光伏发电在微电网中接入及动态特性研究

华电分布式能源工程技术有限公司 张 希

随着民族工业的发展,电力核能、热能、水电等传统能源是发电部门用来发电的能源的主要组成部分,而化石能源在其中所占的比重是相当可观的,随着化石能源的进一步不断消耗,人们面临着越来越严重的能源危机。本世纪初的相关调查得出在主要的传统能源中,煤炭开采周期最长为227年,油气开采周期仅为50年左右,几乎没有化石能源可以继续开采，人类将面临能源不足的挑战。

传统的配电系统所消耗的资源占世界能源负担的90%以上。但是它也有一些缺点。首先,它们不能灵活地跟踪负载的变化,微电网通过对不同时段的电路负荷、储能和发电机构成可以有效控制的系统，可以对热能进行有效的调配。分布式发电的方法应用效果好,污染低,灵活性强，易于安装。但是过量的应用有可能引入多种不同的干扰,光伏发电技术路线成熟,可以实现再生,因此被认为是不可或缺的微电源。为此,有必要分析光伏发电芯片的具体生成路径,分析每段时间内电源的动态特性和波动频率。微型电源是微网中的主要电源,微型电网不仅可以连接到公用网络上运行,还可以独立于公用网络公司。如果发生故障或要求网络。光伏发电具有可再生的优点,无排放、安装舒适、技术先进,将成为微网络中重要的微电源。

1 光伏发电模型及波动特性

光伏并网系统的模型主要由两部分组成：光伏阵列模型和逆变器。逆变器技术可用于单级和多级逆变器，虽然提高功率转换率使得光伏发电的最大功率点跟踪和直流电压范围容易实现，但是单级逆变器损耗小、电力电子器件少、结构紧凑，能够实现更简单的控制和更高的转换效率。独特的光伏发电模型集成了逆变器和光伏阵列，并形成了完整的灯箱电路模型[1]。在建立模型时要充分考虑光伏电路系统中的各部分电流，预设常数和测量值电池温度，进而得出他们间的关系表达式。它们与短路电流和入射光强度有关，二极管的电流变化取决于温度的变化，对于光伏建筑来说宜采用单级电路拓扑结构。

1.1 光伏阵列模型

太阳能电池必须按标准连接、并联和包装形成完整的太阳能电池组件，此时才能实现光伏发电。光伏组件的性能通常在几十瓦到几百瓦之间，光伏阵列由多个太阳能电池组件串联而成，它发电效率的高低可直接对光伏发电系统的能量利用和转换效率产生影响，最小的供电单位是光伏电池片，单个的光伏电池输出峰值电流只有1W左右，输出电压却仅仅只有零点几伏左右，且由于其安装和使用难度大，电池的容量也不能满足电网工作时负载对电池容量的需求，所以必须将大量的太阳能电池组合起来构成组合体，这就是为什么必须有几个、几十个或数百个单独的太阳能电池串联对光伏发电进行实现的原因，可以通过多个光伏电池板的组合使电池可以产生足够功率的电能。

包装前的组合称为光伏组件，被包装后成为光伏组合板，广泛应用光伏电池的基本单元就是所谓的光伏电池板，输出的电压可达到十几伏甚至是几十伏，负载的带动能力有了明显的提升，再将电池板并联或串联可进一步增强其带动负载电路的能力，在这样的思路下，根据具体的电源发电负载能力要求进一步将组合板构成阵列，可实现光伏阵列的制备[2]。对于单个的光伏电池已有了相应的等效电路模型，在此模型之下，并联着的电阻是单个光伏发电板的漏电阻，是一个串联的等效电阻，由此得出的电池可提供的最大电流，通过计算模型中的相应参数，结合热电势的计算方法对并联的较大电阻和串联的较小电阻对公式中复杂的参数进行忽略和对公式本身进行简化可得出简化后的等效电路模型，使得电池的模型更为清晰明了。

