分布式光伏电源并网控制措施探究

邱 哲

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司滨海新区分公司（天津），天津 300072）

0 引 言

本研究旨在对分布式光伏电源并网控制措施进行综合探究，系统地介绍其技术原理、分类和特点，深入剖析网侧、机侧、负荷侧以及集中式控制策略，并探讨实际应用中的挑战和解决方案。通过对已有的研究成果和实际应用案例进行综合总结，为进一步推动分布式光伏电源并网技术的发展和应用提供参考，促进可再生能源的可持续利用，实现能源的清洁、低碳、高效利用。

1 分布式光伏电源并网控制技术概述

分布式光伏电源并网控制技术是将分布式光伏发电系统与电力网连接并有效、安全、稳定地进行并网运行的一系列技术措施。其主要目的是确保光伏电源系统能够按照电力网的要求进行电能注入和电能提取，同时保护电力网的稳定运行。在分布式光伏电源并网控制技术中，包括了多个方面的控制措施，如网侧控制、机侧控制、负荷侧控制以及集中式控制等。

（1）网侧控制。网侧控制主要监测、控制和保护光伏电源系统与电力网之间的电流、电压、功率等参数。网侧控制通常包括功率因数控制、有功功率控制、无功功率控制等，以确保光伏电源系统能够满足电力网的要求，并保障电力网的稳定运行。

（2）机侧控制。机侧控制主要控制和管理光伏电源系统内部的逆变器，以实现对光伏电能的转换和注入电力网。机侧控制通常包括逆变器的电流控制、电压控制、频率控制等，以确保逆变器的运行稳定和与电力网的协调运行。

（3）负荷侧控制。负荷侧控制主要管理和调度光伏电源系统输出的电能，以满足负荷需求并确保电力网的稳定运行。负荷侧控制通常包括了负荷管理、电能储存管理、负荷优化等，可以实现对负荷的灵活控制和调度[1]。

（4）集中式控制。集中式控制主要通过远程监控和管理系统集中控制和协调管理多个分布式光伏电源系统。同时，可以监测和管理光伏电源系统的运行状态、性能和故障，从而实现光伏电源系统的整体优化和协调控制。

2 分布式光伏电源并网控制措施

2.1 网侧控制策略

光伏电源并网对电网的影响较大，因此采取合适的网侧控制策略对光伏电源系统进行有效的控制和管理至关重要。网侧控制策略主要包括有功和无功控制、频率、电压控制等。

（1）有功控制。其对光伏电源系统的有功功率进行控制，以确保其满足电力网的要求。有功控制通常采用功率反馈控制和电压反馈控制2 种方式。功率反馈控制通过控制光伏电源系统的输出功率，使其与电力网的需求保持一致，从而实现有功功率的控制。电压反馈控制通过控制光伏电源系统的输出电压，使其与电力网的电压保持一致，从而实现有功功率的控制。有功控制可以实现光伏电源系统的有序注入和电能提取，保障电力网的稳定运行。

（2）无功控制。其对光伏电源系统的无功功率进行控制，以满足电力网的无功需求。无功控制通常包括无功功率调节和功率因数调节2 种方式。无功功率调节通过控制光伏电源系统的无功功率输出，使其与电力网的无功需求相匹配。功率因数调节控制光伏电源系统的功率因数，使其维持在合理的范围内，从而避免对电力网的无功负荷造成影响[2]。

（3）频率控制。其对光伏电源系统的输出频率进行控制，以确保其与电力网的频率保持一致。频率控制通常采用频率反馈控制和直接调制控制2种方式。频率反馈控制通过监测电力网的频率，并根据其变化来调整光伏电源系统的频率输出，使其与电力网同步。直接调制控制直接控制光伏电源系统的输出频率，使其与电力网的频率保持一致。频率控制对于保障电力网的频率稳定具有重要意义。

（4）电压控制。其对光伏电源系统的输出电压进行控制，以确保其与电力网的电压保持一致。电压控制通常包括电压反馈控制和直接调制控制2种方式。电压反馈控制监测电力网的电压变化情况，并将光伏电源系统的输出电压调整与电力网的电压一致。直接调制控制直接控制光伏电源系统的输出电压，使其与电力网的电压保持一致。电压控制对于保障电力网的电压稳定具有重要意义。

2.2 机侧控制策略

机侧控制策略指光伏电源系统中逆变器的控制策略，包括最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）和逆变器输出控制等。这些策略对于光伏电源系统的高效能输出和对电力网的可靠并网具有重要作用。

（1）MPPT 策略。该策略是一种通过调整光伏电池阵列的工作状态，在不同光照条件下始终工作在最大功率点的控制策略。光伏电池阵列在不同光照条件下具有不同的电压-电流特性曲线，因此需要通过MPPT控制策略实时跟踪光伏电池阵列的最大功率点，从而保证系统能够以最大的光伏发电效率工作。常见的MPPT 控制策略包括基于估计法、基于扫描法、基于模型预测控制等。这些策略实时监测和计算光伏电池阵列的电压、电流和功率等参数，从而调整逆变器的工作状态，使光伏电源系统在不同光照条件下始终工作在最大功率点，实现光伏电源的高效输出[3]。

（2）逆变器输出控制策略。该策略对逆变器输出电压、电流等参数进行调节，以保障光伏电源系统的并网安全和稳定。逆变器作为将光伏电池阵列产生的直流电转换为交流电并注入电力网的关键设备，其输出控制对于确保光伏电源系统与电力网的安全连接至关重要。逆变器输出控制通常包括电压控制、电流控制、频率控制等，这些控制策略可以通过比例、积分和微分（Proportion Integral Differential，PID）控制、模型预测控制、滑模控制等方式实现。逆变器输出控制策略的合理设计和实施可以确保光伏电源系统与电力网的稳定互联互通，并对电力网的电压、电流、频率等参数产生积极影响。

