光伏发电系统运行控制及其与储能系统的配合协调 陈阁兴 指导老师：王西田 (上海交通大学电气工程系，上海市200240) 摘要：为提高光伏并网发电系统的效率和运行稳定性，从光伏阵列最大功率跟踪、逆变器 控制以及光伏-储能联合发电系统三个方面提出了对光伏发电系统的控制策略，用导纳增量 法实现最大功率跟踪，针对不同滤波器的逆变器提出不同控制方案，通过光储联合系统协调 控制以解决光伏发电系统电压越限和低电压穿越的问题。 关键词：光伏发电系统：光储联合系统：最大功率跟踪：协调控制：电压越限；低电压穿越 1.引言 的增加，能源的需求越来越大，传统的化石 能源的储量逐渐枯竭，从而带来了能源短缺 近年来，为促进低碳经济的发展，以光 问题。此外，大量使用化石燃料已经对人类 伏发电为主的太阳能产业快速兴起。光伏发 生存环境造成的危害突出，并导致生态恶化， 电机组是一种特殊的发电设备，从环境保护 这些问题己成为一个全世界面临的重大问 和可再生能源利用的角度考虑，扩大光伏发 题。这个时候，世界把目光投向了可再生能 电的规模十分必要。同时，在用电侧就近利 源，希望可再生能源能够改变目前的能源结 用分布式光伏电源，是大电网远距离传输电 构，实现人类社会的可持续发展。从能源供 能的有效补充。 应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持 光伏发电系统运用电力电子技术，将直 续发展的理想的绿色能源。 流逆变为交流后并入电网，其运行状态会直 太阳能光伏发电技术作为利用太阳能 接影响电网的稳定性，因此有必要对光伏发 的一种方式，具有明显的优点：结构简单， 电系统运行控制加以研究。 体积小且轻：容易安装运输，建设周期短， 文献[5]介绍了光伏发电系统并网所面 宜于制成小功率移动电源：维护简单，使用 临的问题，提出了其所需要的运行控制首端。 方便：清洁、安全、无噪声：可靠性高，寿 文献[1]介绍了光伏发电系统以及几个关键 命长，并且应用范围广。 的控制问题，包括逆变器、光伏储能协调等 我国太阳能资源丰富，有着较大的开发 多个方面。文献[2][3]针对几种光伏逆变器 潜力，很多地区土地资源广阔，蕴含着丰富 提出了不同光伏逆变器下的控制策略。文献 的太阳能资源，比如西藏等地区，日辐射量 [2][6]对光伏阵列的最大功率跟踪方法进 达到了每平方米几千瓦时以上。充分利用这 行了研究并提出了改进的方案。文献[4]从 些能源，将大大缓解我国所面临的能源需求 光伏并网发电系统的直接控制，而文献 紧张的局面。因此，光伏发电在我国有着广 [9][10][11]从光伏-储能联合发电系统的 泛的应用前景。 角度提出了协调控制策略，解决低电压穿越、 2.2光伏并网发电系统 电压越限的问题。 本地交渣负载 最后本文综合了光伏并网发电系统的 涉及的几种控制问题，提出新的观点和认识。 直流变换器 主配电开关 充放电控制 DC-AC 2.问题的提出 光伏降列 并网逆变器 2.1光伏发电背景 交流电网 蓄电池组 能源是发展国民经济，提高人民生活水 平的重要物质基础。随着经济的发展，人口 图1光伏并网发电系统示意图
光伏发电系统运行控制及其与储能系统的配合协调 陈阁兴 指导老师：王西田 （上海交通大学 电气工程系，上海市 200240） 摘 要：为提高光伏并网发电系统的效率和运行稳定性，从光伏阵列最大功率跟踪、逆变器 控制以及光伏-储能联合发电系统三个方面提出了对光伏发电系统的控制策略，用导纳增量 法实现最大功率跟踪，针对不同滤波器的逆变器提出不同控制方案，通过光储联合系统协调 控制以解决光伏发电系统电压越限和低电压穿越的问题。 关键词：光伏发电系统；光储联合系统；最大功率跟踪；协调控制；电压越限；低电压穿越 1．引言 近年来，为促进低碳经济的发展，以光 伏发电为主的太阳能产业快速兴起。光伏发 电机组是一种特殊的发电设备，从环境保护 和可再生能源利用的角度考虑，扩大光伏发 电的规模十分必要。同时，在用电侧就近利 用分布式光伏电源，是大电网远距离传输电 能的有效补充。 光伏发电系统运用电力电子技术，将直 流逆变为交流后并入电网，其运行状态会直 接影响电网的稳定性，因此有必要对光伏发 电系统运行控制加以研究。 文献[5]介绍了光伏发电系统并网所面 临的问题，提出了其所需要的运行控制首端。 文献[1]介绍了光伏发电系统以及几个关键 的控制问题，包括逆变器、光伏储能协调等 多个方面。文献[2][3]针对几种光伏逆变器 提出了不同光伏逆变器下的控制策略。文献 [2][6]对光伏阵列的最大功率跟踪方法进 行了研究并提出了改进的方案。文献[4]从 光伏并网发电系统的直接控制，而文献 [9][10][11]从光伏-储能联合发电系统的 角度提出了协调控制策略，解决低电压穿越、 电压越限的问题。 最后本文综合了光伏并网发电系统的 涉及的几种控制问题，提出新的观点和认识。 