光伏发电系统运行控制与协调策略分析 张弢 指导老师：刘东 (上海交通大学电气工程系，上海市200240：) 摘要：本文总结前人所做工作，进行整合并在此基础上提出综合考虑下的光伏发电系统孤岛与并 网发电控制与协调策略。本文从光伏阵列的伏安特性入手，提出模糊MPPT算法：从蓄电池充电 特性得到新的充电算法：针对并网点电压越限情况提出新的控制策略：由电压定向矢量控制方法 得出LVRT控制策略：最后进行光伏发电系统策略的总结。 关键词：模糊MPPT算法低电压穿越并网点电压越限充电控制策略 1.引言 文献[10]从系统结构与控制策略方面对 光伏系统的低成本与高效率方案进行了研究 文献[1]从光伏阵列的伏安特性，串联式 并提出了新的逆变器拓扑结构与高效的控制 并网拓扑结构等方面对MPPT算法与并网逆变 策略。 器进行了研究并提出改进MPPT算法与并网系 统设计方法。 2.问题的提出 文献[2]从控制策略方面对低电压穿越进 行了研究并提出了基于电压定向矢量控制的 由于光伏并网发电系统与传统发电装置 LVRT控制策略。 有着很大差异，与传统的火电、水电相比，其 文献[3]从控制策略方面对传统独立光伏 在固有特性与接纳方式等方面有着很大的不 发电与并网光伏发电策略进行了研究并提出 同，其大规模推广也会面临诸多问题。主要包 两种状态下都可应用的电压型控制。 括以下几方面： 文献[4]从控制策略方面对微电网孤岛运 (1)由于光伏发电系统通过电力电子变换 行时无功功率分配、电压和频率调整的实现进 器实现电能的变换，光伏阵列输出直流电转换 行了研究并提出虚拟同步机算法。 成的交流电会产生谐波，当光伏发电系统接入 文献[5]从控制策略方面对光伏系统的能 配电网时易造成谐波污染，当配电网内光伏电 量利用率与局部阴影的影响进行了研究并提 源容量所占比例较小时，可使谐波污染保持在 出了基于模糊PID的下垂控制方法与全局最 可控范围内。然而，随着光伏发电在配电网中 大功率搜索加局部功率跟踪算法。 的渗透率不断提高，各发电单元叠加所带来的 文献[6][7]从控制协调策略方面对蓄电 谐波含量可能会严重影响电能质量，同时，多 池储能与分布式光伏发电系统并网点电压越 个谐振源还可能激发系统内高次谐波的功率 限的问题进行了研究并提出了分布式与独立 谐振。 式光伏系统的充电控制策略与协调策略。 (2)光伏发电通过光伏电池把太阳能转化 文献[8]从控制策略方面对弱电网情况下 为电能，因此，光伏发电严重依赖外界环境， 并网点电压畸变对光伏系统双闭环控制的影 尤其是光照强度，由于外界环境处于不断变化 响进行了研究并提出了一种以滤除谐波为基 中，这会导致光伏发电站输出功率具有强烈非 础的解决方法。 线性和随机波动性，其此方面特性会对电网的 文献[9]从控制策略方面对功率控制策略 可靠性造成负面影响。一方面，这种波动性的 框架下的最大功率点跟踪控制进行了研究并 电源在电网中的接入会对电网电压稳定性构 给出一种电流环自适应给定的算法。 成威胁，随着其在电网中渗透率不断提高，可
光伏发电系统运行控制与协调策略分析 张弢 指导老师：刘东 （上海交通大学电气工程系，上海市 200240；） 摘要：本文总结前人所做工作，进行整合并在此基础上提出综合考虑下的光伏发电系统孤岛与并 网发电控制与协调策略。本文从光伏阵列的伏安特性入手，提出模糊 MPPT 算法；从蓄电池充电 特性得到新的充电算法；针对并网点电压越限情况提出新的控制策略；由电压定向矢量控制方法 得出 LVRT 控制策略；最后进行光伏发电系统策略的总结。 关键词：模糊 MPPT 算法 低电压穿越 并网点电压越限 充电控制策略 1．引言 文献[1]从光伏阵列的伏安特性，串联式 并网拓扑结构等方面对 MPPT 算法与并网逆变 器进行了研究并提出改进 MPPT 算法与并网系 统设计方法。 文献[2]从控制策略方面对低电压穿越进 行了研究并提出了基于电压定向矢量控制的 LVRT 控制策略。 文献[3]从控制策略方面对传统独立光伏 发电与并网光伏发电策略进行了研究并提出 两种状态下都可应用的电压型控制。 文献[4]从控制策略方面对微电网孤岛运 行时无功功率分配、电压和频率调整的实现进 行了研究并提出虚拟同步机算法。 文献[5]从控制策略方面对光伏系统的能 量利用率与局部阴影的影响进行了研究并提 出了基于模糊 PID 的下垂控制方法与全局最 大功率搜索加局部功率跟踪算法。 文献[6][7]从控制协调策略方面对蓄电 池储能与分布式光伏发电系统并网点电压越 限的问题进行了研究并提出了分布式与独立 式光伏系统的充电控制策略与协调策略。 文献[8]从控制策略方面对弱电网情况下 并网点电压畸变对光伏系统双闭环控制的影 响进行了研究并提出了一种以滤除谐波为基 础的解决方法。 