太阳能光伏发电并网控制研究

朱宽胜

（南京城市职业学院，江苏 南京 210002）

0 引言

太阳能光伏发电并网系统各方面的性能也取得了很大发展并趋于成熟。发达国家在并网发电技术及器件方面都取得了一定的成就，如高频并网模块、多机并联、最大功率点跟踪等。

并网逆变器是太阳能光伏发电的核心部件，发展各种性能的并网逆变器对并网起着至关重要的作用。其中，最大功率点跟踪、孤岛效应和并网控制成为研究的热点。

1 光伏发电工作原理

1.1 并网光伏系统的容量设计

（1）确定现场参数：包括太阳能光伏系统的安装容量、气象条件及地理环境、太阳能辐射值及每个月的平均值等。

（2）计算方阵最佳倾角：实现太阳能辐射量的最大化，这是光伏发电并网系统要考虑的重要问题之一。因为光伏并网发电系统是直接与电网连接，电能能在发出之后被实时利用，效率比较高，因此，要确定太阳能光伏方阵的最佳倾角，实现太阳能全年的最大接收量。

（3）确定性能比（PR）：不同地方的太阳能光伏发电系统，各种参数必然有所区别，因此性能比也不尽相同。但随着研究的深入，现在一般性能比确定在0.7左右。

（4）发电量的估算：太阳能并网发电系统的发电量可用下面公式进行估算：

①准备工作：出水管高度为1.1m，出水管周围0.5m2地面内要夯实、水平，预留的排水管道距离出水桩位置约30cm。准备5kg混凝土。

式中，Eout是全年并网光伏系统输出的电能（k W·h）；Ht为光伏系统接收的太阳总辐射量在一年中与标准时的太阳辐射强度G＝1 000 W／m2相比后得到的最大光照时数（h）；P0为太阳能光伏系统的额定功率（k W）；PR为系统的性能比。

1.2 并网光伏系统与电网的连接

（1）“上网电价”方式：光伏并网系统输出的电能是输出端的电能（即电网一侧），将输出端的电能全部接入电网，而自己的用电则来自电网。国家为鼓励发展太阳能光伏发电系统，通常是高价收购发出的电能，而自己所用的电能则跟其他人一样，享受同等的优惠政策。

（2）“净电表计量”方式：光伏系统发出的电能是接在进户电表之后，即太阳能系统发出的电能首先供自己使用，当有多余时才输入电网，而在电能不够用的时候，则使用电网的电能。

1.3 太阳能光伏发电的基本原理

太阳能电池是利用光电转化原理将太阳能转化为电能。工作原理以P-N结为基础，每片光伏电池都有自身的电压，大约为0.5 V。输出电流还与温度的变化、光照强度、光伏电池的大小和连接方式有关，为了使输出功率能够大一些，要将很多光伏电池通过串并联的方式组成光伏阵列。

半导体P-N结的势垒区存在着较强的内建静电场，当太阳光照射P-N结时，在电场的作用下做漂移运动，N型半导体区的电子留在N区，空穴流向P型半导体区，电子成为多数载流子；而P型半导体区的空穴留在P型半导体区，电子流向N型半导体区，空穴成为多数载流子，在电场的作用下，一旦接负载即可产生直流电流，如图1所示。

2 太阳能光伏发电并网控制

2.1 并网控制的目的与方式

光伏发电系统将发出的电能与电网连接，而电网电压与接入的电流存在相位差，控制的直接目的是使并网的电流与电压的相位差为0，这也是控制的主要目的。其原理如图2所示。常见的控制方式有电压控制和电流控制。

图2 光伏并网控制原理图

2.2 并网控制方法

太阳能光伏发电发出的电能是直流电，需要经过一系列转化才能并网，例如逆变、控制、检测和保护等。一般情况下，逆变器要和控制器结合起来共同控制电能的并网。当然，光伏并网需要多项技术，属于高新技术，发展并网逆变控制器，对光伏发电技术起着非常重要的作用。

（1）在光伏发电并网系统的运行中，逆变器处理过的电能要输出为正弦电流，对电网没有冲击，且必须满足电网规定的相关指标，如高次谐波必须控制到最低，以减少对电网的冲击；不能有直流分量，当然也不能对电网造成谐波干扰等。

（2）当太阳能光照强度发生变化时，也要求逆变器能根据光照和负载的变化高效运行。

（3）太阳能电池输出功率与很多因素相关，如光照、温度、负载的变化等，这就要求逆变器要有最大功率跟踪功能，从而使其能进行自我调节，来实现最佳运行。

（4）在特定场合下要求在电网断电的情况下，也依然能提供电能。

并网逆变电流控制法是由一个电流反馈控制内环实现的，图3所示为电流控制并网光伏逆变器的基本结构。光伏电流逆变器的原理是使输出电流跟随参考指令电流信号，这个电流信号是由MPPT策略和电网电压相位决定的。经过比较实际的瞬时相电流ia、ib、ic和参考指令电流信号ia＊、ib＊、ic