2．问题的提出 2.1 光伏发电背景 能源是发展国民经济，提高人民生活水 平的重要物质基础。随着经济的发展，人口 的增加，能源的需求越来越大，传统的化石 能源的储量逐渐枯竭，从而带来了能源短缺 问题。此外，大量使用化石燃料已经对人类 生存环境造成的危害突出，并导致生态恶化， 这些问题已成为一个全世界面临的重大问 题。这个时候，世界把目光投向了可再生能 源，希望可再生能源能够改变目前的能源结 构，实现人类社会的可持续发展。从能源供 应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持 续发展的理想的绿色能源。 太阳能光伏发电技术作为利用太阳能 的一种方式，具有明显的优点：结构简单， 体积小且轻；容易安装运输，建设周期短， 宜于制成小功率移动电源；维护简单，使用 方便；清洁、安全、无噪声；可靠性高，寿 命长，并且应用范围广。 我国太阳能资源丰富,有着较大的开发 潜力,很多地区土地资源广阔,蕴含着丰富 的太阳能资源,比如西藏等地区,日辐射量 达到了每平方米几千瓦时以上。充分利用这 些能源，将大大缓解我国所面临的能源需求 紧张的局面。因此,光伏发电在我国有着广 泛的应用前景。 2.2 光伏并网发电系统 图 1 光伏并网发电系统示意图
光伏并网发电系统图1所示，其工作原 储能技术目前在电力系统中的主要应 理是光伏电池阵列所产生的直流电通过 用领域在电力调峰、提高电力系统稳定性和 DCDC变换器后变换成另外一个电压等级 改善供电质量等方面。由于光伏发电具有随 的直流电（一般情况下升压变换），然后再通 机性和波动性的特点，导致了光伏发电系统 过DC/AC光伏并网逆变器变换为交流电输 的不可控，这成为影响光伏发电渗透率提高 入电网。第一级变换将光伏电池阵列所产生 的重要因素。引入储能技术能较好地改善光 的直流电通过DCDC变换后，将其变换成 伏发电系统特性。通过光伏-储能联合系统 受控的直流电存储到储能单元中或者提供 的协调控制可以解决光伏发电系统中遇到 给后级的光伏并网逆变器，第一级变换同时 的电压越限和低电压穿越问题。 要实现对光伏电池阵列的最大功率跟踪功 2.4.1电压越限 能。第二级的光伏并网逆变器将直流母线上 分布式光伏发电系统通常连接于配电 的直流电逆变为交流电，提供给本地负载并 网中。配电网中线路电阻不可忽略，由式(2-1) 将多余的能量馈送到电网，同时要实现中间 可知，配电网中沿线电压的分布与线路传输 直流母线电压的稳压功能。由于系统具备储 的有功功率密切相关。 能环节，兼有不间断电源和有源滤波器的功 AU=PR+QX (2-1) 能，利于电网调峰。 U2 2.3光伏阵列最大功率跟踪方法 在不包含光伏发电系统的配电网络中， 光伏阵列输出特性具有非线性特征，并 有功功率流动方向是由线路首端流向末端， 且其输出电压、电流受太阳光照强度、环境 电压幅值沿线路逐渐降低：当配电网中接入 温度和负载情况影响。在一定的太阳光照强 光伏发电系统后，当光伏系统的输出功率大 度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同 于用户负荷功率时，超出部分的功率将送入 的输出电压，但是只有在某一输出电压值时， 电网，从而形成由线路末端流向线路首端的 光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时 反向功率流，反向功率流的产生导致配电网 光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压 末端电压不降反升，当反向功率流达到一定 曲线的最高点，称之为最大功率点 水平时就会造成电压越限。 Maximum Power Point.MPP)。因此，在光 若光伏发电系统接入点的电压己经越 伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一 限，光伏系统将无法向电网输出电能。输出 个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工 功率限制将造成光伏系统所生产电能的损 作点，使之始终工作在最大功率点附近，这 失，从而降低光伏系统的利用率。 一过程就称之为最大功率点跟踪(Maximum 2.4.2低电压穿越 Power Point Tracking,MPPT) 低电压穿越(LVRT),指在光伏并网 2.4光伏逆变器控制策略 点电压跌落的时候，光伏设备能够保持并网。 三相电压型PWM光伏并网逆变器能够 甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网 实现并网电流正弦化，功率因数可调和能量 恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这 的双向流动，并且保证直流电压在光伏发电 个低电压时间（区域）。 