光伏發電系統控制策略及并網研究

彭 博

光伏發電系統作為一種分布式能源系統，其可靠性、穩定性和運行性能對能源供給的安全與可持續發展具有重要意義。然而，由于太陽能的不穩定性和光伏發電系統與電網的相互作用，系統的控制策略和并網技術成為保障系統穩定運行的關鍵挑戰。因此，深入研究光伏發電系統的控制策略和并網技術，提高系統的可靠性和性能，對推動清潔能源發展具有重要意義。

一、光伏發電系統的相關概述

（一）光伏發電系統的運行原理

光伏發電系統是利用光伏效應將太陽輻射能轉化為電能的一種發電系統，光伏發電系統通常由光伏電池板、電池組、逆變器、電網連接器等組件組成。光伏電池板是光伏發電系統的核心組件，由多個光伏電池組成，光伏電池是由半導體材料制成的，當太陽光照射到光伏電池上時，光子的能量被半導體材料吸收，激發出電子與空穴，這些帶電的電子和空穴的運動產生電流，這就是光伏效應。光伏電池板將光能轉化為直流電能，然后通過電池組進行儲存，電池組通常使用鉛酸蓄電池或鋰離子電池來存儲電能，當需要使用電能時，儲存在電池組中的直流電能通過逆變器轉化為交流電能，以滿足家庭、企業或公共設施的用電需求[1]。在光伏發電系統中，逆變器扮演著重要的角色，逆變器可將直流電能轉換為交流電能，以適應電網的供電標準，使光伏發電系統能夠實現與電網的連接，并監測系統的工作狀態、輸出功率等，且具備保護功能，保障光伏發電系統的安全運行。此外，光伏發電系統還需要與電網連接，以便實現電能的雙向流動，當光伏發電系統產生的電能超過自身用電需求時，多余的電能可以注入電網，供其他用戶使用；而在夜間或光照較弱，光伏發電系統無法滿足用電需求時，可從電網中獲取電能。

（二）光伏發電系統的特點

在光伏發電系統中，太陽能是一種可再生的能源，用于光伏發電系統的發電，可實現長期穩定的電力供應，光伏發電系統一般分布于我國的各個地方，如建筑物的屋頂、農田、沙漠等，可有效減少電能輸送損耗，降低了輸電線路的壓力，且可以更好地適應當地的用電需求。而且，光伏發電過程中幾乎沒有任何排放物質，不會產生二氧化碳、污染物等有害物質的排放，對環境沒有負面影響，符合可持續發展的要求。與傳統的發電方式相比，光伏發電系統無需燃燒燃料，工作時非常安靜，不會產生噪音污染，適合在對噪音敏感的地區使用，如居民區、醫院等。同時，光伏電池板的壽命通常可達到25年以上，光伏發電系統幾乎不需要維護，且沒有移動部件，系統的損耗相對較小，運行穩定可靠。在適當的條件下，光伏發電系統可滿足建筑物自身的用電需求，甚至可產生多余的電能供其他用戶使用，從而降低對傳統電力系統的依賴，減少電力供應的不確定性。

二、光伏發電系統的控制策略

（一）最大功率點跟蹤控制

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）控制是光伏發電系統中的關鍵策略，光伏電池的輸出功率受到光照強度、溫度和電池工作點等因素的影響，MPPT控制策略通過實時監測、分析和調整光伏電池的工作點，以使其輸出功率達到最大值，從而實現最高的能量轉換效率[2]。MPPT控制策略的核心技術是利用電流-電壓（I-V）曲線來確定光伏電池的最大功率點（MPP），該曲線描述了光伏電池在不同電壓和電流下的輸出特性，通過不斷調整電池工作點，使其電流和電壓在MPP附近波動，以獲得最大輸出功率。在實際應用中，MPPT控制策略通常通過電子電路或者微控制器實現，具體來說，MPPT控制器會根據實時的光照強度和溫度等環境信息，計算出當前的最大功率點，并相應地調整電池的工作點，以使其輸出功率達到最大。常見的MPPT控制算法包括Perturb&Observe（P&O）算法和Incremental Conductance（IncCond）算法等，P&O算法通過改變電池電壓的微小變化來觀察功率變化的方向，從而找到最大功率點；而IncCond算法則是通過考慮電池的增量電導率來跟蹤最大功率點，以實現更準確的控制。總之，MPPT控制策略是光伏發電系統中常用的控制策略，通過實時監測和調整光伏電池的工作點，以確保其輸出功率達到最大化，提高光伏發電系統的效率和性能。

