一种光伏发电系统的柔性功率输出控制策略

高长伟， 郑伟强， 朱 宁， 黄翀阳， 李润生

（1.辽宁科技学院 电气与信息工程学院， 辽宁 本溪117004； 2.辽宁营口供电公司， 辽宁 营口 115002；

3.沈阳工业大学 电气工程学院， 辽宁 沈阳110870）

0 引言

为了提高光电转换效率，光伏发电系统通常以最大功率跟踪（MPPT）方式运行[1]～[3]。MPPT 运行方式往往不利于维持光伏发电系统功率供需平衡，当光伏源端输出功率发生波动时，会对系统的功频稳定性产生不良影响[4]～[7]。为了提高光伏发电高渗透率电力系统的功频稳定性，使光伏发电系统具有优良的有功调频能力，近年来国内外学者对光伏虚拟同步发电机（VSG）控制技术进行了深入研究[8]，[9]。VSG 控制技术通过在光伏源端配备储能装置实现虚拟同步功能，抑制光伏系统源端功率随机波动，但在本质上忽略了光伏源端能量随机波动对系统输出特性的影响[10]～[12]。 在工程实践中，一方面受经济性制约，不可能无限配置储能容量；另一方面受太阳能、风能等可再生能源易受环境条件制约， 表现出强烈的随机波动性。这两方面因素均对光伏VSG 系统直流侧能量的持续稳定供给形成制约，对系统功率供需平衡带来负面影响。

为解决上述问题，一些专家开展了采用光伏有功备用方式实现惯性与一次调频支撑的研究探讨。 文献[13]提出一种基于有功备用的光伏虚拟同步发电机控制策略， 对光伏阵列间断实施MPPT 控制，以获取短期内最大功率点；通过最低电压限制使光伏系统在调频中保持稳定， 使传统光伏逆变器在不增加储能、不改造电路的情况下，具有调频调压功能。 文献[14]在传统VSG 控制的基础上进一步采用了直流电压稳定控制技术，当光伏电源供给功率低于负载需求时， 具有抑制直流母线电压跌落、维持直流电压稳定的良好作用。然而， 因为仍采用经典的扰动观察法对光伏阵列实施MPPT 控制， 故当光伏源端供给功率高于负载需求时， 容易因功率供需失衡而引起直流母线电压升高。 文献[15]，[16]提出了以固定功率或以最大功率点一定比值输出功率， 使光伏发电系统通过有功备用方式解决光伏源端波动性问题。 采用该控制策略的光伏发电系统具备了一定的调频调压功能，但最大功率点不易确定，且用于稳定控制的系统参数不易整定。文献[17]提出一种自适应MPPT 光伏虚拟同步发电机控制策略， 实现了在无储能情况下，模拟同步发电机惯性和阻尼特性，但光伏电源输出功率无法有效地匹配负载功率需求。 文献[18]提出了一种基于滑模变功率跟踪的PV-VSG 控制策略， 可实现光伏出力自适应匹配负载需求； 但该控制策略为抑制光伏源端干扰而引入的变结构控制项的确定方法过于复杂， 难以获取系统的稳定工作点。

目前， 在光伏发电高渗透率接入电网的情况下，电力系统功率的供需关系已不再要求光伏系统时刻处于满发状态，而应以更加灵活的方式实现其并网控制，避免因系统功率供需关系失衡而造成频率和电压失稳等电能质量问题。 基于上述原因，本文从功率供需平衡角度出发，深入研究基于有功备用的光伏发电系统稳定运行控制策略，提出一种光伏发电系统柔性功率跟踪控制（FPPT）方法，以改善无储能配置光伏发电系统虚拟同步发电机的运行特性。

1 光伏源端功率波动对VSG 运行特性的影响

典型的两级式光伏发电系统拓扑结构如图1所示。

图1 光伏发电系统拓扑结构Fig.1 Topology of photovoltaic power generation system

光伏阵列与DC/DC 变流器共同组成光伏发电系统的直流源端，逆变器为VSG 控制技术的实施对象，实现直流到交流的能量变换。为了大幅度地提升光伏发电系统的运行效率， 既可利用DC/DC 环节调节光伏电池的输出电压等级，还须利用该环节实现光伏系统功率控制功能。