系统进行最大功率跟踪时在安全幅值范围 当电网故障或扰动引起并网点电压跌 内可靠的变化，因此PWM并网逆变器在光 落时，光伏电站的突然脱网容易导致相邻的 伏并网发电系统中应用越来越广泛。当三相 光伏电站连锁跳闸，引起大面积停电，造成 光伏逆变器控制为电流源并网时，并网滤波 严重的后果，因此要求光伏并网发电系统具 器一般有三种电路拓扑结构即L型、LC型、 备低电压输送功率的能力，也即低电压穿越 LCL型，而针对采用这三种并网滤波器的三 能力。 相光伏逆变器选择控制策略的侧重点也有 3.解决问题的方法 所不同。 2.4光伏-储能联合系统协调控制 3.1最大功率跟踪
光伏并网发电系统图 1 所示，其工作原 理是光伏电池阵列所产生的直流电通过 DC/DC 变换器后变换成另外一个电压等级 的直流电(一般情况下升压变换)，然后再通 过 DC/AC 光伏并网逆变器变换为交流电输 入电网。第一级变换将光伏电池阵列所产生 的直流电通过 DC/DC 变换后，将其变换成 受控的直流电存储到储能单元中或者提供 给后级的光伏并网逆变器，第一级变换同时 要实现对光伏电池阵列的最大功率跟踪功 能。第二级的光伏并网逆变器将直流母线上 的直流电逆变为交流电，提供给本地负载并 将多余的能量馈送到电网，同时要实现中间 直流母线电压的稳压功能。由于系统具备储 能环节，兼有不间断电源和有源滤波器的功 能，利于电网调峰。 2.3 光伏阵列最大功率跟踪方法 光伏阵列输出特性具有非线性特征，并 且其输出电压、电流受太阳光照强度、环境 温度和负载情况影响。在一定的太阳光照强 度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同 的输出电压，但是只有在某一输出电压值时， 光伏阵列的输出功率才能达到最大值，这时 光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压 曲 线 的 最 高 点 ， 称 之 为 最 大 功 率 点 (Maximum Power Point, MPP）。因此，在光 伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一 个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工 作点，使之始终工作在最大功率点附近，这 一过程就称之为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）。 2.4 光伏逆变器控制策略 三相电压型 PWM 光伏并网逆变器能够 实现并网电流正弦化，功率因数可调和能量 的双向流动，并且保证直流电压在光伏发电 系统进行最大功率跟踪时在安全幅值范围 内可靠的变化，因此 PWM 并网逆变器在光 伏并网发电系统中应用越来越广泛。当三相 光伏逆变器控制为电流源并网时，并网滤波 器一般有三种电路拓扑结构即 L 型、LC 型、 LCL 型，而针对采用这三种并网滤波器的三 相光伏逆变器选择控制策略的侧重点也有 所不同。 2.4 光伏-储能联合系统协调控制 储能技术目前在电力系统中的主要应 用领域在电力调峰、提高电力系统稳定性和 改善供电质量等方面。由于光伏发电具有随 机性和波动性的特点，导致了光伏发电系统 的不可控，这成为影响光伏发电渗透率提高 的重要因素。引入储能技术能较好地改善光 伏发电系统特性。通过光伏-储能联合系统 的协调控制可以解决光伏发电系统中遇到 的电压越限和低电压穿越问题。 2.4.1 电压越限 分布式光伏发电系统通常连接于配电 网中。配电网中线路电阻不可忽略，由式(2-1) 可知，配电网中沿线电压的分布与线路传输 的有功功率密切相关。 ∆U = 픐㵈ˀ (2-1) 在不包含光伏发电系统的配电网络中， 有功功率流动方向是由线路首端流向末端， 电压幅值沿线路逐渐降低；当配电网中接入 光伏发电系统后，当光伏系统的输出功率大 于用户负荷功率时，超出部分的功率将送入 电网，从而形成由线路末端流向线路首端的 反向功率流，反向功率流的产生导致配电网 末端电压不降反升，当反向功率流达到一定 水平时就会造成电压越限。 若光伏发电系统接入点的电压己经越 限，光伏系统将无法向电网输出电能。输出 功率限制将造成光伏系统所生产电能的损 失，从而降低光伏系统的利用率。 2.4.2 低电压穿越 低电压穿越（LVRT），指在光伏并网 点电压跌落的时候，光伏设备能够保持并网。 甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网 恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这 个低电压时间（区域）。 当电网故障或扰动引起并网点电压跌 落时，光伏电站的突然脱网容易导致相邻的 光伏电站连锁跳闸，引起大面积停电，造成 严重的后果，因此要求光伏并网发电系统具 备低电压输送功率的能力，也即低电压穿越 能力。 3．解决问题的方法 3.1 最大功率跟踪
