t4）;然后在t4时刻开关管K2导通，直到时刻t5;在t5～t6时间内，开关管K2关断，二极管Dl续流导通;开关管K2和二极管D1轮流导通，变换器工作在B00ST模式，此时功率从低压侧流向高压侧，在这个过程中开关管K1始终可靠关断。

图4 独立PWM工作方式

变换器在BUCK和B00ST两种工作模式切换时可能会导致瞬间的电流冲击，所以需要一个合理的状态切换判据来实现两种工作模式的平滑切换。

2.4.2 互补PWM工作方式

互补PWM工作方式，即不管变换器工作在BUCK模式还是BOOST模式，开关管K1和K2的控制信号都是互补的，当Kl高电平时，K2低电平，反之亦反。为了防止桥臂直通，两个开关管之间要设置一个死区。这种工作方式可以平滑地实现BUCK和BOOST两种工作模式的切换。本文采用这种工作方式，下面详细分析其工作原理。

1）BUCK工作模式。当开关管Kl高电平导通时，下桥臂开关管K2低电平关断，2个二极管Dl和D2均承受反压关断，此时，电流沿“正极-K1-L-C2、Battery-负极”形成回路，如图5（a）;接着开关管K1低电平关断，由于流过电感L的电流要保持原来方向流动，二极管D2导通，电流沿“L-C2、Battery-C2-L”形成续流回路，如图5（b），所以尽管K2的驱动信号为高电平，但不会导通。

图5 BUCK工作模式

2）B00ST工作模式。工作过程和BUCK工作模式相反，如图6所示，电流周期性地沿着“C2、Battery－L-D1-C1、DClink-C2、Battery”或“C2、Battery-L-D2-C2、Battery”形成回路，使能量从低压侧往高压侧传输。综合以上分析，功率平抑控制的流程如图7所示，系统采用双闭环控制。外环是功率控制环，光伏阵列发出的功率值PPV经过低通滤波器滤波，滤除高频量、控制变化率，滤波后的值P作为并网功率的给定值，则电池工作的参考功率为P＝PPV-P；将P与电池工作的实际功率值Pb比较，误差e1经过PI调节器，以调整电池的工作电流参考值Ib*。内环为电池工作电流控制环，使电池实际的工作电流值Ib跟踪外环给定的电流参考值。在外环PI调节器后面采用了限幅环节，以限制电池工作电流[12-13]。此外，系统还有过充过放保护，当电池端电压低于某一个值，接近临界过放时，开关管K9是可靠封锁的，电池停止放电;当电池端电压高于某一个值，接近临界过充时，开关管K8是可靠关断的，电池停止充电。

图6 BOOST工作模式

3 仿真结果与分析

为了验证本文所提出的功率平抑控制，开展了仿真研究。仿真时，系统额定功率为6 k W，光伏阵列开路电压320 V，电网相电压220 V，频率50 Hz，直流母线参考电压600 V，电池正常工作电压150 V，额定容量5 Ah。

仿真时温度恒定28℃,光照情况如图8（a）所示，在t=0.4 s和0.65 s的时候光照分别受到了-300 W/m2和+300 W/m2的干扰。图8(b)中，PPV、Pg和Pb分别是光伏阵列输出的功率、并网功率和电池的工作功率，可以看出，光照的变化导致光伏阵列输出的功率波动较大，但在储能系统的作用下，并网功率变得平缓、变化率减小，实现了本文提出的功率平抑控制。图8（c）是在第一个功率波动期间逆变器输出的电流，可以看出，整个波动过程中并网电流幅值稳定，波形质量好。图8（d）是电池的工作电流，正值表示放电，负值表示充电，随着光伏阵列发出功率的变化，电池能快速地改变工作电流，配合功率平抑控制对能量予以管理。

图7 功率平抑控制策略

4 结语

图8 功率平抑仿真结果

光伏并网发电是最有发展前景的新能源之一，规模越来越大。然而，当光照剧烈变化时，光伏系统输出功率波动较大，会给电网的规划、运行和调度造成困难，制约了光伏并网发电的大规模发展。上面，我们首先分析了光伏系统和电网的关系，得出了功率波动过大会导致电网电压波动的结论，还探讨了功率波动的其他危害，论述了功率平抑的必要性。其次，研究了功率平抑控制的方法，提出了通过对光伏阵列发出的功率值进行低通滤波来给定并网功率参考值的方法，全面介绍了系统的3种运行工况，详细讨论了低通滤波器的设计和双向DC/DC变换器的工作方式，最后给出了功率平抑控制流程图，系统采用双闭环控制，还具有过流、过放和过充保护功能。最后，进行了仿真研究，仿真结果表明，采用本文提出的控制策略可以有效控制功率的波动，减小其变化率，即使光照波动较大，光伏系统输出的电流波形也很好，储能系统随着光伏阵列发出功率的波动而改变功率流动的方向和大小。

[1] 赵平，严玉廷.并网光伏发电系统对对电网影响的研究[J].电气技术,2009(3):41-44.

[2] 史立山，赵庆波，许洪华.光伏发电从独立系统走向规模化并网.[2011-03-26].http://keji.eco.gov.cn2/2/3/1/2009/0514/13950.htm l.

[3] 陈维，沈辉，秦红.太阳电池组件户外性能测试[J].电源技术,2006,30(9):768-770.

[4] 吴汕，梅天华，龚建荣，等.分布式发电引起的电压波动和闪变[J].能源工程,2006(4):54-58.

[5] 范瑞祥，吴素农.江西电网光伏电源规模化接入的对策探讨[J].江西电力,2009,33(6):1-8.

[6] 黄亚峰.风电机输出功率波动平抑控制的可行性研究[D].哈尔滨:东北电力大学电气工程学院,2007:8-14.

[7] 李鹏，张玲，盛银波.新能源及可再生能源并网发电规模化应用的有效途径---微网技术[J].华北电力学报,2009,36(l):10-14.

[8] Shigematsu TKumamotoT Degnehi HHaraT.Applications ofa Vanadium Redox-flow Battery to Maintain Power Quality[C].IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exhibition 2002.Asia Pacific-New Wave of T&D Technology from Asia Pacific.vol.21

[9] 孙志涌.精通MATLAB[M].1版.北京:北京航空航天大学出版社，2000.

[10] 陈明军，王金.采样信号的数字滤波设计和DSP实现[J].信息技术 ,2006（l）:50-53.

[11] 许海平.大功率双向DC/DC变换器拓扑结构及其分析理论研究[D].北京:中国科学院电工研究所,2005.

[12] 胡寿松.自动控制原理[M].4版.北京:科学出版社.2000.

[13] 肖巧景，张宇翔，郭敏.一种新的频率偏移技术在光伏并网发电系统孤岛检测中的应用[J].现代电子技术，2007(1):107-108.