分布式光伏發電系統并網技術的應用研究

摘要：分布式光伏發電系統是發展綠色環保能源的重要方式之一。針對可再生能源的現實需求，重點研究分布式光伏發電系統并網技術的應用，從技術架構、DC-DC變換器、并網濾波器3個方面設計了光伏并網發電系統，并強調了相應的逆變器控制技術。研究結果表明：采用比例-積分（Proportional-Integral，PI）級聯準比例諧振（Proportional"Resonant，PR）控制器，合理設計并網逆變器控制體系，能夠滿足電網的運行需求，具有良好的經濟和環保效益。

關鍵詞：分布式光伏發電系統""并網運行""逆變器控制""綠色能源

Research"on"the"Application"of"Grid"Connection"Technology"for"Distributed"Photovoltaic"Power"Generation"System

ZHANG"Shenquan

Changshu"Power"Supply"Company，"State"Grid"Jiangsu"Electric"Power"Co.，"Ltd.，"Suzhou，"Jiangsu"Province，"215500"China

Abstract："Distributed"photovoltaic"power"generation"system"is"one"of"the"important"ways"to"develop"green"and"environmentally"friendly"energy."In"response"to"the"practical"needs"of"renewable"energy，"this"research"focuses"on"the"application"of"distributed"photovoltaic"power"generation"system"grid"connection"technology."The"photovoltaic"grid"connection"power"generation"system"is"designed"from"three"aspects："technical"architecture，"DC-DC"converter，"and"grid"filter，"and"the"corresponding"inverter"control"technology"is"emphasized."The"research"results"show"that"using"a"Proportional"Integral"（PI）"cascaded"Proportional"Resonant"（PR）"controller"and"designing"a"reasonable"grid"connection"inverter"control"system"can"meet"the"operational"needs"of"the"power"grid"and"have"good"economic"and"environmental"benefits.

Key"Words："Distributed"photovoltaic"power"generation"system;"Grid"connected"operation;"Inverter"control;"Green"energy

分布式光伏發電系統是發展綠色環保能源的重要方式之一，主要由太陽能電池板、DC/AC逆變器、直流變換器等部分構成。在規模不變的情況下，與傳統光伏電站相比，該系統的裝機容量更小、對硬件設備要求較低、建設場地更為靈活、整體成本較低。將分布式光伏發電系統接入電網后，可提供有功和無功電能服務。其核心為并網逆變器，相應的控制質量對電力系統性能有著直接影響[1]。

1"光伏并網發電系統

1.1""技術架構

1.1.1"接入點電壓

公共耦合點（Point"of"Common"Coupling，PCC）是分布式光伏發電系統與公共電網之間的連接點，其電壓穩定性對電網的安全運行具有重要意義。結合并網技術的基本要求，將PCC的電壓范圍設為公共電網額定電壓的88%～110%。也就是說，當PCC的電壓在此范圍內時，光伏發電系統可以直接并網運行，無須進行額外的電壓調節，不會對其他設備的正常運行造成負面影響。以公共電網的額定電壓為220"V為基準，其PCC的電壓范圍應為220"V×88%～220"V×110%=193"V～242"V。若超出該區間，則需要通過并網逆變器進行控制。注意，當電壓未超出110"V時，其切入時間為0.16"s；在110～193.6"V之間時，為2"s；當電壓在242～264"V之間時，其切出時間為1"s；超出264V時，為0.16s。

1.1.2"電網頻率

電網頻率反映了發電機轉速與系統負載之間的平衡狀態，需要保持在一定范圍內，以保證電力系統的供電質量。光伏并網系統主要將電池板產生的電能注入電網，并不直接參與電網頻率的調節，根據現實需求，應將其控制在49.4～50.3"Hz之間。當電網頻率偏離此范圍時，要將并網逆變器切出，以避免對系統造成損害。

1.1.3"電壓閃變

在光伏并網系統中，受逆變器的開關操作、電池板輸出功率波動等因素的影響，PCC處電壓會發生一定程度的閃變偏離，即電壓波形中包含快速、隨機的電壓變動。因此，應合理控制電壓偏離值，具體設置為接入電網電壓的5%以下。