目前常用的四种MPPT方法为： (1)恒定电压控制法： (2)扫描法： (3)扰动观测法： (4)导纳增量法： 由于导纳增量法具有控制效果好、控制 稳定度高、无原理性误差等优点。以下选择 导纳增量法进行最大功率跟踪。 由太阳能电池的PU特性曲线可以看 输出电压不变 出，在最大功率点处有dPdU=O,即 大输电开 d(UI)/dU=O。通过简单的数学推导可以得出 在最大功率点处有以下等式成立： 更新k1)的值 Ek-1)-t(k Ik-1).Id 品=- (3-1) 站束返国 将此式作为判定太阳能电池是否工作 在最大功率点的依据，画出在-U特性曲线 图3纳增量法控制流程图 上最大功率点对应的两侧品与-的关系图 3.2逆变器控制 当三相光伏逆变器控制为电流源并网 为： 时，并网滤波器一般有三种电路拓扑结构即 L型、LC型、LCL型，其拓扑结构如图4 du>-U d=-0 所示： d<-i U U2 图2品与-关系图 L型花波器 LC型湾波器 LCL型沈液器 由图2可以看出，当太阳能电池的工作 图4三种波器光伏逆变器拓扑结构图 点不在d/dU=/U直线上时，可以通过判 基于L型滤波器的三相光伏逆变器的 断d/dU与-I/U大小关系来确定太阳能电 常用的控制策略如图5所示，采用并网电流 池的输出端口电压是处在[0，U]区间还是 单闭环控制，其控制器可以采用经典的控制 [U,U2]区间，进而可以通过调节开关管的 方法例如：PI控制、滞环控制、重复控制、 占空比来使得太阳能电池的输出端口电压 无差拍控制。该控制策略的优点是控制简单， 往最大功率点电压U点处调节，使得调节后 控制器的选择比较灵活，且控制器设计比较 的太阳能电池能工作在最大功率点。控制流 容易、并网控制也容易实现：结合图5虚线 程图如图3所示。 框里面的电网电压前馈补偿可以消除电网 电压扰动对并网电流的不利影响。其缺点是 由于单电感滤波的滤波性能有限，如果做到 很好的谐波抑制效果，比较依赖控制器的性 能
目前常用的四种 MPPT 方法为： (1)恒定电压控制法； (2)扫描法； (3)扰动观测法； (4)导纳增量法； 由于导纳增量法具有控制效果好、控制 稳定度高、无原理性误差等优点。以下选择 导纳增量法进行最大功率跟踪。 由太阳能电池的 P-U 特性曲线可以看 出 ， 在 最 大 功 率 点 处 有 dP/dU=0 ， 即 d(UI)/dU=0。通过简单的数学推导可以得出 在最大功率点处有以下等式成立: dI dU =− I U (3-1) 将此式作为判定太阳能电池是否工作 在最大功率点的依据，画出在 I-U 特性曲线 上最大功率点对应的两侧 dI dU与− I U的关系图 为： 图 2 펀 t与 − 펀t关系图 由图 2 可以看出，当太阳能电池的工作 点不在 dI/dU=-I/U 直线上时，可以通过判 断 dI/dU 与-I/U 大小关系来确定太阳能电 池的输出端口电压是处在[0，Ul]区间还是 [Ul，U2]区间，进而可以通过调节开关管的 占空比来使得太阳能电池的输出端口电压 往最大功率点电压 U1点处调节，使得调节后 的太阳能电池能工作在最大功率点。控制流 程图如图 3 所示。 图 3 纳增量法控制流程图 3.2 逆变器控制 当三相光伏逆变器控制为电流源并网 时，并网滤波器一般有三种电路拓扑结构即 L 型、LC 型、LCL 型，其拓扑结构如图 4 所示： 图 4 三种滤波器光伏逆变器拓扑结构图 基于 L 型滤波器的三相光伏逆变器的 常用的控制策略如图 5 所示,采用并网电流 单闭环控制,其控制器可以采用经典的控制 方法例如:PI 控制、滞环控制、重复控制、 无差拍控制。该控制策略的优点是控制简单, 控制器的选择比较灵活,且控制器设计比较 容易、并网控制也容易实现；结合图 5 虚线 框里面的电网电压前馈补偿可以消除电网 电压扰动对并网电流的不利影响。其缺点是 由于单电感滤波的滤波性能有限，如果做到 很好的谐波抑制效果，比较依赖控制器的性 能