文献[9]从控制策略方面对功率控制策略 框架下的最大功率点跟踪控制进行了研究并 给出一种电流环自适应给定的算法。 文献[10]从系统结构与控制策略方面对 光伏系统的低成本与高效率方案进行了研究 并提出了新的逆变器拓扑结构与高效的控制 策略。 2．问题的提出 由于光伏并网发电系统与传统发电装置 有着很大差异，与传统的火电、水电相比，其 在固有特性与接纳方式等方面有着很大的不 同，其大规模推广也会面临诸多问题。主要包 括以下几方面： (1)由于光伏发电系统通过电力电子变换 器实现电能的变换，光伏阵列输出直流电转换 成的交流电会产生谐波，当光伏发电系统接入 配电网时易造成谐波污染，当配电网内光伏电 源容量所占比例较小时，可使谐波污染保持在 可控范围内。然而，随着光伏发电在配电网中 的渗透率不断提高，各发电单元叠加所带来的 谐波含量可能会严重影响电能质量，同时，多 个谐振源还可能激发系统内高次谐波的功率 谐振。 (2)光伏发电通过光伏电池把太阳能转化 为电能，因此，光伏发电严重依赖外界环境， 尤其是光照强度，由于外界环境处于不断变化 中，这会导致光伏发电站输出功率具有强烈非 线性和随机波动性，其此方面特性会对电网的 可靠性造成负面影响。一方面，这种波动性的 电源在电网中的接入会对电网电压稳定性构 成威胁，随着其在电网中渗透率不断提高，可
能导致电网电压调整设备异常响应，甚至导致 换效率较低，且输出功率受两个参数（结温、 电压不稳定而引起电力系统崩溃，进而引发大 光强)及负载的影响而非线性变化，因此，采 面积停电事故：另一方面，光伏发电系统的输 用最大功率跟踪MPPT(Maximum Power Point 出功率的波动性会对电网的频率造成扰动。要 Tracking)控制来提高光伏系统的能量利用是 使得电网能够适应光伏发电系统随机波动会 非常必须的。 加大电网规划和调度的难度，即便能实现也会 3.1.2模糊最大功率跟踪 导致电网调度设备频繁动作。 在设计模糊控制系统中，分别对模糊控制 (3)光伏发电系统的大量并网会导致电网 规则、控制变量的选取（几个输入和输出）、控 动态特性变差。光伏发电系统与传统发电方式 制变量论域及隶属函数形式（三角形、高斯型、 一个较大的区别在于接口电路的不同。火电、 梯形等)、量化因子进行了设计。 水电等都通过同步发电机实现能量转换，其转 (1)模糊控制器的输入量，输出量 子具有较大的惯性，这使得其具有较好的组网 光伏系统的目标函数选取输出功率及电 特性，由此类发电装置组成的电网具有一定的 流，控制变量为占空比。把光伏系统第n时 抗扰动能力，在电网负荷波动初期，一次调频 刻的电压变化量△V、第n时刻功率的变化量 作用前，同步发电机的表现出的惯性可以动态 △P作为模糊控制器的第n时刻的输入量： 分担负荷，起到维持功率平衡进而支撑频率的 第n时刻的占空比步长△D作为第n时刻的 作用：然而光伏发电系统通过电力电子变换电 输出量。 路实现光伏阵列输出电能的转换，其响应快 (2)确定输入量和输出量的模糊子集和论 速，目前常用控制策略均结合锁相环以严格跟 域 踪电网频率，从而实时保持系统与光伏阵列输 对功率变化量△P和电压变化量△V的 出功率的平衡，然而，这也使得光伏发电系统 实际值，模糊集合论域EP和EI分别由量化 不具有惯性，无法跟踪负荷的变化，随着其在 因子量化映射。将其都定义为4个模糊子集。 电网渗透率的增加会使得电网动态特性发生 改变，抗扰动能力减弱，尤其当应用于微电网 Ep=NB,NS,PS,PB 这种容量较小的系统中，会增加微电网的控制 难度，降低其稳定裕度。 E=(NB,NS,PS,PB} (4)蓄电池充电效率低，导致整体能量利 Ep ={NB,NS,PS,PB} 用率与效率降低。 其中，B、NS、PS、PB分别表示负大、 3.解决问题的方法 负小、正小、正大等模糊概念。采用离散化的 数字集合表示模糊论集合论域EP和EI: 基于上述问题，我们将从光伏阵列本身进 行分析，得出模糊MPPT算法：接下来，我们 Ep={-2,-1,1,2} 将分析蓄电池的特性并获得高效的蓄电池充 电算法：之后我们将讨论并网点电压越限、畸 E1={-2,-1,1,2} 变、低电压穿越等与电网相关的问题： 3.1光伏阵列建模及其模糊最大功率跟踪 3.1.1光伏阵列概述 (3)隶属度函数 光伏电池安装实验成本高、对安装场地及 根据扰动观察算法的特点，本文模糊控 实验环境依赖性强。预测光伏电池在不同光照 制设定16条控制规则。 和温度下的输出特性以及当光伏电池串并联 参见下图模糊规则表。 组成光伏列阵后特有的输出特性显得极为重 要。随着能源及环境问题的日益突出，可再生 的太阳能受到越来越多的关注。光伏电池的转
