光伏发电系统控制策略及并网研究

彭 博

光伏发电系统作为一种分布式能源系统，其可靠性、稳定性和运行性能对能源供给的安全与可持续发展具有重要意义。然而，由于太阳能的不稳定性和光伏发电系统与电网的相互作用，系统的控制策略和并网技术成为保障系统稳定运行的关键挑战。因此，深入研究光伏发电系统的控制策略和并网技术，提高系统的可靠性和性能，对推动清洁能源发展具有重要意义。

一、光伏发电系统的相关概述

（一）光伏发电系统的运行原理

光伏发电系统是利用光伏效应将太阳辐射能转化为电能的一种发电系统，光伏发电系统通常由光伏电池板、电池组、逆变器、电网连接器等组件组成。光伏电池板是光伏发电系统的核心组件，由多个光伏电池组成，光伏电池是由半导体材料制成的，当太阳光照射到光伏电池上时，光子的能量被半导体材料吸收，激发出电子与空穴，这些带电的电子和空穴的运动产生电流，这就是光伏效应。光伏电池板将光能转化为直流电能，然后通过电池组进行储存，电池组通常使用铅酸蓄电池或锂离子电池来存储电能，当需要使用电能时，储存在电池组中的直流电能通过逆变器转化为交流电能，以满足家庭、企业或公共设施的用电需求[1]。在光伏发电系统中，逆变器扮演着重要的角色，逆变器可将直流电能转换为交流电能，以适应电网的供电标准，使光伏发电系统能够实现与电网的连接，并监测系统的工作状态、输出功率等，且具备保护功能，保障光伏发电系统的安全运行。此外，光伏发电系统还需要与电网连接，以便实现电能的双向流动，当光伏发电系统产生的电能超过自身用电需求时，多余的电能可以注入电网，供其他用户使用；而在夜间或光照较弱，光伏发电系统无法满足用电需求时，可从电网中获取电能。

（二）光伏发电系统的特点

在光伏发电系统中，太阳能是一种可再生的能源，用于光伏发电系统的发电，可实现长期稳定的电力供应，光伏发电系统一般分布于我国的各个地方，如建筑物的屋顶、农田、沙漠等，可有效减少电能输送损耗，降低了输电线路的压力，且可以更好地适应当地的用电需求。而且，光伏发电过程中几乎没有任何排放物质，不会产生二氧化碳、污染物等有害物质的排放，对环境没有负面影响，符合可持续发展的要求。与传统的发电方式相比，光伏发电系统无需燃烧燃料，工作时非常安静，不会产生噪音污染，适合在对噪音敏感的地区使用，如居民区、医院等。同时，光伏电池板的寿命通常可达到25年以上，光伏发电系统几乎不需要维护，且没有移动部件，系统的损耗相对较小，运行稳定可靠。在适当的条件下，光伏发电系统可满足建筑物自身的用电需求，甚至可产生多余的电能供其他用户使用，从而降低对传统电力系统的依赖，减少电力供应的不确定性。

二、光伏发电系统的控制策略

（一）最大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）控制是光伏发电系统中的关键策略，光伏电池的输出功率受到光照强度、温度和电池工作点等因素的影响，MPPT控制策略通过实时监测、分析和调整光伏电池的工作点，以使其输出功率达到最大值，从而实现最高的能量转换效率[2]。MPPT控制策略的核心技术是利用电流-电压（I-V）曲线来确定光伏电池的最大功率点（MPP），该曲线描述了光伏电池在不同电压和电流下的输出特性，通过不断调整电池工作点，使其电流和电压在MPP附近波动，以获得最大输出功率。在实际应用中，MPPT控制策略通常通过电子电路或者微控制器实现，具体来说，MPPT控制器会根据实时的光照强度和温度等环境信息，计算出当前的最大功率点，并相应地调整电池的工作点，以使其输出功率达到最大。常见的MPPT控制算法包括Perturb&Observe（P&O）算法和Incremental Conductance（IncCond）算法等，P&O算法通过改变电池电压的微小变化来观察功率变化的方向，从而找到最大功率点；而IncCond算法则是通过考虑电池的增量电导率来跟踪最大功率点，以实现更准确的控制。总之，MPPT控制策略是光伏发电系统中常用的控制策略，通过实时监测和调整光伏电池的工作点，以确保其输出功率达到最大化，提高光伏发电系统的效率和性能。