当蓄电池的荷电状态Ssoc2时， 燃料电池启动，否则将处于备用状态。 光储联合并网发电系统协调控制模型 建立在光伏系统以其最大功率点运行，实现 图5L型滤波器控制框图 太阳能资源最大利用基础上，其整体协调控 LC型滤波器的三相光伏逆变器的工作 制结构如图8所示。 状态一般考虑独立、并网双模运行。因此外 环并网电流控制器一般与独立电压源工作 模式下的电压外环控制器共用一个控制器 以及控制参数，所以外环控制器需要同时满 足电流调节和电压调节的性能要求。内环控 制变量一般采用滤波电感电流，其经典控制 策略如图6所示，其优点是可以实现独立与 并网两种工作模式运行，实现光伏发电功能 多样化，缺点是由于工作模式有切换过程， 图8光储联合系统整体协调控制结构示意图 系统设计相对比较复杂，同时在设计并网模 光储联合并网发电系统由光伏发电系 式下控制器时需要考虑抑制滤波电容电流 统、储能系统和静止同步补偿器 的影响。 (STATCOM)系统组成。光伏系统中：Pv 为光伏发电系统有功输出：Qpvn与Qpv-out 并网电流 给出炒由或 分别为光伏发电系统吸收和发出的的无功 电流控制海 功率。储能系统中：Pt为系统有功不平衡 量：Ps-n与Pes-out分别为储能系统吸收和发 出的有功功率；Pbattery-in与Pbattery-out分别为蓄 图6LC型滤波器控制框图 电池组吸收和发出的有功功率：PrCm与 图7是LCL型滤波器基于电感电流的控 Prc-out分别为燃料电池吸收和发出的有功功 制框图，其思路是通过控制电感电流i,间接 率；Qs-n与QES-out分别为储能系统吸收和 控制并网电流i2,其优点在于被控对象由原 发出的无功功率：2与n1分别为Ssoc的上限 来的三阶LCL滤波器变为一阶的单L滤波器， 和下限值。STATCOM系统中：QSTATCOM-in 这样控制器只需采用电流单闭环控制就能 与QSTATCOM-out分别为STATCOM吸收和发 保证系统的稳定性，因此控制器设计比较简 出的无功功率：U与Ur分别为联合系统出 单，其中引入电网电压前馈是克服电网扰动 口母线运行电压和额定电压：Pload与Qoad 对并网电流控制的影响。但是由于是并网电 分别为联合发电系统负荷的有功和无功需 流间接控制，所有并网电流12不仅取决于电 求：Pc为联合发电系统的内部用电负荷。 感电流1的调控，还依赖于电路参数。 3.3.1有功功率协调控制 光伏系统为主要能量输出单元，光伏系 统由一定数量的光伏阵列及并网逆变器组 41 串并联组成。光伏系统出力与电网功率需求 之间的关系表达为 图7LCL型滤波器控制框图 Pnet =PPV-Pload -Psc (3-2) 3.3光储联合发电系统协调控制 由于P占整体发电比例较小，本文将 光伏系统在前文己经做了详细的介绍， 其忽略。 此处不再赘述。储能系统由蓄电池系统和燃 光储联合发电系统运行过程中，光伏系 料电池系统组成，其中蓄电池组是储能系统 统出力大于负荷需求(P>0)时，其剩余出力 的主要能量单元。燃料电池作为后备电源， 由储能系统吸收。因此，功率平衡方程式可
图 5 L 型滤波器控制框图 LC 型滤波器的三相光伏逆变器的工作 状态一般考虑独立、并网双模运行。因此外 环并网电流控制器一般与独立电压源工作 模式下的电压外环控制器共用一个控制器 以及控制参数，所以外环控制器需要同时满 足电流调节和电压调节的性能要求。内环控 制变量一般采用滤波电感电流，其经典控制 策略如图 6 所示，其优点是可以实现独立与 并网两种工作模式运行，实现光伏发电功能 多样化，缺点是由于工作模式有切换过程， 系统设计相对比较复杂，同时在设计并网模 式下控制器时需要考虑抑制滤波电容电流 的影响。 图 6 LC 型滤波器控制框图 图 7 是 LCL 型滤波器基于电感电流的控 制框图，其思路是通过控制电感电流 i1间接 控制并网电流 i2，其优点在于被控对象由原 来的三阶 LCL 滤波器变为一阶的单 L 滤波器， 这样控制器只需采用电流单闭环控制就能 保证系统的稳定性，因此控制器设计比较简 单，其中引入电网电压前馈是克服电网扰动 对并网电流控制的影响。但是由于是并网电 流间接控制，所有并网电流 i2不仅取决于电 感电流 i1的调控，还依赖于电路参数。 图 7 LCL 型滤波器控制框图 3.3 光储联合发电系统协调控制 光伏系统在前文已经做了详细的介绍， 此处不再赘述。储能系统由蓄电池系统和燃 料电池系统组成，其中蓄电池组是储能系统 的主要能量单元。燃料电池作为后备电源， 当蓄电池的荷电状态 SSOCη2时， 燃料电池启动，否则将处于备用状态。 光储联合并网发电系统协调控制模型 建立在光伏系统以其最大功率点运行，实现 太阳能资源最大利用基础上，其整体协调控 制结构如图 8 所示。 图 8 光储联合系统整体协调控制结构示意图 光储联合并网发电系统由光伏发电系 统 、 储 能 系 统 和 静 止 同 步 补 偿 器 （STATCOM）系统组成。光伏系统中：PPV 为光伏发电系统有功输出；QPV-in 与 QPV-out 分别为光伏发电系统吸收和发出的的无功 功率。