徐智华
（江西电力职业技术学院 动力工程系，江西 南昌）
太阳能因其清洁环保、取之不尽、利用率高等优点在电力领域得到广泛应用，截止2023 年第一季度，我国光伏发电装机总量达到4.4 亿千瓦，对满足各行各业用电需求方面发挥了重要作用。在光伏并网过程中，由于光伏测和并网侧的功率不平衡，容易发生电压跌落故障，除了影响电网运行的稳定性和安全性，如果跌落深度较大还有可能烧毁电力设备或电力线缆，给电力公司和电力用户造成严重损失。因此，加强正常工况和故障工况下光伏并网发电系统的运行控制水平，尤其是在发生电压跌落故障后及时向电网注入功率使电压恢复，才能切实保障电网的可靠运行。
1 正常工况下光伏并网发电系统运行控制
1.1 控制策略的选择
光伏系统的输出功率会受到外界环境（如光照强度、温度等）的影响，要想达到光电转化效率的最大化，必须让光伏系统始终在最大功率点（MPP）处工作，即最大功率点跟踪（MPPT）技术。目前常用的MPPT 算法有电导增量法、扰动观测法、恒定电压法等若干种，但是在实际应用中均存在一定的缺陷。以扰动观测法为例，对扰动步长有严格要求，步长较小需要花费更多的寻优时间；步长较大则会出现震荡情况，影响系统运行稳定性。本文提出了一种基于模型预测的MPPT 控制策略，通过构建数学模型的方式，建立基于PI 控制器的闭环控制系统，该系统采用直接电流控制模式，一方面能显着加快光伏并网发电系统的响应速度，另一方面又能改善并网电流的质量[1]。
1.2 模型的构建
在dq 坐标系中建立PI 控制器模型，考虑到该数学模型的d 轴和p 轴之间有强耦合关系，采用“前馈解耦”原理消除耦合影响。该模型为双闭环控制系统，其中电压外环负责保证直流母线电压的稳定性，电流内环负责进行功率的解耦控制。利用MPPT 技术改变直流母线电压的参考值（Udc-ref），利用外环控制有功电流的参考值（idc-ref），保证电压和电流的可调性。电流内环输出信号经过空间矢量脉宽调制后，变成逆变器可识别的控制信号，根据该信号实现对逆变器工作状态的控制。
1.3 参数的设计
在脉冲宽幅调制（PWM）控制模式下，控制电路的传递函数可表示为：
式中，KPWM为调制比，在PWM 调制模式下取1；TPWM表示惯性时间常数，为逆变器开关周期的1/2。用PI 零点抵消传递函数极点的电流控制，可得：
式中，L 为滤波电感，R 为滤波电感的内阻抗，Kii为PI控制参数；Kip为电流环控制参数，τi为电流时间常数。利用上式求得Kip的参考值，即可实现对PI 电流环参数的调节。按照同样的方式也能求得电压环的控制参数，并实现对PI 电压环参数的调节，电压外环控制图如图1 所示。
图1 电压外环控制结构
图1 中Udcref表示输入电压，Udc表示直流电压，K为常量，s 表示电压采样时间，C 表示储能电容，Tevs表示电压采样周期，Kvp表示电压环控制参数，τv为电压时间常数。
1.4 储能系统控制
在逆变器并网运行状态下，光伏系统中的储能设备（蓄电池）会利用“DC-DC”双向变换器保证直流侧母线电压的恒定，带有储能系统的逆变器拓扑结构如图2 所示。
图2 并网逆变器拓扑结构
图2 中S1、S2、S3表示NPN 型三极管；Cpv和Cdc表示光伏储能电容；D1、D2、D3表示普通二极管；L 和L2表示电感；E 表示直流电源。并网逆变器的储能电路采用“功率外环+电流内环”的双环控制模式[2]。以外环功率作为参考值，将蓄电池电压的采样值与参考功率坐商，即可求出蓄电池的输出电流，即：
式中，ib表示蓄电池输出电流，Pb*表示参考功率，u 表示电压采样值。然后再将输出电流与蓄电池电流的参考值作差，所得结果输入到PI 控制器中，进行转换后可以得到开关管驱动信号。当光伏并网发电系统需要储能时，给开关一个导通信号，控制开关管从关断状态变为导通状态，实现储能。当储能结束，或者是达到储能系统的上限后，开关管自动关断。
1.5 仿真验证
为了验证上述控制策略的可行性，本文使用Matlab 软件建立了光伏并网发电系统，并进行了仿真验证。仿真参数设定如下：
（1） 直流电压，800 V；
（2） 逆变器滤波电容，17e-6F；
（3） 逆变器滤波电感，0.16 mH；
（4） 内环PI 控制参数，67.2/231.4；
（5） 外环PI 控制参数，11.5/625；
（6） 开关频率，10 KHz；