（二）频率控制和功率控制

在与电网或微电网系统连接的光伏发电系统中，频率控制十分重要。频率是电力系统运行的一个关键参数，如果频率超出正常范围，可能导致电力系统崩溃或设备损坏，且光伏发电系统需要通过不同的控制策略来确保输出的电力与电网或微电网的频率保持一致，如调整电力电子设备（如逆变器）的工作点或输出功率，使其与电网的频率保持同步。而光伏发电系统的功率控制策略可以分为两种类型，一种是在独立运行的光伏发电系统中控制功率的输出，另一种是在与电网或微电网系统连接的光伏发电系统中控制功率的注入。在独立运行的光伏发电系统中，功率控制策略通常包括最大功率点跟踪（MPPT）和功率限制控制。最大功率点跟踪策略旨在确保光伏电池的输出功率达到最大值，从而提高系统的能量利用率，而功率限制控制策略则用于限制光伏发电系统的输出功率，以确保系统在负载变化或故障情况下保持稳定运行。在与电网或微电网系统连接的光伏发电系统中，功率控制的目标是使光伏系统的功率与电网或微电网的需求相匹配，包括调整光伏发电系统的输出功率以响应电网或微电网的需求变化，并保持电网或微电网的稳定运行，常见的功率控制策略包括电压和频率响应控制、有功功率和无功功率控制等。

（三）电流和电压保护控制

电流和电压保护控制是光伏发电系统中的重要手段，旨在确保系统在出现异常情况时能够及时作出反应，以保护系统设备和维持电网的稳定性。当光伏发电系统出现电网故障、不恰当的运行或维护、电压波动等现象时，系统电压超过安全工作范围的情况，便会出现过电压，光伏发电系统中的逆变器通常具有过电压保护功能，一旦检测到过电压情况，逆变器会自动通过断开电路或降低输出功率等方式进行保护。当光伏发电系统出现电网故障、降低光照强度、长线路电阻等现象时，电压低于安全工作范围的情况，便会引起低电压，而逆变器具备低电压保护功能，当系统电压过低时，逆变器会采取措施以保护设备和维持系统的正常运行。当光伏发电系统出现电路短路、设备故障、外部故障等现象时，系统中的电流超过设备能够承受的额定电流，便会引起过电流，逆变器也具备过电流保护功能，一旦检测到过电流情况，逆变器会自动采取措施，如断开电路或减小输出功率，以防止设备过载或损坏。其次，在光伏发电系统中，电流平衡也是确保光伏发电系统中各组件负载电流均匀分配的重要手段，当系统中某些组件的电流明显大于其他组件时，可能会导致系统性能下降、发热过度或设备故障等问题，而逆变器则可以实时监测和调整电流平衡，如通过调整组件的连接方式或调整组件的输出功率。总之，电流和电压保护控制是光伏发电系统中关键的保护机制，通过实时监测和快速反应，保护系统设备免受电压过高、过低、电流过大或短路等异常情况的影响，从而确保系统的安全运行并维持电网的稳定性。

（四）大风自动停机保护

光伏发电系统中的光伏电池组件通常是通过支架和安装结构固定在地面或屋顶上，使得光伏电池组件通常会受到自然环境的影响，如大风或暴雨，光伏电池组件便可能受到风压的作用产生损坏，为了避免这种损失，光伏发电系统一般都配有大风自动停机保护系统，该系统通常由风速传感器和控制器组成。风速传感器安装在光伏电池组件支架或发电系统附近，用于实时监测风速变化，当风速超过安全范围时，传感器会向控制器发送信号，控制器接收到信号后，会发送指令给逆变器或其他设备，使其自动停机或关闭，从而减少光伏电池组件损坏的风险，保护系统的安全和可靠。同时，大风自动停机保护系统还可以防止电网扰动和电力质量问题产生，确保系统与电网的稳定连接，延长光伏发电系统的使用寿命。

（五）储能系统控制

在光伏发电系统中，储能系统可将光伏发电系统产生的多余能量储存起来，在需要时进行释放，以满足负荷需求或应对电网波动，一般用于管理和调度储能系统的能量流动，提高系统的自供能能力和供电稳定性。当光伏发电系统产生的电力超过负荷需求时，可利用多余的能量给储能系统充电，储能系统会实时监测光伏发电系统的输出功率和负荷需求，根据电力供需平衡，决定是否将多余的电能导向储能系统进行储存。而在负载需要电能的时候，储能系统会监测负载需求和电网情况，根据电力供需平衡，调度储能系统的放电过程，以满足电力需求，并保持系统的稳定运行[3]。同时，储能系统会根据电网电价、光伏发电量、负荷需求等因素，确定最佳的储能系统功率调度策略，实现对能量的管理和优化，最大限度地提高系统的经济效益和能量利用率。此外，储能系统通常以电池作为能量储存媒介，因此电池管理是其中的重要一环，包括电池的充放电控制、电池温度、电池容量和状态的实时监测等，以确保储能系统的电池安全、寿命和性能。

