光伏逆變器接入智能電網的要求和技術探討

無錫馬丁格林光伏科技有限公司 ■ 徐獻豐 陳曉高 熊保鴻

0 引言

近年來，智能電網正逐步成為電力領域的研究熱點，如何使智能配電網健康快速地發展，也成為電力工作者越來越關注的問題。智能配電網的重要特征之一就是可支持大量分布式發電系統的合理并網(示意圖見圖1)，其不但具備投資少、發電靈活、環境兼容等特點，還能提高和完善需求側響應與管理功能，完全符合智能配電網框架的發展要求[1]。光伏逆變器作為一種重要的分布式電源，正逐漸從獨立發電模式朝大規模并網方向發展，隨著光伏并網發電系統的不斷增加，其對我國電網的穩定可靠運行及實現電網智能化既具有顯著影響，也具有重要意義。由于光伏發電系統的隨機性和間歇性，在大規模并網過程中將對配電系統結構和運行等方面產生顯著影響。本文以光伏發電系統接入配電網的影響為出發點，從光伏逆變器的角度來探討光伏系統接入智能電網后需解決的關鍵技術問題。

圖1 微電網系統示意圖

1 光伏逆變器接入智能電網的要求

光伏并網逆變器接入配電網后會帶來各種擾動，影響系統電能質量，主要體現在電壓閃爍和諧波、電壓脈沖、浪涌、電壓跌落、頻率偏移、瞬時供電中斷等動態電能質量問題。這對未來的逆變器提出了以下要求：

1)支持電網智能調度。應用該逆變器的光伏電站系統支持電網的智能管理，系統結構如圖2所示。該光伏逆變器并網后，能接受電網調度中心的遠程控制信號，可向電網注入有功功率的同時提供無功補償，增強電網的調度能力；具有電網過頻時有功降低調節能力，保證與電網的協調可靠運行；同時還具有低電壓穿越能力，短時穿越電網故障，為電網提供動態支撐。

2)支持微網運行控制。實現與大電網對等的即插即用，可方便與其他分布式電源組成微網；具備多機并行群控模式，確保微電網中各并網逆變器的協調控制，并使由該逆變器組成的光伏電站系統的發電效率最優化。

圖2 支持電網智能管理的光伏電站系統

3)兼容遠程監控。要求具有多種可選的傳輸方式，如RS232、RS485、以太網、Wi-Fi、Bluetooth等，設有多種統一的通訊接口，可根據現場情況進行靈活組網，可方便地通過手機短息、電子郵件、因特網頁等實現對遠程任意節點的訪問，方便用戶對由該逆變器組成的光伏電站系統進行遠程控制和數據監控，如圖3所示。

圖3 光伏電站控制及監控系統

2 光伏逆變器接入智能電網的關鍵技術

2.1 有功調節和無功補償技術

為了滿足對電網的調峰調頻作用，要求接入電網的光伏逆變器可接受電網調度信號進行有功調節，并且具有有功過頻降額功能。另外，為了抑制電網電壓的大幅度波動，要求光伏逆變器具有一定無功補償能力，即在電網電壓低時可向電網注入無功以提高電網電壓，或電網電壓高時可吸收無功以降低電網電壓。為了實現光伏逆變器的有功和無功控制，硬件結構上，基本是采用經典的三相全橋逆變電路。軟件算法上，最常用的方法就是采用基于矢量變換的解耦控制，再通過PI控制器進行電流環跟蹤控制，PI控制器表達式見式(1)。該方法在電網正常情況下具有很好的控制效果，但是在電網不平衡情況下，由于負序分量的存在，經過dq變換后d軸會有二次諧波分量，使得該方法存在一定的系統穩態誤差。

