太陽能發電低電壓穿越技術綜述

甄曉亞，尹忠東,王云飛，孫舟

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206）

太陽能發電低電壓穿越技術綜述

甄曉亞，尹忠東,王云飛，孫舟

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206）

在當今世界能源危機和環境問題備受關注的今天，太陽能作為一種取之不竭用之不盡的能源，其發電市場發展迅猛,光伏電站裝機容量逐年上升,尤其是在歐美的一些發達國家,光伏發電所占電網供電比例不斷提高。大容量光伏并網是新能源發展的重要趨勢，伴隨著大容量光伏的投入，因此，必須考慮電網故障時光伏電站的各種運行狀態對電網穩定性的影響，因此各國電網公司根據各國情況對光伏并網提出了嚴格的技術要求。包括低電壓穿越能力、無功控制能力、有功功率變化率控制。其中低電壓穿越能力（LVRT）被認為是光伏并網設備設計制造控制技術上的最大挑戰之一，直接關系到光伏發電的大規模應用[1-4]。低電壓穿越LVRT,指在光伏并網點電壓跌落的時候,光伏設備能夠保持并網,甚至向電網提供一定的無功功率,支持電網恢復,直到電網恢復正常,從而“穿越”這個低電壓時間(區域)。電壓跌落會給設備帶來一系列暫態過程,如出現過電壓、過電流等,嚴重危害光伏設備本身及其控制系統的安全運行[5-8]。

1 大型光伏系統理論分析

太陽能光伏發電是基于光生伏打效應，利用太陽能電池板吸收光子產生電動勢的的現象進行發電[9-13]。太陽能光伏陣列發出的直流電經過電力電子變換裝置轉換為符合規定的交流電，直接或通過變壓器接入電網。對于大容量兆瓦級的光伏電站，整個系統有若干個變換模塊形成一個集群，通過一定的集群控制方案使逆變器并聯運行，構成光伏電站的多個子系統之間受特定的中央控制中心指揮，相互協作并保持通訊[14-16]。根據運行狀況的不同，各臺逆變器和變壓器可以有多種投運方案，進而解決在低日照時的變換效率問題，保證系統的可靠性[17-18]。

圖1為典型的大型光伏并網發電系統原理圖。如圖1所示,大型光伏系統主要包括光伏電池系統、直流/交流轉化系統、交流并網系統和控制系統、濾波系統5大部分。光伏電池系統將光能轉化為直流電能;直流電能經逆變器轉化為并網交流電能;交流并網系統主要解決光伏電站的并網措施;控制系統則為光伏電站提供所需的控制信號及保護措施;濾波系統包括直流濾波環節和交流輸出濾波環節,從硬件上減小直流輸入擾動和交流輸出諧波。

2 低電壓穿越能力和電壓控制策略

光伏系統并網即逆變器與電網并聯運行,濾波支路容量相對較小,線路阻抗主要呈現為感性。逆變器輸出視在功率為：

式中，X為逆變器輸出阻抗;δ為逆變器輸出電壓矢量E1與電網電壓矢量E之間的夾角。

逆變器輸出有功功率和無功功率為

則逆變器輸出有功功率受功角δ的影響,無功功率決定于輸出電壓幅值X1，因此,逆變器輸出電壓的相位與幅值與其輸出有功功率和無功功率近似線性耦合。逆變器輸出電壓幅值可以直接控制,而相位可以通過調節輸出頻率來實現。通過逆變器輸出電壓幅值即可達到調節輸出無功功率的目的,通過調節頻率可以達到輸出有功功率的目的。

從直流側來看,光伏電池陣列工作點處的電壓決定了其輸出電流,即決定了逆變器輸入功率。從交流側來看,電網可以看成恒壓電源,并網功率可由并網電流的大小來體現。

LVRT是對并網光伏設備在電網出現電壓跌落或故障時仍保持并網的一種特定的運行功能要求。不同國家（和地區）所提出的LVRT要求不盡相同。

由于全世界還未制定出光伏并網的低電壓穿越標準，這里我們可以參考風電廠的低電壓穿越標準。圖2所示為光伏低電壓穿越的電壓邊界要求。這個標準中的電壓輪廓線是針對光伏設備并網點的電壓而言。電壓跌落前，光伏設備并網點電壓維持在額定水平。0s時電網發生短路故障引起電壓跌落，不低于額定電壓的15%時，在150ms時間范圍內光伏設備必須保持并網運行；另外當光伏設備并網點電壓在電網故障3s恢復至額定電壓的90%以上時，此過程中風電場必須保持并網運行。

3 實現低電壓穿越的典型方案

3.1 基于儲能設備的解決方案

該設備的基本控制策略和拓撲描述如圖3所示，AC/DC得到的交流電能質量可以得到明顯改善，正常情況下也就是電網未發生故障時，電網給超級電容充電;當電網發生故障時，超級電容器放電給并網點注入能量，提供并網點的支撐電壓，可以繼續使光伏設備并網工作正常運行。

3.2 基于無功補償設備的低電壓穿越實現解決方案

電網側發生瞬時故障時,光伏電站本身不能提供瞬間的電壓支撐,容性動態無功補償裝置尤為必要。同時,容性動態無功補償裝置可顯著提高光伏電站各母線電壓,增強光伏電站低電壓穿越能力[19-20]。

當由于天氣狀況變化引起光照發生變化時,光伏電站出力發生變化,從而引起公網接入點電壓波動。因此,光伏發電系統同其他分布式電源一樣,必須配置相應容量的容性和感性動態無功補償設備,以抑制公網接入點處母線電壓波動。裝設動態無功補償裝置后,逆變器輸出電壓基本恒定。

