光伏发电并网控制策略研究

引言：随着全球能源危机和环境问题日益严峻，大力发展光伏发电已成为各国共识，然而光伏发电出力的间歇性和波动性，对电网的安全稳定运行构成挑战。因此，高效可靠的光伏并网控制技术是大规模光伏发电并网的关键，其研究对于提高光伏渗透率、保障电网调峰平衡、维护电能质量具有重要意义。

一、光伏发电并网控制原理

光伏发电并网控制的核心原理在于确保光伏逆变器输出的交流电能够满足并网点处电网的电压、频率等技术指标要求，实现光伏系统与电网的同步稳定运行。从控制理论的角度来看，实现安全可靠并网运行需要同时满足两个关键性条件：其一，逆变器输出交流电压的幅值、相位、频率等参数必须与并网点处电网电压保持高度一致；其二，逆变器输出并网电流需要与电网电压始终保持同步，即并网电流与电网电压的相位差应当尽可能接近于零。上述并网运行的控制原理可以用基尔霍夫电压定律表示，假设并网等效电路中逆变器侧与电网侧之间存在一定电感，忽略电阻，则相应的电压平衡方程为：

U_ab=U_g+jωLI

其中 U_ab 表示逆变器输出电压， U_g 表示并网点处电网电压，I为并网电流，ωL为并网电感的阻抗。通过合理控制并网电流I的相位和幅值，使其紧跟电网电压 .U_g 变化，便可实现光伏系统与电网的同步并网。

二、光伏发电并网控制策略

（一）电网电压前馈控制

在光伏发电系统并网运行的控制策略设计中，引入电网电压前馈控制是一种行之有效的方法，其核心目的在于提前将电网电压扰动引入控制回路，从而在理论上完全消除电网电压波动对逆变器输出并网电流的影响，进而提高系统对于给定电流指令的动态跟踪性能和稳态输出电能质量。具体来说，设计合理的前馈网络传递函数是实现电网电压前馈控制的关键。工程实践中，可将前馈传递函数设计为一个超前校正环节，其超前角度与并网电感和PWM调制环节的滞后角度相匹配。仿真分析表明，针对一个典型的 5kW光伏逆变器，在 220V/50Hz电网条件下，并网点处选取 1.2mH电感，采样周期为 100μs ，加入前馈控制后，并网电流THD明显降低，基波幅值更加接近给定指令，充分证明了前馈补偿抑制电网电压扰动、改善并网电流品质的有效性[1]。

（二）并网电流重复控制

光伏发电系统并网运行时，由于受电网基波电压及其谐波分量的周期性扰动，逆变器输出并网电流往往难以在单一控制周期内达到理想状态，而呈现出明显的周期性稳态误差。为进一步提升并网电流控制精度，可在常规前馈解耦控制的基础上，引入基于内模原理的重复控制策略，构建一个与系统周期性扰动相吻合的重复控制模块，通过多个控制周期的迭代渐进，最终实现并网电流稳态误差的精确补偿。重复控制的数学本质是一种离散域积分器，相当于并联于原有系统之外的校正通道，其控制律可表达为：

u(k)=u(k-N)+K_re(k)

式中u（k）为第k个采样时刻的控制量输出，u（ (k-N ）为上一周期对应时刻即第k−N个采样点的控制量，e（k）为第k个采样时刻的误差信号，K_r 为重复控制器增益，N为一个控制周期内的采样点数。对于 soHz 电网，若采样周期取 100μs ，则每周期采样数 N=200. 。重复控制的物理意义在于，新一周期的控制量输出在上一周期控制量的基础上，叠加了本周期的误差校正量，而这一修正过程可周而复始，直至消除周期扰动的影响。

（三）系统的整体控制策略

综合考虑并网运行的稳定性、电能质量、控制精度等多方面指标要求，光伏发电系统宜采用多层次配合、协同优化的整体控制策略。在顶层设计中，需要解决光伏组串的最大功率点跟踪（MPPT）与有功功率－电压（P-V）

