光伏發(fā)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中新增的高電壓穿越相關(guān)要求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對目前研究相對較少的光伏發(fā)電站高電壓穿越研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。分別從光伏發(fā)電站的高電壓穿越相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)對比、測試平臺(tái)原理以及光伏高電壓穿越的控制策略三方面進(jìn)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(guān)鍵詞：光伏電站；高電壓穿越；并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

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

1 概述

近年來并網(wǎng)光伏發(fā)電的發(fā)展速度十分迅猛，光伏發(fā)電占總發(fā)電裝機(jī)容量的比例日益增高。鑒于光伏發(fā)電具有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，其并網(wǎng)特性和控制策略與常規(guī)發(fā)電機(jī)組存在較大的差異，為此國家頒布了一系列的光伏并網(wǎng)規(guī)定，并且隨著實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷補(bǔ)充和完善。目前光伏發(fā)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(fā)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(wǎng)公司于2016年12月頒布實(shí)施的修訂版《光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》（Q/GDW 1617-2015）中明確增加了光伏高電壓穿越的相關(guān)要求[3]，同時(shí)也有一部分學(xué)者對并網(wǎng)逆變器的高電壓穿越進(jìn)行了相應(yīng)的前瞻性研究[4]。本文將重點(diǎn)對光伏高電壓穿越的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和測試平臺(tái)原理以及高電壓穿越的控制策略進(jìn)行對比介紹，最后對光伏電站高電壓穿越研究進(jìn)行總結(jié)展望。

2 光伏高電壓穿越的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

光伏電站在運(yùn)行過程中遇到負(fù)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(fù)期間以及電容器投入切除不合理時(shí)，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓都可能會(huì)出現(xiàn)高于額定值運(yùn)行的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成光伏電站脫網(wǎng)，對光伏電站自身和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生威脅。光伏發(fā)電站的高電壓穿越是指當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高時(shí)，在一定的電壓升高范圍和時(shí)間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電站能保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行[3]。

國外提出新能源場站的高電壓穿越技術(shù)規(guī)定的時(shí)間相對較早，典型的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下：澳大利亞的NER標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定新能源場站在并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.3p.u時(shí)至少保持并網(wǎng)60ms，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在1.1-1.3p.u.期間至少保持并網(wǎng)900ms[5]。德國E.ON標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)新能源場站并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.2p.u.時(shí)至少保持并網(wǎng)0.1s[6]。美國WECC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于1.2p.u.時(shí)可以退出運(yùn)行，在1.175-1.2p.u.之間應(yīng)能保持并網(wǎng)大于0.1s，在1.15-1.175p.u.之間應(yīng)能保持并網(wǎng)大于2s，在1.1-1.15p.u.之間應(yīng)能保持并網(wǎng)大于3s[7]。

最新頒布的《光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中參考了國際上光伏發(fā)電發(fā)達(dá)國家有關(guān)高電壓穿越的技術(shù)規(guī)定，對光伏電站的高電壓穿越進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定。光伏發(fā)電站高電壓穿越的運(yùn)行時(shí)間要求如表1所示。

同時(shí)要求光伏發(fā)電站在HVRT期間具有有功功率連續(xù)調(diào)節(jié)能力和向電網(wǎng)注入無功電流的能力。光伏發(fā)電站要求具有一定數(shù)量的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，并且能適應(yīng)各種電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化和運(yùn)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行時(shí)間要求如表2所示。

表2 不同電壓水平下動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行時(shí)間要求

光伏發(fā)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(fā)電站高電壓穿越的要求曲線；b曲線為光伏發(fā)電站低電壓穿越的要求曲線。隨著光伏并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，光伏電站同時(shí)具有高電壓和低電壓穿越能力是新的發(fā)展趨勢和客觀要求。

3 光伏高電壓穿越測試平臺(tái)分析

光伏逆變器高電壓穿越測試平臺(tái)基于阻抗/阻容分壓原理，其產(chǎn)生的電壓升高特性接近實(shí)際電網(wǎng)故障時(shí)的電壓升高特性，能準(zhǔn)確反映故障器件與電網(wǎng)之間的相互影響與作用。測試平臺(tái)的原理圖如圖2所示，其中電壓升高裝置通過調(diào)整電阻、電容的參數(shù)和控制開關(guān)投切來產(chǎn)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(shí)的運(yùn)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(shè)備

根據(jù)相應(yīng)輔助設(shè)備種類的不同可以分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類：其中主動(dòng)式輔助設(shè)備主要包括SVC、SVG等動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置以及儲(chǔ)能裝置，通過輔助設(shè)備的動(dòng)態(tài)調(diào)整來減少光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓升高程度，可以等效視為光伏電站與電網(wǎng)系統(tǒng)近似“隔離”起來；被動(dòng)式輔助設(shè)備主要包括直流側(cè)卸荷電路，通過調(diào)整直流側(cè)電壓來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定HVRT期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓的目的。

通過增加輔助設(shè)備來實(shí)現(xiàn)高電壓穿越是實(shí)際運(yùn)行中的一種有效策略，并且上文的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)分析中也對于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行時(shí)間要求做出了相應(yīng)的說明。該方法的缺點(diǎn)是會(huì)增加設(shè)備成本，通常與改善光伏逆變器的控制策略配合使用以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(nèi)吸收一定量的無功功率，來降低并網(wǎng)點(diǎn)電壓；二是適當(dāng)提高直流側(cè)電壓的參考值，減小直流側(cè)的電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[4]對于逆變器在HVRT期間逆變器向電網(wǎng)輸送無功功率和提高直流側(cè)電壓參考值進(jìn)行了定量的分析計(jì)算。文獻(xiàn)[8-10]對與光伏逆變器的控制策略十分相近的直驅(qū)變流器HVRT控制策略進(jìn)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(jìn)行詳細(xì)分析：

（1）HVRT期間逆變器吸收無功功率

光伏逆變器在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)處于單位功率因數(shù)狀態(tài)，僅向電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)點(diǎn)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(wǎng)點(diǎn)的實(shí)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(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

（2）提高直流側(cè)電壓參考值

為了使HVRT期間光伏逆變器直流側(cè)的電壓波動(dòng)減小，從而得到更為穩(wěn)定的并網(wǎng)點(diǎn)輸出特性，可通過提高直流側(cè)的電壓參考值來實(shí)現(xiàn)。HVRT期間的直流側(cè)電壓參考值UdcrefH如下：

（3）

其中，Udcref為直流側(cè)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(yùn)行工況的不同而取不同的數(shù)值。

5 結(jié)束語

基于最近頒布的光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中新增的對高電壓穿越的相關(guān)要求，本文對光伏發(fā)電站的高電壓穿越相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)、測試平臺(tái)原理以及光伏高電壓穿越的控制策略進(jìn)行了分析與闡述。隨著光伏并網(wǎng)規(guī)模的快速增長，光伏發(fā)電站同時(shí)具有高電壓和低電壓穿越能力非常必要，本文較為系統(tǒng)地歸納總結(jié)了目前國內(nèi)外光伏高電壓穿越的研究進(jìn)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。

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