光伏阵列由串联的光伏组件通过串并联实现。太阳能组件的串并联数量与微电网的发电性能息息相关，所以在设计串并联方式时应当充分考虑。在设计时需选用相同或相似工作电流串联的电池组件，否则会出现能源浪费的问题。串联光伏电池板的个数与光伏电池的总电压成正比。串联组件的个数确定主要是根据功率逆变器的直流电压要求同时还有电池的浮充电压，线损及温度变化对太阳能电池的影响考虑。如果选择的串联个数不合适会导致总电压太低，不能满足正常电池充电要求，可能出现光伏电池只超过电压但没有输出功率的情况，光伏阵列的总流量可通过确定光伏电池板的并联数量来确定，特别是每天的总负载消耗量、当地高峰日照时数的平均值等，在实际的模型构架过程中，受控电流源能够更准确的表达电路系统的动态特性，也可结合前面单个光伏电池的等效电路计算公式得出光伏电池组件的模型计算公式，进而对其电学性能进行分析。

通过对单个组件在不同光照条件下的电学性能可以看出，特性曲线具有很强的非线性，既不是恒定电流源也不是恒定电压源，对负载也不是可以任意提供不同大小的功率，在电压值较高的区域，电压没有发生很大的变化、电流的变化范围较大，研究中将其视为电压源区，低压区则相反，电压的变化范围大但电流大小没有明显变化，所以可视为电流源。实验得到不同的特性曲线表明连接温度的变化可能会显著改变光伏电池在输出电流方面的特性。提高环境的温度会导致短路电流小幅增加，这将导致电池开路电压的显著降低[3]。通常光伏电池的输出为负温度系数，太阳能电池的效率取决于电池之内pn结的工作温度。

1.2 光伏逆变器

在光伏发电系统中，逆变器是十分关键的一部分，逆变器的变换效果对光伏电池的电能质量具有直接的影响，随着逆变器种类的增多和控制技术的不断发展，光伏发电实现了在国家生产和日常生活多个领域的灵活应用，对于高性能的太阳能功率逆变器来说，电路网络类型的选择是非常重要的，因为系统电路的设计主要是以效率、成本、功耗、功耗等为核心的，对保证系统的安全可靠性具有直接的影响。常见的光伏逆变器结构可分为单级和多级。

单级变压器具有高鲁棒性、低成本与结构简单的优点，然而系统的性能因数低于0.7，且谐波较大。在这样的电路结构中包含的高频开关电子器件和PWM逆变器的使用可以较好的解决输出交流电的谐波问题。直流输入电压比较低的情况下，有必要使用交流变压器增加电压以获得正常的交流电压和频率，同时需要注意输入和输出之间的电分离，在光伏逆变电路采用工频变压器结构是逆变器低压侧绝缘变压器必不可少的优势，逆变桥使用低电压MOSFET器件实现高频电流的提供可有效节省开关器件的成本，此外这种拓扑结构也适用于大规模光伏发电。在综合两者优点的前提下，尽可能利用直流输入电压数值的提升来提高逆变器的转换性能。

对于三相的逆变器的控制和使用，根据控制方式的不同光伏并网系统的逆变器可以有多种不同控制方式，对于电压源的光伏逆变器，逆变器网络化运行的输出控制方式可分为电压控制方式和电流控制方式。如果所连接的逆变器采用电压调节器电源，在这种情况下需完成逆变器的输出电压和电网的电压相位以便稳定运行。为确保两者的输出顺序，所以继续对此控制方法开展更多的研究具有很大的必要性。用于控制逆变器输出的电流只能通过跟踪电源电压来控制，逆变器和电源电压可在相同的频率和相位上控制，电流源控制的前提是将网络逆变器的输出流量作为受控量，以相同的频率和相位产生电源和电源电压，输出电流必须实时控制，进而实现光伏逆变器输出电流的稳定，实现并网逆变器控制的目标的是光伏系统输出功率的解耦和最大功率点跟踪[4]。

