光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略

光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略

金小春1,潘雷2

内蒙古华电新能源分公司 内蒙古自治区呼和浩特市 010010

摘要：随着现代经济的快速发展和社会的进步，能源需求量日益增加，但传统化石能源的储量却在逐渐枯竭，因此分布式能源的研究与应用具有广阔的前景。光伏发电作为最典型的分布式能源，得到了广泛关注，近年来发展迅速。随着人们对供电可靠性、灵活性、能源利用率等要求的不断提高，微网等新型供电方案希望光伏发电系统不再是在电网发生故障时退出运行，而是同时具有独立发电模式和并网发电模式的能力。如何保证逆变器孤岛运行模式与并网运行模式的无缝切换是提高负载供电可靠性、充分利用可再生能源的关键技术。

关键词：光伏发电；系统；运行模式；无缝切换

现代社会经济高速发展，在新能源的发展建设过程中，光伏发展是非常重要的成果，因此受到社会大众的广泛关注，近年来更是得到广泛的普及应用。但随着社会经济水平的提高，人们对电力能源的安全性、灵活性、能源利用率等方面都提出了更高的要求，这对光伏发电系统提出了严峻的挑战。在新经济形势下，传统单一的光伏发电系统已无法满足社会经济以及人们日常生活对供电服务提出的新要求，因此要求独立发电模式和并网发电模式能够进行无缝切换，当并网光伏发电系统出现故障时，独立光伏发电系统仍能够正常运行，从而保证电网系统正常供电，不会对社会经济发展建设以及人们的日常生活造成影响，有效保证电网系统供电服务的安全、稳定、灵活运行，提利能源利用率，达到节能减排，实现社会经济的可持续发展。

一、光伏发电系统无缝切换慨述

1、逆变器控制策略。目前的逆变器大多为单功能逆变器，只能在孤岛模式和并网模式两种模式之一运行，为了顺利并网及对重要负载的不间断供电，双模式间的无缝切换就显得尤为重要。逆变器作为分布式电源和电网的接口，其性能直接影响着并网系统的特性。目前,并网逆变器主要有两种：并网电流控制型逆变器和并网电压控制型逆变器。其中,并网电流控制型以逆变器输出电流作为控制对象，通过控制入网电流与电网电压同相来实现并网，对系统电能质量影响较小。但这种控制方式无法在孤岛运行时提供电压和频率的支撑，在并网/孤岛运行双模式无缝切换中存在困难。并网电压控制型则是通过控制并网电压的幅值、频率和相角来实现与电网的同步与并网运行，既可以实现并网输电，又可以孤岛运行。

2、孤岛检测。保障负载不间断供电的另一个重要前提是有效的孤岛检测。现在的孤岛检测方法主要分为两类，电网端检测法和逆变器端检测法。电网端检测法一般需要额外安装设备，成本较高。逆变器端的检测方法又主要分为两类，被动式孤岛检测法和主动式孤岛检测法。被动式孤岛检测法主要有：电压/频率检测法、电压谐波检测法、电压相位突变检测法、关键电量变化率检测法。优点为实现简单，缺点是不可检测区（NDZ）较大。主动式孤岛检测法主要有：频移法、基于功率扰动的反孤岛策略、阻抗测量方案。优点为 NDZ 小，准确可靠。缺点为引入了谐波干扰。

3、无缝切换、双模式间的无缝切换是保证重要负载不间断供电的重要前提。目前，无缝切换的控制方法有很多，主要可以归纳为正常工作时，逆变器采用电流型控制方法将电能输入电网，当孤岛模式发生时，逆变器需要改变为电压型控制模式来给重要负载供电，在模式转变过程中，会有较长的暂态过程，输出电压会变得不稳定，由于孤岛检测的延迟，电压会出现冲击。并网和孤岛模式均采用电压型控制方式，并通过下垂控制来实现功率平衡。因为控制方式不变，暂态过程非常短暂，但由于采用了下垂控制，动态性能比较差。采用间接电流控制，在并网模式为电流型控制，在孤岛模式为电压型控制，事实上，在两种模式下均通过控制电容两侧电压来实现，并网到孤岛模式转换中是通过切除外侧电流环。

