光伏发电系统及其控制的研究
【摘要】太阳能是一种可再生资源，有广泛的应用前景。本文对光伏发电系统的控制及发电系统的结构进行了概述，对逆变器的建模进行了探讨，还对光伏井网电流的重复控制技术进行了研究，对光伏发电的前景做出了合理假设。
【关键字】光伏发电、逆变器、井网控制、结构 一、前言
随着经济的不断发展，人们对资源的利用也逐渐增多，因此对可再生资源的开发利用受到了越来越多的人的重视。基于此，笔者对光伏发电系统的控制进行了探究。
二、光伏发电系统的控制及发电系统的结构概述
1.光伏电系统的控制概述
光伏发电系统容量不容易确定，储能环节充放电损耗比较大， 同时调节能力有限，投资成本较高。为了优化电力结构和方便统一调度，并网发电已是大势所趋。为了不影响电网的质量，必须保证使发电系统的输出电压与电网电压在频率、相位和幅值上保持高度一致，而且发电系统和电网间功率能够双向调节。这就牵涉到功率因数较正、大功率变换以及高稳定性系统设计等技术。在这些技术中光伏逆变器的并网控制是关键。而光伏逆变器并网一般采用两种方式：电压源型并网方式与电流源型并网方式。
2.光伏并网发电系统的结构概述
太阳能光伏利用的系统称为光伏发电系统，包括光伏组件和电能变换装置等部件，根据功率等级、安装方式和应用场合等有不同的结构形式。
（1）集中式
集中式光伏发电系统是最早投入实际使用的构成方式，其容量一般在几十到几百千瓦，这种系统的构成是将大量的光伏组件先串联到较高的电压等级，再通过二极管并联到一定的容量后通过集中逆变器并网。集中式系统最主要的优点是采用单级逆变拓扑，效率高，但也存在单个光伏阵列利用率低、系统抗局部阴影能力差和维护困难等问题。一般应用于大容量的地面光伏电站和大型建筑物的光伏屋顶和幕墙，实现建筑物集成光伏系统(BIPV)。
（2）串式和多串式
鉴于集中式结构中多个电池串存在不匹配损耗，串式和多串式系统应运而生，每一串都有的最大功率点跟踪(MPPT)功能，其中常规串式结构系
立，更适合小功率户用光伏屋顶；多串式结构采用两级式结构，前级容易扩展，适合安装在建筑物上几个不同的方位。这种系统在实际应用中仍然存在如下问题：每个电池串的最大功率点跟踪虽然解决了串之间的不匹配损耗，但每个串中的电池模块难以保证运行在最大功率点；并且仍然存在系统维护困难。
（3）模块式
交流模块式系统为每个光伏组件集成了一个具有MPPT功能的并网逆变器，再由大量的交流模块并联构成系统，该构成方式的优点是能保证每个光伏组件工作在各自的最大功率点，抗局部阴影和组件电气参数失配能力强，易于扩展、支持即插即用和热插拔，便于检修和维护，但是单机变换效率较低，构成大功率系统时存在连接线复杂、成本高、损耗大等问题。随着光伏发电系统结构技术的发展，近年来也出现了一些新型的系统结构，如基于旁路直流模块改进的串式系统、基于发电控制电路(Generation Control Circuit, GCC)的改善串式系统、级联直流模块式系统和交流电池元(cell)式系统等。
三、发电系统逆变器和MPPT控制部分的建模
1.光伏发电系统逆变器的结构：根据逆变桥的相数不同，光伏发电系统用逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器：一般使用单相逆变器的多为小型分布式光伏发电系统；而三相逆变器多用于大型光伏发电系统。根据逆变器功率变换的级数又可将其分为单级式和多级式逆变器。单级逆变器只通过一个逆变过程就同时完成逆变、电压变换以及控制功能；多级逆变器通常是由前级DC/DC和后级DC/AC组成的，前级DC／DC可以实现MPPT控制和直流母线稳压功能，后级DC/AC用于实现逆变及其他控制功能。根据逆变器的输入、输出方式又可分为电压源逆变器和电流源逆变器。电压源逆变器直流侧采用电容滤波，交流侧采用缓冲电抗器，电流源逆变器则相反。逆变器建模时如果不考虑损耗，则与逆变器的具体结构无关，只需仿真其控制过程，即仿真逆变器对其输入输出变量的处理过程。逆变器的相数与其控制过程的仿真无关，而其级数和输入输出方式对控制过程会有一定的影响。无论是单级式还是两级式光伏发电系统，其控制对象都是输出的有功和无功功率，有功功率通常采用MPPT控制方式，以保证输出功率最大，而无功功率则需逆变器的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)控制对逆变器输出电压和电流相位进行控制。
