分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術研究

貴陽市城市軌道交通運營有限公司 馮媛媛

1 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術的作用

1.1 能量優(yōu)化利用

能量優(yōu)化利用在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有關鍵作用。分布式光伏系統(tǒng)的能量產(chǎn)生受到日照和天氣等因素的影響，因此系統(tǒng)需要具備高效的能量捕獲和利用機制。最大功率點跟蹤（MPPT）技術作為能量優(yōu)化利用的關鍵工具，能夠監(jiān)測光伏陣列的當前工作點，并動態(tài)地調(diào)整工作電壓和電流，以使系統(tǒng)工作在最佳點，從而最大化能量轉換效率[1]。MPPT 技術能夠實時響應環(huán)境的變化，如光照強度的變化和溫度的影響，以保持系統(tǒng)的輸出功率最大化。通過優(yōu)化能量輸出，MPPT 不僅可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，還可以縮短投資回收期，降低發(fā)電成本。因此，能量優(yōu)化利用在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中是至關重要的，直接關系到系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可持續(xù)性。

1.2 電網(wǎng)支持

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為分散式的能源來源，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了挑戰(zhàn)。控制技術可以實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的動態(tài)響應，以適應電網(wǎng)的需求。無功功率控制策略是一種重要手段，能夠調(diào)整系統(tǒng)的無功功率輸出，以平衡電網(wǎng)的無功功率需求。通過這種方式，分布式光伏系統(tǒng)可以為電網(wǎng)提供有力的支持，穩(wěn)定電網(wǎng)的電壓和頻率。隨著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴大，其在電網(wǎng)支持方面的重要性也日益凸顯。通過控制技術實現(xiàn)電網(wǎng)支持，不僅可以增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性，還可以提高分布式光伏系統(tǒng)在能源體系中的地位和作用。

1.3 電壓與頻率調(diào)控

電壓與頻率是電網(wǎng)運行的關鍵參數(shù)，對于維持電網(wǎng)穩(wěn)定性至關重要。分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制技術能夠監(jiān)測電網(wǎng)的電壓和頻率變化，并根據(jù)需要調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率，以維持電網(wǎng)的電壓和頻率在合理范圍內(nèi)。電壓與頻率調(diào)控策略的重要性在于確保電網(wǎng)的正常運行。過高或過低的電壓和頻率都可能引發(fā)電網(wǎng)故障，影響用電設備的正常運行。通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)電壓和頻率的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，可以有效地維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提升電網(wǎng)的可靠性和安全性。

1.4 安全性與穩(wěn)定性提升

控制技術在提升分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關鍵作用。實時監(jiān)測與故障檢測系統(tǒng)可以及時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況并采取措施，以避免故障擴大和風險增加。通過控制技術保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，不僅可以降低設備的損壞風險，還可以提升系統(tǒng)的可用性，從而提高能源供應的可靠性。

2 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術存在的問題

2.1 電網(wǎng)的穩(wěn)定性

隨著分布式光伏系統(tǒng)的規(guī)模日益擴大，其波動性和不確定性可能對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成負面影響。這是因為系統(tǒng)突發(fā)的功率變化可能導致電壓和頻率的波動，對電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性構成潛在威脅。解決這一問題的關鍵在于建立一套高效的協(xié)調(diào)機制，確保分布式光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。

2.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不穩(wěn)定

由于日照強度、天氣變化等因素的波動，會導致系統(tǒng)的輸出功率發(fā)生波動，從而可能影響能源的預測準確性和電網(wǎng)的有效調(diào)度。為了應對這一問題，我們需要采用精確的氣象預測模型，并將其與先進的控制算法相結合，以實現(xiàn)實時的運行策略調(diào)整。通過預測氣候條件的變化，系統(tǒng)可以在可能受到影響之前作出相應的調(diào)整，從而保持穩(wěn)定的能量輸出。

2.3 電壓和頻率控制

雖然光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)要求電壓和頻率保持在合理范圍內(nèi)，但由于環(huán)境變化和光伏陣列特性的影響，系統(tǒng)的輸出功率可能會導致電壓和頻率不穩(wěn)定。這可能對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生不利影響[2]。為了解決這一問題，需要開發(fā)高效的控制策略和算法，以確保系統(tǒng)的輸出能夠穩(wěn)定地滿足電網(wǎng)的要求。這可能涉及實時監(jiān)測電網(wǎng)的狀態(tài)，以及通過智能控制方式進行及時的調(diào)整。