＊，信号通过电流控制器处理之后产生开关控制信号sa、sb、sc控制逆变器工作。光伏并网控制的核心之一就是电流控制器，电流控制策略的好坏关系着并网系统性能的优劣性。

图4 最大功率点跟踪系统结构原理图

图3 电流控制模式并网光伏逆变器基本结构

2.3 并网光伏发电的优点

太阳能光伏发电并网技术是将发出电能通过处理后与电网连接，这种方式有许多优点：

（1）发出的电能直接与电网连接，不再使用蓄电池储能，节约了太阳能光伏发电的投资成本，使发出的电能成本明显降低；而且也提高了系统的稳定性，不再考虑蓄电池可能出现的状况；当然也有利于环境保护，因为没有蓄电池的污染了。

（2）光伏并网发电分散发电供电，进出电网灵活，可以增强电网的稳定性，有利于提高电力系统在自然灾害等异常条件下的抵抗力，也有利于平衡电力系统的负荷，从而降低电力系统的损耗。

（3）光伏电池可以安装在建筑物上，节约了占地面积，而且基本对建筑物没有影响，增加了建筑物的利用率。

3 最大功率点跟踪

3.1 最大功率点跟踪技术

光伏电池输出特性是非线性的，而且受光照强度和环境温度影响较为明显。在任何光照强度和环境温度下，光伏电池都存在一个最大功率输出点。此外，负载变化将影响光伏器件的输出功率。因此，提高光伏发电系统效率的方法之一就是及时调整系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之工作在最大功率点，即使在不同的光照和温度下，也可使光伏电池工作在最大功率点附近，这一过程称为最大功率点跟踪。最大功率点跟踪系统结构原理图如图4所示。

3.2 基于参数选择方式的间接控制法

开路电压比例系数法是为克服温度对系统的影响，由恒定电压法改进而成的。通过光伏电池的外特性可知，光伏电池的最大功率点电压Um在不同的光强和温度条件下，将随光伏电池的开路电压Uoc变化而变化，且两者之间存在着近似线性的关系：

其中，ku为开路电压比例常数，对于不同的光伏电池，ku有不同的值，一般为0.7左右；Uoc可以通过周期地将光伏电池和负载断开来测量，用此方法即可计算出最大功率点电压Um。

这种方法的优点是：就原理来说，比较简单，系统控制的设计可以用简单的模拟电路实现，控制结果也具有很强的抗扰动能力，即使因采样错误或外界强烈干扰出现系数偏差，也能在下一个控制周期得以修正。缺点是：由于最大功率点电压和开路电压之间采用的只是个近似的比例系数，所以光伏电池并不是工作在真正意义上的最大功率跟踪点上。

3.3 基于采样数据的直接控制法

电导增量法是通过比较光伏电池的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率跟踪的一种控制算法。由光伏电池的功率—电压输出特性可以看出其是一个单峰值的曲线，最大功率点处于曲线顶点。

电导增量法正是利用光伏电池工作在最大功率点时输出电导的变化量等于0的原理，通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导值来改变控制信号。在实际使用电导增量法时，需要给出一个合适的阈值E，并设定＝±E时系统工作于最大功率点，当电导增量变化小于这个阈值时，无需改变工作点；当电导增量变化大于这个阈值时，则要相应变化工作点。所以选择合适的步长和阈值非常关键。调节步长的大小，可决定跟踪速度和在最大功率点附近来回波动幅值。对于幅值的大小，理论上越小越好，越小则越能接近最大功率点。但实际中，阈值若设置得太小，系统很可能会永远达不到稳定，始终在一定的范围内震荡。

这种方法的优点是：控制精确度较高，响应速度相对较快，光伏电池输出电压能够跟踪变化，而且较为稳定。缺点是：对控制系统的硬件要求比其他方法要高，且对传感器精度和系统各个部分的响应速度要求也非常高，所以造价相对高一些。

4 结语

本文介绍了太阳能光伏发电的工作原理，提出了太阳能光伏发电的并网方式、要求等，对光伏并网发电系统与电网连接方式作了阐述，光伏发电系统将发出的电能与电网连接，而电网电压与接入的电流存在相位差，控制的直接目的就是使并网的电流与电压相位差为0，这也是控制的主要目的。最大功率点跟踪技术在光伏并网发电系统中起着举足轻重的作用，大大提高了电能并网的效率。希望通过本文对太阳能光伏发电并网控制的研究，能促进太阳能光伏并网发电技术发展，提高能源利用率，从而为更好地推广太阳能技术打下基础。

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