大型光伏发电系统的并网控制技术

张喜平，梅柏杉，胥杰，丁佐进

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090）

目前，太阳能利用主要有光热利用、光伏利用和光化学利用3种形式，其中光伏并网发电是太阳能光伏利用的主要发展趋势.我国在光伏并网逆变技术方面的研究经过“十·五”和“十一·五”的国家科技攻关，在基本理论和实用技术方面已经取得可喜成绩，但在并网逆变技术的细节方面，特别是在大型光伏电站的并网方面，还有很多问题需要解决.随着几个10 MW以上光伏电站的投入运行，我国大型光伏并网发电并网设备的研制工作，特别是有关并网逆变器的研究得到了进一步的深入［1，2］.

本文在此背景下，对太阳能并网发电系统中的最大功率控制及其核心器件并网逆变器进行了探讨，并对系统进行了仿真分析.

1 大型光伏并网发电系统基本原理

1.1 大型光伏并网发电系统

光伏并网发电系统是将太阳能电池发出的直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，并且实现既向负载供电，又向电网发电的系统.光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成.光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能.目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压串、并联组成的.

随着电力电子与控制技术的飞速发展，光伏电池效率不断提高，光伏电站的建设规模越来越大.大规模的光伏并网电站不可能像目前已投入运行的屋顶光伏系统一样，通过380 V低压配电线路直接接入本地配电网，而是要通过升压变压器，以中压或高压接入输电网络.大型光伏系统结构如图1所示.

图1 大型光伏系统结构

图1中，光伏接入电网时将大量的光伏组件通过多个逆变器并联以扩大容量，其中逆变器的主电路采用两级式并网系统，第一级DC/DC变换将光伏电池阵列所产生的直流电变换成受控的直流电存储到储能单元中，或提供给后级的光伏并网逆变器，第一级变换同时要实现对光伏电池阵列的最大功率跟踪控制.后级的光伏并网逆变器将直流母线上的直流电逆变为交流电并馈送到电网，同时要实现中间直流母线电压的稳压功能.两级式光伏并网发电系统同时允许多个由太阳能电池和直流变换器构成的支路共用一个并网逆变器，在实际应用中配置更灵活，将多个逆变器再并联更加适合大型光伏并网发电系统.

1.2 光伏电池数学模型

为了描述电池的工作状态，往往将电池及负载系统用一个等效电路来模拟［3，4］.图2为太阳能电池的等效电路.

图2 光伏电池等效电路示意

由图2所示的光伏电池的等效电路模型可得：

若忽略太阳能电池内部的串联和并联电阻，太阳能电池的简化模型可表示为：

并联的Rsh为旁路电阻，主要由电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的PN结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成，由于其阻值较大，所以对光伏电池的特性影响不大.

2 光伏发电系统的控制技术

2.1 主电路拓扑结构

图3为两级式三相光伏并网发电系统的拓扑结构图.

图3中，前级DC/DC是由Boost电路，输入滤波元件Cs，开关管Tc，二极管D，以及输出滤波元件Cd组成.而后级是典型的电压型三相逆变器.再经过必要的无功补偿与滤波功能并入电网.

图3 两级式三相光伏并网发电系统拓扑结构

采用两级式主电路结构的原因：一是因为前后级可以分开独立控制，控制器设计简单;二是增加系统的储能环节，可以实现并网/独立两种工作模式的切换运行;三是光伏电池阵列无需串联到很高的电压等级，使得光伏阵列的并联扩容更加容易.

2.2 DC/DC 最大功率跟踪控制

在对两级式结构的光伏发电系统进行控制时，前级DC/DC变换器可以实现最大功率跟踪控制（MPPT），此时可将后级DC/AC全桥结构的三相逆变器看作一个恒定的直流电压源，因此可以对前级Boost电路做如下分析.

假设Tc是理想开关，根据电路分析基本原理，可以得到Tc在每一周期开、关两个状态的电路方程.

式中：eTC=（1－D）×ed（D是占空比，0＜D＜1）.

上述方程中，is的表达式中含有es，因此方程是非线性的，最大功率点应该是该控制的平衡点.为简化计算，可在最大功率点处对方程进行线性化处理，即：

在式（10）中，es是状态变量，而is不是，当L和Cd的值确定后，es的改变主要由eTC的变化决定.因此，调整eTC的大小可以改变es的值，并使功率改变电压的微分d Ps/d es.而根据前面的叙述可知，eTC的大小可以通过改变占空比D来控制.因此，在上述条件下太阳能电池的工作点可以通过占空比D来控制，通过正确调整占空比D的大小就能实现d Ps/d es=0的控制，进而实现太阳能输出的最大功率控制.

在两级式光伏发电系统中，前级DC/DC变换器控制部分主要完成太阳能电池阵列的最大功率点跟踪控制，其控制框图如图4所示.

图4 前级DC/DC变换器控制示意

对当前太阳能电池阵列的输出电压和电流值进行采样，并通过MPPT控制算法找到太阳能电池阵列的最佳工作点，然后通过控制Boost电路中开关管占空比来调节系统工作点.同时，为了防止直流母线电压过高而损坏主电路的器件，前级DC/DC变换器还需要设计过电压保护.从并网工作机制的能量流向来看，当直流母线电压过高时，对前级DC/DC变换器的占空比进行调节是最直接有效的手段.

