弱电网情况下光伏发电系统运行分析与控制研究

Weak Grid Photovoltaic Power Generation System Operation Analysis and Control Research

李华侨

LI Hua-qiao（中国水利水电第四工程局有限公司）

（China Water Conservancy and Hydropower Fourth Engineering Bureau Ltd.）

对于光伏发电系统，一般是通过输电线路、多级升压接入电网或以分布式发电式系统将其直接配入配电网。不能忽略电网阻抗，如何对电网阻抗对光伏发电系统产生的性能影响进行分析，提高光伏发电系统在弱电网情况下产生的稳定性，是光伏发电领域研究的重要课题。论文主要对弱电网情况下光伏发电系统的运行开展相应分析与控制研究工作。

1 引言

由于受到土地以及光照资源等影响，大规模光伏电站经常处于电网结构较为薄弱的沙漠或半沙漠地带，其所产生的电能也可以通过输电线路以及多压升级直接对地区电网进行接入。这时，原网所产生的联系将会减弱，电网阻抗在这时不能进行忽略。这种情况下，光伏系统就会直接并入到并网阻抗中，若将其直接接入强电网，已经不再适用实际情况[1]。在弱电网情况下，电网阻抗以及并网点都会对并网发电系统的性能产生显著影响，严重的情况下甚至会使光伏发电系统稳定性受到影响。

2 光伏发电的原理分析

光伏发电的过程从根本上说就是能量转换的过程，即将太阳能转换为电能。但在实际转换过程中，起到关键作用的是光生伏特效应。这种效应具体来说，就是以半导体界面为主要平台，所出现的一种物理变化。太阳能电池是光伏发电过程中的关键元件，平时使用的太阳能电池组就是由数量较多的太阳能电池进行串联实现的[2]。太阳能电池与逆变器、直流交换器以及功率控制器等元件进行组合，就形成光伏发电装置。现今社会上常使用的太阳能光伏电池一般是半导体硅材料。光伏效应指的是若太阳能电池出现太阳光照射，电池的界面层会直接将光进行吸收，且共价键中的电子在N型硅以及P型硅的基础上会被光子激发，从而产生电子-空穴对。在电子与空穴复合之前，会存在于界面层附近，并且空间电荷所产生的电场作用会分离电子与空穴。电子会向N区移动，而P区因带有负电，因而空穴会向这边进行移动。还会存在向外可测试电压在P区以及N区之间产生，这主要是由于界面层电荷出现分离而产生影响[3]。这时，可直接接入电压表并对其进行测量，但前提条件是将电极加在硅片两边。太阳能电池常用的材料是晶体硅，其产生的开路电压为0.5～0.6V。电流在此过程中之所以会形成，主要是由于太阳光直接照射在半导体P-N结上，并由此产生了空穴电子对。这样空穴就会由N区向P区进行流动，电子也会由P区向N区进行流动。这时，在P-N结内会出现微小电场，同时也会存在流动电流。电流大小与电子-空穴对的数量也呈现正比关系。电子-空穴对产生的数量与界面层吸收的光能有一定关系。即界面层接收太阳光照射时所吸收的光能越多，其产生的电流也会越大。这就是光电效应时太阳能电池的实际工作原理[4]。

3 弱电网情况下光伏发电系统控制策略

3.1 光伏逆变电源运行模式

弱电网既可以在并网状态下运行，也可以在离网情况下运行在孤岛模式下。在开展并网运行时，弱电网受到大电网电压的影响，也会利用电流源控制光伏电源的相关策略，使得光伏电源实现无电压控制。弱电网中心控制器主要对有功、无功功率进行控制，即PQ逆变电源。当弱电网与大电网之间的联系断开时，弱电网区域内负载对功率产生的需求将会由光伏电源承担，PQ控制在并网模式下也可适用，而对于微电网独立运行的相关需求无法满足。光伏电源将会对负载需求的实际功率进行自动输出，并对弱电网的交流母线电压进行调节，对弱电网的电压稳定性加以保持。在光伏电源控制中，基于下垂特性的电源控制方式在其中得到广泛使用，电源输出的有功功率与电压频率之间存在一定的特性关系。光伏电源若其输出功率不同，则对应的电压频率也会出现一定差异。电源输出的频率随着输出功率出现的变化也会发生变化。只有当输出电源的幅值、频率以及相位处于完全相同情况下，光伏电源在并联运行时才不会出现环流。而经过逆变电源采样之后，对电压电流信号进行输出，可计算出现今的输出功率并进行解耦。利用下垂特性方程可对逆变器参考信号的频率以及幅值进行计算得出，经过逆变之后，对功率进行输出。