2.3 负荷侧控制策略

负荷侧控制策略指在分布式光伏电源系统并网时，对负荷侧进行的控制策略，包括负荷侧优先供电策略和负荷侧管理策略等。这些策略旨在确保负荷得到稳定供电，同时充分利用光伏电源系统的电能输出。

（1）负荷侧优先供电策略。该策略指在分布式光伏电源系统并网时，优先满足负荷的用电需求。该策略通常通过负荷侧电能管理系统（Load-side Energy Management System，LEMS）实现，通过对负荷侧电能需求的实时监测和预测，控制光伏电源系统的输出功率，使其足够满足负荷需求，并将多余的电能注入电力网。负荷侧优先供电策略可以确保负荷的稳定供电，降低对电力网的依赖，同时最大限度地利用光伏电源系统的电能输出。

（2）负荷侧管理策略。该策略通过管理和调整负荷侧的能耗和符合，从而实现光伏电源系统的控制。这种策略通常包括负荷侧的能耗管理、负荷的启停控制、负荷的时段调整等。通过合理的负荷侧管理策略，可以调整负荷的用电行为，使其在光伏电源系统输出充足的情况下优先使用自身产生的电能，减少对电力网的需求，从而实现负荷侧的能耗优化。

2.4 集中式控制策略

集中式控制策略是一种通过中央控制系统对分布式光伏电源进行统一管理和控制的先进方式。

首先，通过集中式监控系统，可以对多个光伏电源系统进行实时监测、数据采集和分析，从而了解系统的运行状态、发电效率等关键信息。这种实时监控可以帮助运维人员及时发现并解决潜在问题，确保光伏电源系统的稳定运行。

其次，中央控制系统可以基于集中式监控系统的数据，对光伏电源系统进行远程调度和控制。例如，通过远程控制逆变器的输出功率、电压、频率等参数，可以灵活调整光伏电源系统的发电能力，以满足电力网的需求和系统运行的稳定性要求。这种远程控制的方式可以提高光伏电源系统的灵活性和响应速度，适应电力网的实时调度和变化需求[4]。

最后，集中式控制策略可以进行能量管理和优化调度。通过中央控制系统对光伏电源系统的发电功率进行精细调度和管理，可以最大化利用太阳能资源，优化系统的经济性和稳定性。例如：在电力网需求低谷期间，可以将光伏电源系统的发电功率调整到最大值，提高自给自足率；在电力网需求高峰期间，可以适度降低光伏电源系统的发电功率，避免对电力网造成过大的影响。这种能量管理和优化调度的策略可以使光伏电源系统更加智能化和高效化，进一步提高可再生能源的利用效率。

3 分布式光伏电源并网控制的技术挑战与解决方案

分布式光伏电源并网控制面临着一系列技术挑战，包括MPPT 管理、逆变器控制、通信和协同控制以及并网电力管理等方面。以下是主要挑战及其解决方案。

（1）MPPT 管理。光伏电源系统的输出功率受到光照条件、温度等多种因素的变化影响，因此如何实现高效的MPPT 跟踪成为一个重要的挑战。解决方案可以采用基于模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）、扰动观测法（Perturb and Observe，P&O）、增量阻尼法（Incremental Conductance，IncCond）等高效的MPPT 算法，实时调整光伏电源系统的工作点，使其保持在最大功率点附近，从而提高系统的能源产出效率[5]。

（2）逆变器控制。逆变器是将光伏电源系统产生的直流电转换为交流电并注入电力网的关键设备，其控制对于确保系统的安全和稳定运行至关重要。解决方案可以采用先进的逆变器控制策略，包括电压控制、频率控制、功率因数控制等，以保障光伏电源系统的并网安全性和电能质量。

（3）通信和协同控制。分布式光伏电源系统通常包括多个光伏电池组成的微电网，需要进行协同控制和通信，以实现系统的整体优化和协调运行。因此，可以采用先进的通信技术和协同控制算法，如分布式控制、虚拟同步发电机控制等，以实现光伏电源系统的协同运行，提高系统的可靠性和性能。

（4）并网电力管理。光伏电源系统并网后，需要与电力网进行有效的电力管理，包括对电力网电压、频率、功率等参数的控制。解决方案可以采用先进的电力管理技术，如电网侧有功无功控制、电压频率控制等，以保障光伏电源系统与电力网的安全稳定连接。电网侧有功无功控制可以根据电力网的需求，调整光伏电源系统的输出功率，并根据电力网的功率因数要求，实现功率因数控制，以减小对电力网的影响。此外，电压频率控制可以保持光伏电源系统注入电力网的电压和频率在合理范围内，以确保电力网的稳定运行。

4 结 论

分布式光伏电源系统并网控制技术是实现可再生能源高效利用和电力网稳定运行的关键。文章探讨最大功率点跟踪、逆变器控制、通信和协同控制以及并网电力管理等技术挑战，并提出了相应的解决方案。通过采用高效的MPPT 算法、先进的逆变器控制策略、协同控制算法和电力管理技术，可以实现光伏电源系统与电力网之间的高效能量交互，确保系统的安全稳定运行。然而，仍然存在一些挑战，如多光伏电池之间的信息交流和协同控制、新能源法律法规和政策的不断演变等。因此，未来需要进一步研究和创新，不断完善分布式光伏电源系统并网控制技术，推动可再生能源的广泛应用和电力网的可持续发展。