光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行控制技術(shù)的研究

黔西縣水務(wù)局 徐開平

0 引言

太陽能屬于清潔能源，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽能在能源中的地位越來越高。利用太陽能有利于構(gòu)建節(jié)約型、生態(tài)型社會，并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠充分利用太陽能，因此，本文將對其進(jìn)行詳細(xì)探究。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式以及工作原理

1.1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

圖1指的是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，主要由兩部分組成，分別為DC/DC以及DC/AC。其中，DC/DC指的是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的前級，而DC/AC指的是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)后級。DC/DC屬于高頻直流升壓變換器，其組成結(jié)構(gòu)有很多種，主要包括升壓變換器、單管以及單端等等，通過DC/DC可以將低壓直流電上升至高壓直流電，通常電壓為360V，通過DC/DC作用得到的直流電可以供DC/AC使用。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的DC/AC是逆變輸出級，其結(jié)構(gòu)形式為單相全橋結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)，能夠?qū)腄C/AC中輸出的高壓直流點轉(zhuǎn)換為高頻SPWM波，通過電感濾波，SPWM波能夠為電網(wǎng)提供正弦電流波。DC/AC的作用可以直接省略工頻變壓器，與傳統(tǒng)的并網(wǎng)系統(tǒng)相比，能夠在很大程度上提高系統(tǒng)的工作效率和工作質(zhì)量。

圖1 光伏陣列并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 光伏并網(wǎng)逆變器功率輸出級等效模型

光復(fù)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能夠通過有源逆變器對輸出電流控制電壓類型，有源逆變器的輸出端的特性主要是由受控電流源決定的。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)采用SPWM控制方式，單項全橋結(jié)構(gòu)中有兩個橋臂，輸出的相位差形式為180°的高頻SPWM波，通過濾波作用，能夠有效消除載波信號，有利于將正弦電流波及時有效的饋入電網(wǎng)中。

對圖2進(jìn)行分析研究，圖中的r指的是濾波電感L以及系統(tǒng)線路中的等效電阻；右邊Unet即電壓值大小，而左邊的Uab即從逆變器中輸出的SPWM波，iL指的是電感電流。

圖2 電流控制型電壓源逆變器的等效電路模型

根據(jù)上圖2，將iL定為狀態(tài)變量，則可以得出：

經(jīng)過公式（1），并且經(jīng)過Laplas的轉(zhuǎn)換，可以得出 ：

由此可見，控制對象的傳遞函數(shù)為公式（3）：

不考慮系統(tǒng)中各項功率構(gòu)件等因素的作用，可以將SPWM脈寬調(diào)制器以及逆變橋路表示為一階慣性環(huán)節(jié)，如公式（4）所示：

在公式（4）中，T即逆變器開關(guān)周期；而KPWM是逆變器增益。

如果在實際工作中，開關(guān)頻率數(shù)值較高，則 ，因此可以將公式（4）簡化為：

通過公式（3）以及公式（5）可以得出，系統(tǒng)功率輸出級的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為公式（6）：

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于濾波等效電阻較小，所以，系統(tǒng)穩(wěn)定的裕度也相應(yīng)的比較小，所以，在實際工作中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低，因此，為了改善光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)特性，可以加入調(diào)節(jié)器，提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度，確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行控制技術(shù)

2.1 滯環(huán)瞬時比較方式

滯環(huán)瞬時比較形式，通過同一控制單元，可以同時產(chǎn)生電流誤差補償以及PWM信號，而且可以形成閉環(huán)反饋，有利于控制線發(fā)揮功效，在動態(tài)響應(yīng)以及電流保護(hù)方面作用突出，但是該形式也是有一定的缺陷的，例如控制會出現(xiàn)延時反應(yīng)、不能產(chǎn)生零電壓矢量等等，由于這些缺陷，會導(dǎo)致輸出電流波動較大，諧波的畸變率也會隨之增加。

2.2 三角波比較方式

三角波比較方式原理，其中，放大器一般采用比例積分放大器，三角波比較方式與瞬時值比較方式相比，可以體現(xiàn)出很多優(yōu)勢，包括輸出電壓中的諧波較少以及器件開關(guān)頻率比較固定等等，但是三角波比較方式也是有一定的缺陷的，包括硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、誤差較大等。目前，更好的閉環(huán)電流控制方法是基于載波周期的控制方法。