1.2""DC-DC變換器

設計采用升壓式變換器，拓撲結構簡化為理想情況，即電感L和電容C的值作無窮大處理，具體如圖1所示。一方面，在開關管T導通、二極管D不導通階段，左側回路電源E通過開關管T和電感L形成回路。由于電感L的電流不能突變，因此，其中的電流開始從零逐漸增加，其方向為正極到負極、此時，電源E為電感L充電，儲存磁能。同時，由于二極管D是反向偏置的，因此，電容C和負載R之間沒有直接的電流通路。如果電容C之前已經充電，則可繼續為負載R提供電流，維持負載電壓。另一方面，在開關管T斷開、二極管D導通階段，左側回路電感L中的電流不能突然中斷，要尋找新的回路，二極管D變為正向偏置并導通，電感L、二極管D、負載R和電容C形成一個新的回路。電感L開始釋放之前儲存的磁能，電流方向朝反向變化，為電容C充電并同時向負載R供電[2-3]。右側電容C和負載R并聯，共同接收來自電感L的電流。電容C的電壓逐漸上升，直到達到新的穩態值，該值高于輸入電壓E。在電路穩定工作時，開關管T的導通和斷開周期是固定的，在理想情況下，每個周期電感L在開關管T導通時儲存的磁能與在開關管T斷開時釋放的電能相等。

1.3""并網濾波器

根據光伏系統的容積量確定并網濾波器型號，綜合考慮濾波效果、成本費用等因素，設計采用LCL型濾波器。該濾波器由兩個電感和一個電容組成，有更小的電抗器值，在高頻段具有良好的濾波效果，能有效抑制光伏逆變器產生的開關頻率及其諧波分量，適用于功率較高的設備。與單電感濾波器相比，LCL濾波器可以提高系統的功率密度。但該濾波器容易發生諧振，因此，設計在其電容支路上串入一個阻尼電阻[4]，以抑制諧振峰，使系統更加穩定。在確定阻尼電阻Rd時，要考慮以下兩個因素：一是阻尼電阻的阻值直接影響諧振峰的抑制效果，要找到一個平衡點，使諧振得到有效抑制的同時，功率損耗也在可接受范圍內；二是由于阻尼值與功率損耗成正比，因此，阻尼電阻的引入會對濾波器的諧波衰減效果產生影響，要綜合權衡。合理的阻尼電阻設計情況如圖2所示，系統中不存在諧波尖峰，諧波電流在高頻段時能得到抑制，保證光伏并網發電系統處于相對穩定的狀態。

2""光伏并網逆變器控制

2.1""PI級聯準諧振PR控制器

LCL濾波器的二階諧振特性與諧振點處的零阻抗特性對系統運行存在一定影響。為了保證控制精度，采用基于同步旋轉dq坐標系的比例-積分（Proportional-Integral，PI）級聯準比例諧振（Proportional"Resonant，PR）控制器。將PI控制器與PR控制器級聯使用：前者負責基波電流的穩態控制，確保無靜差；后者則專注于抑制或補償特定頻率的諧波。在三相系統中，使用dq坐標系簡化控制策略，將三相靜止坐標系下的交流量轉換為dq坐標系下的直流量。同時，PR控制器也能被設計在dq坐標系下，實現對特定次諧波的精確控制[5]。

2.2""逆變器系統結構模型

光伏并網系統主要由光伏陣列、絕緣柵雙極晶體管（Insulated"Gate"Bipolar"Transistor，IGBT）三相全橋逆變電路、LCL濾波器、變壓器、并網點，以及基于TMS320F2833x數字信號處理器（Digital"Signal"Processor，DSP）的控制單元組成。光伏陣列作為直流側電源，提供100"kW的電能。逆變側通過IGBT三相全橋電路將直流電轉換為交流電，并通過一系列處理實現與電網的同步和并網。為了實現無沖擊并網，DSP首先執行軟鎖相環算法，使逆變器的輸出頻率和相位與電網嚴格同步，減少并網時的電流沖擊和諧波污染。通過最大功率點跟蹤（Maximum"Power"Point"Tracking，MPPT）算法調節逆變電流，使光伏陣列工作在最大功率點，保證系統發電效率的最大化。通過控制IGBT的開關狀態，精確調節輸出電壓和電流的波形。逆變輸出的交流電經過LCL濾波器，去除高頻諧波分量，使輸出電流波形更加接近正弦波，滿足并網要求。濾波后的電流通過變壓器進行隔離和升壓，適應電網的電壓等級。逆變器系統結構模型采用空間矢量脈寬調制（Space"Vector"Pulse"Width"Modulation，SVPWM）方式，通過優化IGBT的開關序列和占空比，提高直流電流的利用率，并減少逆變器的開關損耗。考慮系統在大范圍變化時的動態特性，在大信號模型下進行控制器設計，滿足耦合系統的線性條件。

