光伏发电系统并网对配电网的影响研究

摘要：光伏发电作为一种高效无污染的新能源及未来常规能源的替代品，日益受到人类的重视。由于光伏系统的输出受光辐照度和环境温度的影响，光伏阵列通常运行在最大功率点处，以提高光伏系统的发电效率，本文提出了一种变步长追踪策略，保证了光伏系统始终维持最大功率输出。由于单独的光伏系统并网将使配电网电压和频率发生不断的波动，为了避免该种不利影响，并充分发挥光伏发电的高效、无污染、可再生性，本文提出了一种包含储能装置和光伏系统的混合发电系统，改善了光伏系统的运行特性，提高了其可调度性。最后通过低压配电网仿真验证了所提最大功率跟踪策略的有效性和混合发电系统的可行性。

关键词：光伏发电；逆变器；斩波器；最大功率点跟踪；储能装置

中图分类号：TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：

0引言

随着世界能源短缺的日益突出和环境污染的日益加重，寻找高效、无污染的新型发电成为当前急需解决的问题[1][2]。在各种新型发电方式中，光伏发电以其可再生性、高效性、高环保性、高可靠性等独特优势得到了广泛的关注，在发电领域发挥着越来越重要的作用[3][4]。

光伏发电系统的接入虽然提高了配电网运行的可靠性，但由于其间隙性和波动性导致了配电网的运行随之发生不断的变化，较大的波动甚至可能会造成运行不稳定。因此为了提高配网的运行稳定性，可考虑将光伏发电系统与储能装置并联运行，实现光伏系统的可调度性。本文主要研究双级式并网方式下光伏发电系统对配电网的影响，以及储能装置对该发电系统所起的改善作用。

1双级式光伏发电系统

双级式光伏并网发电系统是指光伏阵列首先经过斩波器进行电压幅值变换，然后通过逆变器将直流电能变换成交流电能，实现并网。

1.1 光伏阵列

光伏发电是利用光生伏打效应将光能转化为电能[5]，但单个光伏电池的输出电压电流较低，功率较小，无法应用于大规模发电；因此通常情况下的光伏阵列是指将多个光伏电池串、并联组成光伏模块，并进一步串、并联后所得到可提供较高电压和电流的发电装置。光伏阵列可用单二极管数学模型进行描述，其输出直流电流表达式如下所示[6][7]：

(1)

其中，VPV为光伏阵列的输出电压；IPV为光伏阵列的输出电流；Iph为光生电流源电流；Is为二极管饱和电流；q为电子电量常量，为1.602e-19C；k为玻尔兹曼常数，为1.38e-23J/K；T为光伏电池工作的绝对温度值；A为二极管特性拟合系数，数值在1~2之间；Rs为光伏电池串联电阻；Rsh为光伏电池并联电阻；NS和NP分别为串联和并联的光伏电池数。

1.2 斩波器

在双级式并网方式中，需要斩波器实现光伏阵列输出直流电压的升降，以便满足后续逆变器输入直流电压的范围要求。由于通常情况下，光伏阵列的输出电压较低，因此一般选取升压斩波器，其输出电压如下式所示[8]：

(2)

式中，D为斩波器的占空比，代表斩波器控制系统的输出调制信号；VDC代表斩波器输出电压。

1.3 逆变器

光伏发电系统中的逆变器不仅将直流电能转换成交流电能，还起着改善输出性能的作用。由于PWM式逆变器具有电路简单、输出电压波形谐波含量小等优点，因此在光伏并网发电系统中得到了广泛应用。通过对逆变器工作原理的分析可知，其输出交流基波线电压有效值为[9]：

(3)

式中，为一常数，由PWM调制的工作原理决定；P为调制度，代表逆变器控制系统的调制信号；VAC代表逆变器交流侧基波线电压有效值；VDC代表逆变器直流侧电压，在双级式光伏发电系统中，即为斩波器输出电压。

2最大功率点跟踪策略

2.1 光伏阵列输出特性

光伏电源的输出特性随着光辐照度和阵列温度的变化具有强烈的非线性特征，随着温度的升高，光伏阵列的开路电压不断降低，且明显比电流的变化程度大，因此在光辐照度恒定的条件下，温度越高，最大功率反而越小，而且最大功率点处电压的变化较明显。然而与温度的影响有所不同，相比而言，光辐照度的提高对于短路电流、开路电压和最大功率都是增大的作用，且最大功率点处电压的变化较小，在某些条件下可近似认为不变。

