光伏电源的并网控制综述

2016-03-22贵州大学电气工程学院孙宏伟陈翌斓

电子世界 2016年1期

贵州大学电气工程学院　孙宏伟　陈翌斓

光伏电源的并网控制综述

贵州大学电气工程学院孙宏伟陈翌斓

【摘要】光伏发电系统不仅有将光能转换成电能的功能，而且还具有调节电能质量、维持电网稳定的作用，故近些年逐渐受到关注。本文就光伏发电并网系统模型进行了综述，首先对光伏并网系统的整体框架作了介绍；其次介绍了最大功率点跟踪（MPPT）的原理及控制；再次罗列了主要的直流变换电路；然后又简要分析了逆变电路的整体框架，并对其控制技术做了总结；最后针对光伏发电系统的不足，对今后的研究发展方向进行了展望。

【关键词】光伏发电；最大功率点跟踪；直流变换电路；逆变电路

0　引言

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，终将成为以后的主流能源，研究太阳能并网控制有着重要的现实意义。我国幅员辽阔，虽然可利用太阳能充沛，但是其富集区域与负荷集中区域往往呈现逆向分布，导致许多大型光电站需要通过远距离输送才能到达负荷端。由于光照强度等因素的非线性和不可控性，使得分布式发电系统的瞬时功率和顺势电压的变化较大。这些问题不仅造成了巨大损失，还导致了大量的能源浪费，因此依赖于新能源并网技术的提高。

本文针对大规模光伏发电系统接入电网系统，将目前各类并网技术进行综述，从装置功能，控制技术的角度进行比较分析，提出相对适合可再生能源分散接入电网的并网框架，以缓解大量新能源并网带来对电网的过大冲击，提高配电网对光能的接纳能力，从而最终实现其安全、可靠、经济的运行要求。

1　典型光伏并网模型

1.1整体框架

光伏并网系统一般由光伏电池阵列、DC/DC变换电路、并网逆变器、滤波网络以及控制部分等组成。

光伏并网系统可由是否与电网相连分为两大类：一类被称为独立运行光伏发电系统，另一类被称作并网运行光伏发电系统。其中，独立光伏发电系统属于未与电网相连的光伏系统，主要被用于较为偏远的山区和乡镇等地区，因而通常需要光伏蓄电池为其储能；而与公共电网连接的并网光伏发电系统是光伏发电的主流，主要应用于大规模商业、工业供电。并网光伏发电系统又可以分为：可调度式和不可调度式。不可调度式系统中不含光伏蓄电池，因此系统不具备储能的功能。这种系统只能在电能满足本地负载后才能将多余的电能输送给电网；在系统无法满足本地负载的电能需求的时候，就需要电网提供所需的电能。可调度式系统较之最大的不同之处是该系统中包含有用于储能的储能环节。通过对蓄电池充放电加以控制，在电网因故障断电时，可调度式系统可实现不间断向负载供电。此外，可调度式系统还具备可调节电能质量的作用，使得系统输出更加安全稳定。

1.2MPPT的原理及控制介绍

MPPT通过检测装置实现实时跟踪监测光伏阵列的功率输出，借助于预测控制能够预测光伏阵列可能的最大功率输出，调整阻抗值使光伏阵列输出的功率为最大值。光伏阵列的功率输出特性曲线是呈抛物曲线变化，Vmax是光伏阵列工作在最大功率点时的电压值。当工作电压值位于其左侧时，输出功率随着光伏阵列两端的电压值的上升而上升；当工作电压值位于其右侧时，输出功率随着官府阵列两端电压值的上升而降低。除此之外，MPPT的智能控制也可以先采集工作数据，通过这些数据区分其运行所在的工作区，根据不同的工作区所对应的不同的指令实现智能性的控制。

对于MPPT的控制技术，在国内外都已经有了不同程度的研究成果。其中最为常用的MPPT控制方法有：定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法，不同的控制方法有各自特点，需要根据实际要求选用。本文选取几种主要的MPPT控制方法，对其简要分析介绍。

定电压跟踪法是最早的MPPT 控制算法。其原理是，当光照强度较高时，所对应的最大功率输出点主要分布在同一条垂直线的两侧，由此，可以将最大功率输出点与某一恒定电压输出相对应，从而完成最大功率点跟踪的控制，即只要求将输出电压固定在最大输出电压值点。恒压跟踪法的优点是可操作性高，不易出现震荡；其缺点是对于温度变化较为敏感，外界干预成本较高。