储能系统中：Pnet 为系统有功不平衡 量；PES-in 与 PES-out分别为储能系统吸收和发 出的有功功率；Pbattery-in 与 Pbattery-out分别为蓄 电池组吸收和发出的有功功率；PFC-in 与 PFC-out 分别为燃料电池吸收和发出的有功功 率；QES-in 与 QES-out 分别为储能系统吸收和 发出的无功功率；η2与η1分别为 SSOC的上限 和下限值。STATCOM 系统中：QSTATCOM-in 与 QSTATCOM-out 分别为 STATCOM 吸收和发 出的无功功率；U 与 Uref分别为联合系统出 口母线运行电压和额定电压；Pload 与 Qload 分别为联合发电系统负荷的有功和无功需 求；Psc 为联合发电系统的内部用电负荷。 3.3.1 有功功率协调控制 光伏系统为主要能量输出单元，光伏系 统由一定数量的光伏阵列及并网逆变器组 串并联组成。光伏系统出力与电网功率需求 之间的关系表达为 Pnet = PPV − Pload − Psc (3-2) 由于 Psc占整体发电比例较小，本文将 其忽略。 光储联合发电系统运行过程中，光伏系 统出力大于负荷需求(Pnet>0)时，其剩余出力 由储能系统吸收。因此，功率平衡方程式可
表达为 QpV-out =QLoad+Qgs-in+QSTATCOMES-in PPV Pload PES-in,Pnet >0 (3-3) U>Uref (3-9) 当Ssoc2)时，启动燃料电池系统， 随着经济不断发展，太阳能作为一种可 以满足电网有功负荷的需求。因此功率平衡 再生能源将得到大力发展，光伏发电技术也 方程式由式(3-3)转化为 将成为重点研究方向。本文总结了光伏发电 PPv PES-out Pload,Pnet Uref (3-6) 重点也有所不同。 光伏发电系统cos0滞后运行，光伏系 (3)由于光伏发电系统功率受外界环 统发出无功功率，并未满足电网对无功需求 境影响，运行时可能会出现电压越限问题， 时，光储联合发电系统的出口电压依然低于 同时为了提高光伏发电系统稳定性，必须要 正常水平，启动储能系统和STATCOM系 求其具有一定的低电压穿越能力。通过光伏 统进行无功补偿，此时可以实现低电压穿越。 一储能联合发电系统，可以有效解决这一问 其无功平衡方程为 题。 QLoad =QPV-out +QEs-out +QSTATCOMES-out 4.2写作体会 UUref (3-8) 作为本科生，我们平时很少有机会接触 当光伏系统发出的无功功率超过电网 专业的学术文献。而这次小论文则给我提供 负荷需求时，光储联合发电系统的出口电压 了一个很好的契机，促使我了解了如何在平 上升，启动储能系统和STATCOM进行电 台上查找相关文献。通过本次论文的写作， 压抑制，避免产生电压越限。此时无功功率 我对论文的格式要求、内容要求以及排版有 平衡方程为 了初步的认识。我还认识到，写一篇论文
表达为 PPV = Pload PES−in Pnet e (3-3) 当 SSOCη2)时，启动燃料电池系统， 以满足电网有功负荷的需求。因此功率平衡 方程式由式(3-3)转化为 PPV PES−out = Pload Pnet e (3-4) 3.3.2 无功功率协调控制 考虑到逆变器性能的限制，光伏发电系 统运行范围为 cosφ超前 0.85 到滞后 0.85。 当 cosφ超前运行时，光伏发电系统吸收无功 功率，加之系统无功需求导致光储联合发电 系统的出口电压下降，启动储能系统和 STATCOM 进行电压补偿，其无功平衡方程 为 㵈PV−in 㵈th = 㵈ES−out 㵈STATCOMES−out U th (3-5) 当储能系统无功过补时，由 STATCOM 吸收剩无功，无功平衡方程由式(3-5)转化为 㵈ES−out = 㵈PV−in 㵈th 㵈STATCOMES−in U th (3-6) 光伏发电系统 cosφ 滞后运行，光伏系 统发出无功功率，并未满足电网对无功需求 时，光储联合发电系统的出口电压依然低于 正常水平，启动储能系统和 STATCOM 系 统进行无功补偿，此时可以实现低电压穿越。 其无功平衡方程为 㵈th = 㵈PV−out 㵈ES−out 㵈STATCOMES−out U th (3-7) 储能系统过补时，STATCOM 转为吸收 功率状态，无功平衡方程式由式(3-7)转化为 㵈th 㵈STATCOMES−in = 㵈PV−out 㵈ES−out U th (3-8) 当光伏系统发出的无功功率超过电网 负荷需求时，光储联合发电系统的出口电压 上升，启动储能系统和 STATCOM 进行电 压抑制，避免产生电压越限。此时无功功率 平衡方程为 㵈PV−out = 㵈th 㵈ES−in 㵈STATCOMES−in U th (3-9) 故障情况下，储能系统与 STATCOM 系 统应及时启动，对光储联合发电系统的出口 电压快速补偿，保证联合发电系统不脱网运 行，使其实现 LVRT。 4．