分布式光伏发电站的并网控制及其系统设计

刘建发

（湖南动力源电力勘测设计有限公司 湖南 长沙 410021）

前言

面对越发严峻的资源消耗危机和自然环境问题，全球范围内的可再生能源角度的开发项目开始成为当今主流能源方面的的关键研究课题。在太阳光照射在由主要二极管构成的电池板上面以后，此时光伏阵列能够吸收来自外界的光能并保证自身吸收到的光能利用光电转换作用输出电能，该能源转化流程即为太阳能光伏电池板正常发电的一般过程。因为光伏发电形式与传统模式的火力发电有所不同，并不需要消耗煤炭或者天然气等传统能源，所以在生产电能期间也不会排放各种有害气体，不会对周边环境造成污染，可以将其理解为一种节能减排、绿色环保的新型发电方式，并且正在渐渐成为一种电力能源领域结构中的常见内容，同时也被认为是二十一世纪后最具应用前景新型能源，被广泛的应用在各行各业中。

1 光伏并网发电原理与控制

1.1 光伏发电原理

因为光伏发电系统本身主要是凭借固有的光伏性能电池将来自太阳辐射产生的能量转化成电能，因此其工作基础属于半导体P-N结发生的光伏效应。通过半导体P-N结在受光后，自身吸收的光照中会蕴含一定的太阳能，此时P型硅或者N型硅中存在的电子均能够高能光子激发下产生作用，进而在共价键中得以进一步激发，最终产生电子、空穴，对于电子和空穴而言，二者分别会向带正电N区与带负电P区发生运动，因为界面层带有的实时电荷分离，此时P-N结两端则会产生电压，若此时将P-N结外部进行短路作用，则会同步产生光电流。简单来说，光伏效应在此时感受到来自外界的光照作用，同时电池结构中存在的P-N结则会将实时电荷作出能量形式的改变，最终产生电动势反映效应[1]。

1.2 光伏并网逆变器控制策略

单级光伏并网逆变结构控制主要有下述三个方面的基本控制要求，分别为：MPPT控制、并网电流控制以及三环控制结构或双环控制结构。针对两级式类型的并网逆变直流滤波电容器而言，一般会在其前侧为其设定DC/DC转换器，同时保证后端DC/AC逆变器位置正确，并且电容器可以有效改变前后级差生的的能量等级，正式解除前后级之间存在的耦合现象，此时前级直流升压能量转换器能够最高标准实现设备而的最大功率点跟踪任务，同时控制工作也更为出色，并且后级直流交流能量逆变器的实时控制要求主要为：前级、后级二者之间存在的连接直流侧电压处于恒定状态，此时可以实现对并网实时电流的有效控制，根据产生的实时电压指令，完成电网系统配置的任务，并保证无功功率调节作用有效[2]。

并网逆变器需要通过对自身的输出电流做出有效的矢量控制，保证实现对输出功率和设备无功功率的有效控制。具体控制操作如下：通过对设备中的两端电压控制，进一步实现设备对输出电流实时稳定性，保证幅相控制作用实时且有效。因为矢量方向以及控制器控制变量存在一定程度的差别，能够将光伏并网进行改良，并将逆变器的实时控制策略合理转化为闭环矢量控制体系，此间采取的应对策略需要保证实效性，同时还需要主义功率闭环功率策略之间的区别[3]。在此期间，由于电流闭环控制矢量选用的控制策略需要对坐标系进行变换作用，将原本静止状态下的坐标系交流量代表的坐标进行变换，而后将其中的能量转换成为一张与系统保持一致，同时实时角频率转速也需要主义，将其与旋转坐标系的直流量形式放在同一水平电压上，利用比例积分调节器能够实现无差调节电流；因为同处一个坐标系下，此时的电流与电压分量均会同步发生旋转，所以实现有功功率和无功功率解耦控制方面的效果极佳；针对电网电压而言，需要保证系统定向矢量控制工作(VOC)、设备虚拟磁链矢量控制(VFOC)工作稳定性，同时还需要将二者放置与同一旋转坐标系中，此后阶段的d轴参考方向会发生实时变化，所以会产生一定程度的差异性[4]。

1.3 光伏并网系统体系结构

一般情况下，并网光伏发电系统包括：并网光伏阵列、并网直流配电柜、并网逆变装置以及负荷等几个方面。系统发电全部过程如下：首先由太阳光照射太阳能电池块，此时并网光伏阵列会发生变化，同时光生伏打效应也会在此时发生，设备输出直流电，此后经由并网逆变器，最终实现直流电效应，此后阶段的交流电能量也会转换，利用传输线将实时交流电完全输送给系统的负载设备使用，期间的各项储能装置均可以光伏发电产能过剩的情况下吸收多余电能，还可以在光照不足或者发电量不能有效满足负荷要求的情况下将自身存储的能量予以释放，因为并网逆变器本身的原因，主系统中需要保证配置结构的合理性，由太阳能量为首选条件，保证量级控制部件的使用性能正常，功率优化控制部件、并网故障保护部件以及充放电控制等均能够发挥出非常良好的作用[5]。

2 光伏发电系统的最大功率跟踪控制

2.1 最大功率跟踪原理.