能导致电网电压调整设备异常响应，甚至导致 电压不稳定而引起电力系统崩溃，进而引发大 面积停电事故；另一方面，光伏发电系统的输 出功率的波动性会对电网的频率造成扰动。要 使得电网能够适应光伏发电系统随机波动会 加大电网规划和调度的难度，即便能实现也会 导致电网调度设备频繁动作。 (3)光伏发电系统的大量并网会导致电网 动态特性变差。光伏发电系统与传统发电方式 一个较大的区别在于接口电路的不同。火电、 水电等都通过同步发电机实现能量转换，其转 子具有较大的惯性，这使得其具有较好的组网 特性，由此类发电装置组成的电网具有一定的 抗扰动能力，在电网负荷波动初期，一次调频 作用前，同步发电机的表现出的惯性可以动态 分担负荷，起到维持功率平衡进而支撑频率的 作用；然而光伏发电系统通过电力电子变换电 路实现光伏阵列输出电能的转换，其响应快 速，目前常用控制策略均结合锁相环以严格跟 踪电网频率，从而实时保持系统与光伏阵列输 出功率的平衡，然而，这也使得光伏发电系统 不具有惯性，无法跟踪负荷的变化，随着其在 电网渗透率的增加会使得电网动态特性发生 改变，抗扰动能力减弱，尤其当应用于微电网 这种容量较小的系统中，会增加微电网的控制 难度，降低其稳定裕度。 (4)蓄电池充电效率低，导致整体能量利 用率与效率降低。 3．解决问题的方法 基于上述问题，我们将从光伏阵列本身进 行分析，得出模糊 MPPT 算法；接下来，我们 将分析蓄电池的特性并获得高效的蓄电池充 电算法；之后我们将讨论并网点电压越限、畸 变、低电压穿越等与电网相关的问题； 3.1 光伏阵列建模及其模糊最大功率跟踪 3.1.1 光伏阵列概述 光伏电池安装实验成本高、对安装场地及 实验环境依赖性强。预测光伏电池在不同光照 和温度下的输出特性以及当光伏电池串并联 组成光伏列阵后特有的输出特性显得极为重 要。随着能源及环境问题的日益突出，可再生 的太阳能受到越来越多的关注。光伏电池的转 换效率较低，且输出功率受两个参数（结温、 光强）及负载的影响而非线性变化，因此，采 用最大功率跟踪 MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制来提高光伏系统的能量利用是 非常必须的。 3.1.2 模糊最大功率跟踪 在设计模糊控制系统中,分别对模糊控制 规则、控制变量的选取(几个输入和输出)、控 制变量论域及隶属函数形式(三角形、高斯型、 梯形等)、量化因子进行了设计。 (1)模糊控制器的输入量,输出量 光伏系统的目标函数选取输出功率及电 流，控制变量为占空比。把光伏系统第 n 时 刻的电压变化量ΔV、第 n 时刻功率的变化量 ΔP 作为模糊控制器的第 n 时刻的输入量； 第 n 时刻的占空比步长ΔD 作为第 n 时刻的 输出量。 (2)确定输入量和输出量的模糊子集和论 域 对功率变化量 ΔP 和电压变化量ΔV 的 实际值，模糊集合论域 EP 和 EI 分别由量化 因子量化映射。将其都定义为 4 个模糊子集。 其中, NB、NS、PS、PB 分别表示负大、 负小、正小、正大等模糊概念。采用离散化的 数字集合表示模糊论集合论域 EP 和 EI： (3)隶属度函数 根据扰动观察算法的特点，本文模糊控 制设定 16 条控制规则。 参见下图模糊规则表
为减小因并网点电压越限造成光伏发电 E(n) 系统输出功率限制，引入储能装置实现对并网 Ep(n) -2 -1 1 3 有功功率的调节，储存因电压越限而导致不能 -2 2 2 -2 -2 输出的光伏功率，保持光伏电池输出最大化。 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 引入储能后，为实现光伏系统与储能装置之间 -2 的协调控制，考虑如下四种储能协调控制策 略：限制反向功率流运行，计划运行，削峰运 行和控制电压运行。四种储能协调控制策略下 3.2蓄电池控制策略 功率流动情况如图3.3.2所示。 本文采用变电流的充电方法对蓄电池充 限制反向功率流运行的控制目标是尽可 电，在蓄电池电压较低时，以蓄电池能够接受 能的使并网光伏系统不向电网输出功率。 的最大电流对其充电：随着充电的进行，蓄电 其控制原理是当光伏输出功率超过本地 池端电压升高，充电电流不断减小，直到蓄电 负荷功率时，储能模块进入充电状态直至电池 池端电压达到过充电保护电压，此时继续以小 被充满：当光伏输出功率小于负荷功率缺额 电流对蓄电池进行维护充电。当充电电流降低 时，储能模块进入放电状态以补充光伏输出功 到浮充电流值时，电池已基本充满，浮充电电 率的不足。 