在分布式光伏发电对电网渗透率不高时，MPPT 控制对确保光伏系统工作效率起到了关键作用。在光伏发电对电网渗透率较高时，无须光伏系统始终以满发状态运行。 在不超出电网设计容量的前提下， 光伏发电系统应根据负荷或并网调度功率需求以柔性方式实时调节其输出功率，避免因功率过剩而引起电力系统功频稳定及其它电能质量问题。

以采用VSG 控制的单台光伏逆变器为例，当忽略有功功率损耗时，功率平衡方程为

式中：Ppv为光伏阵列输出功率；Pe为逆变器输出功率；Pc为直流母线电容功率；Ud为逆变器的输入端电压；C 为直流母线电容值。

由式（1）可知：

假设初始时光伏阵列输出功率恒定， 并且其直流输出电压为Ud0。 将式（2）线性化后得到如式（3）所示的增量方程：

为确保系统稳定， 特征根通常为负数 （即s＜0），光伏阵列稳定运行判据为

式（7）所示的判据说明，当光伏阵列稳定运行时，其输出功率对直流电压的微分小于零，即稳定运行点位于图2 所示P-U 特性曲线上切线斜率为负的区域（2 区）。

图2 光伏阵列运行区域示意图Fig.2 Schematic diagram of photovoltaic array working area

2 光伏发电系统柔性功率输出控制

计及负荷及并网调度功率需求与光伏源端输出功率间供需平衡关系， 当光伏阵列源端功率存在缺额时，控制其运行于最大功率点，为系统稳定提供必要的功率支持；当光伏阵列功率盈余时，调整其工作点降低输出功率， 实现系统供需功率关系平衡。基于上述控制目标，提出可根据系统功率供需平衡关系而灵活调整跟踪方向的光伏阵列柔性功率点跟踪（FPPT）控制方法。 控制流程如图3所示。

图3 光伏阵列柔性功率点跟踪控制方法流程Fig.3 Flow chart of photovoltaic array flexible power point tracking control method

FPPT 控制方法是在扰动观察法的基础上引入直流母线电压测量比较环节， 判别光伏阵列与负荷间的功率供需关系， 利用直流母线电压实时测量值UD（i）与指令值UR的偏差反映光伏VSG系统直流母线两侧的功率供需平衡关系。 设F（i）为反映直流母线两侧功率供需平衡关系的符号函数，UT为直流母线电压误差阈值。

当UD（i）＜（UR-UT）时，直流母线电压实测值小于指令值，即光伏阵列输出功率有缺额，将反映直流母线两侧功率供需平衡关系符号函数F（i）取为1。 此时，光伏阵列保持原功率跟踪方向逐渐向其最大功率点靠近，光伏阵列输出功率增大，直流母线电压值升高。

当|UD（i）-UR|≤UT时，直流母线电压实时测量值与指令值相同，直流母线两端功率供需平衡，将反映直流母线两侧功率供需平衡关系的符号函数F（i）取为0。此时，光伏阵列输出端电压维持恒定。

当UD（i）＞（UR+UT）时，直流母线电压实时测量值大于指令值，光伏阵列输出功率盈余，将反映直流母线两侧功率供需平衡关系的符号函数F（i）取为-1。 此时，光伏阵列功率跟踪方向反向，逐渐远离最大功率点，光伏阵列输出功率减小，直流母线电压值降低， 直至直流母线两侧功率供需关系达到平衡。

3 实时仿真实验

为验证所提出控制策略的正确性与有效性，搭建了光伏发电系统硬件在环实验测试系统。 该系统主要由上位机、RT-LAB 实时仿真机、DSP 控制器和示波器组成。

按图1 所示的拓扑结构在上位机搭建光伏发电系统模型。为便于比较分析，分别采用MPPT 和FPPT 两种功率跟踪控制策略对DC/DC 环节实施控制。 DC/AC 环节采用了经典VSG 控制，将模型编译生成C 代码的方式载入实时仿真机中运行。RT-LAB 中的实时仿真模型包含主电路与控制系统两部分。 RT-LAB 仿真机与上位机之间采用TCP/IP 网络通信协议传递信息，DSP 与RT-LAB之间采用A/D 与D/A 转换接口直接相连，实现高速率的信号传输。 DSP 运算产生PWM 脉冲经光电隔离模块与RT-LAB 的脉冲输入端口相连。