系统最高功率跟踪主要是指光伏电池在将接收到电能进行转换的过程中，始终保持自身的最大输出功率，同时还需要以最高标准利用太阳能发电控制技术，借助对电路占空比控制作用的调节，进一步实现输出功率方面的改变。因为光伏电池自身功率较大，与其两端电压和经过电流的乘积大致相等，所以在其经过对功率检测后，能够得知最终阶段的光伏电池状态，在上述内容基础上，可以对控制信号加以调节和控制，保证最终阶段的电流变化稳定且有效，使光伏电池能够维持最佳作业状态，保持最高功率输出效率。因为现有光伏电池特性不同，各种等效电路差异性较大，主要为非线性元件，所以此后阶段的输出特性不甚统一，流程复杂且分析难度较大，下文主要将简单线性电路作为研究案例，针对最大功率原理展开说明，强化最佳功率输出原理[6]。

2.2 最大功率跟踪的基本拓扑

两级式并网逆变器，其自身最大功率如图1内容所示。图中的一级是直流Boost升压变换器，该设备能够控制PWM信号，实现升压作用。检测PV光伏板设备，保证其电压和电流稳定性，根据功率算法展开计算，此时电压参考值为Ue，对光伏电池进行测试，并采样输出电压，保证输出电压稳定，同时将光伏电池为标准，使电压参考值处于相减状态，将得到的最终电压指令进行记录，并将其输入控制器，此时三角载波器会将PWM控制信号进行转化，同时还会对Boost升压变换器进行处理，保证其电压处于闭环控制状态下；第二级属于光伏并网逆变器控制拓扑，设备电压控制期间，可针对实时直流电压调节，保证直流电压趋于稳定，同时内环电流也需要主义，保证控制工作的有效性，并调节输出因数[7]。

3 分布式光伏发电站系统设计

3.1 光伏电池组件选型

对于单晶硅太阳能电池而言，其自身主要由单晶硅棒构成，并且构成材料纯度较高，这样能够使发电效率得到进一步保证。再加上单晶硅太阳能电池本身具有特殊性，其设计方式、制造工艺相对成熟，并且该设备的生产成本很低，所以，很多太阳能电池在今日依旧使用单晶硅棒材料。一般情况下，单晶硅太阳能实际光电转换效率较高，可以到达15%以上，但此间生产材料性能会存在一定的问题，同时电池不存在倒角，所以发电面积较小，根据工程最终运行数据可知，太阳能电池运行期间，如果投入过多能量，电池功率产生的实际消耗速度较慢。如现有工程中的光伏板安装面积比较小，但工程对发电量的需求较高，面对这种情况时，设计人员可以首先考虑单晶硅太阳能电池，通过这种方式满足工程建设需求[8-9]。

3.2 光伏并网逆变器及其结构选择

光伏并网逆变器极为重要，属于太阳能发电系统中重要组成部分，按照隔离变压器运行原理，可将其分为隔离型光伏并网逆变器和非隔离型光伏并网逆变器两种，因为变压器实际频率存在差别，同时工频和高频也有着较大差别，所以可将隔离型光伏并网逆变器继续细分为工频隔离型光伏并网逆变器和高频隔离型光伏并网逆变器[10]。

针对工频隔离型光伏并网逆变器进行分析，该设备输入和输出功率并不存在直接联系，没有直接耦合关系，因此可有效避免输入作业造成的干扰，同时输出信号会受到的影响也可以得到有效控制。主控电路系统也需要主义，自身电路拓扑大多比较简单，但是工频变压器具有转化作用，高电压可由其变换为设备运行所需的低电压，能够为检修人员提供人身安全保障，同时也可以保证系统运行稳定性，在直流输入电压后，影响变化范围会扩大时，此间的输出与输入需要保持匹配状态;再加上工频变压器自身并不具备直流电专递效用，所以可以降低饱和现象标准。

4 结语

综上所述，本文主要针对分布式光伏发电系统的实时最大跟踪控制能力及并网逆变控制技术展开研究，对光伏并网后续响应现象加以明确分析。通过对分布式光伏发电站最终设计方案的总结，指出选用两级式并网逆变器MPPT单环控制结构以后能够取得更为优质的使用效果，本文主要研究下述两方面内容：

(1)选用两级式并网逆变器MPPT单环控制结构，对能够满足系统正常运行状态，且可靠性要求能做出大幅度的调整，保证可变步长电导增量MPPT控制算法有效性。最终阶段结果能够充分验证MPPT设计方案，明确其控制方法切实可行，可以更加有效的效避免功率振荡或者误判问题的发生。

(2)与传统形式的PI控制方式做出对比，并网电流发生畸变的概率较低，并且动态响应速度要更加快捷：当电网电压处于不平衡状态时，可以有效消除并网电流中存在的负序分量，也能够有效保证并网电流运行的正弦化状态；上述控制在使用期间并不需要锁相环。