光伏發電站高電壓穿越研究綜述

樊世超++趙丹

摘 要：文章在對最近頒布的光伏并網標準中新增的高電壓穿越相關要求進行分析的基礎上，對目前研究相對較少的光伏發電站高電壓穿越研究進展進行綜述。分別從光伏發電站的高電壓穿越相關并網標準對比、測試平臺原理以及光伏高電壓穿越的控制策略三方面進行了分析與闡述，可為今后開展更為深入的光伏高電壓穿越研究提供參考。

關鍵詞：光伏電站；高電壓穿越；并網標準

中圖分類號：TM61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0180-02

1 概述

近年來并網光伏發電的發展速度十分迅猛，光伏發電占總發電裝機容量的比例日益增高。鑒于光伏發電具有隨機性和間歇性的特點，其并網特性和控制策略與常規發電機組存在較大的差異，為此國家頒布了一系列的光伏并網規定，并且隨著實際工程運行經驗的積累，相應標準也在不斷補充和完善。目前光伏發電站的低電壓穿越特性與控制策略已得到了較為廣泛和深入的研究[1]，而光伏發電站的高電壓穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）研究則尚處于剛起步的階段[2]。國家電網公司于2016年12月頒布實施的修訂版《光伏發電站接入電網技術規定》（Q/GDW 1617-2015）中明確增加了光伏高電壓穿越的相關要求[3]，同時也有一部分學者對并網逆變器的高電壓穿越進行了相應的前瞻性研究[4]。本文將重點對光伏高電壓穿越的并網標準和測試平臺原理以及高電壓穿越的控制策略進行對比介紹，最后對光伏電站高電壓穿越研究進行總結展望。

2 光伏高電壓穿越的并網標準

光伏電站在運行過程中遇到負荷突然切除、單相接地引起的非故障相電壓升高、短路故障恢復期間以及電容器投入切除不合理時，光伏電站并網點電壓都可能會出現高于額定值運行的情況，嚴重時會造成光伏電站脫網，對光伏電站自身和電網的安全穩定運行產生威脅。光伏發電站的高電壓穿越是指當電力系統事故或擾動引起光伏發電站并網點電壓升高時，在一定的電壓升高范圍和時間間隔內，光伏發電站能保證不脫網連續運行[3]。

國外提出新能源場站的高電壓穿越技術規定的時間相對較早，典型的標準規定如下：澳大利亞的NER標準規定新能源場站在并網點電壓大于1.3p.u時至少保持并網60ms，并網點電壓在1.1-1.3p.u.期間至少保持并網900ms[5]。德國E.ON標準規定當新能源場站并網點電壓大于1.2p.u.時至少保持并網0.1s[6]。美國WECC標準規定并網點電壓大于1.2p.u.時可以退出運行，在1.175-1.2p.u.之間應能保持并網大于0.1s，在1.15-1.175p.u.之間應能保持并網大于2s，在1.1-1.15p.u.之間應能保持并網大于3s[7]。

最新頒布的《光伏發電站接入電網技術規定》中參考了國際上光伏發電發達國家有關高電壓穿越的技術規定，對光伏電站的高電壓穿越進行了相應規定。光伏發電站高電壓穿越的運行時間要求如表1所示。

同時要求光伏發電站在HVRT期間具有有功功率連續調節能力和向電網注入無功電流的能力。光伏發電站要求具有一定數量的動態無功補償裝置，并且能適應各種電網運行方式的變化和運行控制的要求，與高電壓穿越的要求相匹配。不同電壓水平下動態無功補償裝置的運行時間要求如表2所示。

表2 不同電壓水平下動態無功補償裝置運行時間要求

光伏發電站高電壓穿越和低電壓穿越的電壓要求曲線如圖1所示。圖中a曲線為光伏發電站高電壓穿越的要求曲線；b曲線為光伏發電站低電壓穿越的要求曲線。隨著光伏并網規模的不斷擴大，光伏電站同時具有高電壓和低電壓穿越能力是新的發展趨勢和客觀要求。

3 光伏高電壓穿越測試平臺分析

光伏逆變器高電壓穿越測試平臺基于阻抗/阻容分壓原理，其產生的電壓升高特性接近實際電網故障時的電壓升高特性，能準確反映故障器件與電網之間的相互影響與作用。測試平臺的原理圖如圖2所示，其中電壓升高裝置通過調整電阻、電容的參數和控制開關投切來產生測試用電壓值，能模擬三相對稱、單相以及兩相電壓抬升時的運行工況。

