光伏并网发电系统运行控制技术的研究

黔西县水务局 徐开平

0 引言

太阳能属于清洁能源，随着科学技术的发展，太阳能在能源中的地位越来越高。利用太阳能有利于构建节约型、生态型社会，并网型光伏发电系统能够充分利用太阳能，因此，本文将对其进行详细探究。

1 光伏并网发电系统的结构形式以及工作原理

1.1 光伏并网发电系统结构形式

图1指的是光伏并网发电系统结构形式，主要由两部分组成，分别为DC/DC以及DC/AC。其中，DC/DC指的是光伏并网发电系统的前级，而DC/AC指的是光伏并网发电系统后级。DC/DC属于高频直流升压变换器，其组成结构有很多种，主要包括升压变换器、单管以及单端等等，通过DC/DC可以将低压直流电上升至高压直流电，通常电压为360V，通过DC/DC作用得到的直流电可以供DC/AC使用。光伏并网发电系统的DC/AC是逆变输出级，其结构形式为单相全桥结构，通过该结构，能够将从DC/AC中输出的高压直流点转换为高频SPWM波，通过电感滤波，SPWM波能够为电网提供正弦电流波。DC/AC的作用可以直接省略工频变压器，与传统的并网系统相比，能够在很大程度上提高系统的工作效率和工作质量。

图1 光伏阵列并网发电系统结构

1.2 光伏并网逆变器功率输出级等效模型

光复并网发电系统能够通过有源逆变器对输出电流控制电压类型，有源逆变器的输出端的特性主要是由受控电流源决定的。光伏并网发电系统采用SPWM控制方式，单项全桥结构中有两个桥臂，输出的相位差形式为180°的高频SPWM波，通过滤波作用，能够有效消除载波信号，有利于将正弦电流波及时有效的馈入电网中。

对图2进行分析研究，图中的r指的是滤波电感L以及系统线路中的等效电阻；右边Unet即电压值大小，而左边的Uab即从逆变器中输出的SPWM波，iL指的是电感电流。

图2 电流控制型电压源逆变器的等效电路模型

根据上图2，将iL定为状态变量，则可以得出：

经过公式（1），并且经过Laplas的转换，可以得出 ：

由此可见，控制对象的传递函数为公式（3）：

不考虑系统中各项功率构件等因素的作用，可以将SPWM脉宽调制器以及逆变桥路表示为一阶惯性环节，如公式（4）所示：

在公式（4）中，T即逆变器开关周期；而KPWM是逆变器增益。

如果在实际工作中，开关频率数值较高，则 ，因此可以将公式（4）简化为：

通过公式（3）以及公式（5）可以得出，系统功率输出级的开环传递函数可以表示为公式（6）：

在光伏并网发电系统中，由于滤波等效电阻较小，所以，系统稳定的裕度也相应的比较小，所以，在实际工作中，系统的稳定性较低，因此，为了改善光伏并网发电系统特性，可以加入调节器，提高系统稳定裕度，确保系统工作的稳定性和可靠性。

2 光伏并网发电系统运行控制技术

2.1 滞环瞬时比较方式

滞环瞬时比较形式，通过同一控制单元，可以同时产生电流误差补偿以及PWM信号，而且可以形成闭环反馈，有利于控制线发挥功效，在动态响应以及电流保护方面作用突出，但是该形式也是有一定的缺陷的，例如控制会出现延时反应、不能产生零电压矢量等等，由于这些缺陷，会导致输出电流波动较大，谐波的畸变率也会随之增加。

2.2 三角波比较方式

三角波比较方式原理，其中，放大器一般采用比例积分放大器，三角波比较方式与瞬时值比较方式相比，可以体现出很多优势，包括输出电压中的谐波较少以及器件开关频率比较固定等等，但是三角波比较方式也是有一定的缺陷的，包括硬件结构复杂、误差较大等。目前，更好的闭环电流控制方法是基于载波周期的控制方法。

2.3 内模原理

内模原理中指出，如果在反馈控制环路内部，存在某种信号，能够准确的描述出外部输出质量，并且扰动动力学特性的数学模型，则能够体现出反馈控制系统抵消扰动能力较强，而且对于指令的跟踪能力较强，另外，还可以体现出其对误差调节的稳定性较好，这种数学模型就是“内模”。以上就是内模原理的定义，由此可见，发生器可以产生参考信号，而当其处于闭环系统中时，则该系统的稳定性也会相应的提高，能够输出不会产生误差的跟踪参考信号。

2.4 重复控制

重复控制思想的来源是内模原理。对光伏并网发电系统的本质进行剖析，逆变器的输出电流波形控制属于伺服系统设计范畴，系统需要对基波正弦波进行跟踪分析，另外，还需要对基波以及多重谐波这类扰动信号进行有效抑制。由此可见，在实际工作中，积分控制的效果并不高，不能够对指令信号和扰动信号进行无静差跟踪，其只能够在低频段为系统提供开环增益，减少静差，但是还是会对系统的稳定性造成不良影响，由于相位滞后问题，系统的运行可靠性会降低。对内模原理进行详细分析可以得出，当给定为正弦指令信号时，可以在控制器中设置一个与指令同频的正弦信号模型：

公式（7）中， 即为正弦指令信号的角频率。

在以上公式中， 即为正弦信号的数学模型。当指令信号与扰动信号频率相同时，光伏并网系统即可以做到无静差跟踪。然而，在实际运行中，系统逆变器的运行过程复杂程度高，因此，上述分析只是在理想状态下所得出的结果。光伏并网系统的扰动信号频率呈多样性的特点，很难实现对所有扰动信号的无静差跟踪，如果有实际需要，则需要在整个系统中设置较多的内模，而这样就会导致对于系统的控制更为复杂，影响系统运行的稳定性，降低工程价值。通过对这方面的时间研究发现，几乎所有的扰动信号都有一个共性，当其处于每个基波周期内时，信号频率都会相同，所以，可以采用与公式（9）不同的信号发生器内模：

其离散脉冲传递函数为：

2.5 电网电压的前馈控制方式

对重复控制技术进行不断改进研究，能够对正弦给定信号实现无静差跟踪，同时还能够在很大程度上降低输出波形畸变率。但是，由于在实际工作中，误差跟踪控制的滞后性问题比较明显，因此，系统的动态性较差，在此情况下，系统的输出波形可能会出现比较严重的畸变问题。对此，必须采取有效措施控制瞬时扰动，对于光伏并网系统，可以使用电网前馈控制方式，这样才能有效抵消电网作用，将系统作为无源逆变系统，不仅可以有效简化系统结构，而且还有利于提高系统运行稳定性。所以，如果已经确定了直流侧电压，则电网电压前馈环节可以增益1/KPWM，能够有效实现电网电压的精确对消。

3 结语

新时期，科学技术发展迅速，随着主电路拓扑结构的不断发展，光伏并网发电系统控制技术也在不断进步。目前，研究分布式系统的综合控制是光伏并网发电系统的重要控制技术，因为该控制方法具有非线性、强耦合、多变量等特点。在系统中将数字信号处理器作为控制中心，能够有效实现数字化控制。

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