光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略

光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略

贾燚

特变电工股份有限公司 新疆昌吉 831100

摘要：光伏发电利用的是光生伏特效应原理，将太阳能的光能直接转换为电能，其输出的电能具有直流电流源的特性，经过直流升压斩波、逆变器、滤波器后转换为工频交流电。传统独立光伏发电采用电压型控制，并网光伏发电采用电流型控制，无法实现运行模式的无缝切换。为此，提出光伏发电系统在2种运行模式下都采用电压型控制，避免控制策略切换所引起的冲击。针对光伏发电系统的特点，分别设计了光伏逆变器在孤岛运行、并网运行及模式切换时的下垂控制策略。

关键词：光伏发电系统运行模式；无缝切换控制策略；

前言：在新经济形势下，传统单一的光伏发电系统已无法满足社会经济以及人们日常生活对供电服务提出的新要求，因此要求独立发电模式和并网发电模式能够进行无缝切换，当并网光伏发电系统出现故障时，独立光伏发电系统仍能够正常运行，从而保证电网系统正常供电，不会对社会经济发展建设以及人们的日常生活造成影响，有效保证电网系统供电服务的安全、可靠、稳定、灵活运行，提利能源利用率，达到节能减排，实现社会经济的可持续发展。
一、光伏发电系统的并网结构

目前，应用最广泛的三相逆变器控制方式为双环控制，内环响应速度较快，为电流控制环，主要是为了提高逆变器输出的电能质量，外环响应速度虽然较慢，但是它体现了不同的控制目的(在分布式电源与大电网并网时，外环为功率控制环，当分布式电源离网时，外环电压控制环)，并且产生内环控制中所需要的电流参考信号。由于太阳能光伏电源是功率间歇性的电源，为了保证当地负荷的用电质量，太阳能光伏电源必须与蓄电池一起与大电网并联。因为电源运行模式的改变是靠硬件电路来完成的，而逆变器控制方式的改变是由软件程序来完成的，目前的控制方式未考虑到切换的不同时性，会使得并网的电流和当地负载的电压都有很大的波动。无缝切换理论[8]指的是在并网之前电源与大电网的电压、频率、相位保持一致，在并网的过程中无电压电流冲击，在离网之前电源发出的电能刚好满足当地负荷的需求，在离网的过程中负载电压无波动，并网电流迅速切断。光伏发电系统主要由光伏阵列、DC／DC变换器、DC／AC逆变器、LCL滤波器以及电网等构成。光伏阵列输出的电能为直流电，直流电进入DC／DC变换器后再进入DC／AC逆变器中，逆变为工频三相交流电。三相交流电进入LCL滤波器后变为交流电，其波形与正弦波接近，从而最终进人大电网，与电网进行有效连接。

2. 光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略

1.光伏发电原理。在光伏发电系统中，太阳能光伏电池是光伏发电系统正常运行的重要组成部分，它利用光生伏特效应原理，通过储能、斩波、逆变、滤波以及传输等环节，最终使电流和电压保持稳定，形成稳定、可靠、安全的电力能源，直接使用，也可并入当地电网系统中输送给用户。光伏电池的电压为零时，输出电流近似为短路电流；光伏电池的电压为设定的最大功率点电压时，输出电流接近设定的最大功率点电流；光伏电池的电压为开路电压时，输出电流近似为零。