2.4 故障檢測與維護

由于系統(tǒng)分布廣泛，故障檢測和維護變得更加復雜。系統(tǒng)故障可能由于組件老化、設備損壞等原因引起，需要及時地診斷和修復。為了解決這一問題，我們需要開發(fā)實時的故障檢測與診斷系統(tǒng)，能夠及時監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)并發(fā)出警報。同時，遠程監(jiān)控和維護系統(tǒng)也是必不可少的，以確保系統(tǒng)的正常運行和可靠性。

3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略

3.1 電壓與頻率控制策略

在分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，電壓與頻率控制策略起著關鍵的作用，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與電網(wǎng)的協(xié)調(diào)。在系統(tǒng)并網(wǎng)時，輸出電壓和頻率的準確控制是至關重要的，以防止不穩(wěn)定的電壓和頻率對電網(wǎng)造成干擾。為了實現(xiàn)這一目標，控制系統(tǒng)采用了精確的反饋機制，通過監(jiān)測電網(wǎng)的電壓和頻率，并將其與光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出進行比較和調(diào)整。

電壓控制的關鍵在于將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓維持在電網(wǎng)允許的范圍內(nèi)。這可以通過逆變器來實現(xiàn)，逆變器根據(jù)電網(wǎng)的電壓變化調(diào)整其輸出電壓。具體地，逆變器的輸出電壓Vout可以由以下公式表示：

Vout=Vref+Kv（Vgrid－Vref）

其中，Vref是目標電壓設定值，Vgrid是電網(wǎng)電壓，Kv是電壓控制增益。

通過調(diào)整增益參數(shù)Kv，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)。一方面，當電網(wǎng)電壓下降時，逆變器會增加輸出電壓，以使其保持在允許范圍內(nèi)。相反，當電網(wǎng)電壓上升時，逆變器會降低輸出電壓。這樣，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性。另一方面，頻率控制旨在使光伏系統(tǒng)的輸出頻率與電網(wǎng)頻率同步。這可以通過類似的反饋機制來實現(xiàn)。逆變器的輸出頻率fout可以由以下公式表示：

fout=fgrid+kf（fgrid－fref）

其中，是電網(wǎng)頻率，fgrid是目標頻率設定值，kf是頻率控制增益。

通過調(diào)整增益參數(shù)kf，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以實現(xiàn)對頻率的精確調(diào)節(jié)。當電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時，逆變器將相應地調(diào)整輸出頻率，確保光伏系統(tǒng)的運行不會對電網(wǎng)頻率產(chǎn)生干擾。

綜上所述，電壓與頻率控制策略利用精確的控制算法和反饋機制，確保分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的穩(wěn)定協(xié)調(diào)。通過實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，并根據(jù)電壓和頻率的偏離程度進行調(diào)整，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出電力，維護電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。

3.2 最大功率點跟蹤（MPPT）技術

最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心策略之一，其目標是實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。由于光伏電池的輸出特性受環(huán)境條件的影響，如光照強度和溫度等因素，故其工作點會不斷變化。MPPT 技術通過實時監(jiān)測光伏陣列的工作點，采取適當?shù)目刂撇呗裕源_保系統(tǒng)始終運行在能量轉換效率最高的最大功率點[3]。

MPPT 技術的核心是追蹤當前光伏陣列的實時輸出特性，并根據(jù)這些特性調(diào)整電池組的電壓或電流，以使系統(tǒng)工作在最大功率點。常用的MPPT 算法之一是Perturb and Observe（P&O）算法。該算法通過周期性微調(diào)電池組的電壓或電流，觀察功率變化方向，從而逐步接近最大功率點。具體來說，MPPT 技術可以通過以下公式來表達：

Pin=Vin×Iin

其中，Pin表示光伏陣列輸入的功率，Vin表示電池組的輸入電壓，Iin表示電池組的輸入電流。MPPT 技術的目標是使輸入功率，Pin達到最大值。為實現(xiàn)這一目標，MPPT 算法會根據(jù)當前輸入功率的變化趨勢調(diào)整電池組的工作狀態(tài)，逐漸逼近最大功率點。通過持續(xù)監(jiān)測和調(diào)整，MPPT 技術可以在不同的環(huán)境條件下實現(xiàn)光伏陣列的最佳能量捕獲，以及最大化能量轉換效率。

