光伏发电系统的电网接入与功率调控技术研究

2024-04-16孙记忠张太亮庞金龙

通信电源技术 2024年3期

孙记忠，张太亮，庞金龙

（1.山东新能电力科技有限公司，山东济南 250000；2.山东尚禾电力工程咨询有限公司，山东济南 250000）

0 引言

随着全球对可再生能源需求的不断增长，以光伏发电系统为代表的清洁能源已成为电力系统中不可或缺的一部分。然而光伏发电存在间断性和波动性，急需解决光伏发电系统的电网接入与功率调控问题。文章对电网接入与功率调控技术进行了深入研究，提出创新性的解决方案，以推动光伏发电系统在电力系统中更加稳定、高效运行。

1 光伏发电系统电网接入技术

1.1 电网接入装置与技术

光伏发电系统的电网接入技术中，电网接入装置与技术的关键在于实现光伏系统与电网之间高效、稳定的能量交互。电网接入装置需要具备高度智能化的能力，利用先进的电力电子器件（如逆变器），确保将光伏发电系统产生的直流电转换为符合电网要求的交流电。光伏发电系统电网接入如图1 所示。

图1 光伏发电系统电网接入

电网接入技术采用先进的同步控制策略，确保光伏系统的电流与电网的波形保持一致，最大限度地降低光伏接入对电网的干扰。同时，引入电流注入控制和谐波抑制等技术手段，提高光伏系统对电网的适应性，降低系统与电网之间的电磁兼容性风险[1]。此外，电网接入技术还可充分利用电网侧的智能保护装置，实现对电网异常情况的实时监测和快速响应，确保系统在各种工作状态下的安全性。

1.2 电网互联问题与解决方案

在光伏发电系统的电网接入技术中，电网互联问题是一个复杂且关键的技术挑战。由于电网具有动态性和复杂性，光伏系统与电网的互联可能面临电压、频率不稳定等问题，进而影响系统的安全性和性能。为解决这一问题，需要采用电网同步控制技术，实时监测电网的电压、频率等参数，使光伏系统能够快速响应，保持与电网的同步运行。

为解决电网互联问题，需引入智能逆变器和电网同步控制器，实现对电流和电压波形的精准控制。同时，运用高级电流注入控制、频率同步技术等精细化的电力电子技术。此外，为应对电网突发波动和故障等问题，需采用先进的电压穿越保护和瞬时无功控制技术，确保系统在电网异常情况下能够迅速实现断电保护，防止对系统和电网造成不利影响。

2 光伏发电系统功率调控技术

2.1 光伏发电系统功率特性分析

在利用光伏发电系统功率调控技术时，需要对光伏发电系统功率特性进行深入分析。光伏发电系统的功率特性受诸多因素的影响，包括日照强度、温度、阴影效应等，其中光伏电池的伏安特性曲线是分析功率特性的核心。通过详细研究不同日照条件下电池的电流-电压特性，可以揭示系统在实际工作中的电性能特征。

在技术层面，通过建立电池组的等效电路模型，可以更准确地描述光伏系统在不同工况下的输出电流和电压响应。通过引入最大功率点追踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）算法，动态调整光伏电池的工作点，使其始终运行在最大功率输出点，从而最大限度地提高系统整体的能量转换效率。考虑到环境变化对系统性能的影响，光伏系统还可采用先进的温度补偿和阴影补偿技术，以优化功率特性响应[2]。

综合而言，通过深入分析光伏发电系统的功率特性，借助电性能模型和先进的调控算法，能够更全面地了解系统在不同工况下的性能表现，为实现功率调控提供了有力的技术基础。

2.2 储能技术在功率调控中的应用

在光伏发电系统功率调控技术中，储能技术的应用是为了解决光伏发电的间歇性和波动性，提高系统的稳定性和可调度性。储能技术通常采用高效的电池储能系统（如锂离子电池），并将其作为能量的缓冲和存储单元。通过深度分析光伏系统的发电特性可知，储能系统可以在光照强度充足时储存多余的电能，在日照不足时释放电能以维持系统的输出功率。

通过采用先进的能量管理系统和功率控制算法，储能技术可以实现对光伏发电系统的智能调度和优化。例如，引入MPPT 算法和电池管理系统（Battery Management System，BMS）后，储能系统能够动态调整充放电过程，确保在变化的环境条件下最大限度地利用储存的能量。此外，通过使用智能预测算法，储能系统还能提前预测天气和负载变化情况，从而实现更精准的功率调控。

