光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述

姜婷婷（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述

姜婷婷
（南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇南京 211167）

摘要：隨著光伏并網(wǎng)容量的比重不斷增加，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定帶來一系列問題。尤其是當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)光伏電站的低電壓穿越能力的問題，已成為光伏并網(wǎng)技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。本文介紹了光伏發(fā)電原理及其光伏并網(wǎng)低電壓要求，在對(duì)當(dāng)前國內(nèi)研究成果進(jìn)行分析和歸納基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)了基于光伏系統(tǒng)控制策略穿越低電壓和基于增加輔助設(shè)備的穿越低電壓的兩種方案，為光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；低電壓穿越；無功補(bǔ)償

本文引用格式：姜婷婷.光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J].新型工業(yè)化，2015，5（8）：57-62

Citation: JIANG Ting-ting. Low Voltage Ride-through Technologies in Photovoltaic Generation System[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 57-62.

0 引言

太陽能作是一種清潔可再生能源，受到各國的重視，歐美光伏發(fā)電發(fā)展較快，2009 年底，歐美為17.6GW，占據(jù)全球光伏系統(tǒng)總量的70%左右。我國光伏發(fā)展較國外略遲，但隨著我國政府對(duì)太陽能光伏發(fā)電的重視，出臺(tái)并完善了相關(guān)法規(guī)、法律，使得中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[1-2]。

隨著太陽能、風(fēng)能等新能源并網(wǎng)容量的不斷擴(kuò)大，其對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生了重要的影響。電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，若此時(shí)光伏系統(tǒng)脫網(wǎng)，可能會(huì)進(jìn)一步增加電網(wǎng)安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰，為提高新能源接入的電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，各國相繼制定了光伏的接入進(jìn)行規(guī)范[3-5]。其中低電壓穿越能力（low voltage ride through，LVRT）是并網(wǎng)規(guī)定中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其是否達(dá)到要求，直接關(guān)系到光伏發(fā)電的前景。因此，對(duì)保證光伏系統(tǒng)接入后電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究低電壓穿越能力技術(shù)十分必要的。本文分析了光伏系統(tǒng)原理，介紹了國內(nèi)外并網(wǎng)低電壓穿越的要求。在對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外研究成果進(jìn)行分析和歸納的基礎(chǔ)上，總結(jié)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的不同技術(shù)原理和特點(diǎn)，為光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 光伏系統(tǒng)及低電壓穿越要求

1.1 光伏系統(tǒng)理論分析

太陽能光伏發(fā)電基于光伏效應(yīng)原理，利用太陽能電池板吸收太陽光子轉(zhuǎn)換為電能。太陽能光伏陣列輸出的直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為符合規(guī)定的交流電，直接或通過變壓器接入電網(wǎng)[6-7]。

如圖1所示，光伏系統(tǒng)主要包括光伏電池系統(tǒng)、DC/AC系統(tǒng)以及連接裝置等部分。光伏電池系統(tǒng)通過光伏電池吸收光能，將其轉(zhuǎn)化為直流電；DC/AC系統(tǒng)將電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化交流電；控制系統(tǒng)為系統(tǒng)提供了控制信號(hào)；連接裝置主要解決光伏電站的并網(wǎng)問題；儲(chǔ)能系統(tǒng)將太陽電池組件產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)起來，當(dāng)負(fù)載需求增大時(shí)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)中電能釋放提供給負(fù)載。1.2 光伏電站并網(wǎng)低電壓穿越要求

光伏電站并網(wǎng)低電壓穿越技術(shù)是指光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，光伏電站能夠繼續(xù)保持并網(wǎng)，甚至能夠向電網(wǎng)提供無功功率來支持電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）。

我國國家電網(wǎng)公司推出的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)范（試行）》中對(duì)大中型光伏電站在電網(wǎng)故障時(shí)的低電壓穿越能力制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，如圖2所示。

當(dāng)光伏電站在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%的額定電壓或者跌落后3s 內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的85%時(shí)，光伏電站能夠保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[8]。當(dāng)光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖2中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，光伏電站必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在電壓輪廓線以下時(shí)，允許光伏電站脫網(wǎng)。

以德國、丹麥、意大利、西班牙為首的許多國家已經(jīng)制定了并網(wǎng)時(shí)的低電壓穿越要求。其中德國的E.ON標(biāo)準(zhǔn)還詳細(xì)規(guī)定了無功電流和電壓跌落的關(guān)系，在電壓降落時(shí)光伏電站應(yīng)增加無功功率，以提高電網(wǎng)電壓，當(dāng)電壓跌落為50%～90%時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需有線性輸出的無功電流；當(dāng)電網(wǎng)的電壓跌落深度小于 50%時(shí)，需提供 100%的無功電流[9]。

圖1 大型光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖Fig.1 Large photovoltaic grid-connected power generation system schematic diagram

