光伏并网系统运行与控制研究

裴建楠++马涛+++冯斌++李开鑫++许新成++曹康洋永

摘 要：近些年，随着并网光伏容量的逐渐提升，光伏场站与电网的联系与影响也愈来愈紧密。针对这样的情况，本文针对并网光伏发电系统的各个组成部分进行阐述，对并网光伏系统的控制策略进行了深入研究。并且针对光伏系统的控制参数进行了整定，通过仿真验证了理论的正确性。

关键词：并网光伏系统；控制策略；控制参数整定

0 引言

随着科学技术的进步和国民经济的发展，大规模工业化所带来的问题日益严重起来，其中以能源危机和环境污染两大社会问题最为重要。据新一轮的调查显示，煤炭最多还能开采二百至三百年；石油储量仅能维持数十年；天然气也是储量极其有限的不可再生能源，世界三大能源正在慢慢枯竭。另一方面，使用传统能源所带来的环境污染问题等也不容忽视，在利用传统能源的过程中会产生许多严重污染环境的物质，不仅加剧了“温室效应”，破坏了生态平衡，还会严重危及到人类的健康。如果不及时的采取适当的措施来解决这些问题，人类包括人类赖以生存的家园将遭到严重危害甚至是毁灭。为此，世界各国都开始致力于寻找能够解决传统能源所带来的种种问题，来取代传统能源的新型能源。

以太阳能为代表的新型能源的出现给人类带来了曙光。太阳能资源取之不尽，用之不竭，储量十分丰富；传统能源在使用的过程中，常常会由于燃烧等工业手段而产生大量破坏环境的有毒气体，而太阳能却避免了此类问题的产生，太阳能能够做到绿色发电，属于清洁型能源；使用方便，可以就地开发和利用，省去了远距离传输问题，这些都是其他新型能源发电技术所不能够企及的特色优势[1]。

1 并网光伏发电系统控制逻辑

1.1 并网光伏发电系统组成部分

图1为目前传统的单极式光伏并网发电系统的主拓扑图。系统由四个部分组成，分别为光伏阵列、直流侧电容、逆变器、LCL滤波器[2]。其中光伏阵列是系统的电源部分，当光照射到光伏阵列的表面，光伏阵列就会输出电压。当光伏系统并网后就会产生功率的传输。直流侧电容具有两个作用。一是由于电容的电压不会突变，因此直流侧电容具有稳定直流侧电压的作用。二是直流侧电容具有滤波的效果，可以滤除直流侧的谐波。直流侧电容电压波动的大小反映直流侧输出功率和电网侧接受功率的平衡程度。L1、L2、Cf组成了系统的滤波器，主要作用为滤除流入电网的谐波，提高电网的电流基波含有率。由它们组成的LCL型滤波器相比与L型滤波器有更大的优点。在伯德图中LCL具有更快的下降陡度，因此可以更好滤除高次电流谐波。

1.2 光伏并网控制策略

图1下面的控制框图为并网光伏发电系统的运行控制策略。它由两部分组成，一个是最大功率跟踪控制，另外一个是并网电流控制[3]。由于每一种工况下光伏阵列都存在发送最大功率的状态，因此使光伏阵列在当前工况下发出最大功率会提升光能利用率。实现这样的控制就是最大功率控制。最大功率控制器是一个两输入一输出的单元，输入端采集光伏阵列实时的电压与电流，而输出端为参考电压信号。

并网电流控制采用基于电网电压矢量定向的双闭环控制理论。双闭环控制理论由两部分组成，分为电压外环与电流内环。电压外环的控制目标是控制光伏阵列的输出电压，电流内环的控制目标是控制并网电流与电网同相。基于S域的逆变器模型中d轴和q轴相互耦合，相互干扰，对彼此的控制性能相互影响。因此引入前馈来消除干扰。其处理后的控制框图如图2和图3所示。其中Udcref是MPPT的输出控制信号，Tc是逆变器开关周期，P2，K2是电压外环控制器的比例积分系数，P1，K1是电流内环控制器比例积分系数，m为调制比，σ为逆变器出口电压基波超前电网相位的角度，Ipv是光伏阵列的输出电流。G0是电流内环闭环传递函数。由于LCL滤波器在稳态的时候可以等效成L，因此控制框图中的L为L1+L2。

由上述分析可以推导得到整个控制环传递函数（1.2.1）。式中的参数如上所述。控制参数的整定要满足一定的要求，系统的超调与调整时间在合理区。根据这样的原则给出控制器参数整定公式（1.2.2）。

2 算例仿真分析

整个系统的控制逻辑如图1，仿真中各个部分参数如表1。

通过仿真表明：随着光照的变化，并网光伏系统的直流母线电压及输出功率也随之改变。光伏发电系统始终运行在最大功率输出状态。并网点的电压与电流始终保持同相位，向电网仅输送有功功率。进一步说明本文提出控制参数整定方法的正确性。