2.3 內(nèi)模原理

內(nèi)模原理中指出，如果在反饋控制環(huán)路內(nèi)部，存在某種信號，能夠準(zhǔn)確的描述出外部輸出質(zhì)量，并且擾動動力學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，則能夠體現(xiàn)出反饋控制系統(tǒng)抵消擾動能力較強，而且對于指令的跟蹤能力較強，另外，還可以體現(xiàn)出其對誤差調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性較好，這種數(shù)學(xué)模型就是“內(nèi)?！?。以上就是內(nèi)模原理的定義，由此可見，發(fā)生器可以產(chǎn)生參考信號，而當(dāng)其處于閉環(huán)系統(tǒng)中時，則該系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會相應(yīng)的提高，能夠輸出不會產(chǎn)生誤差的跟蹤參考信號。

2.4 重復(fù)控制

重復(fù)控制思想的來源是內(nèi)模原理。對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的本質(zhì)進(jìn)行剖析，逆變器的輸出電流波形控制屬于伺服系統(tǒng)設(shè)計范疇，系統(tǒng)需要對基波正弦波進(jìn)行跟蹤分析，另外，還需要對基波以及多重諧波這類擾動信號進(jìn)行有效抑制。由此可見，在實際工作中，積分控制的效果并不高，不能夠?qū)χ噶钚盘柡蛿_動信號進(jìn)行無靜差跟蹤，其只能夠在低頻段為系統(tǒng)提供開環(huán)增益，減少靜差，但是還是會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成不良影響，由于相位滯后問題，系統(tǒng)的運行可靠性會降低。對內(nèi)模原理進(jìn)行詳細(xì)分析可以得出，當(dāng)給定為正弦指令信號時，可以在控制器中設(shè)置一個與指令同頻的正弦信號模型：

公式（7）中， 即為正弦指令信號的角頻率。

在以上公式中， 即為正弦信號的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)指令信號與擾動信號頻率相同時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)即可以做到無靜差跟蹤。然而，在實際運行中，系統(tǒng)逆變器的運行過程復(fù)雜程度高，因此，上述分析只是在理想狀態(tài)下所得出的結(jié)果。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的擾動信號頻率呈多樣性的特點，很難實現(xiàn)對所有擾動信號的無靜差跟蹤，如果有實際需要，則需要在整個系統(tǒng)中設(shè)置較多的內(nèi)模，而這樣就會導(dǎo)致對于系統(tǒng)的控制更為復(fù)雜，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，降低工程價值。通過對這方面的時間研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的擾動信號都有一個共性，當(dāng)其處于每個基波周期內(nèi)時，信號頻率都會相同，所以，可以采用與公式（9）不同的信號發(fā)生器內(nèi)模：

其離散脈沖傳遞函數(shù)為：

2.5 電網(wǎng)電壓的前饋控制方式

對重復(fù)控制技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)研究，能夠?qū)φ医o定信號實現(xiàn)無靜差跟蹤，同時還能夠在很大程度上降低輸出波形畸變率。但是，由于在實際工作中，誤差跟蹤控制的滯后性問題比較明顯，因此，系統(tǒng)的動態(tài)性較差，在此情況下，系統(tǒng)的輸出波形可能會出現(xiàn)比較嚴(yán)重的畸變問題。對此，必須采取有效措施控制瞬時擾動，對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，可以使用電網(wǎng)前饋控制方式，這樣才能有效抵消電網(wǎng)作用，將系統(tǒng)作為無源逆變系統(tǒng)，不僅可以有效簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且還有利于提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。所以，如果已經(jīng)確定了直流側(cè)電壓，則電網(wǎng)電壓前饋環(huán)節(jié)可以增益1/KPWM，能夠有效實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的精確對消。

3 結(jié)語

新時期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，隨著主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)也在不斷進(jìn)步。目前，研究分布式系統(tǒng)的綜合控制是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要控制技術(shù)，因為該控制方法具有非線性、強耦合、多變量等特點。在系統(tǒng)中將數(shù)字信號處理器作為控制中心，能夠有效實現(xiàn)數(shù)字化控制。

[1] 黃欣科,關(guān)雅娟,王環(huán),等.光伏發(fā)電系統(tǒng)低功率運行并網(wǎng)電流諧波抑制研究[J].太陽能學(xué)報,2015(02):15-16.

[2] 樸鐵軍,吳天明.應(yīng)用于停車棚的光伏-儲能微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)研究[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2013(05):55-56.