并网光伏发电系统控制策略研究

贾宏伟1,2郭琳霞1,2

（1.广东省电力工业职业技术学校广东广州510000；2.广东电网有限责任公司教育培训评价中心广东广州510000）

摘要：光伏发电系统并入常规电网，与之共同承担发供电任务，即形成并网光伏发电系统。并网光伏发电系统也就成为全球绿色新能源领域的研究热点。光伏发电并网各环节的控制技术也已经有多种技术方案。本文就并网光伏发电的主要控制技术的不同方案进行简要的分析和比较。

关键词：光伏发电；并网；控制方法

化石燃料的不足以及近些年显现出的气候和环境变化使得我们必须逐步改变能源消费结构，大力开发可再生能源，在能源供应领域走可持续发展道路。太阳能作为新能源的一种主要形式，在全球范围内正向规模化和大型化发展。在我国，若干兆瓦级并网光伏电站相继在青海、甘肃、宁夏等地开工或运行，我国为大型并网光伏电站制定了相应的并网规定，但国内目前的大型光伏电站仍以工程示范为主，主要为光伏商业化积累经验。

1光伏发电主要运行方式

光伏发电系统分为独立运行与并网运行两种工作方式。独立运行是指光伏发电直接供负载使用，如以前的光伏发电多数是用于偏远的无电地区，主要以中小系统为主；并网运行是指光伏发电不仅供负载使用，而且并入电网中。其中，并网光伏发电系统已成为当今世界光伏发电的发展趋势，是步入大规模发电阶段的重大步骤。

2并网光伏发电

并网光伏发电作为光伏发电的一种最具有市场应用价值的形式，从功能过程及控制的角度，主要包括最大功率点跟踪、逆变（并网控制），防孤岛效应等几个方面。从结构的角度主要包括单级式并网光伏发电系统与两级式并网光伏发电系统。单级式并网光伏发电系统系统架构比较简单、元器件相对较少，整个并网发电系统无需增加储能环节，投资成本降低，因为只存在一级能量变换环节，所以系统能量转换效率较高。两级式并网光伏发电系统系统对比于单级式，拓扑结构比较复杂，所需的元器件相对较多；且整个系统需要通过两个变换环节实现并网，能量损耗环节多了一级，故整机效率较单级式低。但对于两级式并网光伏发电系统来说，两级变换环节完全可以分开独立控制，且系统前后级之间賴合不紧密，因此系统的、并网控制环节都比较容易设计和实现；其次，因为最大功率点跟踪的环节单独为一级，整个系统就相当于设置了一个直流电压预调整的单元，所以系统有比较宽的输入范围；再者，通过对最大功率点跟踪的环节进行设置，容易实现直流侧电压的升压以及逆变器输入的稳定，有利于提高系统逆变器的转换效率。

图1并网光伏发电拓扑结构

3最大功率点跟踪技术MAXIMUMPOWERPOINTTRACKINGMPPT

光伏阵列的输出具有高度非线性特征，并且受到光照强度、温度以及负载状况的影响。在一定的光照强度和环境温度下，只有唯一的电压值对应着光伏阵列的最大输出功率。因此，不断地根据光照强度、温度等外部环境因素的变化来调整光伏阵列的工作点，使之始终处于最大功率点的技术称为最大功率点跟踪技术，即就是把太阳能光伏阵列输出功率稳定在其可输出的最大值Pm处。