控制、无功功率－频率（Q-f）控制等电能管理问题，进而生成下发给逆变器的有功－无功电流给定指令。随后在逆变器层面，通过电网电压前馈解耦、并网电流重复控制、电流环PWM调制等一系列控制措施的级联组合，最终实现高品质并网电流的精准控制。整个闭环控制系统的数学模型可概括为：

其中 G_ff （s）为前馈传递函数， G_c （s）为电流控制器传递函数， G_pwm （s）为PWM调制传递函数， GL (s ）为滤波电感传递函数。通过优化各传递函数参数，实现系统的高性能并网运行。为达到满意的阶跃响应性能，一般取电流环控制带宽不低于 1kHz ，超前校正时间常数与并网电感时间常数相当，重复控制器增益Kr介于 0.1～0.5 之间。进一步地，可在电流环外侧串联功率外环，实现直接功率控制，并采用SVPWM等策略优化逆变器调制，以期进一步改善并网性能。

三、光伏发电并网控制的保障措施

（一）优化逆变器控制算法，提高鲁棒性

针对光伏发电系统的实际运行工况，逆变器控制算法的优化设计应着眼于应对多变的外部条件，提升控制策略的鲁棒性，确保并网性能的可靠稳定。首先，考虑到光照强度、环境温度等因素的波动会引起光伏组串输出功率的动态变化，逆变器控制算法宜引入自适应机制，实时调整控制参数，以适应外部扰动，譬如可采用自适应PI控制、模糊自整定PID控制等方法，根据光伏组串输出电压、电流的变化趋势，动态优化控制器增益系数，从而抑制因光照、温度波动引起的直流侧扰动；其次，考虑到实际并网点处的电网阻抗并非恒定不变，若控制参数固定，可能引起并网点电压的涌升或塌陷，进而导致并网电流失真，甚至引发并网保护措施动作而造成离网。对此需要在逆变器控制中融入电网阻抗在线估计模块，依据电网等效电感或短路容量的变化，自适应调节电流环控制器参数，尤其是PWM降压比，以维持并网点电压的恒定[2]。

（二）加强电网适应性研究，确保无功支撑

大规模集中式光伏电站并网后，往往改变了局部电网的潮流分布和电压分布，对区域电网的暂态稳定性、电压稳定性产生显著影响。一方面，通过合理配置光伏电站的有功－无功投切运行模式，可实现光伏发电对电网的有功调频和无功支撑，例如可采用虚拟同步发电机（VSG）控制策略，使光伏逆变器呈现出与同步发电机相似的惯性和阻尼特性，通过调节光伏电站无功输出，维持并网点电压稳定，提高光伏渗透率；另一方面，光伏电站可通过与储能单元协同控制，平滑光伏出力，缓解电网调峰压力，通过优化储能装置的充放电控制策略，可削峰填谷，维持光储联合出力平稳，减轻电网调峰压力，例如一项针对 20MW光伏电站并网的研究表明，配置5MWh储能，采用平抑功率波动的储能控制策略后，光储系统并网点 15 分钟有功功率波动率可由 12.6% 降低至 4.3% ，大幅改善了光伏出力特性，减轻了电网调峰压力。

结束语

综上所述，光伏发电并网控制需在逆变器层面优化控制策略，电网层面加强适应性研究，系统层面完善运行监测，多维度协同保障光伏安全并网，未来应进一步突破柔性并网控制、智能在线诊断等关键技术，并加强光伏、储能、智能负荷的协同优化调度，以提升光伏发电并网效益，促进能源电力系统的清洁低碳转型。

参考文献：

[1]张辛萌，吴文博，丁广乾.两级光伏并网发电系统控制策略研究[J].山东电力高等专科学校学报，2024，27（04）： 34-39+50 .

[2]王延齐，高长伟，李东宇，等.光伏发电系统双闭环控制及并网稳定性研究[J].辽宁科技学院学报，2024，26（02）： .