太陽能發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述

楊董

摘 要：最近幾年，隨著光伏設(shè)施裝機量日益提升，太陽能發(fā)電占據(jù)供電的比例愈來愈大，在電網(wǎng)出現(xiàn)異常情況或是電壓出現(xiàn)突發(fā)性陡降時，光伏陣列就有很大幾率發(fā)生解列現(xiàn)象，導(dǎo)致電網(wǎng)整體出現(xiàn)嚴重的不穩(wěn)定問題，還有可能致使電網(wǎng)的完全癱瘓，本文介紹了目前國內(nèi)外的一些光伏逆變器低電壓穿越的處理措施與控制方案，重點闡述了對于操作無功電流達成電壓支承的解決措施。

關(guān)鍵詞：低電壓穿越；電壓；光伏；太陽能發(fā)電

在當(dāng)今世界能源短缺與生態(tài)問題飽受關(guān)注的當(dāng)今，太陽能這種能源，以其天然、清潔、不會消失殆盡的特點迅速占領(lǐng)了發(fā)電市場，光伏電站裝機量不斷增加，特別是在西方發(fā)達國家中，太陽能發(fā)電占電網(wǎng)供電比重逐年上升。大容量光伏并網(wǎng)是這一技術(shù)發(fā)展的未來方向，而隨著這一技術(shù)的不斷投入，人類必須考慮電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，光伏電站的每種運行情況對電網(wǎng)穩(wěn)定所帶來的問題，故而很多國家電網(wǎng)公司都按其現(xiàn)實狀況對光伏并網(wǎng)做出了嚴苛的技術(shù)規(guī)范[1]。主要有低電壓穿越、無功操控、有功功率改變率操控等。這里的低電壓穿越被看做是光伏并網(wǎng)設(shè)施在技術(shù)上的最嚴峻的挑戰(zhàn)，關(guān)乎到光伏發(fā)電能否廣泛應(yīng)用。而低電壓穿越，指光伏并網(wǎng)點電壓降低時，光伏設(shè)備可以維持并網(wǎng)，最好能為電網(wǎng)輸出一些無功功率，支承電網(wǎng)恢復(fù)運轉(zhuǎn)從而“穿越”整個低電壓區(qū)域。電壓跌落會為設(shè)備造成連鎖性的暫態(tài)，譬如出現(xiàn)過電壓、過電流等問題，破壞光伏設(shè)備和其控制體系的穩(wěn)定工作。

一、大型光伏系統(tǒng)理論分析

太陽能光伏發(fā)電是建立在光生伏打效應(yīng)上的。通過電池板汲取光子出現(xiàn)電動勢的現(xiàn)象來維持發(fā)電。光伏陣列所產(chǎn)生的直流電經(jīng)由電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)變成合乎要求的交流電，然后在籍由變壓器通入到電網(wǎng)中。而對容量較大的MW級電站，一個系統(tǒng)包含多個變換模塊，構(gòu)成一個集群，籍由一些的集群操控策略讓逆變器保持并聯(lián)工作，形成光伏電站的各個子系統(tǒng)間收到其的總控中心協(xié)調(diào)，并維持通信。按照運行情況的差異，各個逆變器與變壓器可有多樣投運策略，從而化解低日照期變換效率的問題，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。

二、低電壓穿越能力與電壓控制

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)，也就是逆變器和電網(wǎng)并聯(lián)工作，濾波支路的容量十分小，而線路的阻抗大多是呈現(xiàn)在感性上。逆變器產(chǎn)生視在功率是：

（1）

上式X是逆變器輸出的阻抗；δ是其E1和E間的夾角。逆變器輸出的有功與無功兩種功率分別是：

（2）

那么逆變器所提供的有功功率隨功角δ所變化，而無功功率取決于輸出的電壓幅值X1，那么，逆變器所輸出電壓的相位和幅值和它產(chǎn)生的有功/無功功率趨近于線性耦合。逆變器產(chǎn)生的電壓幅值能夠直接把控，而相位可籍由調(diào)節(jié)輸出的頻率以達成。籍由逆變器產(chǎn)生電壓幅值就能起到調(diào)整輸出無功功率的效果，籍調(diào)整頻率就可實現(xiàn)提供有功功率的效果[2]。

從直流側(cè)來看，光伏電池陣列工作點處的電壓決定了其輸出的電流，換而言之也就是確定了逆變器的輸入功率。從交流側(cè)而言，電網(wǎng)能夠被看做是恒壓電源，并網(wǎng)功率可通過并網(wǎng)電流的值來表現(xiàn)。

低電壓穿越是對并網(wǎng)光伏設(shè)備于電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落或是問題時還能保障并網(wǎng)的一個特別的運行功能需要。各個國家對于低電壓穿越的要求都有所差異。