因此，需要在控制策略中设定上限电压，当直流母线电压幅值超过设定的电压上限值时，将它们之间的幅值差经过一个比例环节，输出一个反方向的调节量，调整控制Boost电路的占空比，最终达到抑制直流母线电压的目的.

MPPT控制采用电导增量法，根据光伏列阵P-V曲线最大值Pmax的斜率为零的特点，利用一阶导数求极值的方法，对P进行求导，则有：

式（14）为光伏阵列达到最大功率点的条件，也就是当输出电导的变化量与输出电导的负值相等时，光伏阵列工作在最大功率点.电导增量法通过对光伏阵列的瞬间电导和电导增量进行比较来改变控制信号，因此需要对阵列的电压、电流进行实时采样.电导增量法控制流程如图5所示.

图5 电导增量法控制流程

2.3 DC/AC并网控制策略

在两级式光伏发电系统中，由于前级DC/DC变换器实现MPPT功能，一般认为后级DC/AC逆变器只需实现逆变和并网功能即可，但是为了保证逆变器的可靠运行，必须稳定直流母线电压.而在进行最大功率跟踪时前级DC/DC变换器无法使输出电压维持在一个恒定值，因此该功能只能由DC/AC逆变器来完成.其控制框图如图6所示.

图6 后级DC/AC变换器控制示意

根据功率平衡原理，当太阳能电池阵列的输出功率大于逆变器的输出功率时，就是说此时太阳能电池阵列发出的功率没能及时地馈送到电网，则直流母线电容因为能量堆积而使电压升高，此时就需要增大电流指令，即增加DC/AC逆变器输出到电网的功率来消耗直流母线电容中堆积的能量，从而使直流母线的电容电压下降;反之，就要减少电流指令使直流母线上升，从而达到稳定直流母线电压的目的.

图6中，先计算出直流母线电压参考值与采样得到的实际电压值的误差，再通过一个比例积分环节得到参考电流值Iref;将Iref值与采样得到的DC/AC逆变器实际输出电流值Iout的误差值通过一个电流调节器作用后，将输出信号与固定频率的三角波进行比较，得到SPWM控制信号，再经过驱动电路放大后去控制DC/AC逆变器的开关管.

需要注意的是，由于前级DC/DC变换器的控制目的是实现太阳能电池阵列的最大功率跟踪控制，因而从DC/DC变换器输出到DC/AC逆变器的功率是随光强时刻变化的.为了确保DC/DC变换器输出的功率能通过DC/AC逆变器及时地传递到电网而不在直流母线电容上产生能量堆积或能量亏损，就要使DC/AC逆变器控制部分的指令调节速度快于DC/DC变换器MPPT跟踪的调节速度.

3 系统并网控制仿真

根据以上分析，利用MATLAB/Simulink仿真平台，前级DC/DC实现MPPT功能，后级DC/AC逆变器实现稳定直流母线电压与电流源型并网功能控制策略，搭建系统仿真模型如图7所示.

图7 两级式大型光伏并网系统仿真

图7中虚线框1表示光伏电池的模型;虚线框2表示光伏两级式三相并网逆变器，前级DC/ DC电路采用电导增量法实现MPPT功能，后级并网逆变器采用直流母线电压外环、电流作为内环的双环控制策略;虚线框3表示光伏电源通过无功补偿与变压器接入电网.仿真时间设定为1 s，在0.08 s时太阳光照强度由2 000 W/m2瞬间降至1 000W/m2，得到的光伏输出功率、并网时的单相电流及直流母线电压如图8所示.

由图8可知，当光照强度突然减小时，光伏阵列输出功率显著下降，同时直流母线电压出现波动，并网逆变器调节输出电流，经过电压环的调节，直流母线电压稳定在400 V，并且最终经过0.07 s的调节过程，在0.15 s以后光伏并网系统稳定，同时光伏电池阵列稳定在新的最大功率点，并网电流幅值小于光照强度变化前的电流幅值，表明前后级变换器输入输出能量达到新的动态平衡.

图8 大型光伏并网控制仿真结果

4 结语

本文对大型光伏系统直接并入输电网的可行性进行了探讨，并对太阳能并网发电系统进行了仿真分析.仿真结果表明，大型光伏电站并入电网技术上是可行的.这对今后全国大型光伏电站的建设提供了一定的参考价值.

［1］郑志杰，李磊，王葵.大规模光伏并网电站接入系统若干问题的探讨［J］.电网与清结能源，2010，26（2）：74-76.

［2］董密，罗安.光伏并网发电系统中逆变器的设计与控制方法［J］.电力系统自动化，2006，30（20）：97-102.

［3］程启明，程尹曼，汪明媚，等.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究［J］.华东电力，2009（8）：1 300-1 306.

［4］周德佳，赵争鸣，吴理博，等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析［J］.清华大学学报：自然科学版，2007，47（7）：1 109-1 112.

［5］李晶，窦伟，徐正国，等.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究［J］.太阳能学报，2007，28（3）：268-273.

［6］谢萍，刘永强，马士超，等.光伏系统并网逆变器控制策略［J］.低压电器，2010（14）：24-27.

（编辑胡小萍）