3.2 运行控制分析

现今，弱电网的控制方式主要有主从控制、对等控制以及系统控制、多代理技术等控制方式。弱电网在处于孤岛运行时，主要采用的是主从控制策略。当开展并网运行时，弱电网总体容量相较于电网来说，容量较小，电网可以对系统的频率加以稳定，而弱电网不需要进行频率调节工作，只需要对有功功率以及无功功率进行输出。在孤岛运行方式下，主从控制系统中的主控单元可采用v/f进行控制，从而对系统电压的稳定性以及频率的恒定性进行维持。主从控制策略过程一般为：当检测单元对弱电网与配电网断开进行检测，即进入到孤岛模式下时，弱电网控制模式就会切换到主从模式，并采用v/f控制的主控源对电压幅值以及频率进行调节，使其保持在稳定值。当弱电网内负荷出现变化时，应该由主控源自动根据负荷产生的变化对输出电流进行调节，使得输出功率出现增大或缩小。另外，对自身功率的变化量进行检测以及计算，根据现有的发电单元对其他从属系统具有的输出指定值进行调节，使得它们的输出功率得到相应的改变。当其他从属系统输出功率出现增大的时候，主控源在输出功率上也会相应出现减小，进而保证主控源始终存在足够容量对瞬时功率的变化进行调节。

当弱电网中没有其他可进行调用的有功或无功容量时，就应该依靠主控源本身来开展调节工作。当负荷出现增加的时候，依据负荷产生的电压依赖性，可以考虑适当减少电压值。若这样还是不能实现功率的平衡性，就可以考虑采用切除次要负荷的方式来实现弱电网的有效运行。对等控制不能有效解决系统频率以及电压的无差调节问题，当弱电网受到外来因素干扰时，系统频率也会出现一定波动，并促使系统稳定的频率质量受到相应影响。

4 结束语

随着社会经济发展水平的不断提高，社会生活对能源的依赖度更高。当今，世界上的所有国家一般所采用的能源都以一次能源为主，这就会造成传统能源的枯竭，并导致自然环境出现严重污染。就目前来看，能源枯竭以及环境污染问题已经成为世界范围内被关注的重要问题。人们为了有效解决能源短缺问题以及生态污染问题，同时保证社会经济的发展不受影响，各国开始广泛使用清洁能源以及可再生能源，其中最为显著的是对太阳能发电技术的利用。过去人们认为光伏发电系统接入电网后为理想电网，也就是没有电网阻抗。因此，在对光伏发电系统进行设计的时候，并未考虑到电网阻抗所产生的影响。而现今，不考虑电网阻抗的作用已经行不通了。当光伏发电系统接入弱电网中，需要考虑到电网阻抗对光伏发电系统性能所产生的影响。

[1]王强钢,周念成,颜伟,等.电网电压不平衡下光伏发电系统的改进功率控制[J].中国电机工程学报,2013(S1)：30-37.

[2]熊远生,俞立,徐建明.光伏发电系统多模式接入直流微电网及控制方法[J].电力系统保护与控制,2014(12)：37-43.

[3]佟云剑,沈健,刘鸿鹏,等.光伏发电系统运行模式无缝切换控制策略[J].电网技术,2014(10)：2794-2801.

[4]刘杏林,韩肖清,曹增杰,等.微电网光伏发电系统控制与稳定性研究[J].电力学报,2012(1)：10-14.

For the photovoltaic power generation systems, typically by transmission lines, multistage booster connected to the electricity grid or in a distributed power generation system should be directly into the situation of distribution network. This time, the power grid impedance can not to be ignored, how to grid impedance analysis of the performance impact of photovoltaic power generation systems, on the photovoltaic power generation system under the condition of weak power grid to improve the stability of is an important topic of the photovoltaic fi eld of research. This article mainly analyzes the weak situation of photovoltaic power generation system of power grid to carry out the corresponding analysis and control research work.

弱电网；光伏发电系统；运行分析；控制研究

weak power grid; photovoltaic power generation system; operation analysis; control research