总结与体会 4.1 总结 随着经济不断发展，太阳能作为一种可 再生能源将得到大力发展，光伏发电技术也 将成为重点研究方向。本文总结了光伏发电 的一些特点，提出了光伏并网发电系统运行 时所需要的控制方法，以及其和储能系统相 配合时的协调策略。 （1）光伏发电系统为了达到最高效率， 英工作在最大功率点，为了使光伏阵列工作 在最大功率点，需要设计一种最大功率点跟 踪方法。本文讨论的导纳增量法跟踪最大功 率点具有控制效果好、稳定度高、无原理性 误差等优点，但由于其控制时要进行较多判 断运算，其控制算法设计较复杂，对控制系 统要求较高。 （2）PWM 光伏并网逆变器滤波器一般 有三种电路拓扑结构即 L 型、LC 型、LCL 型，三种滤波器的逆变器选择控制策略的侧 重点也有所不同。 （3）由于光伏发电系统功率受外界环 境影响，运行时可能会出现电压越限问题， 同时为了提高光伏发电系统稳定性，必须要 求其具有一定的低电压穿越能力。通过光伏 -储能联合发电系统，可以有效解决这一问 题。 4.2 写作体会 在本次小论文的选题时，由于可以自选 题目，我选定了光伏发电这个自己比较感兴 趣的题目进行写作。通过本次写作，我的能 力有很大的提高。 作为本科生，我们平时很少有机会接触 专业的学术文献。而这次小论文则给我提供 了一个很好的契机，促使我了解了如何在平 台上查找相关文献。通过本次论文的写作， 我对论文的格式要求、内容要求以及排版有 了初步的认识。我还认识到，写一篇论文
需要阅读足够的文献开拓思路积累理论知行控制策略[J刀.黑龙江科技信 识，更需要有创新精神，提出自己独到的观息，2015,30：100. 点并加以论证。此外，论文的发表不但是将 [4]陈树勇，鲍海，吴春洋，张东霞，韩奕 知识和实践创新结合的过程，更是将自己的分布式光伏发电并网功率直接控制方法[J刀]， 知识通过规范的形式表达出来的过程，其中中国电机工程学报，2011,10：6-11 包含着表达的艺术与学问。本次论文将会是 [5]李碧君，方勇杰，杨卫东，徐泰山.光 我今后科研经历里的一次重要的启蒙和提伏发电并网大电网面临的问题与对策[J].电 高。 网与清洁能源，2010,04：52-59. 由于没有进行有关的实验，因此本论的 [6]李明杨.独立光伏发电系统的控制策 论述仅仅建立在理论上。如果能够有更多的 略及其应用研究[D].中南大学，2010. 时间和精力以及接触实验室的机会，会通过 [7]尚仪.光伏发电最大功率跟踪及微网 各种实验的来证明理论的可行性，这样也会运行控制策略研究[D].中国矿业大学，2014. 使论文的内容更加充实，更具说服力。 [8]张明光，陈晓婧.光伏并网发电系统 最后，感谢老师们在电力系统自动化这 的低电压穿越控制策略[J].电力系统保护与 门课的教学中为我们安排本次小论文的写 控制，2014,11：28-33. 作：也感谢助教们为本次论文的安排所付出 [9]孔令国，蔡国伟，杨德友，孙正龙.光- 的努力和提供的建议。 储联合并网发电系统建模与协调控制[J].电 参考文献： 网技术，2013,02：312-318 [1]吕新良，张旭，宋晓林.分布式光伏发 [10]梁亮，李建林，惠东.光伏-储能联合 电运行控制技术研究[J].陕西电发电系统运行机理及控制策略[J].电力自动 力，2012,02：66-69 化设备，2011,08：20-23. [2]刘飞.三相并网光伏发电系统的运行 [11]彭佳.光伏发电系统与储能装置协 控制策略[D].华中科技大学，2008 调运行与控制研究[D].华中科技大学，2012. [3]李静威.三相并网光伏发电系统的运 Operation Control and Coordination Strategy for Photovoltaic Power System and Storage Hybrid System Chen Gexing Supervisor:Wang Xitian (Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:To improve the efficiency and stability of photovoltaic power system,control strategies based on maximum power point tracking,photovoltaic inverter control as well as photovoltaic/storage hybrid system are proposed.Use incremental conductance method to realize MMPT;adapt adjustable control system according to inverters of different types filters;resolve voltage exceeding and LVRT by coordinating photovoltaic and storage hybrid system. Key words:photovoltaic power system;photovoltaic/energy-storage hybrid system;maximum power point tracking;coordination control;voltage exceeding;low voltage ride through
