光伏市电互补系统建模及其运行特性

沈阳工业大学电气工程学院、辽宁科技学院电气与信息工程学院、天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员高长伟、刘晓明、陈海、李鸿一，在2017年第5期《电工技术学报》上撰文，建立了光伏市电互补系统动态分析模型,提出了基于变步长无电压检测的最大功率跟踪控制方法及基于逆止二极管控制直流母线入口的光伏市电互补系统控制策略。

与扰动观察法比较,验证了所提出的最大功率跟踪控制方法的有效性。光伏市电互补系统运行的仿真结果验证了模型的有效性及负载电流、电压波动特性。

实验结果进一步表明,当太阳辐射量降低时,负载电源由光伏向市电自动切换。在电源切换过程中,负载电压与电流波形畸变率小,系统保持平稳运行。实现了太阳能发电即发即用与就地消纳利用的目的。

当前，人类社会面临着传统化石燃料消耗殆尽、环境污染日趋严重等诸多问题，为缓解能源需求压力并减轻环境污染，世界各国大力提倡开发利用可再生能源。作为一种典型的可再生能源，太阳能因其具有无污染、使用灵活、分布广泛等诸多优点而成为符合可持续发展理念的理想绿色能源。

光伏发电作为太阳能利用的一种主要形式，其具有清洁、可再生的优点，并且具有建设周期短、可利用建筑物表面等优势。随着光伏电池转换效率的不断提升和生产成本的持续降低，其正逐渐在能源、环境和人类社会发展中占据越来越重要的地位。

在人类开发使用可再生能源的过程中，光伏发电发展前景广阔，将逐渐从补充能源向替代能源过渡。但是，在现有技术条件下，光伏发电系统出力受外界条件影响十分严重。对于大规模并网光伏发电系统而言，该特征会对电网电压稳定产生不利影响，是阻碍大规模发展光伏发电的主要因素之一。

随着分布式光伏发电系统越来越多地并入电网，其对电网的影响日益凸显。大容量光伏电站的并网运行给电力系统节点电压和功率的预测增加了难度，给电力系统的安全运行和电网调度造成较大影响，对电网保护与控制的影响不可忽视。

光伏发电系统目前主要有“低压接入、分散开发、就地消纳利用”和“中高压接入、集中开发、远距离输送消纳利用”两种方式。从运行模式来看，太阳能光伏发电系统主要存在并网系统和独立系统两大类。

前者主要是由国家投资兴建，系统技术层面要求较高。后者通常需要对蓄电池储能环节进行能量管理，系统建设及运行维护成本高，并且蓄电池等储能装置的回收会对环境造成二次污染。目前，光伏发电的太阳能利用效率普遍较低，光伏发电系统的发电能力远不能满足人们对电能的需求。因此，光伏发电迫切需要与其他可再生能源及传统化石能源有效结合，共同给电力用户提供电能，以此来达到多种能源综合互补的目的。

在此背景下，为了促进太阳能发电即发即用、就地消纳以及多能源综合互补利用，本文提出了基于逆止二极管控制直流母线入口的光伏市电互补系统模型，并对其工作特性进行了深入研究。

首先，从光伏电池电气外特性角度对其工程用等效数学模型进行了探讨，建立了光伏电池输出特性仿真电路，分析了光伏电池输出特性以及外界环境参数对光伏电池输出特性的影响。

其次，以所建立的光伏电池模型为基础，对光伏系统最大功率跟踪控制策略进行了研究。为简化最大功率跟踪控制系统结构及控制流程，提出了基于变步长无电压检测的光伏系统最大功率跟踪控制方法。基于Matlab/ Simulink平台建立仿真模型，将仿真结果与扰动观察法相比较，证明了本文所提出的最大功率跟踪控制方法的动态性能及稳定性均有显著提高。

再次，为了进一步验证本文提出的光伏市电互补系统方案的可行性，在Matlab/Simulink平台下利用S函数建立了光伏市电互补系统动态分析模型并搭建物理试验平台。

仿真和实验结果均表明，当光照强度减小到某一定值后，在光伏电源与市电切换过程中，负载电压、电流幅值稳定，波形畸变率较小，系统工作稳定性良好，能够保持平稳运行。光伏市电互补系统无需蓄电池储能也能保证负载供电的持续性，在很大程度上降低了光伏发电系统的初始投资和运行管理成本，也不存在因蓄电池等储能装置的回收而产生的环境二次污染问题。

图1 光伏市电互补系统结构

结论

本文提出了一种光伏市电互补供电系统，以解决光伏发电系统对负载供电的间歇性和不稳定性等不足。系统主要由光伏阵列、DC-DC变换器、市电电源、隔离变压器、整流器、逆变器等部分组成。系统将光伏阵列作为主供电电源，为保证负载电源的稳定性，以市电为补充供电电源，当光照条件发生变化时，负载的供电电源在二者间自动切换。

提出采用无电压检测MPPT控制方法对光伏电池的最大功率点进行跟踪控制，该方法只需对光伏电池的输出电流进行检测，简化了控制系统结构。仿真和实验结果验证了系统结构设计与控制策略的可行性与有效性。