圖2 大中型光伏電站LVRT要求Fig.2 Large and medium-sized pv power station LVRT requirement

2 光伏系統(tǒng)的低電壓穿越方案

根據(jù)目前光伏系統(tǒng)低電壓穿越的研究現(xiàn)狀，以是否在光伏系統(tǒng)中增加額外的電力設(shè)備裝置為依據(jù)，光伏低電壓穿越技術(shù)可分為基于光伏系統(tǒng)控制策略和增加輔助電力設(shè)備裝置兩種方案。

2.1 基于光伏系統(tǒng)控制策略穿越低電壓方案

基于光伏系統(tǒng)控制算法方案不增加電力裝置為，而是通過改進(jìn)并網(wǎng)控制算法和各組成部分的控制策略來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。通俗地說就是，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，可通過改變控制變流器策略，向電網(wǎng)注入一定量的無功，而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。目前，主要有以下幾種控制策略。

（1）基于電壓定向矢量控制的低電壓穿越策略

定向矢量控制方法是通過坐標(biāo)變換后，在新的坐標(biāo)軸下對(duì)特定矢量定向，再通過PI調(diào)節(jié)器等方法實(shí)現(xiàn)d-q 軸電流分量的精確控制?；陔娋W(wǎng)電壓定向矢量的雙閉環(huán)控制策略具有穩(wěn)態(tài)無誤差跟蹤、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、有功無功可獨(dú)立解耦控制等優(yōu)點(diǎn)。一般電壓定向矢量控制采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[10]提出了一種基于電壓定向矢量控制的 LVRT 控制策略，該策略對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行電壓定向矢量控制，實(shí)現(xiàn)有功和無功解耦。在電網(wǎng)電壓跌落期間，增加卸荷電路抑制直流側(cè)的電壓波動(dòng)，根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落程度補(bǔ)償一定的無功功率來支撐電壓的恢復(fù)，但僅適用電網(wǎng)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)低電壓穿越。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了電網(wǎng)正序電壓定向的矢量控制策略，在電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)，光伏并網(wǎng)能夠穿越低電壓，但是沒有考慮負(fù)序分量，不能有效地抑制二次諧波。文獻(xiàn)[12-14]提出了電網(wǎng)對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障時(shí)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。在對(duì)稱故障時(shí)，采用限功率運(yùn)行的方法改變輸入功率，減少光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)對(duì)稱故障的低電壓穿越。在不對(duì)稱故障時(shí)，提取出電網(wǎng)中的正序、負(fù)序分量特征量，采用正序電流和負(fù)序電流雙閉環(huán)矢量控制，有效地抑制了瞬時(shí)電流沖擊。

（2）基于直接功率控制策略實(shí)現(xiàn)低電壓穿越

直接功率控制（direct power control，DPC）是根據(jù)系統(tǒng)瞬時(shí)功率與指令功率比較的結(jié)果，然后通過查表計(jì)算得到一個(gè)需要輸出的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)瞬時(shí)功率對(duì)指令功率的追蹤，此方法具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[15]針對(duì)電壓跌落時(shí)的控制需求，采用了復(fù)開關(guān)表DPC，可避免查開關(guān)表計(jì)算過程中的周期誤差產(chǎn)生諧波，提升了這類控制系統(tǒng)的LVRT能力。

（3）基于模型電流預(yù)測控制策略。

模型電流預(yù)測控制技術(shù)是應(yīng)用功率開關(guān)器件有限個(gè)開關(guān)狀態(tài)（即開通和關(guān)斷兩種狀態(tài)），并且系統(tǒng)的模型可以預(yù)測在相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的控制變量特征，模型電流預(yù)測控制方法能夠使逆變器的輸出電流迅速地跟隨參考電流指令，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。在光伏電站電壓跌落時(shí)，能快速地控制光伏系統(tǒng)無功功率的輸出，為穿越低電壓提供電壓支撐。

文獻(xiàn)[16-17]采用模型電流預(yù)測控制（MCPC）技術(shù)，將該控制策略應(yīng)用于光伏單級(jí)三相并網(wǎng)逆變器控制上，能夠顯著改善傳統(tǒng)的LVRT技術(shù)，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能夠快速根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落情況進(jìn)行有功功率和無功功率的分配，為并網(wǎng)點(diǎn)提供電壓支撐。相關(guān)文獻(xiàn)指出[18]，利用模型電流預(yù)測控制方法在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，光伏電站在低電壓期間為電網(wǎng)提供電壓支撐，驗(yàn)證了所提出控制方法的有效性。

2.2 基于增加輔助設(shè)備的穿越低電壓方案

光伏電站的低電壓穿越能力受到自身設(shè)備容量以及器件等限制。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時(shí)，光伏系統(tǒng)無法安全的提供或消耗較多功率時(shí)，可通過加入輔助電力設(shè)備的方式對(duì)電網(wǎng)提供或消耗無功功率，來提升系統(tǒng)穿越低電壓能力。