对系统负荷功率需求发生变化以及光伏阵列表面光照强度发生变化的典型工况进行实时仿真实验分析。 以M×N 光伏阵列为例（M 为光伏电池组件串联个数，N 为光伏电池组件并联个数）的参数设置如表1 所示。

表1 光伏系统实验参数Table 1 Experimental parameters of photovoltaic system

3.1 负荷功率需求变化

工况条件：光照强度为1 000 W/m2，温度恒定为25 ℃。 负荷功率需求变化时序如表2 所示。

表2 功率需求变化情况Table 2 Variation of power supply and demand

由表1 光伏电池基本参数配置计算， 光伏阵列最大输出功率约3.8 kW。 设置光伏阵列功率盈余与阵列功率缺乏两种情况。 当采用MPPT 控制时，若环境条件恒定不变，光伏阵列始终以最大功率（约3.8 kW）输出电能。

（1）采用MPPT 控制

基于上述工况设置条件， 实验结果如图4 所示。 在0～0.5 s，光伏阵列输出功率高于负荷功率需求（功率盈余2.3 kW），逆变器直流母线电容充电储存能量， 导致直流母线电压远高于额定值运行在1 100 V。在0.5～1.0 s，负荷突增1 kW，盈余功率下降为1.3 kW， 直流母线电压随之降低为750 V。 在1.0～1.5 s，负荷功率需求下降为初始值后，直流母线电压重新回升到1 100 V。在1.5 s 时，负荷突增3 kW，导致负荷功率需求超出光伏阵列最大功率，光伏源端输出功率存在缺额，直流母线稳压电容放电以支撑系统功率供需平衡， 使直流母线电压有所下降。由于受存储容量限制，当逆变器直流母线电容释放电能后, 仍然无法使功率供需关系达到平衡，系统崩溃。 由此可见，在系统中应用MPPT 控制存在固有技术缺陷。

图4 基于MPPT 的控制结果Fig.4 Control results based on MPPT

（2）采用FPPT 控制

图5 所示为采用FPPT 控制策略， 当负荷发生变化时， 系统光伏阵列输出电压与逆变器直流母线电压随负荷的变化情况。由图5 可见，两级式光伏发电系统前级DC/DC 环节（BOOST 电路）将光伏阵列输出电压放大2.5 倍。 表1 所示的光伏阵列最大功率点电压为183 V。 图5 显示，在系统功率供需平衡关系发生变化过程中， 光伏阵列端电压始终维持在200～220 V， 系统工作点一直位于光伏阵列P-U 特性曲线最大功率点右侧的稳定运行区域。

图5 负荷变化时光伏阵列输出电压与直流母线电压Fig.5 Photovoltaic array output voltage and DC bus voltage when load changes

如图5 所示，在0～1.5 s，光伏阵列最大输出功率大于负荷需求，FPPT 控制能够对光伏阵列实际输出功率进行适时调节， 使系统功率供需关系维持平衡， 逆变器直流母线电压基本稳定在550 V 左右。 1.5 s 后，负荷变化导致光伏阵列容量出现缺额，逆变器直流母线稳压电容放电，导致直流母线电压有所下降，并最终维持在500 V。

图6，图7 分别为逆变器输出的电压、电流波形。 在0～1.5 s，系统以额定电压输出电能；在1.5～2.0 s，系统功率供需关系失去平衡，输出电压以偏离额定值运行输出电能。 输出电流随负荷功率需求变化， 其变化规律与系统输出功率变化规律相同。

图6 负荷变化时逆变器输出电压Fig.6 Inverter output voltage when load changes

图8 所示为逆变器和光伏阵列输出功率的情况。 在0～1.5 s，负荷功率需求未超出光伏阵列的设计容量，系统输出功率可及时跟随负荷变化，以维持功率供需平衡。在1.5～2.0 s，负荷功率需求为4.5 kW，光伏阵列容量出现缺口，控制光伏阵列运行于最大功率点，为系统功率供需平衡提供支持，以维持系统稳定运行。