三、光伏并网发电系统的控制策略

（一）光伏并网发电系统的拓扑结构

光伏并网发电系统的拓扑结构通常分为独立式、并联式和混合式，其中独立式并网（Stand-Alone Grid-Connected）拓扑结构指光伏发电系统通过逆变器将直流电转换为交流电，再将交流电直接注入独立的电网中，一般适用于远离主电网或没有电网供电的地区，光伏发电系统可独立为当地电网提供电力。其次，并联式并网（Parallel Grid-Connected）拓扑结构指光伏发电系统通过逆变器将直流电转换为交流电，再与主电网并联连接，在此拓扑结构中，光伏发电系统通过电网提供电力，并从电网获取所需的电能，该并网拓扑结构最常见，适用于大多数商业和住宅应用。此外，混合式并网（Hybrid Grid-Connected）拓扑结构是将光伏发电系统与其他可再生能源发电系统（如风力发电）或储能系统相结合使用的一种形式，并通过混合多种能源的优势，提供更稳定、可靠的电网供电，还可以用来储存光伏发电系统产生的多余能量或平衡电网波动[4]。

（二）光伏并网发电系统的整体设计

光伏并网发电系统的整体设计涉及多个方面，一般有光伏阵列设计、逆变器选择和电网连接和配网设计。在光伏阵列设计中，首先需要确定光伏阵列的大小、布局和方向，以最大限度地获取太阳能，确保阵列的可靠性和效率，并选择合适的光伏电池和支架，综合考虑太阳辐射阴影和倾斜角度等因素。同时，选择符合光伏阵列容量和性能要求的逆变器，逆变器的选择应考虑其转换效率、并网能力、MPPT控制和保护功能等，并确定与电网的接口方案和连接要求，该过程涉及电网连接点的选择、并网控制策略以及与电网的安全、稳定连接。其次，设计并实施适当的配网系统，确保光伏发电系统的电能能够有效、稳定地注入电网中，包括配电盘的设计和布置、电能计量设备的安装、保护设备和机械安全设备的配备等。此外，还需确定光伏发电系统的控制策略，包括最大功率点跟踪（MPPT）控制、电压和频率控制、功率限制控制等，以确保系统在允许范围内运行，提高能量转换效率和电网稳定性。

（三）光伏并网发电系统的仿真与分析

在进行光伏并网发电系统仿真分析时，首先需要根据实际系统参数和组件特性，建立光伏发电系统的仿真模型，包括光伏阵列模型、逆变器模型、清洗模型、电网模型和负载模型等，并确定仿真所需的输入参数，如太阳辐射、温度、光照条件和电网参数等，可根据实际情况设定仿真时段、时间步长和数据采集间隔等参数。其次，可通过仿真软件运行该模型，如PSCAD、MATLAB/Simulink、PVsyst等，用于模拟光伏发电系统在不同条件下的运行情况，并通过改变输入参数、调整控制策略等来评估系统的性能。此外，还需分析仿真结果，评估系统的性能指标，包括电能产量、光伏阵列效率、逆变器效率、功率因数、电压和频率稳定性等，并对比不同设计方案或控制策略的性能差异，找出系统的优化方向。最后，通过修改仿真模型中的参数或添加故障元素，模拟光伏发电系统的故障情况，如阵列故障、逆变器故障、电网故障等，并通过调整MPPT算法参数、电压/频率控制策略、功率限制策略等措施，优化系统运行，以提高系统的性能和可靠性。

结语

为提高光伏发电系统安全性和可靠性，一般可采用最大功率点跟踪，算法、电压和频率控制策略以及功率限制等措施，以确保系统的正常运行。而对于光伏并网发电系统而言，需对光伏并网发电系统的拓扑结构进行优化，采用一定的控制策略和并网技术，以提高光伏发电系统的性能和稳定性，实现系统与电网的安全高效互联，促进清洁能源产业的可持续发展。