光伏发电并网系统控制方法的创新性研究

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【摘要】太阳能光伏发电的并网运行，省去了独立光伏体系中的储能环节，这样将大大减少电站的维护。而对于不同的电路拓补结构，需要有不同的控制策略，以便实现光伏发电能够顺利并网。本文主要介绍光伏并网系统的组成和拓扑结构，在此基础上分析光伏发电并网系统的控制目标和控制策略。并对光伏发电并网可能存在的问题，进行必要的论述。

【关键词】光伏发电；并网系统；控制策略

0.前言

当今世界，光伏产业发展迅速，已经成为世界最受关注的新兴产业之一。与其他新能源相比，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有以下的特点：清洁性和经济性，储量丰富，分布范围十分广泛。太阳能的开发利用形式主要有三种，包括光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。而且以光伏电池技术为核心的光伏利用成为当前应用的热点，也是太阳能开发利用中最重要的应用领域。利用光伏发电，具有明显的优点：

（1）结构简单，体积小轻便。

（2）容易安装运输，维护简单。

（3）使用方便，清洁、安全、无噪声。

（4）可靠性高，寿命长，并且应用范围广。

目前太阳能光伏发电系统主要应用在无电或缺电的边远地区，作为独立的电源供给家用电器及照明设备。对于家庭住宅而言，配备光伏发电系统，可以很大程度上缓解白天电力紧张的局面。展望未来，并网运行的太阳能光伏发电必将发展成为重要的发电方式之一。

1.光伏发电并网系统

1.1光伏发电并网系统组成

光伏并网系统是将太阳能电池板发出的直流电转化为正弦交流电，从而向电网供电的一个装置。光伏并网发电系统由光伏阵列、变换器和控制器等组成。变换器将光伏电池的输出直流电逆变成正弦交流电并入电网，控制器控制光伏电池最大功率点跟踪和逆变器并网电流的波形、频率和功率，使光伏发电系统向电网输送的功率达是光伏电池工作的最大功率。典型的光伏并网系统包括：光伏阵列、DC-DC变换器、逆变器和继电保护装置[3]。三相光伏发电并网系统的主电路所示。太阳能电池方阵通过正弦波脉宽调制逆变器向电网输送电能，逆变器馈送给电网的电力容量由光伏方阵功率和当时当地的日照条件决定。

1.2光伏并网系统的拓扑结构

1.2.1单级式并网逆变器拓扑

考虑光伏阵列输出电压较低的情况，单级式并网逆变器必须能在一个功率变换环节内实现众多功能，包括直流升压、最大功率点跟踪、DC/AC逆变以及光伏阵列和电网之间的隔离。因此这种拓扑结构包括有变压器。这种拓扑结构的优点是成本低、体积小、效率高、损耗少。但是因为要在同一级实现众多功能，所以会有设计复杂的缺点。

1.2.2两级式并网逆变器拓扑

现在光伏并网发电系统大多采用两级式的并网逆变拓扑结构。它一般包括DC-DC级和DC-AC级。前级实现升压和最大功率跟踪功能，后级实现将直流电转变成交流电并网的功能。

1.2.3多级式并网逆变器拓扑

多级拓扑设计会增加并网逆变器的成本和复杂程度，但同时也可以实现多种功能，包括：逆变桥低开关频率，DC/AC变换器正弦半波输出。因此多级拓扑设计可以在降低损耗的同时达到很好的最大功率点跟踪特性。但系统采用多级拓扑的同时也会带来功率损耗过大的缺点，为此多级式拓扑结构在并网系统中并不常用。

2.光伏发电并网控制方法SPWM波模型的建立

三相光伏并网系统的主电路拓扑结构为一个三相逆变桥，通过功率器件的转换，直流能量转换成适合于馈入电网的交流能量。由于电网呈现出电压源的特性，因此馈入电网的能量应以电流源的形式出现。通过交流侧电感的滤波作用，将逆变桥的输出转换成适合于馈入电网的正弦波电流，桥路功率开关器件的通断由SPWM波控制。

对逆变器输出端电流，取三相并网电流中的其中A相即滤波电感上电流Inet为状态变量，列出状态变量，列出状态方程可得：

Ua是逆变器输出的A相电压，Unet是电网的A相电压。

两边同时进行拉普拉斯变换可得：

采用基于SPWM的三角波比较电流跟踪控制的并网方法，能够使并网电流较好的跟踪参考电流，基本保持了同幅，同频和同相，从而实现光伏发电并网的目的。

3.仿真分析

为了验证太阳能并网的可控性，建立了MATLAB/Simulink仿真模型，仿真模型的实验条件：仿真参考电流的频率为50Hz(光伏阵列实际的输出电压和经过最大功率跟踪后给出的参考电压做差，其误差信号经过PI调节器环节之后作为参考电流的幅值)，电感L为10mH，电阻R为1Ω，T=100μs，开关频率人为fk=1000Hz。这里直流电压侧电压选择为400V。

1-1仿真模型

通过仿真分析得到了SPWM波的控制方法能够很好的实现光伏并网，从仿真图的结果来看，采用基于SPWM的三角波比较电流跟踪控制的并网方法，能够使并网电流较好的跟踪参考电流，基本保持了同幅，同频和同相，从而实现光伏发电并网的目的。

1-2并网A相电流与参考电流A相比

【参考文献】

［１］徐鹏威.三相光伏并网系统控制技术研究.华中科技大学硕士论文，2007.2.

［２］焦在强，许洪华.单级式并网光伏逆变器.可再生能源，2004，(5):34-36.

［３］李安定.太阳能光伏发电系统工程.北京:北京工业出版社，2001:42-48.

［４］宁铎，高继春.发展太阳能光伏发电的意义及前景.西北轻工业学院学报，2002，20(l):82.