并網(wǎng)光伏系統(tǒng)低電壓穿越的控制策略研究

劉龍

國投新能源（紅河）股份有限公司，云南紅河，654300

0 引言

近年來，國內工業(yè)進入快速發(fā)展階段，對能源需求量逐漸提高，而天然氣、石油為現(xiàn)代最常用的不可再生資源。根據(jù)專業(yè)人員預測，我國現(xiàn)存石油儲備量只能用到本世紀中期，煤炭資源使用時間相比于其他能源而言年限較長，但始終有用完那天，一旦不可再生資源全部消耗殆盡，會給人們日常生活帶來非常嚴重的影響。因此，政府部門應加強對不可再生資源的控制力度，進一步開發(fā)可再生資源，而太陽光伏作為目前最常見的可再生資源，其具有下面幾種優(yōu)點：第一，安裝和運輸簡單，建設周期較短，未安裝旋轉部件；第二，發(fā)電過程中不消耗任何能源，綠色無噪音；第三，不存在枯竭危險，分布范圍較廣，在全國任何位置都能進行獲??；第四，容易啟動且使用方便，維護便捷。由于太陽能光伏發(fā)電具有各方面的優(yōu)勢，被逐漸普及到發(fā)電當中。

1 網(wǎng)電壓跌落對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的影響

太陽能屬于自然資源，能給人們日常生活帶來源源不斷的能源，但由于其具有較強隨機性，很難受到人為因素控制，一旦光照強度和外界溫度出現(xiàn)變化會給光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率造成嚴重影響，一旦功能產生波動很容易給電網(wǎng)頻率帶來嚴重影響，甚至導致頻率出現(xiàn)負荷工作狀態(tài)。同時，功率波動會給并網(wǎng)點帶來不同程度的變化，如電壓跌落、電壓波動等，從而出現(xiàn)三相電流不平衡問題。目前，我國現(xiàn)存的大型光伏電站中都存在不同程度的諧波超標的問題，尤其在光照條件較差的情況下這種問題更加嚴重，一旦注入電網(wǎng)諧波會導致電壓出現(xiàn)變形，從而給電網(wǎng)帶來很多方面的問題。例如，在檢測IEEE電能質量標準過程中，工作人員要根據(jù)要求對電壓跌落特征量的界定范圍標準值進行分析，而IEC標準通常是利用跌落電壓差值和電壓百分比值，來明確表示電壓跌落標準值，通常條件情況下電壓跌落持續(xù)時間從幾十秒到半周不等，工作人員可將電壓相位偏移角作為描述電壓跌落的具體數(shù)值。并且惡劣天氣是造成電壓出現(xiàn)跌落的主要因素，據(jù)專業(yè)人員統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有一半以上的電壓跌落現(xiàn)象全部是由惡劣天氣導致；而系統(tǒng)故障同樣是造成系統(tǒng)電壓跌落的重要原因，一旦電力系統(tǒng)輸電線路出現(xiàn)安全故障，會給周圍電力用戶帶來嚴重影響，甚至干擾到正常電力輸送工作，嚴重情況會導致該負荷的連接母線電壓出現(xiàn)跌落[1]。

2 光伏并網(wǎng)逆變LVRT

2.1 光伏電站低電壓穿越（LVRT）技術要求

光伏電站進行并網(wǎng)過程中，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障問題，很容易給光伏電站帶來電壓波動，為確保光伏電站能順利運行，光伏電站要保證并網(wǎng)電壓滿足行業(yè)標準[2]。當光伏電站并網(wǎng)點電壓降低到零毫安時，電站需要進行脫網(wǎng)運行0.15s；而當光伏電站并網(wǎng)點電壓下降到規(guī)定數(shù)值時，工作人員才能實現(xiàn)電站脫網(wǎng)工序。同時，在清除故障前，工作人員要保持光伏電站功率高于額定功率，一直到整個電站電網(wǎng)電壓恢復正常；若光伏電站電壓等級超過500kV，很容易引起電網(wǎng)短路故障，其公式為（1）：