2.3""逆變器控制器的實現

在光伏并網系統中，需要關注逆變器輸出電流的快速響應和穩定性，以達到控制效果。將逆變側電感電流作為反饋，分析使用PI控制器補償前后的開環傳遞函數。LCL濾波器在某個頻率點產生諧振峰，會導致系統在其附近發生二次穿越，即系統的開環增益在該點附近穿過0"dB線兩次。此時，系統的相位余量較小，要減小環路增益。但為了避免犧牲系統的動態性能和低次諧波抑制能力，在dq坐標系下加入電網電壓前饋，直接將電網電壓的實時值引入到控制回路中，從而削弱電網電壓波動對并網電流的影響，提高系統的抗干擾能力和動態響應速度。引入PR諧振控制器，聯合準PR和PI無靜差控制，設計主要抑制7次諧波，并用5次諧波作參照，以確保整個系統的諧波性能滿足要求[6]。

2.4""實驗分析

以某100"kW三相光伏并網逆變裝置為實例，采用功率分析儀、電能質量分析儀、示波器等設備進行實驗。采用工頻變壓器隔離并網，電網線電壓為380"V、頻率為50"Hz。實驗結果如下所示。

（1）確認三相并網側電壓和電流隨時間的變化情況，滿功率下，逆變器輸出的電流與電網電壓同相位，沒有無功功率的交換，所有從電源獲取的電能都被有效利用。

（2）不采用電網電壓前饋時，并網瞬間電流流向直流側電容，使其充電升壓；采用電網電壓前饋時，減小了并網瞬間的電壓差異，系統的穩定性和動態響應能力得到提升。

（3）在dq坐標系下，PR控制顯著降低了7次諧波的含量，降低超過1/2。

（4）在80"kW輸出狀態時，系統總諧波畸變率僅為1.22%，表明系統的電能質量極高，諧波抑制效果顯著。

3""并網技術綜合效益評價

針對上文設計的分布式光伏發電系統并網技術，一是其能滿足用戶電能需要，減緩用電高峰期對電網的壓力，在替代傳統化石能源發電情況下，節約了煤炭消耗，同時減少了有害氣體及廢氣排放，有利于改善環境；二是其經濟效益突出，光伏電池板的使用年限約為25年，8年左右就可收回成本，學校、工廠、商業用電收回成本時間更短。

4""結語

分布式光伏發電系統可基于負載需求實現就地使用，或者通過存儲為后續使用奠定基礎。針對其電網并入技術的應用，采用PI級聯準諧振PR控制器并構建模型，合理設計光伏并網逆變器控制體系，能夠滿足電網的運行需求，經濟和環保效益突出。

參考文獻：

[1]"童鑄，歐仲曦，劉超，等.遺傳算法優化粒子群的分布式光伏并網控制方法研究[J].自動化儀表，2023，44（10）：39-43.

[2]"于瑛，姚星，丑錦帥，等.城鎮典型住宅建筑屋頂分布式光伏系統潛能分析[J].太陽能學報，2023，44（7）：182-190.

[3]"李則漩.分布式光伏并網發電系統的諧波分析[D].西安：西安石油大學，2023.

[4]"王慶鵬.分布式光伏并網發電系統接入配電網的研究[D].長春：吉林建筑大學，2023.

[5]"劉成，王煥忠，溫紀營，等.基于碳中和目標的分布式光伏發電并網消納控制研究[J].工業加熱，2023，52（1）：49-53.

[6]"劉景龍，郭韻.分布式光伏發電并網數字化建模與仿真[J].計算機仿真，2022，39（9）：96-100.