2.2 最大功率点跟踪控制

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking—MPPT)控制的主要目的就是根据光伏阵列的输出特性，采用一定的控制策略保证其工作在最大功率输出状态，以最大限度地利用太阳能。目前已有多种MPPT控制算法[10]，如：扰动观测法，增量电导法，爬山法等。本文在扰动观测法的基础上提出了一种改进的方法“变步长追踪法”。

“变步长追踪法”是充分利用光伏阵列自身的运行特性，自动实现其最大功率运行。在最大功率点的左侧分支，功率对电压的变化率为正值，且越靠近最大功率点处功率的变化率越小，在最大功率点变化率为零；而在最大功率点的右侧分支，功率对电压的变化率为负值，且越靠近最大功率点功率的变化率越小，在最大功率点处变化率同样为零。因此功率的变化率具有双重作用，既可以体现光伏阵列电压增量的变化方向，又可以体现电压增量的变化大小，可将该变化率与光伏阵列MPPT控制相结合，实现变步长追踪策略。

相较于以往的扰动观测法、增量电导法等，变步长追踪策略简化了电压增量的判断过程，从而可大大简化算法流程。

3光伏系统中的储能装置及并网系统

在单级式光伏系统中，当光辐照度、温度等环境因素变化时，光伏系统的输出随之发生变化，该种变化是随机的，且对交流网络产生较大的影响。为了减小该种影响，可在光伏系统中增加储能装置，平滑光伏系统的输出波动，并提高整个系统的可调度性。

3.1 储能装置

储能技术是实现能源高效利用的重要途径。电储能主要包括超级电容器、超导电磁等，功率密度高，可实现电荷的快速储存和释放，非常适用于弥补光伏系统的发电波动。因此，考虑到其快速性、可靠性、灵活性等，本文选取超级电容器作为所研究双级式光伏系统中的储能装置。

3.2 并网系统

含有储能装置的双级式光伏系统引入了“直流母线”的概念，超级电容器储能装置通过双向斩波器接入直流母线处，实现光伏阵列的可调度性。同时“直流母线”的引进扩大了电源的连接方式，并节省了系统中逆变器的投入。

4算例验证及结果分析

为了验证所提出了变步长追踪MPPT控制，以及研究储能装置在并网光伏系统中所发挥的作用，本文在如下所示的低压配网系统进行相关测试。其中网络参数参考文献[11]，双级式光伏并网所示的双级式光伏系统（或含有储能装置的双级式光伏系统所示的混合发电系统）连接于17号母线处，光伏及储能装置的参数如表1和表2所示。

表1光伏阵列参数

Table 1Parameters for PV array

表2储能装置参数

Table 2Parameters for storage

4.1 双级式光伏系统并网仿真研究

当17号母线处接入双级式光伏并网所示的光伏系统时，随着光辐照度和温度的变化，在MPPT控制条件下，光伏系统的输出有功功率均会随之变化，并始终维持最大功率输出，这就造成了当环境条件变化较大时，逆变器输入到配网的功率波动较大，这将对配电网中的电压、频率产生不利的影响，甚至影响网络中负荷的正常运行。

4.2 混合发电系统并网仿真研究

当17号母线处接入含有储能装置的双级式光伏系统所示的混合发电系统时，在相同的环境波动情况下，由于储能装置的加入，混合系统输出到配电网的功率可以保持恒定，从而屏蔽了光伏系统受环境变化的影响。

5结论

光伏发电不仅是当今能源的重要补充，而且具有提供未来主要能源的巨大潜力，因此研究光伏并网发电系统具有重要的现实意义。本文针对光伏阵列的输出特性提出了一种新型的MPPT算法——变步长追踪法，简化了算法流程，并有效地避免了最大功率点处振荡现象的发生。针对光伏系统的输出随环境条件的变化特性，本文提出了包含储能设备的混合发电系统，有效地弥补了光伏阵列输出波动的不足。最后通过仿真测试，验证了所提出MPPT算法的有效性、储能设备对改善光伏系统输出的有利性。

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作者简介：

关寓丹（1984—），女，研究方向为发电工程设计及新能源开发，

马忠坤（1978—），男，高级工程师，研究方向为电网工程设计及新技术应用。