（7） 电网电压，380 V；
（8） 电网频率，50 Hz。
统计仿真开始后1 s 内直流母线电压的变化情况，如图3 所示。
图3 直流母线电压
由图3 可知，在基于电网电压定向适量控制下，光伏并网发电系统能迅速相应控制指令，在0.4 s 时即可将直流母线电压稳定在800 V，与设定的仿真参数一致。同时，系统输出功率因数在0.06 s 时数值为1，此时并网点电压的有效值稳定在311 V，电流的有效值稳定在50 A，并且并网电流信号能够跟踪电压信号，两者频率相同，说明光伏并网发电系统可以实现最大功率点跟踪。当逆变器两侧功率平衡后，储能系统的功率数值为0，达到了动态平衡，保证了光伏并网发电系统的稳定运行[3]。根据以上仿真结果可知，本文设计的正常工况下的控制策略达到了预期效果。
2 故障工况下光伏并网发电系统运行控制
2.1 电压跌落检测方法
电压跌落是光伏并网常见的故障工况，可能导致光伏并网发电系统与电网之间断开链接，对电力系统的安全性和稳定性有严重破坏，准确检测和及时处理电压跌落至关重要。目前常用的检测方法有若干种，如有效值计算法、峰值电压法基波分量法等峰值电压法的检测原理更为简单，但是检测时间较长，同时电网中存在的高次谐波可能干扰检测结果的精确度；基波分量法的检测结果更加精确，但是不能计算出电压跌落的时间。对比来看，有效值计算法的综合应用效果更好。这里以有效值计算法为例，其核心思想是把电网电压看作一个周期信号，并以数字均方根的形式表示：
2.2 逆变器控制策略
在光伏并网发电系统运行中，如果电压跌落深度较低，直流母线上累计的不平衡较小，这种情况下可以借助于电压外环的调节功能，让光伏系统脱离最大功率点运行，其目的是降低输出功率，避免直流母线出现过压电情况，从而保障光伏并网发电系统的稳定运行。如果电压跌落深度较高，超出了电压外环的最大调节范围，直流母线会因为过电压而存在发热甚至是熔断风险。这种情况下就需要进行逆变器输出功率的重新分配，本文提出了一种基于无功电流支撑的逆变器控制策略，实现流程如图4 所示。
图4 无功电流支撑控制策略流程
在该控制策略下，按照设定好的检测频率每隔一段实际判断一次电压是否跌落，并在发生电压跌落后计算跌落后的电压值。执行一个判断程序“跌落后的电压值小于0.9U（U 为正常情况下电网电压）？”如果判断结果为“是”，则运用逆变器控制策略进行调整。按照逆变器输出电流不得超过1.1 倍额定值的要求，确定有功电流：
式中，id表示逆变器输出电流，即有功电流；iN表示额定电流；iq表示无功电流，给定值为0。根据上式计算结果，利用逆变器向电网输送合适的有功功率，从而到解决电压跌落故障的目的[5]。
2.3 仿真分析
为了验证本文提出的故障工况下逆变器控制策略的有效性，使用仿真软件Matlab 构建了光伏并网发电系统的仿真模型，并模拟电压跌落故障下的运行环境。设定故障条件如下：
（1） 跌落故障发生时间，0.5 s；
（2） 电压跌落深度，60%；
（3） 仿真时间，1 s；
（4） 电网额定电压，380 V；
（5） 电网频率，50 Hz；
（6） 直流母线额定电压，800 V。
按照上述条件进行仿真，电压跌落检测结果如图5 所示。
图5 电压跌落检测结果
由图5 可知，在仿真实验开始0.5 s 后，电网电压出现了电压跌落故障，从原来的300 V 跌落至120 V，跌落深度为60%，与设置的仿真条件吻合。在发生电压跌落故障后，逆变器两侧的功率平衡被打破，累计在直流侧电容上的不平衡功率导致直流母线电压上升。此时，储能系统发挥作用，吸收了直流侧电容上多余的功率，从而让直流母线电压上升趋势得到了抑制，维持了光伏发电并网系统的稳定运行。从仿真结果来看，达到了预期的控制效果，说明本文设计的逆变器控制策略具有实用价值。
3 结论
光伏并网发电系统运行控制技术的创新和运行控制水平的提升，对保障电网运行安全、维护电力公司的利益有重要作用。对于正常工况下的光伏并网发电系统，基于模型预测的MPPT 控制策略能够减小震荡误差、缩短寻优时间，保证了控制的灵敏性和准确性；在发生电压跌落故障后，可采取基于逆变器控制策略，通过向电网注入有功功率的方式，让已经发生跌落的电网电压重新恢复至正常水平，从而保障电网正常运行。从仿真结果来看，本文提出的两种控制策略均达到了较为理想的光伏并网发电系统运行控制效果。