流一般为0.015A这时保持这个电流，以补充 计划运行的控制目标是维持储能电池的 电池的自然放电。在蓄电池组进行放电时，系 充电功率恒定。其控制原理是在当光伏输出功 统控制是监视直流母线电压稳定在一定范围 率超过本地负荷功率时储能模块处于充电状 内，这样能保证供给负载变化情况下，及时提 态并维持充电功率小于一定限值：而当光伏输 供足够的能量。当蓄电池组的电压接近过放电 出功率小于负荷时，储能模块进入放电状态以 压时，给出报警：低于下限时，蓄电池就停止 补充光伏输出功率的不足。 放电。 光伏输出 反向功率 3.3并网点电压越限分析 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 放电 荷 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 (a)含储能装置的分布式光伏发电系统功率流向 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， 光伏输出 反向功率流的产生导致配电网末端电压不降 反向功率流 反升，当反向功率流达到一定水平时就会造成 充电 放电 电压越限。 电压下 时间(h) (b)限制反向功率流运行 翰 图3.3.1电压越限
3.2 蓄电池控制策略 本文采用变电流的充电方法对蓄电池充 电，在蓄电池电压较低时，以蓄电池能够接受 的最大电流对其充电；随着充电的进行，蓄电 池端电压升高，充电电流不断减小，直到蓄电 池端电压达到过充电保护电压，此时继续以小 电流对蓄电池进行维护充电。当充电电流降低 到浮充电流值时，电池已基本充满，浮充电电 流一般为 0.015A 这时保持这个电流，以补充 电池的自然放电。在蓄电池组进行放电时，系 统控制是监视直流母线电压稳定在一定范围 内，这样能保证供给负载变化情况下，及时提 供足够的能量。当蓄电池组的电压接近过放电 压时，给出报警；低于下限时，蓄电池就停止 放电。 3.3 并网点电压越限分析 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。 图 3.3.1 电压越限 为减小因并网点电压越限造成光伏发电 系统输出功率限制，引入储能装置实现对并网 有功功率的调节，储存因电压越限而导致不能 输出的光伏功率，保持光伏电池输出最大化。 引入储能后，为实现光伏系统与储能装置之间 的协调控制，考虑如下四种储能协调控制策 略：限制反向功率流运行，计划运行，削峰运 行和控制电压运行。四种储能协调控制策略下 功率流动情况如图 3.3.2 所示。 限制反向功率流运行的控制目标是尽可 能的使并网光伏系统不向电网输出功率。 其控制原理是当光伏输出功率超过本地 负荷功率时，储能模块进入充电状态直至电池 被充满；当光伏输出功率小于负荷功率缺额 时，储能模块进入放电状态以补充光伏输出功 率的不足。 计划运行的控制目标是维持储能电池的 充电功率恒定。其控制原理是在当光伏输出功 率超过本地负荷功率时储能模块处于充电状 态并维持充电功率小于一定限值；而当光伏输 出功率小于负荷时，储能模块进入放电状态以 补充光伏输出功率的不足
进行锁相，并将电压基波分量引入到光伏并网 发电系统中的控制环节，运用电压基波分量进 行前馈解耦。这样就消除了电压扰动对系统双 闭环控制的影响。 快速傅里叶算法(FFT)是在信号处理领域 应用比较广泛的一种算法，它可以将一个离散 的信号分解为若干个余弦信号，使信号从时域 时间(h) 变换成频域，本文选用FT算法来提取出并 (c)计划运行 网点电压基波，以此达到滤除谐波的效果。 3.4.1光伏并网逆变器的数学模型及其控制 策略 光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核 心部件，主要将光伏电池板输出的直流电逆变 为交流电并馈入电网。图3.4.1为光伏并网逆 变器的等效电路。 时间(h) 图中ex为电网侧相电压，ix为并网电流， ux为逆变器交流侧输出相电压，x=a,b,c;Udc (d)削峰运行 为直流侧电压：R为逆变器输出线路电阻：L 为滤波器的等值电感，C为直流侧电容。 U 时间(h) (e)控制电压运行 图3.4.1光伏逆变器等效电路 图3.3.2储能协调控制策略 根据图3.4.1由基尔霍夫定律得出并网 逆变器输出侧的电压方程为 3.4低电压穿越的控制技术 di 由于光伏并网系统的并网控制使用的是 u,=L x+Ri,+ex 双闭环控制策略，控制环节需对并网点电压进 dt 行采样，将所采样的电压进行锁相处理，并进 在三相逆变器的并网控制中，基于电网电 行电压前馈解耦。