2.通过下垂控制逆变器无线并联。下垂控制是一种对等控制方法，能够对逆变器无线并联进行有效控制。其主要原理是对电力系统中的同步发电机的调频和调压功能进行模拟，从而实现解耦控制逆变器的有功和无功2种功率。这种控制方法的优点是促使并联的各个逆变器对负载功率进行快速合理的分配，只需要检测自身信息即可，不需要进行通信，有效提高了负载功能分配的效率及合理性。太阳能光伏电源为直流电源，而逆变器是直流电源与大电网并网的必经环节，能够输出稳定的电能是逆变器控制的关键。因为太阳能光伏电源是一个功率间歇性的电源，在脱离大电网运行的时候，无法维持输出电压与频率在可接受的范围，电能质量的不稳定会导致负载设备损坏，所以为了保证在离网的时候，当地负载的电能质量能够维持在允许的范围内，必须加入一个储能蓄电池。本文着重研究的是太阳能电池和并网部分，为了简便，储能蓄电池部分用一个稳定的电压源代替。太阳能光伏电源在离网运行时，储能蓄电池采用电压控制方式，建立维持系统的电压与频率。应用最多的并网逆变器为三相桥式并网逆变器，本文首选滤波器为LCL滤波器，因为它不仅降低了输出阻抗，并且对高频的谐波电流还具有更强的抑制能力。逆变器的控制分为两大类，电压型逆变器控制和电流型逆变器控制。当基于储能的光伏电源离网运行的时候，逆变器控制为电压型逆变器独立控制，维持当地的电压和频率在允许范围内当基于储能的光伏电源并网运行的时候，电压和频率由大电网维持，逆变器控制为电流型逆变器并网控制，按大电网的要求发出一定的有功功率和无功功率

3.光伏逆变器并网控制简析。光伏并网发电主要是利用太阳能实现，通过一系列的转化，将太阳能转化为电能。在光伏并网发电系统中，为了对太阳能进行充分利用，提高太阳能利用率，需要对前级Boost采取最大功率点跟踪控制，从而使光伏并网发电系统实现最大功率。在光伏并网发电系统中，其后级逆变器开发研究的控制形式主要为电流型，利用锁相环对电网电压进行跟踪，从而实现逆变器输出的电流和电网电压实现同频同步相。在此基础上有效控制电流大小，以此调节逆变器的最大功率，使其实现并网功能。在逆变器进行孤岛运行时，为了保证负载供电电压以及频率的稳定性，必须使用电压型控制方法并网，以有效避免在并网及孤岛2种运行模式之间频繁切换。在孤岛运行模式下，通常会应用下垂控制法。这种控制方法本质上也是电压型控制的一种形式，因此无法通过电流反馈对并网电流进行直接控制，而是采用间接控制方法。这种间接控制需要对逆变器输出的电压进行微调，其并网控制的过程比直接控制方式的控制过程更加复杂。在实际应用过程中，还需要进一步改进，因为前级Boost变换器应用的是MPPT控制方式，通过改进措施从而能够有效保证二者的合理配合，保证直流母线电容电压以及逆变器功率的稳定性。电网系统本身就可以看作是一个巨大的电源，在理想情况下，并网逆变器与电网系统在频率、电压等方面应保持一致，只有这样才能够保证并网逆变器稳定、安全、可靠地接人电网系统。

4.实现光伏发电运行模式无缝切换的主要策略。太阳能光伏发电系统并人电网系统必须经过逆变器，这是因为太阳能光伏发电系统产生的是直流电。而电网系统的电流是交流电，因此要实现二者的并网，就必须要由逆变器对太阳能光伏发电系统的直流电进行处理，使其转变为交流电，从而有效保证并网的安全性、可靠性和稳定性。逆变器的控制功能也是保证光伏发电运行模式实现无缝切换的关键措施。在基于储能的光伏电源由并网模式向独立模式转换的过渡过程中，逆变器的控制方式和电源的运行模式两者的切换也不是同时完成的，这就会导致在离网的过程中出现电压型逆变器并网控制的过渡模式。由电压型控制的外环电压控制将负载电压钳位，负载的电流不变，逆变器的输出电流波动，使得未关断的并网电流不受控制，延迟断路器关断的时间。

结束语：在传统能源大量消耗的情况下，采用太阳能光伏发电系统不仅能有效开发太阳能，推动新能源产业发展建设，保证能源安全，同时对我国电力行业的发展也具有积极的促进作用。因此，实现光伏发电系统运行模式的无缝切换，对我国经济可持续发展具有非常重要的现实意义。

参考文献：

[1]郭勇，李勇．两级式光伏发电系统低电压穿越控制策略研究．电力工程技术，2019，36(6)：7—13．

        [2]王春宁,杨艳,李晓康,廖红华.H6型单相光伏并网逆变器并网电流的改善[J/OL].电测与仪表:1-6[2019-05-20].