式（1）中，UT、IN分別為光伏電站并網(wǎng)點電壓和電站輸出額定電流。

2.2 LVRT控制策略

一個健全的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括繼電器保護、逆變設備交流測設備、直流側設備等組成。工作人員可不考慮繼電保護問題，從直流側方面進行分析，其主要是利用光伏電池陣列將太陽能變成直流電能，從而確定該系統(tǒng)輸出電流具體數(shù)值，進而給輸入逆變橋功率大小帶來嚴重影響。從某方面來看，交流電網(wǎng)屬于一個較大的恒壓源，通過公式P＝UI來看，逆變器輸出電流大小和并網(wǎng)功率大小有直接聯(lián)系，同時，通過研究光伏陣列特性，發(fā)現(xiàn)直流側母線電壓幅值很難出現(xiàn)較強變化，當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落情況時，光伏并網(wǎng)逆變器會通過光伏陣列來收集大量直流電壓，當其所收集的直流電壓超過開路電壓后，直流電壓保護系統(tǒng)會立刻停止工作，且整個電壓數(shù)值基本相同，光伏逆變器不會傳輸任何電流。因此，可發(fā)現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)電流輸出高低是決定光伏電站能力大小的最主要因素，即控制策略是針對光伏并網(wǎng)逆變器進行控制。在信息化時代背景下，我國相關研究人員都是利用電流電壓雙閉環(huán)控制方式，來控制PI調節(jié)器，控制逆變器不同方面的電壓。

3 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析

三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將光伏電池組發(fā)出的直流電能轉化成和公用電網(wǎng)電壓同幅值、同頻率的交流電能，不僅能給其提供常用的負載電能，還能向電網(wǎng)提供健全的電能系統(tǒng)。本文只分析典型的三相電壓源型有源逆變電路的結構、工作原理、工作狀態(tài)和工作波形。

3.1 并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結構

在系統(tǒng)拓撲結構最左側屬于直流側，其主要是由大量光伏電池構成，當直流母線流過直流側斷路器時，壓敏電阻會出現(xiàn)過壓保護現(xiàn)象，直流濾波吸收環(huán)境可改變成交流電。而逆變器在經過交流電到達變壓器升壓、電感濾波、交流側接觸器線圈等環(huán)節(jié)后并納入三相電網(wǎng)。 而直流側并聯(lián)一個壓敏電阻就是給電路起過壓保護作用的，當直流母線上電壓超過壓敏電阻耐壓值，壓敏電阻被擊穿等效為短路，供電電路電流瞬間增大，很容易出現(xiàn)斷路器跳閘、電源停止供電等問題。在正常情況下，濾波電容被工作人員設計為電解電容，擁有較強的吸收濾波作用，工作人員將V1到V6作為開關控制器，不同開關控制器對應不同系統(tǒng)。當工作人員將A、B、C三相全部逆變后，每相上面都出現(xiàn)電流感應，主要目的是過濾逆變輸出電流，來提高整個電網(wǎng)質量的純凈度。另外，三相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結構是通過在網(wǎng)側安裝隔離變壓器，來增加系統(tǒng)壓力，不僅能實現(xiàn)公共電網(wǎng)測電壓增幅措施，還能讓系統(tǒng)網(wǎng)側和逆變橋出現(xiàn)電氣隔離現(xiàn)象。

3.2 系統(tǒng)工作原理分析

為簡化電路工作流程，工作人員可將開關控制位置設置橋臂，總共設置六個橋臂，而電壓型三相橋式逆變電路是通過利用180°導電方法，讓同一水平面相橋臂進行相互導電，且不同相導電角度相差120°，一旦任何位置動出現(xiàn)導電現(xiàn)象，瞬間三個橋臂會在第一時間通電，有可能是上面橋臂和下面兩個橋臂，也可能是上面兩個橋臂和下橋臂進行導電。通常相同工作時間中，六個開光管被觸發(fā)導通順序為V1→V2→V3→V4→V5 →V6，不同導通間差距60°，在同一時間有三個開關管進行導電，導電正常順序為V1V2V3,V2V3V4,V3V4V5,V4V5V6,V5V6V1,V6V1V2，同樣將不同導電工作角度控制在60°。同時，工作人員可將太陽能電池板電壓為基礎， 在直流側電容側面設置一點， 來對應交流側電網(wǎng)中心點，并將其作為假想點，用N表示，進而可將電解電容作為兩個等值電容相互連接。下面來分析波形，將一個工作周期分成6個區(qū)域即區(qū)間內，設置三個開光管的柵極電壓則有V1V2V3導通。