强电网情况下，电压不存在 压定向矢量的双闭环控制策略具有稳态无误 谐波，因此对光伏并网发电系统的控制环节不 差跟踪、动态响应快、有功无功可独立解耦控 会产生影响。然而弱电网情况下，电压谐波成 制等优点。一般电压定向矢量控制采用电流内 分就控制系统而言成为了一种扰动，对整个系 环、电压外环的控制结构。为了控制器设计的 统的控制性能产生影响，使系统的相应速度变 方便，我们需要将控制对象从交流分量均转换 慢，控制精度变低，使系统的控制性能恶化。 成直流量，即在同步旋转坐标系下进行逆变器 如果不对其处理，系统的运行会受到很大的影 的控制。 响。 根据坐标变换理论，将逆变器输出侧的三 为了消除并网点电压谐波对光伏系统双 相电压经过PARK变换得出逆变器在两相旋转 闭环控制的影响，需在并网点电压采样环节进 坐标系下的电压方程为 行滤波处理，提取出基波分量，针对基波分量
图 3.3.2 储能协调控制策略 3.4 低电压穿越的控制技术 由于光伏并网系统的并网控制使用的是 双闭环控制策略，控制环节需对并网点电压进 行采样，将所采样的电压进行锁相处理，并进 行电压前馈解耦。强电网情况下，电压不存在 谐波，因此对光伏并网发电系统的控制环节不 会产生影响。然而弱电网情况下，电压谐波成 分就控制系统而言成为了一种扰动，对整个系 统的控制性能产生影响，使系统的相应速度变 慢，控制精度变低，使系统的控制性能恶化。 如果不对其处理，系统的运行会受到很大的影 响。 为了消除并网点电压谐波对光伏系统双 闭环控制的影响，需在并网点电压采样环节进 行滤波处理，提取出基波分量，针对基波分量 进行锁相，并将电压基波分量引入到光伏并网 发电系统中的控制环节，运用电压基波分量进 行前馈解耦。这样就消除了电压扰动对系统双 闭环控制的影响。 快速傅里叶算法（FFT)是在信号处理领域 应用比较广泛的一种算法，它可以将一个离散 的信号分解为若干个余弦信号，使信号从时域 变换成频域，本文选用 FFT 算法来提取出并 网点电压基波，以此达到滤除谐波的效果。 3.4.1 光伏并网逆变器的数学模型及其控制 策略 光伏并网逆变器是光伏发电系统中的核 心部件，主要将光伏电池板输出的直流电逆变 为交流电并馈入电网。图 3.4.1 为光伏并网逆 变器的等效电路。 图中 ex 为电网侧相电压，ix 为并网电流， ux 为逆变器交流侧输出相电压，x=a,b,c；Udc 为直流侧电压；R 为逆变器输出线路电阻；L 为滤波器的等值电感，C 为直流侧电容。 图 3.4.1 光伏逆变器等效电路 根据图 3.4.1 由基尔霍夫定律得出并网 逆变器输出侧的电压方程为 在三相逆变器的并网控制中，基于电网电 压定向矢量的双闭环控制策略具有稳态无误 差跟踪、动态响应快、有功无功可独立解耦控 制等优点。一般电压定向矢量控制采用电流内 环、电压外环的控制结构。为了控制器设计的 方便，我们需要将控制对象从交流分量均转换 成直流量，即在同步旋转坐标系下进行逆变器 的控制。 根据坐标变换理论，将逆变器输出侧的三 相电压经过 PARK 变换得出逆变器在两相旋转 坐标系下的电压方程为
d ua =es-Ris -L +@Lis p-e+e以)= ,=e-Ri-L -@Lia dt =e,-)=-E 式中：ud、uq为逆变器输出侧电压的 3.4,2电压跌落时直流电压波动抑制方法 dq分量；ed、eg为电网电压的dg分量： 当电网发生故障引起电压跌落时，在直流 id、iq为并网电流的dq分量：W为电网角频 侧增加卸荷电路，如图3.4.3所示。由卸荷电 率。 路消耗直流侧电容上多余能量，有效抑制直流 电压定向矢量控制是将dg旋转坐标系的 侧电压波动，提高光伏并网发电系统的低电压 d轴坐标与电网电压合成空间矢量E定于同一 运行能力。 轴线上，坐标系的α轴坐标则与E保持垂直此 直流卸荷电路由半导体功率器件和卸荷 时电网电压在两相dg旋转坐标系下的d、q轴 电阻Rd串联构成。卸荷电路控制器控制卸荷 分量分别为ed=E,eg=0。从而得出光伏并网逆 电路的投入或切出。图3.4.4是卸荷电路控制 变器在d▣坐标下的数学模型为 器的原理图。卸荷电路控制器通过检测光伏电 池板输出的功率Ppv、光伏逆变器输出的功率 ua E-@Lig+Ria Pg和直流侧电压Udc,判断是否需要投入直流 “,=oLia+Rin 侧卸荷电路。 当电网电压发生跌落时，通过计算 三相光伏并网逆变器在两相同步旋转坐 Ppv-Pg得到功率偏差△P,然后对△P进行判 标下的电压定向矢量控制框图如图3.4.2所 断，当△P≤△Pmax时，不需要投入直流侧卸 示，图Udc_ref为逆变器通过MPPT(最大功 荷电路：当△P>△Pmax时投入卸荷电路，对 率跟踪)算法得到的直流侧电压参考值：id*、 △P进行PI调节，输出PWW信号控制功率器 iq*分别为id、iq的电流给定值。 