4 光伏高電壓穿越控制策略分析

4.1 增加高電壓穿越輔助設備

根據相應輔助設備種類的不同可以分為主動式和被動式兩類：其中主動式輔助設備主要包括SVC、SVG等動態無功補償裝置以及儲能裝置，通過輔助設備的動態調整來減少光伏電站并網點的電壓升高程度，可以等效視為光伏電站與電網系統近似“隔離”起來；被動式輔助設備主要包括直流側卸荷電路，通過調整直流側電壓來實現穩定HVRT期間并網點電壓的目的。

通過增加輔助設備來實現高電壓穿越是實際運行中的一種有效策略，并且上文的并網標準分析中也對于動態無功補償裝置的運行時間要求做出了相應的說明。該方法的缺點是會增加設備成本，通常與改善光伏逆變器的控制策略配合使用以實現高電壓穿越。

4.2 改善光伏逆變器的控制策略

目前通過改善光伏逆變器的控制策略來實現高電壓穿越主要有以下兩種思路：一是使光伏逆變器在容量允許的范圍內吸收一定量的無功功率，來降低并網點電壓；二是適當提高直流側電壓的參考值，減小直流側的電壓波動。文獻[4]對于逆變器在HVRT期間逆變器向電網輸送無功功率和提高直流側電壓參考值進行了定量的分析計算。文獻[8-10]對與光伏逆變器的控制策略十分相近的直驅變流器HVRT控制策略進行分析，其在HVRT期間的控制策略值得參考借鑒。下面將分別對于上述兩種HVRT控制策略進行詳細分析：

（1）HVRT期間逆變器吸收無功功率

光伏逆變器在正常運行狀態時處于單位功率因數狀態，僅向電網輸送有功功率。對于目前研究較為成熟的低電壓穿越，在故障期間可利用逆變器的最大輸出容量向電網輸送一定量的無功功率來提供電壓支撐；同樣對于研究尚處于起步階段的高電壓穿越，在HVRT期間可利用光伏逆變器的最大輸出容量吸收一定量的無功功率來減少并網點的電壓升高。endprint

其中IqrfH為HVRT期間的無功電流參考值，I'2為光伏逆變器的最大允許輸出電流，K為并網點的實際電壓與額定電壓的比值。具有HVRT功能的光伏逆變器控制模式切換結構框圖如圖3所示。

（2）提高直流側電壓參考值

為了使HVRT期間光伏逆變器直流側的電壓波動減小，從而得到更為穩定的并網點輸出特性，可通過提高直流側的電壓參考值來實現。HVRT期間的直流側電壓參考值UdcrefH如下：

（3）

其中，Udcref為直流側在HVRT前的電壓參考值；△U為HVRT期間電壓參考值的增量，其因逆變器種類和運行工況的不同而取不同的數值。

5 結束語

基于最近頒布的光伏并網標準中新增的對高電壓穿越的相關要求，本文對光伏發電站的高電壓穿越相關并網標準、測試平臺原理以及光伏高電壓穿越的控制策略進行了分析與闡述。隨著光伏并網規模的快速增長，光伏發電站同時具有高電壓和低電壓穿越能力非常必要，本文較為系統地歸納總結了目前國內外光伏高電壓穿越的研究進展，可為今后開展更為深入的光伏高電壓穿越研究提供參考。

參考文獻：

[1]賈利虎，朱永強，孫小燕，等.基于模型電流預測控制的光伏電站低電壓穿越控制方法[J].電力系統自動化，2015，39（7）：68-74.

[2]張陽.光伏并網逆變器的高電壓穿越控制[D].合肥：合肥工業大學，2014.

[3]Q/GDW 1617-2015.光伏發電站接入電網技術規定[S].

[4]鄭重，耿華，楊耕.新能源發電系統并網逆變器的高電壓穿越控制策略[J].中國電機工程學報，2015，35（6）：1463-1472.

[5]Australian Energy Market Commission National electricity rules Chapter 5 grid connection [S].Sydney，Australia：AEMC，2012.

[6]E.ON Netz.Grid code high and extra high voltage[S].Bayreuth，Germany：E.ON Netz GmbH，2006.

[7]Western Electricity Coordination Council （WECC）.Low voltage ride through standard [S].New York，USA：WECC，2005.

[8]郜亞秋，許恩澤，孫健，等.直驅變流器高電壓穿越控制策略研究[J].電器與能效管理技術，2015（12）：50-54.

[9]喻俊鵬，黃峰一，胡斌.全功率風電系統高電壓穿越的仿真與實驗研究[J].電源學報，2016，14（5）：145-149.

[10]艾斯卡爾，朱永利，王海龍.永磁直驅風電機組HVRT功能開發及其檢驗[J].電力自動化設備，2016，36（12）：18-23.endprint