通過采用MPPT 技術，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以充分利用不同光照條件下的能量，提高系統(tǒng)的能源利用效率。這不僅有助于降低能源浪費，還可以降低電力成本，為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可持續(xù)性做出貢獻。綜上所述，MPPT 技術在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用具有重要意義，為優(yōu)化能源捕獲效率提供了關鍵支持。

3.3 能量儲存與管理策略

能量儲存與管理策略在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有關鍵作用，以解決光伏發(fā)電的波動性和不確定性，實現(xiàn)能源的平穩(wěn)輸出。特別是在光照條件不穩(wěn)定或電網(wǎng)需求波動的情況下，能量儲存與管理策略通過儲能裝置（如電池）來存儲額外的能量，作為備用，并在需要時釋放，以維持穩(wěn)定的能量輸出[4]。在能量儲存與管理策略中，充電過程和放電過程是兩個關鍵環(huán)節(jié)，它們通過電池的充放電來實現(xiàn)能量的儲存和釋放。具體而言，考慮一個簡化的能量儲存模型。

3.3.1 充電過程

在光伏發(fā)電過剩或電網(wǎng)需求低谷時，電池被充電以儲存能量。充電過程中，電池的能量增加量可以通過以下公式表示：

ΔEcharge=Pin×ηcharge×Δt

其中，Pin表示當前光伏發(fā)電的功率輸入，ηcharge表示充電效率，Δt 是時間步長。電池的能量增加將有助于儲備能量以備不時之需。

3.3.2 放電過程

在光伏發(fā)電不足或電網(wǎng)需求高峰時，電池被放電以供應能量。放電過程中，電池的能量減少量可以通過以下公式表示：

其中，Pout表示從電池放出的功率輸出，ηdicharge表示放電效率，Δt 是時間步長。電池的能量釋放將滿足電網(wǎng)需求，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過持續(xù)監(jiān)測光伏發(fā)電的輸出功率、電池的儲能狀態(tài)以及電網(wǎng)需求，能量管理系統(tǒng)可以智能地決定充電或放電的策略，以實現(xiàn)系統(tǒng)能量的平穩(wěn)輸出。該系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況調(diào)整充放電速率和時機，以最大程度地提高能量的利用效率。

通過采用精心設計的能量儲存與管理策略，分布式光伏系統(tǒng)可以在不同的工作條件下更加靈活地應對能源波動，實現(xiàn)更高的能源利用效率，有效減少能源浪費。這種策略在以下幾個方面具有深遠的影響。

第一，能量儲存與管理策略為分布式光伏系統(tǒng)提供了緩沖能力。光伏發(fā)電的輸出會受到日照強度、天氣變化和季節(jié)變化等多種因素的影響，導致能源波動。通過將多余的能量存儲在儲能裝置中，系統(tǒng)可以在能源供應不穩(wěn)定的情況下仍然保持平穩(wěn)的能量輸出，從而減輕了電網(wǎng)的壓力。第二，這種策略有助于提高能源的利用效率。在光照強度較高時，系統(tǒng)可以將多余的能量存儲下來，避免了因過量產(chǎn)生的能源浪費。而在光照不足的時候，儲能裝置可以釋放儲存的能量，保障系統(tǒng)的能源供應，實現(xiàn)了能源的最優(yōu)配置。第三，能量儲存與管理策略還可以優(yōu)化電網(wǎng)負荷分配。在電網(wǎng)需求高峰時，儲能裝置的釋放能量可以滿足電力需求，從而避免了電網(wǎng)過載。而在電網(wǎng)負荷較輕的時候，系統(tǒng)可以利用多余的能量進行儲存，為未來高峰期做好準備。

通過實現(xiàn)更穩(wěn)定、更高效的能源管理，分布式光伏系統(tǒng)可以更好地融入電網(wǎng)中，提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。這對于實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展和推動清潔能源轉型具有重要意義。

總言之，本論文深入探討了分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術在現(xiàn)代能源體系中的關鍵地位。通過分析其作用、存在的問題以及應用的控制策略，明確了這些技術的重要性。從電壓與頻率控制策略的穩(wěn)定性，到最大功率點跟蹤技術的高效能源利用，再到能量儲存與管理策略的電網(wǎng)穩(wěn)定性增強，這些控制技術都為分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了支持。然而，這些技術也面臨著很多挑戰(zhàn)，需要進一步研究和創(chuàng)新。綜合來看，分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術在實現(xiàn)清潔能源轉型、提高能源利用效率和確保電力系統(tǒng)的可靠性方面具有重要的意義，為未來能源可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實的基礎。