件的占空比。当△P重新满足小于△Pmax时， U e ee 切出卸荷电路。直流侧电压Udc作为辅助的判 U 断条件，当直流侧电压升高至Udc_max时，完 全投入卸荷电路：当直流侧电压降至Udc_max PI 以下时，切出卸荷电路。 图3.4.2逆变器电压定向矢量控制框图 却荷电路控制器 根据瞬时无功理论，dq坐标系下逆变器 输出的有功功率P和无功功率Q的表达式如下 图3.4.3卸荷电路结构图 式所示。从图3.4.2和下式可知，id和iq分 别与P和Q成线性比例关系。通过控制有功电 U,→电压判断 流id和无功电流iq,就可以分别控制逆变器 AP 偏差判断 输出的有功功率和无功功率，这就实现了有功 卸荷电路 功率与无功功率的解耦，为光伏并网发电系统 M 的低电压穿越研究建立了基础。 图3.4.4卸荷电路控制器的原理图 3.4.3LVRT控制策略 在电网电压跌落期间，光伏并网逆变器不
式中：ud、uq 为逆变器输出侧电压的 dq 分量；ed、eq 为电网电压的 dq 分量； id、iq 为并网电流的 dq 分量；w 为电网角频 率。 电压定向矢量控制是将 dq 旋转坐标系的 d 轴坐标与电网电压合成空间矢量 E 定于同一 轴线上，坐标系的 q 轴坐标则与 E 保持垂直此 时电网电压在两相 dq 旋转坐标系下的 d、q 轴 分量分别为 ed=E,eq=0。从而得出光伏并网逆 变器在 dq 坐标下的数学模型为 三相光伏并网逆变器在两相同步旋转坐 标下的电压定向矢量控制框图如图 3.4.2 所 示，图 Udc_ref 为逆变器通过 MPPT（最大功 率跟踪）算法得到的直流侧电压参考值；id*、 iq*分别为 id、iq 的电流给定值。 图 3.4.2 逆变器电压定向矢量控制框图 根据瞬时无功理论，dq 坐标系下逆变器 输出的有功功率 P 和无功功率 Q 的表达式如下 式所示。从图 3.4.2 和下式可知，id 和 iq 分 别与 P 和 Q 成线性比例关系。通过控制有功电 流 id 和无功电流 iq，就可以分别控制逆变器 输出的有功功率和无功功率，这就实现了有功 功率与无功功率的解耦，为光伏并网发电系统 的低电压穿越研究建立了基础。 3.4.2 电压跌落时直流电压波动抑制方法 当电网发生故障引起电压跌落时，在直流 侧增加卸荷电路，如图 3.4.3 所示。由卸荷电 路消耗直流侧电容上多余能量，有效抑制直流 侧电压波动，提高光伏并网发电系统的低电压 运行能力。 直流卸荷电路由半导体功率器件和卸荷 电阻 Rd 串联构成。卸荷电路控制器控制卸荷 电路的投入或切出。图 3.4.4 是卸荷电路控制 器的原理图。卸荷电路控制器通过检测光伏电 池板输出的功率 Ppv、光伏逆变器输出的功率 Pg 和直流侧电压 Udc，判断是否需要投入直流 侧卸荷电路。 当 电 网 电 压 发 生 跌 落 时 ， 通 过 计 算 Ppv-Pg 得到功率偏差△P，然后对△P 进行判 断，当△P≤△Pmax 时，不需要投入直流侧卸 荷电路；当△P＞△Pmax 时投入卸荷电路，对 △P 进行 PI 调节，输出 PWM 信号控制功率器 件的占空比。当△P 重新满足小于△Pmax 时， 切出卸荷电路。直流侧电压 Udc 作为辅助的判 断条件，当直流侧电压升高至 Udc_max 时，完 全投入卸荷电路；当直流侧电压降至 Udc_max 以下时，切出卸荷电路。 图 3.4.3 卸荷电路结构图 图 3.4.4 卸荷电路控制器的原理图 3.4.3LVRT 控制策略 在电网电压跌落期间，光伏并网逆变器不
仅要保持并网状态，而且需要逆变器根据电网 开始 电压来实现有功和无功功率的协调控制，发出 一定的无功功率，从而支持电网电压恢复，实 现低电压穿越。 0.9 落求取所需的无功电流补充量以及有功电流 U 限制量，经由逆变器发出无功支持电压恢复。 U +2,0.5<- -≤0.9 最终，对于光伏发电系统，我们采用模糊MPPT I 算法进行功率最大化，同时采用变电流充电方 1 U 法使得充电效率最高。这些为控制策略。在协 UN ≤0.5 调策略上，我们针对并网点的电压畸变与越 (2) 限，采用FFT滤波与增加储能元件的方案，同 光伏并网发电系统的LVRT控制流程图 时通过计算实现低电压穿越。 如图3.4.5所示。 通过这次的小论文写作，我对光伏发电系统从 当电网电压发生跌落时，根据图3.4.5 光伏阵列到储能元件到控制策略有了一个系 中所示的步骤光伏逆变器提供无功给电网，让 统的分析，并了解了当前所遇到的困难以及克 电压恢复，实现低电压穿越。 服困难的方法。虽然每个方法都有自己的不 足，但是他们依然有优点值得我们学习以及效 仿。经过学者的努力，结合前沿的科技以及算 法，最终一定会有更优的方案处理当前的问 题