2.逆变器的控制建模：逆变器控制环节的模型通常以控制框图形式给出，其输入量为电网侧和阵列侧电量，输出量为PWM 控制环节的调制比和移向角或逆变器的输出电量。由于对逆变器控制环节建模的目的通常是仿真验证各种控制方法，因此现有控制模型的框图各有不同，除采用通常的比例、积分、微分控制方法外，还可采用一些新的控制方法。因此逆变器的模型各有不同，但依其模型控制的目的分恒功率因数控制方式、恒电压控制方式、有功和无功功率解耦控制方式3类。
四、光伏井网电流的重复控制技术研究
重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理。该原理指出：如果要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令信号及抵消外部扰动影响的能力(即稳态误差为零)，并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，那么在反馈控制系统内部必须包含一个描述外部输入信号(即指令信号和扰动信号)的动力学特性的数学模型。这个外部信号的数学模型就是所谓的“内模”。
二十世纪八十年代，日本学者Inoue等人根据上述思想提出了重复控制理论，它是利用内模原理，在稳定的反馈闭环控制系统内设置一个可以产生与参考输入及扰动输入信号同周期的内部模型，从而使系统实现对外部周期性参考信号的渐近跟踪。
并网逆变器的输出电流波形控制实质上是一个伺服系统设计问题，系统需要跟踪的指令信号为基波正弦波，而不是一个恒值调节系统，并且需要抑制的扰动信号除了基波外还含有基波频率整数倍的多重谐波，也不是一个恒值扰动信号。因此，采用积分控制的作用是极其有限的，无论是对指令信号还是扰动信号都不可能做到无静差跟踪。积分控制最多只能在低频段给系统增加一点开环增益，从而在系统的低频输出段上略微 氐一点静差，但是却带来了显著的相位滞后，影响了系统稳定。由内模原理可知，对于给定为正弦指令信号时，可以在控制器中设置一个与指令同频的正弦信号模型：
其中，W为正弦指令信号的角频率。上式中，即为正弦信号的数学模型。这样，当指令信号和扰动信号均以角频率W 作正弦变化时，系统可以实现无静差跟踪。然而，并网逆变器的实际运行情况比这复杂的多，以上所述仅仅是理想情况下的结果。实际上系统的扰动信号频率是多种多样的，如果要求对每一种频率的扰动信号均实现无静差跟踪，那么必须设置很多个内模，这将会使系统的控制复杂化，降低了其工程使用价值。
五、光伏发电的应用前景
太阳能是理想的可持续发展绿色能源， 也是21世纪最重要的能源之一。随着全球范围内一次能源的逐渐枯竭以及经济社会发展对能源的需求，太阳能光伏并网发电商业化已是不可避免。因此太阳能光伏并网发电已是全球新能源领域的研究热点。太阳能发电只有进入电力系统规模应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极作用，因此光伏并网发电的迅猛发展是必然的。全球范围内太阳能光伏电池产能显著增长的同时，太阳能光伏并网发电的发展步伐逐年加快。建筑并网发电和开阔地并网发电总共所占市场份额5．1％ ，还远落后于世界并网发电的发展速度以及市场规模，但是随着中国关于并稠发电的法规相继颁布和落实，中国并网发电的市场前景还是值得乐观的。
六、结束语
光伏发电前景广阔，因此在以后的应用中，应该了解清楚模型特点，合理应
用，选出合理的拓扑结构，通过广发发电系统达到提高经济效益和能源利用率的目的。
参考文献：
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