对于单相逆变器，控制模式也分为电压型和电流型两种。电流型应用更为广泛，在间接电流控制中，基于稳态的间接流量控制是基于PWM基极电压矢量的幅值和相位，以及稳态电流矢量的设置闭环控制，最后实现SPWM电压的控制，虽然这种方法的检测和实现更为简单，但存在电流的直流偏移量，特别是暂态电流几乎是稳态电流的两倍，而且它是动态的，状态反应比较慢，存在转换的延迟和滞后；直接控制方式中，直流控制器首先通过特定的计算接收交流功率指令，通过分析交流电流的反馈信号状况完成电流的转换和跟踪任务。反馈电流与给定的参考电流相比的控制方式即为电流滞后控制。如果反馈电流低于参考电流的某个值，应调整主断路器的状态以增加系统的输入侧电流；否则，如果反馈电流高于参考电流的规定值则应调整主断路器的状态，为了减小系统的输入侧电流，滞环比的连续自适应可以实现输入电流跟随给定电流并且处于滞环状态。这种电路很容易用模拟器实现和控制，但是如果功率器件的开关频率很高，对负载和开关参数的变化不敏感，反应速度非常快，空间矢量调制逆变器空间电压矢量开关对开关频率进行改变实现了电路性能的改善。对于固定开关频率方法，虽然具有实现简单、算法简单、物理意义明确的优势，但同时也由于电网侧变压器结构简单和滤波效率低限制了电力设备的功率损耗，通过对连接电流的闭环调节，输出电流中含有较少的谐波信号，使其经常处于谐波要求严格的情况下使用。

在实际的光伏发电中，光的强度和太阳能电池的温度都会发生动态的变化。确保光伏阵列在规定的光强和温度下在最大功率点运行，光伏阵列在相应的电压下运行，因此需要实现最大性能点的跟踪。最大性能点跟踪策略：实时识别光伏阵列的输出性能，使用特定的控制算法，预测阵列在当前工作条件下的最大可能性能，并通过改变电流来满足最大性能的要求阻抗情况。当光伏电池连接温度升高、阵列输出功率降低时，在当前的操作条件下，通过跟踪最大的电池功率输出工作点使得系统仍能保持最佳状态，原理是优化确定太阳和温度条件下的最大功率进而确定光伏阵列在不同工作点的输出功率和相应的光伏阵列工作电压。

具体的确定方法有三种：定电压跟踪方法。将光伏阵列的数量设置为串联或并联于不同负载，使光伏阵列在不同负载下处于最大功率点工作。这种方法之下的跟踪性能并不理想，并且在工作过程中对工作点有较高的要求，但是在这种方法中系统的使用时间更长，并且具有更高的测量稳定性。然而，对于高性能系统，必须考虑几个最大值，对于功率较低的电路系统这种方法的成本也较高；电流扫描法。通过电路中设计电容的放电过程可以方便地确定扫描电流，也可通过DSP编程实现，在与其他方法相比之后，发现跟踪速度慢是目前这种方法最大的缺点[5]；最大功率点跟踪方法。工作的基本原理是定期中断光伏阵列的输出电压，在输出增大时将输出功率与前一个周期的输出功率进行比较，在下一个循环中，扰动在同一方向上增加，否则扰动的方向改变，在这种方法中故障的最终结果是系统在接近最大性能点的很小区域内振荡；步长设置的合理程度决定着系统的运行的速度，如果步长很小,光伏阵列可能在低性能区域工作很长一段时间,如果阶跃很大,在最大功率点附近波动会增大；如果步长很小，光伏阵列将成为可能在低性能领域工作很长一段时间，如果阶跃很大，在最大功率点附近波动会增大；而且如果外部环境变化很快，扰动的观测规律损失了大量的能量，判断就可能出现失误。

2 微电网中光伏发电的接入及储能设备容量选择

2.1 微电网中光伏发电与其他电源的配合

微电网中通常含有各种电源协调配合，如与燃气轮机相连的电力供应，仅适用于水电等发电。为了用同步发电机控制微型涡轮机的倾斜度，必须使用控制器对其转速进行控制，在调控转速的过程中，必须对使用的燃料总量进行变更，控制过程中应考虑调节时间和机构放大倍数，如果时间常数太小，超调量的大小会增加；时间常数太大，装置剧烈摆动，阻碍控制的有效进行。电网可提供总的电路系统功率，但当网络连接切换到孤岛时，控制速度的缓慢通常会引起强烈的振动，光伏发电的功率不稳定，不仅增加了电压而且增加了频率是波动的，这种惯性只能通过增加储能装置才能实现更为平稳的波动。如果考虑光伏性能的不稳定性，电压和频率的波动是需要增加储能装置以平滑光伏发电的流程，增加可调电源的“惯性”。储能和光伏电池采用交流电耦合，而储能可作为光伏电池的源流稳定，同时可与微型涡轮等可调电源配合工作，在过渡过程中保证短期供电。