其中：GPI表示比例積分控制器傳遞函數；KP表示比例積分系數；KI表示積分比例系數。

為了克服這一問題，比例諧振控制器(PR)和重復控制器(RP)可實現無靜差跟蹤。

比例諧振控制的思想主旨是在控制器傳遞函數的jω軸上加入兩個固定的閉環極點，形成該頻率下的諧振，同時利用諧振增大固定頻率的增益(理論上，諧振使得該設計下的增益趨于無窮大)，從而實現該頻率下指令信號的無靜差跟蹤[2]。比例諧振控制器表達式如下：

其中：GPR表示諧振控制器傳遞函數；KR表示諧振系數；ω表示角頻率。

比例諧振控制不僅可對特定頻率下基波電流精確跟蹤，當結合鎖相環PLL技術時，還可應用于對3次、5次、7次諧波補償，在PR控制器中并聯加入式(3)的分量即可。

2.2 低電壓穿越(LVRT)技術

為了保證系統在電網電壓跌落后快速作出故障穿越反應(即根據電壓跌落深度向電網注入無功，抬高電壓以幫助電網恢復)，要求具有快速的電網電壓跌落檢測技術。常規的電壓跌落檢測方法有：有效值(RMS)計算和相序分解法。

對于RMS法，是通過計算T/2周期內每個線電壓(p2p)的有效值來判斷電壓跌落：

對于相序分解法，是通過Clarke變換，把零序(ZS)分量分離出來，在αβ坐標系下僅剩正序(PS)和負序(NS)分量，再通過不同的正負序分離手段得到PS和NS分量，最后通過PS的變化來檢測電壓跌落。αβ坐標系下正負序分離的方法有1/4周期法(T/4)、微分法(DT)和二階廣義積分法(SOGI)[3-4]。

T/4法是通過自延遲1/4周期，因此對周期性信號具有抵消能力，但同時減弱了抗擾精度，通過式(5)得到PS和NS分量：

DT法是通過對信號取微分來建立正交分量，這使得該方法對諧波非常敏感。數學表達式如式(6)：

SOGI法是通過二階廣義積分器來建立正交分量，分解方程如式(7)：

圖4給出了以上4種方法在電網電壓跌落至50%且THD值為5%時的檢測結果，可看出：T/4法具有不連續性；DT法對諧波較敏感；SOGI法速度慢，但是在噪聲和畸變條件下具有很好的穩定性和抗擾性；RMS法在各種條件下都具有較好的檢測效果。

2.3 支持微電網運行控制

圖4 電網電壓跌落檢測方法對比

分布式發電以其諸多優點受到了廣泛關注，尤其是光伏發電系統近年來得到了快速發展。但是，當電力系統發生故障時，分布式電源必須馬上退出運行，這使得分布式電源的效益未得到充分發揮。微網技術的出現可解決這一問題，微電網是在分布式發電基礎之上形成的一種新型供電方式，通過電力電子裝置和儲能設備實現功率變換和靈活控制，既可單獨為本地網絡負載供電(孤島模式)，又可與配電網連接并網運行(并網模式)的一種供電網絡形式[5]。電網正常情況下，微電網可運行并網模式；電網出現故障，微電網可及時與電網斷開而運行孤島模式，以維持本地網絡電壓幅值頻率穩定，保證負載可靠供電。

2.3.1 孤島檢測技術

微電網靈活控制的關鍵問題之一是孤島檢測，孤島檢測方法一般可分為無源法和有源法。無源法檢測基本電氣量的特性，如電壓幅值(過壓/欠壓)、相位(相位突變)、頻率(高頻/低頻、頻率變化率)、諧波畸變率、不平衡度、功率變化率和頻率功率變化率等，其特點是對電能質量無影響，但存在孤島檢測盲區。有源法通過有源擾動或正反饋引發系統偏離正常穩定工作點，從而實現孤島檢測。有源擾動量包括電流幅值、相位和頻率、電流諧波、輸出有功和無功功率等，其特點是可減小或消除孤島檢測盲區。