最常见的最大功率跟踪算法主要有三种：恒电压跟踪法、扰动观察法以及电导增量法。恒电压跟踪法是把光伏阵列输出电压始终控制在某一设定值来达到最大功率跟踪。其控制相对简单，只要外界环境（光照、温度）变化很小时，光伏阵列输出电压会比较稳定，这样就极大提高了输出的电能质量。但恒电压法具有跟踪精度差、适应性弱的缺点，它完全无法跟随环境温度的变化，因而会造成光伏阵列输出功率的损失。扰动观察法是通过持续对端口电压进行扰动来跟踪环境的变化，实时输出光伏阵列的最大功率。这种方法提高了光伏电池利用效率，但是由于存在持续扰动，故达到稳定时输出功率会在最大功率点的附近振荡，输出电压也始终存在的波动，这必然会给并网后的电流引入谐波。同时，扰动观察法追踪时还可能存在误判，即当光强剧烈下降时，此时若输出功率非单调变化时，这时很有可能使输出功率维持在先出现的功率极大值处，而非最大值附近。这种误判情况必然会给系统带来电压波动和功率损失，严重影响下一级逆变电路直流母线电压的稳定。电导增量法是根据功率极值点的倒数为零来跟踪最大功率点。相对来说，电导增量法控制效果好，原理上是不存在控制误差，也不会受输出功率非单调性变化的影响。此外，电导增量法在跟踪到最大功率点后，输出电压和功率不存在持续扰动，这样就具有比较高的稳定性，相比恒电压法和扰动观察法，改善了光伏并网系统的电能质量。电导增量法的缺点是控制相对复杂，对系统性能要求较高，若不采用高速处理器难以体现不出优势。

4并网控制技术

并网光伏发电系统的主要功能为将太阳能光伏阵列所产生的直流电直接转换成与电网电压同频、同相的交流电，其控制方式如同一个与电网电压同步的电流控制型PWM逆变器。为了降低送入电网的电流对电网产生的电流谐波，因此送入电网的电流波形总谐波畸变率应越低越好。控制目标为输出功率因数为1，正是这样，如何达到理想的控制效果，并网控制技术也就成为广大学者的研究热点。

逆变器按输出控制方式也分为电压控制与电流控制两种。电压控制以输出电压作为控制量，光伏系统输出与市电电压同频、同相位的电压信号，这样整个光伏系统相当于一个有较小的内阻的受控电压源。电流控制则是以系统输出电流作为控制量，光伏系统输出与电网电压同频同相位的电流信号，整个光伏系统相当于一个有比较大内阻的受控电流源。两种控制方式的控制对象不同，前者为控制主电路的输出电压，并网的电流质量完全取决于市电电压的质量。后者为控制电路的输出电流，输出电流受市电的影响较小，所以采用电流控制型是并网电流具有比较好的抗电网电压扰动的能力。

5孤岛效应检测与保护技术

由于并网光伏发电系统直接与并入电网，因此必须具备完善、可靠的保护措施。所谓孤岛效应，是指电网失电时，光伏发电系统未能及时检测出电网停电状态并及时脱离电网，使太阳能并网发电系统和周围的负载组成一个脱离电网的自给供电孤岛。

由于孤岛运行状态会带来一系列安全隐患，从用电人身与设备安全以及输出电能质量各方面考虑，都是不允许出现的。为增强并网光伏发电系统的可靠性，故孤岛效应检测与保护技术也成为光伏方面的一个重点研究方向。

常用的孤岛效应检测方法一般可分成被动式和主动式两种，此外，也可以通过相关措施进行远程控制。被动式检测是实时检测并网运行的状态，如输出电压幅值、谐波含量、频率等参数是否越限来判断所并入电网是否断电；而主动式检测是指通过控制并网逆变器主动地施加予电网一些周期性的干扰信号，然后通过检测电网的各项指标是否超出正常范围来判断是否发生了孤岛效应。远程控制则是利用电力载波通信等手段进行实时监控。

总结

并网光伏发电系统也就成为全球绿色新能源领域的研究热点。光伏发电并网各环节的控制技术也已经有多种技术方案。随着各种控制方案的不断成熟，以太阳能新能源在全球范围内正向规模化和大型化发展，逐步改变能源消费结构，在能源供应领域走出可持续发展的道路。

参考文献

[1]查晓明，刘飞光伏发电系统并网控制技术的现状与发展[J].变频器世界2010(02).

[2]王长贵并网光伏发电系统综述（上）[J]太阳能，2008(2).

[3]杨鲁发光伏并网发电系统和孤岛检测技术的研究与实现[D]华北电力大学硕士学位论文2009.

[4]曹志怀并网型太阳能光伏发电系统研究[D]西南交通大学硕士学位论文2012.

[5]王兆安，黄俊电力电子技术[M]机械工业出版社2006第四版.

作者简介

贾宏伟，1979年9月男，硕士，讲师，电力系统市场营销。

郭琳霞，郭琳霞，1985-，女，山西临汾人，工程师、讲师，硕士，从事电力培训和教学工作。