三、達成低電壓穿越的基本策略

（一）基于儲能設(shè)備的處理方案

此設(shè)備的控制原理與拓撲描述如下圖所示，AC/DC所取得的交流電能質(zhì)量能夠獲得顯著改良[3]。一般狀況下，即電網(wǎng)沒有出現(xiàn)問題時，電網(wǎng)為超級電容提供電；若電網(wǎng)出現(xiàn)故障，那么超級電容器就輸出點為并網(wǎng)點提供能量，輸出并網(wǎng)點的支承電壓，能夠一直讓光伏設(shè)備保持并網(wǎng)穩(wěn)定工作。

（二）基于無功補償設(shè)施的低電壓穿越達成處理方案

電網(wǎng)側(cè)若出現(xiàn)瞬時的故障，光伏電站自身無法輸出瞬時的電壓支承，此時容性動態(tài)無功補償裝置就特別重要[4]。而且，容性動態(tài)無功補償設(shè)計能明顯提升光伏電站中各個母線的電壓，提升光伏電站低電壓穿越作用。

當(dāng)因為天氣情況改變導(dǎo)致光照出現(xiàn)改變時，光伏電站出力出現(xiàn)改變，進而導(dǎo)致公網(wǎng)接入點的電壓出現(xiàn)變化[5]。故此光伏發(fā)電體系和各種分布式電源相同，需要配置對應(yīng)容量的容性與感性非靜態(tài)無功補償設(shè)備，以遏制公網(wǎng)接入點部分母線電壓出現(xiàn)變化。裝設(shè)動態(tài)無功補償設(shè)備后，逆變器輸出電壓能大致穩(wěn)定。

這一處理方案使動態(tài)無功補償裝置能夠使用SVC，盡管動態(tài)性能略有瑕疵，故障時的反向沖擊電壓稍大，不過可以達成工作需要[6]。由于SVG的價格的已經(jīng)開始下降，未來也可使用STATCOM這類等新型的動態(tài)無功補償設(shè)施，以提升光伏電站全面動態(tài)響應(yīng)能力。

四、基于無功電流電壓支承的處理方案

使用SOGI措施，對電網(wǎng)的電壓做采樣，進而達成序分量的分解。一般來說T/4方法效率較高，不過僅是對于周期信號時才能發(fā)揮特點。故而噪聲與有些諧波會使其性能受影響。分解得到的正序分量被送到PLL以達成同步與穩(wěn)定化，并在電網(wǎng)故障環(huán)境中處于無功電流方向。2個電流限值標準被遵行。第一，在直流Link控制器后，限制針對于額定電流之有功參照；第二，在上面參考后的、針對額定電流的電流矢量總和的限制。直流Link控制器輸出一般電網(wǎng)情況下的有功參考電流與無功參考電流。為加強控制環(huán)的非靜態(tài)特征，可以在PWM調(diào)制信號出現(xiàn)以前加以一電網(wǎng)電壓的前饋控制量。在沒有加電網(wǎng)電壓前饋控制電壓陡降時會致使逆變器產(chǎn)生的電流的迅速加大[8-9]。在加進改進辦法，包含電壓陡降的前饋控制時，所產(chǎn)生的電流能穩(wěn)定于傳送的無功電流范疇當(dāng)中，也能保障硬件裝置不會被過電流。

光伏電源這種大規(guī)模分布式的供電結(jié)構(gòu)，是標準的離散控制結(jié)構(gòu)。接進電力系統(tǒng)的大、中型光伏電站需要有產(chǎn)生有功與無功的調(diào)整效果，且在電網(wǎng)不正常時起支承效果。光伏發(fā)電的隨機工作特點是對電網(wǎng)產(chǎn)生負面影響的主因，其很小的系統(tǒng)慣量嚴重威脅電網(wǎng)穩(wěn)定與問題解決能力[10]。由電子開關(guān)元件組成的逆變器不但是電能質(zhì)量的干涉源，而且能夠通過控制達成無功和諧波補償?shù)男Ч４笮凸夥l(fā)電并網(wǎng)的工作須借助憑借著凈負荷的概念與精準的發(fā)電預(yù)估策略，與一般機組合作以保證供電穩(wěn)定性。在光伏設(shè)施上，高容高效高穩(wěn)定性的變換器是各種產(chǎn)品競爭的中心，只有滿足標準的光伏設(shè)施，才能產(chǎn)出高效的、對電網(wǎng)友好的能源。本文闡述達成低電壓穿越一些途徑，并闡述了國內(nèi)外研究的低電壓穿越達成的具體方式與達成手段。這一分析一樣適于各種分布式電源，能夠為以后我國建立大規(guī)模光伏電站提供參考。

參考文獻：

[1]陳波， 朱曉東， 朱凌志，等. 光伏電站低電壓穿越技術(shù)要求與實現(xiàn)[J]. 電氣應(yīng)用， 2014， 33（1）：76-80.

[2]施向前， 耿乙文， 黃尊臣，等. 光伏電站低電壓穿越技術(shù)研究[J]. 電測與儀表， 2015， 52（8）：61-66.