該種解決方案是動態無功補償裝置可以采用靜止無功補償器（SVC）,雖然動態性能略差,故障時反向沖擊電壓略大,但能滿足運行要求。考慮到動態無功補償裝置(SVG)價格的逐步降低,今后也可考慮采用（STATCOM）等新型動態無功補償設備,以提高光伏電站整體動態響應性能。

3.3 基于無功電流電壓支撐的解決方案

如文獻[21,23]所述，絕大多數的電網公司并未定義電壓支撐要求。德國電網公司則對高壓、中壓和低壓電網提出了電壓支撐的要求標準。文獻[23]還包括了對DPGS的最高要求標準。電網規范包括了對電壓支撐的測量。圖2所示為高壓和中壓電網對電壓的要求。電網故障中，當殘余電壓在邊界曲線1之上時不應導致DPGS出錯。在邊界曲線1之下但在邊界曲線2之上，在特定的短時周波內的離網是部分被接受的。在邊界曲線2之下，持續時間超過了1500ms時，DPGS允許離網。圖4所示為電網暫態故障期間所要求的無功電流。特性曲線的斜率和截止帶可能各有不同。該圖也可以作為高電壓穿越 (HVRT)參考。文獻[22]描述了高電壓穿越現象，但其發生的可能性遠遠小于這里所論述的LVRT。德國對電壓支撐無功電流i*R的要求如下：

由此給出K的典型值：K=2。可計算出電網故障發生后的20ms內需要注入無功電流。參考文獻[23]給出了以下結論的詳細證明：如果無功電流的階躍響應具有60ms的峰值時間和沉淀時間，則20ms是必須遵守的，定義誤差帶是設定點的90%～120%，80ms。文獻[22]對無功電流的方向以及電壓正序分量提出了更深入的要求。

式中，UN額定電壓;U0故障前電壓;U瞬時電壓;IN額定電流;IB無功電流;IB0故障前無功電流。

我們選用如圖5所示的控制結構原理。采用SOGI方法對電網電壓進行采樣從而實現序分量分解。上面提到的分化方法由于其對諧波的穩定問題，我們在下面的論述中將其忽略，盡管它是已有的最快速方法。通常所說的T/4方法速度快，但只是針對周期信號時才有優勢。所以噪聲和部分諧波影響它們的性能。分解出的正序分量被送至PLL以實現同步化和穩定化以及電網故障條件下的無功電流方向。兩個電流限值標準被執行。首先在直流Link控制器之后，限制相對于額定電流的有功參考；其次是在上述參考后的相對于額定電流的電流矢量和的限制。直流Link控制器產生正常電網條件下的有功參考電流i*d,DC，參考計算產生P+諧振控制器所需的有功參考電流i*d和無功參考電流i*q（包括LCL濾波器補償）[24]。為了提高控制環的動態特性，我們在PWM調制信號產生之前引入了一個電網電壓的前饋控制量。當未加電網電壓前饋控制電壓跌落時會導致逆變器輸出電流的急劇上升。當加入改進措施包括電壓跌落的前饋控制時，輸出電流可控制在傳送的無功電流范圍之內，同時保護硬件裝置不至于過電流。

4 結語

光伏電源作為大型分布式供電系統,是一個典型的離散控制系統。接入電力系統大中型光伏電站要求具有輸出有功和無功的調節能力，并在電網異常狀態下起到支撐作用。光伏發電的隨機出力特性是對電網造成不良影響的關鍵，其較小的系統慣量直接影響到電網的穩定性和故障恢復能力，由電力電子開關器件構建的逆變器既是電能質量的干擾源，同時也可以依靠控制實現無功和諧波補償的作用。大容量光伏發電并網的運行需要借助于凈負荷的概念和準確的發電預測模型，與常規機組協作以保證供電可靠性。在光伏設備方面，大容量、高效率、強可靠性的電網友好型變換器是各類產品競爭的焦點，只有達到這一標準的光伏設備，才能真正創造高效的綠色清潔能源。本文描述太陽能光伏發電原理和實現低電壓穿越的3種方法，并綜述了國內外提出的一些低電壓穿越實現的具體措施和實現方法，重點分析了無功電流實現低電壓穿越的控制策略。該分析同樣適用于其他分布式電源，可為電網的合理調度和安全經濟運行提供理論依據,供今后全國大型光伏電站建設時參考。

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Overview of Low Voltage Ride Through in Photovoltaic Power Generation

ZHEN Xiao-ya,YIN Zhong-dong,WANG Yun-fei,SUN Zhou
（New Energy Power Systems State Key Laboratory of North China Electric Power University,Beijing 102206,China）

With the expansion of installed capacity of photovoltaic equipment in recent years,solar power generation presents an ever-growing proportion in the total power supply.However,when a failure happens to the power grid,or voltage dips,the PV array may step out to bring instability to the grid or even cause the total paralysis of the grid.This paper overviews three kinds of photovoltaic inverter through the low voltage solutions and control strategies with a focus on analyzing the voltage support solution based on the reactive current control.

low voltage ride through;photovoltaic;solar energy;voltage support

近幾年來伴隨著光伏設備裝機容量的擴大，太陽能發電供電比重越來越大，當電網發生故障或電壓暫降時，光伏陣列可能解列給電網帶來不穩定，甚至造成電網的全面癱瘓，綜述了3種光伏逆變器低電壓穿越的解決方案和控制策略，重點分析了基于控制無功電流實現電壓支撐的解決方案。

低電壓穿越;光伏;太陽能;電壓支撐

1674-3814（2011）08-0065-04

十一五國家科技支撐項目（2007BAA12B03）。

2011-04-29。

甄曉亞（1984—），男，研究方向：新能源并網，短路限流，電能質量。

（編輯 徐花榮）