扰动观察法是目前实现MPPT控制最常用的方法之一，其原理是通过持续扰动光伏系统的工作点来调整寻找最大功率点的方向。对光伏电池输出电压值和电流值进行周期性的调整，然后检测系统功率的变化，将其值与扰动前的功率值作比较，如果功率值增加，说明扰动方向选择正确，可以继续进行上一周期的扰动；相反，如果扰动后功率值相较于扰动前的功率值减少了，则说明扰动方向选择错误，需要改变电压调整方向。反复进行若干次，光伏阵列将逐渐接近最大功率点。扰动观察法的优点是控制参数少，构建简单；其缺点是系统工作在最大功率点时存在振荡，并且控制精度和跟踪速度相互影响。

为了解决上述的功率损失问题，有学者提出了电导增量法。由光伏阵列输出功率特性可知：P-V曲线在最大功率点Pmax处的斜率为零，即：

式（3）为判断系统是否达到最大功率点的依据，即若电导的变化率与电导的负值相等，可以判断为光伏阵列输出已处在最大功率点。相反，若电导的变化率与电导的负值不相等，还需要进一步判断dP/dV是大于零还是小于零。该方法的优点是系统精度高，响应快，并且输出较为稳定，不易出现误判现象。其缺点是算法较复杂，不易控制，并且初始参数设置稍有不当就会引起较大的功率损失，所需成本较高。

1.3DC-DC变换电路介绍

DC-DC电路是控制改变直流电压输出的变换电路，其原理是通过使用脉宽调制技术控制开关器件的导通和关断及其延时长度，同时配合高频变压器等元件达到输出可控、连续直流电压的目的。该电路主要又可以分为非隔离型和隔离型两种变换电路。前者没有隔离变压器，通过斩波直接进行直流电压变换；而后者多了将直流电转换为交流电的变换环节，然后才通过变压器又将交流电整流为直流电输出。

非隔离型DC-DC电路为目前使用最多的一种结构，其包含种类繁多，最常见的电路模型有BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、桥式可逆变换电路等。

隔离型DC-DC电路由于其包含隔离变压，故其电路需要增加交流变换环节。主要的隔离型DC-DC 变换电路结构有正反激、半桥等结构种类，本文不做过多介绍。

1.4DC-AC变换电路介绍

逆变环节的是光伏并网最重要的环节之一，其结构极大程度的决定着整个系统的稳定性、输出效率以及成本，因此对于逆变器拓扑的设计和选择至关重要。随着全球电力电子行业技术的不断发展，以及新兴材料的研发，光伏并网逆变器的拓扑结构呈现出多样化趋势，目前，光伏并网逆变器的拓扑结构主要有电压型并网逆变器和电流型并网逆变器两种：电压型三相逆变电路，它是一个三相六桥臂结构。其三相导电的角度差为120o，同一相两桥臂导电的角度差为180o。同一时刻三相中有且仅有一个桥臂处于导通状态，在同一相的上下桥臂之间进行环流切换。并且常需要采用先断后通的方式以防止同相桥壁的开关器件发生直通现象。该电路的特点是直流侧多为电压源或并联大电容，故其直流侧电压几乎无波动。电流型三相逆变电路，其输出侧电容的作用在于吸收负载在换流期间储存的能量。其三相采用120o导电的工作方式。该电路的特点是电压输出波形要受负载影响。

1.5逆变控制技术介绍

光伏并网逆变器的控制方法是整个系统并网控制最为关键的一环，其作用一是保持存在于两级之间的直流侧的直流电压稳定可控，二是对并网输出的电压、电流、功率进行实时有效的控制。由于光伏系统有多种结构，如单/多级式，单/多相式等，不同结构的系统所对应的核心环节逆变控制部分种类也很繁多。其中一类最为常用的电流闭环矢量控制策略根据参考坐标的不同可分为基于同步旋转坐标系的控制策略和基于静止坐标系的控制策略两种。前者利用派克变换将动态坐标系下的直流变量和静止坐标系下的交流量之间的转换成为可能，再利用典型的PI调节控制就可以达到无静差控制，该控制适合控制单相并网逆变器。后者由于是在静止坐标系条件下，故不能采用PI调节控制，于是可利用PR调节器在基波频率出增益无穷大的特点实现对基波电流的无静差控制，此控制多用在三相并网逆变器的控制。另一类基于功率闭环的控制策略，其原理为将系统输出的瞬时有功功率分量以及无功功率分量这两个受控分量进行分析计算并与给定瞬时功率进行比较，将偏差值输入滞环比较器，最后的输出值和电网电压矢量位置决定着驱动功率开关的导通和关断。该控制方法鲁棒性好，可操作性高。