（1）基于保護(hù)電路的穿越低電壓技術(shù)

為了消除暫態(tài)過程對(duì)逆變器件造成的沖擊，可減小逆變器側(cè)受到的沖擊，在逆變器側(cè)串聯(lián)電阻，并根據(jù)電壓跌落程度改變電阻大小，來減小逆變器受到的電流電壓沖擊，從而確保低電壓穿越狀態(tài)下逆變器的安全運(yùn)行。

文獻(xiàn)[19-20]在逆變器輸出側(cè)加入 AC-AC斬波電路，隔離了電網(wǎng)與逆變器。通過調(diào)節(jié) AC-AC 斬波電路開關(guān)占空比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變器輸出側(cè)的電壓值，起到支撐逆變器側(cè)電壓的作用，從而保護(hù)光伏電站的安全。

保護(hù)電路解決穿越低電壓的核心在于需以實(shí)際光伏系統(tǒng)的情況作為依據(jù)，選擇合理的電阻大小以及投切時(shí)間。隨著晶閘管等電力電子器件的發(fā)展，保護(hù)電路對(duì)于電網(wǎng)電壓跌落嚴(yán)重時(shí)，對(duì)電子設(shè)備的保護(hù)起到關(guān)鍵重要的作用，因此在工程實(shí)踐運(yùn)用廣泛。

（2）基于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的穿越低電壓技術(shù)

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落或恢復(fù)時(shí)，可通過控制儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收或釋放功率，實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，提高光伏系統(tǒng)低電壓穿越能力。文獻(xiàn)[21-23]在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過控制超級(jí)電容吸收有功功率，平衡直流母線電壓，減少光伏陣列注入逆變器的功率。如圖3，給出一種超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

能量存儲(chǔ)系統(tǒng)可提升光伏系統(tǒng)的低電壓穿越能力，與保護(hù)電路相比，減少了電能的浪費(fèi)等問題，但缺點(diǎn)是能量存儲(chǔ)系統(tǒng)價(jià)格高，限制了其大規(guī)模運(yùn)用。

圖3 一種超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 A super capacitor energy storage system topology

（3）基于無功補(bǔ)償設(shè)備的穿越低電壓方案

電力系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)性故障，其自身不能提供瞬間的電壓支撐，因此應(yīng)安裝無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償裝置可提供光伏系統(tǒng)瞬間的母線電壓支撐，明顯地增強(qiáng)光伏電站低電壓穿越能力。目前動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，可以采用靜止無功補(bǔ)償器（SVC），雖能滿足運(yùn)行要求，但是動(dòng)態(tài)性能較差，故障時(shí)沖擊電壓較大。鑒于無功補(bǔ)償裝置（SVG）成本越來越低，也可考慮采用新型無功補(bǔ)償設(shè)備（STATCOM）等。目前，已有將動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償電路（DVR）引入到風(fēng)電系統(tǒng)中，在光伏系統(tǒng)中也可參照此做法，DVR電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4。文獻(xiàn)[24]介紹了SVC 在電網(wǎng)故障時(shí)起到動(dòng)態(tài)支撐電壓的作用，顯著減小了并網(wǎng)光伏系統(tǒng)脫網(wǎng)的概率，為并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。文獻(xiàn)[25]比較了SVC和SVG在工程運(yùn)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)也說明了SVC和SVG有助于增強(qiáng)光伏電站低電壓穿越能力。

圖4 DVR電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 DVR circuit topology

3 結(jié)論

本文在對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外研究成果進(jìn)行分析和歸納基礎(chǔ)上，將光伏低電壓穿越技術(shù)可分為基于光伏系統(tǒng)控制策略和增加輔助電力設(shè)備裝置兩種方案。為光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較輕時(shí)，可通過系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)，可有效提高光伏系統(tǒng)的低電壓穿越能力。當(dāng)電壓跌落幅度較大時(shí)，光伏系統(tǒng)可能無法承受瞬間的電壓電流沖擊，此時(shí)應(yīng)增加輔助電力設(shè)備方案，成本雖大，但可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性能。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.010

Low Voltage Ride-through Technologies in Photovoltaic Generation System

JIANG Ting-ting
(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology , Nanjing , 211167)

ABSTRACT:With the increase of the proportion of photovoltaic grid capacity, increasing the electric power system security and stability of a series of problems. Especially the problem of low voltage ride through capability, when grid voltage dips, it has become a hot research topic in the photovoltaic grid technology. This paper introduces the principle of photovoltaic power generation and photovoltaic grid low voltage requirements, Emphatically summarized the photovoltaic system control strategy based on through low voltage and based on the increase of auxiliary equipment through two kinds of schemes of low voltage, it offers reference to the research and application for photovoltaic power generation system of low voltage through technology .

KEYWORDS:Photovoltaic power generation; Low Voltage Ride Through; Reactive Compensation