综合而言，储能技术的应用为光伏发电系统提供了可靠的能量存储手段，不仅能够有效降低系统功率波动，提高系统的输出稳定性，还为系统在微电网和独立电力系统中的可靠性提供了关键支持。

2.3 智能逆变器与功率控制策略

在光伏发电系统功率调控技术中，智能逆变器的运用和功率控制策略的制定是关键。智能逆变器作为光伏系统的核心组件，运用了先进的电力电子技术，能够将直流电能高效地转换为符合电网要求的交流电。在技术层面，智能逆变器引入了先进的MPPT 算法，以实时监测光照条件和电池输出，调整工作点，最大限度地提高系统的能量转换效率。

同时，智能逆变器利用电流注入控制、频率同步技术等先进策略，实现对输出功率的精确控制，确保系统在不同电网工况下的平稳运行。具体而言，逆变器通过实时检测电网参数，调整输出波形的相位和幅值，以适应电网的动态变化，减少对电网的不良影响。此外，智能逆变器还具备电压穿越保护和快速响应机制，确保系统在电网异常情况下能够迅速切断电网连接，保障设备和电网的安全。

3 电网接入与功率调控协同优化

3.1 电网接入与功率调控的协同优化模型

在光伏发电系统中引入电网接入与功率调控的协同优化模型，最大限度地提高系统的能量利用效率和稳定性。该模型的核心是一个复杂的数学表达式，包含光伏发电功率、电池储能状态、电网电压频率等多个变量，可以用公式表示为

式中：Pp为光伏发电功率；Eb为电池储能状态；Ug为电网电压；Fg为电网频率；Poutputmax为最大化功率输出。设计目标函数时，需要考虑如何最大化光伏发电系统的功率输出，并适当地调节电池储能状态与电网电压频率。

在技术实施上，电网接入与功率调控的协同优化模型通过引入先进的优化算法，如线性规划、遗传算法等，以实现不同变量之间的协同调控。通过实时监测光伏功率、电池储能状态、电网参数等数据，优化模型可以动态调整光伏输出功率和电池充放电状态，以最大限度地满足电网的运行要求[3]。

综合而言，电网接入与功率调控的协同优化模型的建立不仅提高了光伏发电系统的整体性能，还优化了系统在不同工况下的运行状态，为清洁能源的高效利用提供了科学有效的手段。

3.2 数据采集与监测系统

在电网接入与功率调控协同优化中，数据采集与监测系统是关键的技术支撑，旨在实现对光伏发电系统各关键参数的实时监测和精准采集。该系统可以监测光伏功率、电池状态、电网电压频率等多个关键指标，以确保系统对运行状况的全面感知。

数据采集与监测系统通过部署传感器网络和先进的监测设备，实时获取参数的变化趋势。通过合理的数据存储和处理机制，确保大量的实时数据能够有效地传输至协同优化模型[4]。此外，采用智能算法对数据进行实时分析，以检测是否存在系统异常或潜在问题，并实施相应的调控策略。

综合而言，数据采集与监测系统在电网接入与功率调控协同优化中扮演着关键角色，为系统提供了准确的运行数据，也为协同优化模型的实施提供了可靠的技术支持。

3.3 实时调度与响应机制

实时调度与响应机制是电网接入与功率调控协同优化中的重要组成部分，通过迅速响应系统变化，实现对电力系统的实时调度和优化。实时调度与响应机制流程如图2 所示。

图2 实时调度与响应机制流程

第一，通过数据采集与监测系统实时获取光伏功率、电池状态、电网电压频率等参数，并将这些数据传输至实时调度与响应机制的核心控制中心[5]。第二，基于获取的数据，实时调度与响应机制利用先进的优化算法，如模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）等，动态调整光伏发电功率和电池充放电状态，以最大限度地满足电网运行需求，确保系统的经济性和可靠性。实时调度与响应机制通过结合电网接入与功率调控的协同优化模型，能够快速识别系统的运行状况，并根据实时数据调整功率，实现对系统的实时监控和调度。

由实时调度与响应机制流程可知，实时调度与响应机制不仅能够应对电力系统运行中的突发情况，也能优化系统的功率输出，提高系统的能源利用效率。这一机制的建立为光伏发电系统的稳定运行和电网接入提供了高效的技术支持。