仅要保持并网状态，而且需要逆变器根据电网 电压来实现有功和无功功率的协调控制，发出 一定的无功功率，从而支持电网电压恢复，实 现低电压穿越。 当电网电压正常时，逆变器要实现有功优 先的最大功率跟踪控制，即优先满足有功电 流，有功电流给定值 id*由图 3.2 中的电压外 环获得，逆变器通过最大功率跟踪 MPPT）算 法得到 Udc_ref，该参考值与直流侧电压 Udc 之间的误差信号经过 PI 调节得到 id*；当电 网电压发生跌落时，由于光伏并网逆变器的限 流作用，若继续执行有功优先控制，则逆变器 仅处于功率限幅状态，无法对系统提供无功支 持，因此采用无功优先控制。无功优先控制中， 先根据式（2）得到所需的无功电流给定值 iq*， 然后根据逆变器输出电流不能超过额定电流 的 1.1 倍的规定，得出 id*如式（1）所示。 式中，iN 为电网的额定电流。 (1) 当电网电压发生跌落时，要根据电网电压 跌落的深度来调节逆变器的无功电流给定值 iq*，改善电压跌落情况，进而提高光伏并网 发电系统的低电压穿越能力。 低电压穿越期间所需的无功电流百分比 的表达式如式（2）所示。 (2) 光伏并网发电系统的 LVRT 控制流程图 如图 3.4.5 所示。 当电网电压发生跌落时，根据图 3.4.5 中所示的步骤光伏逆变器提供无功给电网，让 电压恢复，实现低电压穿越。 图 3.4.5 LVRT 控制流程 4．总结与体会 本文从光伏阵列的物理模型推导出其电路方 程，提出模糊 MPPT 算法，避免了爬坡算法引 起的系统震荡；推导蓄电池充电特性以及运行 状态，得出变电流的充电方法；针对并网点畸 变与电压越限情况分别提出了基于 FFT 的谐 波过滤方法与基于增加储能元件的电压补偿 与吸收方法；针对低电压穿越，提出了基于电 压矢量控制的方法，通过判断并网点电压的跌 落求取所需的无功电流补充量以及有功电流 限制量，经由逆变器发出无功支持电压恢复。 最终，对于光伏发电系统，我们采用模糊 MPPT 算法进行功率最大化，同时采用变电流充电方 法使得充电效率最高。这些为控制策略。在协 调策略上，我们针对并网点的电压畸变与越 限，采用 FFT 滤波与增加储能元件的方案，同 时通过计算实现低电压穿越。 通过这次的小论文写作，我对光伏发电系统从 光伏阵列到储能元件到控制策略有了一个系 统的分析，并了解了当前所遇到的困难以及克 服困难的方法。虽然每个方法都有自己的不 足，但是他们依然有优点值得我们学习以及效 仿。经过学者的努力，结合前沿的科技以及算 法，最终一定会有更优的方案处理当前的问 题
参考文献： [6]李明杨.独立光伏发电系统的控制策略及 [1]刘飞.三相并网光伏发电系统的运行控制 其应用研究[D].中南大学，2010. 策略[D].华中科技大学，2008. [7]彭佳.光伏发电系统与储能装置协调运行 [2]张明光，陈晓婧.光伏并网发电系统的低电 与控制研究[D].华中科技大学，2012 压穿越控制策略[J].电力系统保护与控 [8]裴建楠.弱电网情况下光伏发电系统运行 制，2014，v.42:No.41311:28-33. 分析与控制研究[D].东北电力大学，2015. [3]佟云剑，沈健，刘鸿鹏，王卫.光伏发电系统 [9]春兰.独立运行光伏发电系统功率控制研 运行模式无缝切换控制策略[].电网技 究[D].内蒙古工业大学，2007. 术，2014，v.38:No.37110:2794-2801. [10]董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设 [4]郑光辉.基于虚拟同步发电机功率控制策 计与控制策略研究[D].中南大学，2007. 略的光伏发电系统研究[D].