摘要：随着社会经济和科技的发展，人们对电力的需求也越来越大，新能源发电得到了社会的一致认可。但是由于光伏发电是基于电力电子接口接入微网的，不具备传统旋转发电机的转动惯量，克服负荷波动的能力比较差，微网负载波动会导致系统电压和频率波动问题。为让微网保持正常的运转状态，必然要对光伏发电采取一定的控制策略，使其能够良好地兼容于微网中运行。基于此，文章就光伏发电微网控制策略进行分析。
关键词：光伏发电；微网；控制策略
1.光伏发电系统的结构
为了提高光伏发电的电压和容量，需要将若干光伏电池根据负载需要按照一定的方法串并联连接起来构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装成大功率光伏电池板，工程上使用的电池板是光伏电池使用的最小单元。再将这些光伏电池板根据容量大小的需要，按照一定的方法又可以串并联连接，构成光伏阵列。光伏发电从本质上讲就是将光能直接转化为直流电，然后通过电力电子逆变装置将直流电逆变为可以利用的交流电。光伏发电系统模型主要分为光伏电池和逆变装置两个部分。其逆变装置可以分为单级式逆变和多级式逆变，相比较而言，后者更便于实现最大功率跟踪控制和直流电压的控制，但是由于电力电子器件数目多，结构复杂，增加了电能损耗。目前，常见的光伏发电系统主要由光伏电池组、DC-DC变换器、DC-AC变换器、滤波装置、储能装置以及功率控制器、测量、监控、防护辅助设施组成。目前，比较典型的分布式光伏发电系统结构如图1所示。
其中光伏电池是系统的核心。当它接受太阳光照射时产生光伏效应，将光能转化为能供负载工作，并且将剩余电能送往储能装置储存起来。防反充二极管在工程中又称阻塞二极管，其作用是防止光伏阵列在光照强度极弱的情况下，停止输出功率或出现故障时，储能装置通过光伏阵列反向放电。防反充二极管串联在光伏电池阵列的电路中，利用其单向导电作用，对光伏电池起保护作用。因此，要求它必须能够承受较大的电流，此外，要求它的正向电压降和反向饱和电流要足够小。在工程中选择满足以上性能要求的整流二极管作为防反充二极管。DC/DC变换器的作用是将光伏电池输出的直流电压升高到合适的水平，以便于光伏发电的直流电达到满足用户对电压等级的要求，同时实现光伏电池的最大功率跟踪（Maximumpowerpointtracking，MPPT）控制。
光伏发电系统中另一个比较重要的功率控制器为DC/AC变换器，一般情况下它主要分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，电压源型逆变器与电流源型逆变器相比动态响应更快，受负载的影响更小，系统工作效率更高，即使在空载情况下也能运行，因此，在电力工业中应用更加广泛。DC/AC变换电路则可以将直流电逆变为与电网电压等幅、同频同相的交流电，实现与电网的并联运行。它由逆变桥、控制逻辑电路和滤波电路组成。常见的DC/AC分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，电压源型逆变器与电流源型逆变器相比，受负载影响更小，动态性能更好，更适用于微网控制模式的无缝切换，因此，在实际光伏发电中广泛使用。
2.光伏发电问题
光伏发电系统由于发电原理和能源来源的原因，在运行过程中，会表现出一定的强非线系统的特征，而且发电特点也具有一定的随机性和间歇性。光伏发电技术可以将太阳能转化为电能，光伏电池作为光伏发电的核心元件，就是进行能量转化的器件。光伏电池在工作过程中，很容易受到外界环境因素的影响，尤其是光照强度，光照强度的变化会直接影响光伏电池发电功率的大小，而光照强度通常是与天气有很大关系。如果发电站当地天气为多云，随着天空中云的移动，照到光伏电池上的光照强度也会不断发生变化，这就会让光伏发电的发电功率来回波动，对微网电压和供电频率的影响是非常大的。在光照强度变化非常大的情况下，光伏发电的功率变化有可能会直接造成发电系统整体的不稳定，甚至崩溃，无法正常供电。而且，光伏发电功率在一定程度上会导致逆变器一直处于轻载状态，容易引发保护装置的启动，导致电流谐波含量增多。
3.基于虚拟同步发电机的光伏微网控制策略
本研究中提出了一种基于虚拟同步发电机的光伏微网控制策略，以保证光伏发电微网控制的稳定性，具体如下：
3.1策略来源分析
与大规模电网相比，微网容量较小，其本质区别在于发电装置的不同。大规模电网中多采取同步发电机进行发电，微网则主要应用分布式电源进行发电。由于分布式电源单机容量较小，若电网容量负荷较大，就需要采取多台设备进行协调控制，这会从一定程度上增加操作难度。多数情况下，分布式电源均采用自然能源，其功率输出稳定性取决于自然环境，稳定性不如同步发电机。另外，分布式电源电抗能力较弱，若出现故障，可能会直接造成系统瘫痪。为维持光伏发电微网的稳定性，可借鉴同步发电机的调频调压方法，将同步发电机算法置入逆变控制过程中，从而构建出“虚拟同步发电机”，并采用功频控制器和励磁可控制器进行控制，让分布式光伏发电设备也具有同步发电机的特性，以提升功率输出稳定性与供电质量。
3.2结构框架分析
虚拟同步发电机结构具体如下图1所示：
上述模型主电路为三相逆变电路，其算法模块基于二阶机电暂态模型所构建，可对转子机械特性进行有效模拟。另外，算法模块可同时模拟定子的电气特性。实际工作过程中，电流互感器可对滤波器中的电流进行检测，而电压互感器则可对相应的电压进行检测。所获取的信号将被传输至功频控制器及励磁控制器。通过二者调节作用，可让逆变装置输出趋于平衡，以维持发电系统功率稳定输出，保证系统电压与频率均处于稳定状态。需要注意的是，在上述结构中，滤波器只会对高次谐波分量产生过滤作用，但并不会影响到基波分量。
基于以上结构，使得光伏发电设备可在并网运行模式下以特定指令进行用功功率输出。即便是电网出现故障时，微网也会转变成“孤岛运行模式”，保证电能持续稳定输出。
综上，微网技术与光伏发电技术不断发展的过程中，分布式光伏发电设备的应用空间也将愈来愈大，并且其并网容量也会不断提升。有关技术人员可以应用基于虚拟同步发电机的控制策略，设计能够自主调控输出参数的光伏发电设备，推广光伏发电技术的应用。
参考文献：
[1]王中秋，李钢.微网中光伏发电系统的储能控制研究[J].电网与清洁能源，2013，10：91-96+104.
[2]宋伟.分布式光伏发电微网控制策略探究[J].农村经济与科技，2016，03：164-165.
[3]尚仪.光伏发电最大功率跟踪及微网运行控制策略研究[D].中国矿业大学，2014.
论文作者:田龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/6
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