然而，微電網孤島運行控制要求維持系統電壓幅值頻率正常且穩定。如果采取傳統破壞性無盲區孤島檢測方法，雖然可檢測到孤島的發生，但此時系統電壓幅值或頻率處于故障運行范圍，在由并網運行模式向孤島運行模式切換的過渡過程中，可能會由于參考電壓(正常)和實際電壓(故障)差別大而出現較大暫態過程(如過壓或過流現象)。為了避免此類情況的出現，需微電網在不破壞電壓前提下仍能檢測到孤島的發生，即微電網要求具有無盲區且非破壞性孤島檢測的功能。一種基于負序電壓正反饋的孤島檢測方法[6]可滿足這一要求，該方法在電壓處于正常運行范圍的情況下仍可快速有效地檢測到孤島的發生，從而實現非破壞性無盲區孤島檢測。此外，其在電網單相和兩相斷路情況下仍然有效。

圖5所示為基于負序電壓正反饋孤島檢測方法的逆變器并網控制原理圖。

圖5 基于負序電壓正反饋孤島檢測方法的逆變器并網控制原理圖

2.3.2 電壓和頻率控制技術

當光伏發電系統接入微網后存在并網和孤島兩種運行模式。并網運行時，微網內的各PV發電單元只需控制功率流的輸出以保證微網內部功率的平衡[7]。由于微網的總體容量相對于電網較小，因此電壓水平和額定頻率都由電網進行支持和調節。孤島運行時，微網與電網連接斷開，此時微網內部要保持電壓和頻率的額定值，需某個或某幾個光伏發電單元或微網內其他的分布式電源擔當電網的角色來提供額定電壓和頻率。 對于微網運行控制通常采用電壓/頻率(V/f)和下垂(Droop)控制策略。

1) V/f控制策略：是利用逆變器反饋電壓以調節交流側電壓來保證輸出電壓的穩定，常采用電壓外環電流內環的雙環控制方案。電壓外環能保證輸出電壓的穩定，電流內環構成電流隨動系統能大幅加快抵御擾動的動態過程。電壓電流雙環控制充分利用系統的狀態信息，不僅動態性能好，穩態精度也高。同時，電流內環增大逆變器控制系統的帶寬，使逆變器動態響應加快，對非線性負載擾動的適應能力加強，輸出電壓的諧波含量減小。

2) Droop控制策略：微網中各并聯逆變單元(PV發電單元或其他分布式電源)可通過檢測本單元的輸出功率大小，根據自身容量把頻率與幅值兩個要素通過輸出的有功功率和無功功率進行近似解耦控制。各逆變單元通過下垂控制得到輸出電壓頻率和幅值的指令值，然后各自反相微調其輸出電壓幅值和頻率，達到系統有功和無功功率的合理分配。輸出有功功率大的逆變電源，通過頻率下垂特性減小其輸出頻率，從而減少其有功功率輸出；輸出有功功率小的逆變電源，通過頻率下垂特性增大其輸出頻率，從而增加其有功功率輸出。輸出無功功率大的逆變電源，通過幅值下垂特性降低其電壓幅值，從而減小其輸出無功功率；輸出無功功率小的逆變電源，通過幅值下垂特性抬高其電壓幅值，從而增大其輸出無功功率。這種自我調節過程將一直持續下去，直到微網系統達到平衡點。

2.4 潮流控制

光伏發電系統接入配電網后，特別是從負荷側接入后，往往會導致整個網絡的負荷分布發生變化。此外，光伏發電系統的隨機變化特性會導致并網后的各種負荷分布情況交替出現，這使系統潮流也具有一定隨機性，此時傳統潮流算法將不再適用[8]。因此，有必要提出新的潮流分析和控制方法。

3 結論

光伏逆變器并入智能電網會帶來的系統問題還需在實踐基礎上進行深入探討，除了文中所述部分，還涉及配電系統的規劃、運行、管理等多個方面。光伏發電系統作為一種重要且極受歡迎的分布式電源，應該納入建設堅強智能配電網的總體研究框架中。從基礎問題入手，以高層次優化應用為目標，以良好的實驗環境為科研平臺，進一步開展多方面實用化研究，以滿足智能配電網的發展需求。

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