二、光伏发电系统运行模式无缝切换控制

1、光伏发电系统的并网结构。光伏发电系统主要由光伏阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、LCL 滤波器以及电网等构成。光伏阵列输出的电能为直流电，直流电进入 DC/DC 变换器后再进入 DC/AC逆变器中，逆变为工频三相交流电。三相交流电进入 LCL滤波器后变为交流电，其波形与正弦波接近，从而最终进入大电网，与电网进行有效连接。

2、光伏发电原理。在光伏发电系统中，太阳能光伏电池是光伏发电系统正常运行的重要组成部分，它利用光生伏特效应原理，通过储能、斩波、逆变、滤波以及传输等环节，最终使电流和电压保持稳定，形成稳定、可靠、安全的电力能源，被用户直接使用，也可并入当地电网系统中输送给用户。

3、通过下垂控制逆变器无线并联。下垂控制是一种对等控制方法，能够对逆变器无线并联进行有效控制。其主要原理是对电力系统中的同步发电机的调频和调压功能进行模拟，从而实现解耦控制逆变器的有功和无功功率。这种控制方法的优点是促使并联的各个逆变器对负载功率进行快速合理的分配，只需要检测自身信息即可，不需要进行通信，有效提高了负载功能分配的效率及合理性。

4、光伏逆变器并网控制。光伏并网发电主要是利用太阳能实现，通过一系列的转化，将太阳能转化为电能。在光伏并网发电系统中，为了对太阳能进行充分利用，提高太阳能利用率，需要对前级Boost采取最大功率点跟踪控制，从而使光伏并网发电系统实现最大功率。在光伏并网发电系统中，其后级逆变器的控制形式主要为电流型，利用锁相环对电网电压进行跟踪，从而实现逆变器输出的电流和电网电压实现同频同步相。在此基础上有效控制电流大小，以此调节逆变器的最大功率，使其实现并网功能。在逆变器进行孤岛运行时，为了保证负载供电电压以及频率的稳定性，必须使用电压型控制方法并网，以有效避免在并网及孤岛运行模式之间频繁切换。在孤岛运行模式下，通常会应用下垂控制法。这种控制方法本质上也是电压型控制的一种形式，因此无法通过电流反馈对并网电流进行直接控制，而是采用间接控制方法。这种间接控制需要对逆变器输出的电压进行微调，其并网控制的过程比直接控制方式的控制过程更加复杂。在实际应用过程中，还需要进一步改进，因为前级 Boost 变换器应用的是 MPPT 控制方式，通过改进措施从而能够有效保证二者的合理配合，保证直流母线电容电压以及逆变器功率的稳定性。电网系统本身就可以看作是一个巨大的电源，在理想情况下，并网逆变器与电网系统在频率、电压等方面应保持一致，只有这样才能够保证并网逆变器稳定、安全、可靠地接入电网系统。

5、实现光伏发电运行模式无缝切换的策略。太阳能光伏发电系统并入电网系统必须经过逆变器，这是因为太阳能光伏发电系统产生的是直流电，而电网系统的电流是交流电，因此要实现二者的并网，就必须要由逆变器对太阳能光伏发电系统的直流电进行处理，使其转变为交流电，才能够进行并网，以保证光伏发电运行模式能够真正实现无缝切换。

在当今社会，电力能源被广泛应用于各个领域，已是现代社会经济发展建设和人们日常生活正常运行的重要保障。在传统能源大量消耗的情况下，采用太阳能光伏发电系统不仅能有效开发太阳能，推动新能源产业发展建设，保证能源安全，同时对我国电力行业的发展也具有积极的促进作用。因此，实现光伏发电系统运行模式的无缝切换，对我国经济可持续发展具有非常重要的现实意义。

参考文献：

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