（二）頻率控制和功率控制

在與電網或微電網系統連接的光伏發電系統中，頻率控制十分重要。頻率是電力系統運行的一個關鍵參數，如果頻率超出正常范圍，可能導致電力系統崩潰或設備損壞，且光伏發電系統需要通過不同的控制策略來確保輸出的電力與電網或微電網的頻率保持一致，如調整電力電子設備（如逆變器）的工作點或輸出功率，使其與電網的頻率保持同步。而光伏發電系統的功率控制策略可以分為兩種類型，一種是在獨立運行的光伏發電系統中控制功率的輸出，另一種是在與電網或微電網系統連接的光伏發電系統中控制功率的注入。在獨立運行的光伏發電系統中，功率控制策略通常包括最大功率點跟蹤（MPPT）和功率限制控制。最大功率點跟蹤策略旨在確保光伏電池的輸出功率達到最大值，從而提高系統的能量利用率，而功率限制控制策略則用于限制光伏發電系統的輸出功率，以確保系統在負載變化或故障情況下保持穩定運行。在與電網或微電網系統連接的光伏發電系統中，功率控制的目標是使光伏系統的功率與電網或微電網的需求相匹配，包括調整光伏發電系統的輸出功率以響應電網或微電網的需求變化，并保持電網或微電網的穩定運行，常見的功率控制策略包括電壓和頻率響應控制、有功功率和無功功率控制等。

（三）電流和電壓保護控制

電流和電壓保護控制是光伏發電系統中的重要手段，旨在確保系統在出現異常情況時能夠及時作出反應，以保護系統設備和維持電網的穩定性。當光伏發電系統出現電網故障、不恰當的運行或維護、電壓波動等現象時，系統電壓超過安全工作范圍的情況，便會出現過電壓，光伏發電系統中的逆變器通常具有過電壓保護功能，一旦檢測到過電壓情況，逆變器會自動通過斷開電路或降低輸出功率等方式進行保護。當光伏發電系統出現電網故障、降低光照強度、長線路電阻等現象時，電壓低于安全工作范圍的情況，便會引起低電壓，而逆變器具備低電壓保護功能，當系統電壓過低時，逆變器會采取措施以保護設備和維持系統的正常運行。當光伏發電系統出現電路短路、設備故障、外部故障等現象時，系統中的電流超過設備能夠承受的額定電流，便會引起過電流，逆變器也具備過電流保護功能，一旦檢測到過電流情況，逆變器會自動采取措施，如斷開電路或減小輸出功率，以防止設備過載或損壞。其次，在光伏發電系統中，電流平衡也是確保光伏發電系統中各組件負載電流均勻分配的重要手段，當系統中某些組件的電流明顯大于其他組件時，可能會導致系統性能下降、發熱過度或設備故障等問題，而逆變器則可以實時監測和調整電流平衡，如通過調整組件的連接方式或調整組件的輸出功率。總之，電流和電壓保護控制是光伏發電系統中關鍵的保護機制，通過實時監測和快速反應，保護系統設備免受電壓過高、過低、電流過大或短路等異常情況的影響，從而確保系統的安全運行并維持電網的穩定性。

（四）大風自動停機保護

光伏發電系統中的光伏電池組件通常是通過支架和安裝結構固定在地面或屋頂上，使得光伏電池組件通常會受到自然環境的影響，如大風或暴雨，光伏電池組件便可能受到風壓的作用產生損壞，為了避免這種損失，光伏發電系統一般都配有大風自動停機保護系統，該系統通常由風速傳感器和控制器組成。風速傳感器安裝在光伏電池組件支架或發電系統附近，用于實時監測風速變化，當風速超過安全范圍時，傳感器會向控制器發送信號，控制器接收到信號后，會發送指令給逆變器或其他設備，使其自動停機或關閉，從而減少光伏電池組件損壞的風險，保護系統的安全和可靠。同時，大風自動停機保護系統還可以防止電網擾動和電力質量問題產生，確保系統與電網的穩定連接，延長光伏發電系統的使用壽命。

（五）儲能系統控制

在光伏發電系統中，儲能系統可將光伏發電系統產生的多余能量儲存起來，在需要時進行釋放，以滿足負荷需求或應對電網波動，一般用于管理和調度儲能系統的能量流動，提高系統的自供能能力和供電穩定性。當光伏發電系統產生的電力超過負荷需求時，可利用多余的能量給儲能系統充電，儲能系統會實時監測光伏發電系統的輸出功率和負荷需求，根據電力供需平衡，決定是否將多余的電能導向儲能系統進行儲存。而在負載需要電能的時候，儲能系統會監測負載需求和電網情況，根據電力供需平衡，調度儲能系統的放電過程，以滿足電力需求，并保持系統的穩定運行[3]。同時，儲能系統會根據電網電價、光伏發電量、負荷需求等因素，確定最佳的儲能系統功率調度策略，實現對能量的管理和優化，最大限度地提高系統的經濟效益和能量利用率。此外，儲能系統通常以電池作為能量儲存媒介，因此電池管理是其中的重要一環，包括電池的充放電控制、電池溫度、電池容量和狀態的實時監測等，以確保儲能系統的電池安全、壽命和性能。