2.2 光伏输出的波动及储能设备容量选择

微电网的应用在可再生能源利用率逐年上升的今天越来越受到重视。当光伏、风能和其他可再生能源的发电设备并网运行时，由于其产生的电流中包含着随机的微电源，与网络相连后，含有的电流波动和不可控制的一次能源对配电网的谐波、功率波动、电压波动等相关性能质量都有一定的负面影响。同时有可能对传统配电网络的趋势造成干扰，导致微电网络和主网络之间的电力交换出现困难，控制难度增大。但是如果将微电网络在一个孤立的网络中运行，即在孤岛模式下运行，存在电流波动、调节振动和电能质量等问题。所以说，在微电网中应用储能技术进而控制微电网与主网之间的功率互换性，提高性能质量，提高微芯片的操作安全性和灵活性是十分必要的，一般来说，微电网络储能的主要任务是抑制功率波动，并提供备用电源。

如果储能作为备用电源，它的容量配置在设计过程中的重要性是显而易见的。对储能容量进行设计时，需充分考虑不同光伏电池的具体实际输出功率和电池能够达到的总功率，进而实现容量配置，储能装置的现有容量应为最小。最小发电单元和匹配的能量储存设备间的连接是要彼此耦合的相互连接，可使电池不同时期的输出功率更为稳定，为实现更佳的供电性能，可利用燃气轮机进行功率调整，减少振动频率，同时将光伏和输出系统的性能整合到比较稳定的状态，提升电池的稳定性，同时，设置跟踪控件和唯一的工作路径以及能量存储设备的类型也是十分有效的，如果微电网需要变更，在这段时间内，当固有总储能增加时放电速度快，可以立即增加储能的容量和减少波动的频率。

2.3 光伏逆变器谐波分析

在微电网中，两个独特的相位和频率在逆变器的过程中，电子接口不可避免会产生一定频次的谐波，逆变器的输出波形取决于SPWM的具体过程、负载参数和逆变器的开关频率一起。这其中的规律很难用某个公式来具体定量的进行描述。在实际的设计过程中，对于逆变器和滤波器的组合通常将逆变器安排在滤波器的后面，并且通过感应系数和电容的调节使其较高的振动频率和较低的旁路阻抗相匹配，从而消除逆变器中的谐波电流，如果确定了最合适的额定指标，则变压器正在运行在正常情况下可以检查电流的失真率，如果光线较弱，光伏电池产生的电流减小，则失真率增大[6]。

3 仿真分析

尝试对前面做提到的微电网进行仿真，得出逆变器失真的谐波仿真示意图，分析可看出畸变程度在光照弱时更为严重。另外，通过对储能设备容量的计算表明，如不增加储能设备，光伏电源的电量波动和孤岛切换过程中的电量缺口由微型燃气轮机承担；如果储能系统接通，光伏电源的波动由储能装置补偿；本文提出的储能方式能有效抑制光伏电源的潮流状况，减小日常运行中微电网的频率波动，弥补微机控制速度慢的缺点，并且在电网切换到额定频率后可有效地稳定微电网的供电性能。

4 结语

微电网动态特性及控制策略的研究对微电网的设计和运行具有重要意义，与传统电网相比，微电网可以不仅在并网的电路模式下实现预期功能，而且在独立模式下也可实现相应的功能，这是一个更复杂的系统。在分析现有研究成果的基础上，总结了微电网动态特性和控制策略研究中没有被注意到的问题和研究方向。在微电网的相关研究很少有建模结果，所以多数研究均是基于平均模型对电池的静态工作点进行研究，当静态工作点因输出功率波动或系统故障而移动时，平均模型位于静态工作点，不能准确反映系统的实际状况，对状态平均模型在动态特性检测中的适用性进行了分析和评述。

近年来，动态相位建模方法在提高系统模型精度的同时，也得出了该方法适用于不平衡系统的结论，但对于不同的微电网络结构电路的控制过程是不同的，控制策略需要进行合适的改进。研究不同的控制方法可克服以往研究的不足，也可以解决新的问题，如何建立这些分散控制方法的理论体系，也值得深入研究。