需要阅读足够的文献开拓思路积累理论知 识，更需要有创新精神，提出自己独到的观 点并加以论证。此外，论文的发表不但是将 知识和实践创新结合的过程，更是将自己的 知识通过规范的形式表达出来的过程，其中 包含着表达的艺术与学问。本次论文将会是 我今后科研经历里的一次重要的启蒙和提 高。 由于没有进行有关的实验，因此本论的 论述仅仅建立在理论上。如果能够有更多的 时间和精力以及接触实验室的机会，会通过 各种实验的来证明理论的可行性，这样也会 使论文的内容更加充实，更具说服力。 最后，感谢老师们在电力系统自动化这 门课的教学中为我们安排本次小论文的写 作；也感谢助教们为本次论文的安排所付出 的努力和提供的建议。 参考文献： [1]吕新良,张旭,宋晓林. 分布式光伏发 电 运 行 控 制 技 术 研 究 [J]. 陕 西 电 力,2012,02:66-69. [2]刘飞. 三相并网光伏发电系统的运行 控制策略[D].华中科技大学,2008. [3]李静威. 三相并网光伏发电系统的运 行 控 制 策 略 [J]. 黑 龙 江 科 技 信 息,2015,30:100. [4]陈树勇,鲍海,吴春洋,张东霞,韩奕. 分布式光伏发电并网功率直接控制方法[J]. 中国电机工程学报,2011,10:6-11 [5]李碧君,方勇杰,杨卫东,徐泰山. 光 伏发电并网大电网面临的问题与对策[J]. 电 网与清洁能源,2010,04:52-59. [6]李明杨. 独立光伏发电系统的控制策 略及其应用研究[D].中南大学,2010. [7]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. [8]张明光,陈晓婧. 光伏并网发电系统 的低电压穿越控制策略[J]. 电力系统保护与 控制,2014,11:28-33. [9]孔令国,蔡国伟,杨德友,孙正龙. 光- 储联合并网发电系统建模与协调控制[J]. 电 网技术,2013,02:312-318. [10]梁亮,李建林,惠东. 光伏-储能联合 发电系统运行机理及控制策略[J]. 电力自动 化设备,2011,08:20-23. [11]彭佳. 光伏发电系统与储能装置协 调运行与控制研究[D].华中科技大学,2012. Operation Control and Coordination Strategy for Photovoltaic Power System and Storage Hybrid System Chen Gexing Supervisor：Wang Xitian （Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China） Abstract：To improve the efficiency and stability of photovoltaic power system, control strategies based on maximum power point tracking, photovoltaic inverter control as well as photovoltaic/storage hybrid system are proposed. Use incremental conductance method to realize MMPT; adapt adjustable control system according to inverters of different types filters; resolve voltage exceeding and LVRT by coordinating photovoltaic and storage hybrid system. Key words：photovoltaic power system; photovoltaic/energy-storage hybrid system; maximum power point tracking; coordination control; voltage exceeding; low voltage ride through