图8 负荷变化时系统的输出功率Fig.8 Output power of system when load changes

当负荷变化时， 系统频率响应曲线如图9 所示。 在0～0.5 s 和1.0～1.5 s，负荷功率需求等于光伏VSG 系统额定功率，系统输出频率经过约0.2 s的调整后稳定于50 Hz。 在0.5～1.0 s 和1.5～2.0 s，负荷功率需求大于光伏VSG 系统额定功率，经过约0.2 s 的调整后分别稳定于49.9 Hz 和49.8 Hz左右。系统频率变化符合一次调频规律，且频率响应曲线呈现明显的惯性特征。

图9 负荷变化时系统的频率响应Fig.9 Frequency response of system when load changes

3.2 光照强度变化

设置工况条件为环境温度25 ℃，光照强度及负荷功率需求变化如表3 所示。

表3 光照强度及负荷变化情况Table 3 Variation of light intensity and load

（1）釆用MPPT 控制

基于MPPT 的PVVSG 控制结果如图10 所示。 由于采用MPPT 控制，光伏阵列始终以最大功率输出电能， 其输出功率变化规律与光照强度变化规律相同。 光伏逆变器的输出功率随负荷功率需求变化，始终低于光伏阵列输出功率。光伏阵列输出功率盈余， 逆变器直流母线电容充电，导致直流母线电压远高于光伏VSG 直流输入电压额定值，最高达到1 200 V 左右，严重威胁系统安全稳定运行。

图10 基于MPPT 的光伏VSG 控制结果Fig.10 Control results of photovoltaic VSG based on MPPT

（2）釆用FPPT 控制

图11 为光照强度变化时光伏阵列输出电压与直流母线电压波形。 光伏阵列端电压一直维持在200～220 V， 表明系统始终运行在光伏阵列功率-电压特性曲线上最大功率点右侧的稳定区域。在0～2.0 s，负荷功率需求恒定为1.5 kW。采用FPPT 控制时，系统能够对光伏阵列输出功率进行自适应调节，使系统功率供需关系维持平衡。逆变器直流母线电压稳定在550 V 左右， 达到直流输入电压要求。

图11 光照强度变化时的光伏阵列电压与直流母线电压Fig.11 Photovoltaic array voltage and DC bus voltage when light intensity changes

图12，图13 分别为光照强度及负荷变化过程中逆变器输出电压和输出电流波形。由图12 可见， 光照强度的变化对系统输出电压具有一定的影响， 但基本上维持在额定工作电压附近。 由图13 可见，逆变器输出电流波形变化规律与负荷保持一致。

图12 光照强度发生变化时逆变器输出电压Fig.12 Output voltage of inverter when light intensity changes

图13 光照强度发生变化时逆变器输出电流Fig.13 Output current of inverter when light intensity changes

逆变器输出功率与光伏阵列输出功率的变化如图14 所示。由图14 可见，当光照强度发生变化时， 光伏阵列输出功率始终与逆变器输出功率保持一致，并同步响应负荷功率需求。因逆变器直流侧无储能装置， 故在光照强度发生变化的瞬间VSG 输电功率具有一定的超调量，但在经过大约0.05 s 的波动后迅速趋于稳定。

图14 光照强度发生变化时系统输出功率Fig.14 output power of system when light intensity changes

光照强度变化时， 系统频率响应如图15 所示。 在0～2.0 s，负荷保持功率需求恒定，虽然光照强度在此期间频繁变化， 但系统频率始终稳定在50 Hz 左右。在2.0 s 时，负荷功率需求突增1 kW，系统输出功率随之提升。经过约300 ms 动态调整后，频率降至49.9 Hz 左右，系统频率变化符合一次调频规律且频率响应曲线呈现明显惯性特征。

图15 光照强度发生变化时系统的频率响应Fig.15 Frequency response of system when light intensity changes

4 结束语

传统VSG 控制须配置足够的储能装置，以平抑光伏源端随机功率波动。本文提出了基于FPPT的VSG 控制策略，在不具备储能装置的情况下能实现分布式光伏系统直接并网运行。 当负荷与并网调度功率需求或外界光照条件等因素发生变化时， 使光伏阵列始终运行在稳定区域， 确保光伏VSG 系统的运行稳定性。