4 系統(tǒng)模型搭建

在信息時代背景下，系統(tǒng)進而利用L型濾波為基礎，通過驅動PWM波，來模擬光伏電池組輸出的直流電壓，砜取400V，仿真時間為0.06S，采用可變步長的ode23tb算法。三相電壓的正弦波較為健全，而三相電流諧波和其他電流相比，其電流諧波功率較大，可見一階濾波器無法達到電流紋波濾波效果。但從上述分析發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)系統(tǒng)從實用性、運行效率等方面來看，單項電感濾波器無法滿足系統(tǒng)基本要求；而大型光伏電站作為國家日常運行的重要基礎，其系統(tǒng)運行效率和國家光伏發(fā)電領域所掌握技術有直接聯(lián)系，為進一步提升系統(tǒng)濾除比，優(yōu)化電流整體波形，工作人員通常會利用增加濾波電感抗性來提升濾波器整體重量，從而有效拓展系統(tǒng)體積。同時，在最短時間內提高電感能耗和無功率消耗，很容易給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來嚴重影響，甚至會降低系統(tǒng)供電可靠性。另外，建設企業(yè)小型光伏系統(tǒng)，要求有離網(wǎng)運行和并網(wǎng)運行兩種工作模式，很明顯單電感濾波器無法滿足逆變器輸出工作，所以工作人員可利用高階濾波器為基礎，來進行電流傳輸工作。

5 基于改進型鎖相環(huán)的光伏并網(wǎng)低電壓穿越技術

5.1 正序基波電壓信號的提取

當系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不規(guī)律現(xiàn)象時，如公式2所示

有：

式（3）中：S90表示移相90°。

5.2 系統(tǒng)仿真分析

為確定該設計控制方法的正確性，本文通過利用MATLAB軟件平臺構建系統(tǒng)仿真模型，從而取得正確的仿真波形。

6 低電壓穿越技術分析

光伏逆變器的參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器參數(shù)

7 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的仿真運行

7.1 故障發(fā)生前的仿真

逆變器輸出電流和并網(wǎng)點電壓相位基本相同，其功率因素無限靠近1。當光伏逆變器接入電網(wǎng)時并網(wǎng)點電流超過指定標準，但經過半個周期的波動后又重新恢復正常，這是由于仿真模型中光伏電站啟動時并網(wǎng)所造成的；而在實際運行過程中，光伏發(fā)電裝置通常是在光伏電站全部啟動后再接入電網(wǎng)，這樣能避免光伏發(fā)電裝置給電網(wǎng)帶來嚴重沖擊[3]。在故障前，逆變器根據(jù)額定功率運行。在電網(wǎng)未發(fā)生任何故障時，逆變器給電網(wǎng)提供有功功率。

7.2 故障發(fā)生后的仿真

在故障發(fā)生0.3秒后，電網(wǎng)會出現(xiàn)三相短路的問題，當網(wǎng)并網(wǎng)點電壓降低到80%時，仿真效果較佳。在穿越低電壓時，逆變器輸出電流并未超過標準電流，還能像電網(wǎng)提供一些無功功率，有利于幫助電壓恢復正常[4]?？梢娖湟詮牟煌矫鎸崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，充分滿足電網(wǎng)電壓故障期間的并網(wǎng)要求[5]。

8 結語

綜上所述，目前我國最常見可再生資源有風能、潮汐能、生物質能、光能等，其中光能具有無枯竭、無噪聲、無污染等特點，受到各行業(yè)高度重視，已逐漸普及到各行業(yè)中，而光伏發(fā)電作為解決不可再生資源枯竭的主要途徑，能從根源上解決能源危機問題和環(huán)境污染問題，進一步提高我國社會經濟效益。基于此，本文通過闡述光伏電池原理，分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的常用方法，通過合理采用電導增量法來構建健全的光伏電池仿真模型，并從不同方面對模型特征和電網(wǎng)電壓下降對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)造成的影響進行合理分析，給光伏發(fā)電實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的能量。