三、光伏并網發電系統的控制策略

（一）光伏并網發電系統的拓撲結構

光伏并網發電系統的拓撲結構通常分為獨立式、并聯式和混合式，其中獨立式并網（Stand-Alone Grid-Connected）拓撲結構指光伏發電系統通過逆變器將直流電轉換為交流電，再將交流電直接注入獨立的電網中，一般適用于遠離主電網或沒有電網供電的地區，光伏發電系統可獨立為當地電網提供電力。其次，并聯式并網（Parallel Grid-Connected）拓撲結構指光伏發電系統通過逆變器將直流電轉換為交流電，再與主電網并聯連接，在此拓撲結構中，光伏發電系統通過電網提供電力，并從電網獲取所需的電能，該并網拓撲結構最常見，適用于大多數商業和住宅應用。此外，混合式并網（Hybrid Grid-Connected）拓撲結構是將光伏發電系統與其他可再生能源發電系統（如風力發電）或儲能系統相結合使用的一種形式，并通過混合多種能源的優勢，提供更穩定、可靠的電網供電，還可以用來儲存光伏發電系統產生的多余能量或平衡電網波動[4]。

（二）光伏并網發電系統的整體設計

光伏并網發電系統的整體設計涉及多個方面，一般有光伏陣列設計、逆變器選擇和電網連接和配網設計。在光伏陣列設計中，首先需要確定光伏陣列的大小、布局和方向，以最大限度地獲取太陽能，確保陣列的可靠性和效率，并選擇合適的光伏電池和支架，綜合考慮太陽輻射陰影和傾斜角度等因素。同時，選擇符合光伏陣列容量和性能要求的逆變器，逆變器的選擇應考慮其轉換效率、并網能力、MPPT控制和保護功能等，并確定與電網的接口方案和連接要求，該過程涉及電網連接點的選擇、并網控制策略以及與電網的安全、穩定連接。其次，設計并實施適當的配網系統，確保光伏發電系統的電能能夠有效、穩定地注入電網中，包括配電盤的設計和布置、電能計量設備的安裝、保護設備和機械安全設備的配備等。此外，還需確定光伏發電系統的控制策略，包括最大功率點跟蹤（MPPT）控制、電壓和頻率控制、功率限制控制等，以確保系統在允許范圍內運行，提高能量轉換效率和電網穩定性。

（三）光伏并網發電系統的仿真與分析

在進行光伏并網發電系統仿真分析時，首先需要根據實際系統參數和組件特性，建立光伏發電系統的仿真模型，包括光伏陣列模型、逆變器模型、清洗模型、電網模型和負載模型等，并確定仿真所需的輸入參數，如太陽輻射、溫度、光照條件和電網參數等，可根據實際情況設定仿真時段、時間步長和數據采集間隔等參數。其次，可通過仿真軟件運行該模型，如PSCAD、MATLAB/Simulink、PVsyst等，用于模擬光伏發電系統在不同條件下的運行情況，并通過改變輸入參數、調整控制策略等來評估系統的性能。此外，還需分析仿真結果，評估系統的性能指標，包括電能產量、光伏陣列效率、逆變器效率、功率因數、電壓和頻率穩定性等，并對比不同設計方案或控制策略的性能差異，找出系統的優化方向。最后，通過修改仿真模型中的參數或添加故障元素，模擬光伏發電系統的故障情況，如陣列故障、逆變器故障、電網故障等，并通過調整MPPT算法參數、電壓/頻率控制策略、功率限制策略等措施，優化系統運行，以提高系統的性能和可靠性。

結語

為提高光伏發電系統安全性和可靠性，一般可采用最大功率點跟蹤，算法、電壓和頻率控制策略以及功率限制等措施，以確保系統的正常運行。而對于光伏并網發電系統而言，需對光伏并網發電系統的拓撲結構進行優化，采用一定的控制策略和并網技術，以提高光伏發電系統的性能和穩定性，實現系統與電網的安全高效互聯，促進清潔能源產業的可持續發展。