重庆大学，2014. [5]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. Analysis of Control and Coordination Strategies in Photovoltaic Generation System ZhangTao Supervisor:LiuDong (ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract In this paper,we summarize the work done by predecessors,and put forward the control and coordination strategy of isolated island and grid connected power generation based on the integrated consideration.From the volt ampere characteristic of photovoltaic array,the paper puts forward fuzzy MPPT algorithm;from the battery charging characteristics we get the new charging algorithm;and from dot distortion and voltage limit of the PCC,a new control strategy is presented;by voltage oriented vector control method we obtain the LVRT control strategy.Finally review strategy of photovoltaic power generation system
参考文献： [1]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. [2]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,v.42;No.41311:28-33. [3]佟云剑,沈健,刘鸿鹏,王卫.光伏发电系统 运 行 模 式 无 缝 切 换 控 制 策 略 [J]. 电 网 技 术,2014,v.38;No.37110:2794-2801. [4]郑光辉.基于虚拟同步发电机功率控制策 略的光伏发电系统研究[D].重庆大学,2014. [5]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. [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]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. [8]裴建楠.弱电网情况下光伏发电系统运行 分析与控制研究[D].东北电力大学,2015. [9]春兰.独立运行光伏发电系统功率控制研 究[D].内蒙古工业大学,2007. [10]董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设 计与控制策略研究[D].中南大学,2007. Analysis of Control and Coordination Strategies in Photovoltaic Generation System ZhangTao Supervisor:LiuDong （ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China） Abstract In this paper, we summarize the work done by predecessors, and put forward the control and coordination strategy of isolated island and grid connected power generation based on the integrated consideration. From the volt ampere characteristic of photovoltaic array, the paper puts forward fuzzy MPPT algorithm; from the battery charging characteristics we get the new charging algorithm; and from dot distortion and voltage limit of the PCC,a new control strategy is presented; by voltage oriented vector control method we obtain the LVRT control strategy. Finally review strategy of photovoltaic power generation system
