并網(wǎng)逆變系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)研究

高大可

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 茂名供電局，廣東 茂名 525000)

并網(wǎng)逆變系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)研究

高大可

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 茂名供電局，廣東 茂名 525000)

逆變器控制系統(tǒng)作為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的性能﹒隨著光伏電站在電力系統(tǒng)中的不斷接入，如何提高低壓穿越能力成為研究熱點(diǎn)﹒本文深入研究單相單級光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)低壓穿越技術(shù)，提出了基于單相PQ理論的有功無功電流解耦控制方案﹒該方法可實(shí)時(shí)對有功電流和無功電流參考進(jìn)行調(diào)整，解決電壓跌落過程中的功率不平衡問題，以實(shí)現(xiàn)故障期間的功率控制，并將無功功率注入電網(wǎng)以支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，最后通過仿真對本文所提出低壓穿越技術(shù)的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證﹒

并網(wǎng)逆變器；低壓穿越；單相PQ理論

當(dāng)今社會(huì)，電力電子設(shè)備的成本急劇下降，光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用越來越深入，使大電網(wǎng)的穩(wěn)定性也受到較大影響﹒大電網(wǎng)中最嚴(yán)重的是電壓跌落故障，為了防止逆變器故障，光伏微電網(wǎng)被系統(tǒng)切除，但可能會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的電網(wǎng)故障[1]﹒如果電壓跌落情況下無功功率可以注入電網(wǎng)，一方面可以使振蕩對電網(wǎng)的影響降至最低，另一方面可以較好的調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓﹒許多發(fā)達(dá)國家詳細(xì)解釋了光伏系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，并頒布了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，要求光伏并網(wǎng)系統(tǒng)必須具有一定程度的低壓穿越能力[2-3]﹒

在電壓跌落等低電壓條件下，光伏微電網(wǎng)對電網(wǎng)的存在有很大的影響﹒在這種情況下，低壓單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有接入方便、維護(hù)便捷和成本低等優(yōu)點(diǎn)，故應(yīng)用發(fā)展迅速﹒然而，由于低壓單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)/離網(wǎng)操作時(shí)會(huì)影響大電網(wǎng)的穩(wěn)定性，所以大電網(wǎng)接入光伏微網(wǎng)系統(tǒng)具有一系列的準(zhǔn)入規(guī)定﹒但是，如果可以提高單相光伏系統(tǒng)的輸出特性，獲得一定的低壓通過和無功補(bǔ)償能力，使并網(wǎng)/離網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響降到最低，將大大推動(dòng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用﹒目前，低功率單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是研究熱點(diǎn)之一﹒

在文獻(xiàn)[4]中，證明了單相光伏系統(tǒng)在低壓故障中的可控性﹒同時(shí)，通過基于單相PQ理論的低壓穿越方法也驗(yàn)證了文獻(xiàn)所提方法的有效性﹒在文獻(xiàn)[5]中，對基于單相反激式變換器的交流光伏系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了電壓斷續(xù)模式中的低壓穿越策略﹒在文獻(xiàn)[6]中，提出了基于交流限流輸出的低壓穿越策略，通過限制逆變器輸出電流值來防止過流，可以使光伏陣列離網(wǎng)的可能性降到最低，但是光伏逆變器的無功功率不用于幫助恢復(fù)電網(wǎng)電壓﹒在文獻(xiàn)[7]中，將三相系統(tǒng)的無功補(bǔ)償方法(恒定峰值電流，恒定有功電流，恒定有功)用于單相系統(tǒng)，并對各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較﹒在文獻(xiàn)[8]基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[9]對3種單相非隔離光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行深入研究，比較了各自的低壓故障控制方法及有效性﹒在文獻(xiàn)[10]中，提出了一種基于同步發(fā)電機(jī)理論的低壓穿越方法，根據(jù)低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)朝大電網(wǎng)輸送無功功率，并控制能量的流向﹒通過研究風(fēng)力發(fā)電穿越技術(shù)中使用耗能電路的方法，文獻(xiàn)[11]提出了將串聯(lián)制動(dòng)電阻應(yīng)用在單相光伏發(fā)電系統(tǒng)中的方法﹒

綜上所述，國外研究者們對單相光伏系統(tǒng)的主要思路是采用逆變器從控制的角度來對電網(wǎng)補(bǔ)償無功﹒雖然國內(nèi)學(xué)者還研究了低壓穿越策略，但其大部分研究主要應(yīng)用于大型光伏電站和三相光伏發(fā)電系統(tǒng)，而單相光伏領(lǐng)域的低壓穿越技術(shù)研究成果甚少﹒為了防止單相系統(tǒng)在故障期間造成的離網(wǎng)對大電網(wǎng)穩(wěn)定性造成的不利影響，它也必須擁有一定的低壓穿越能力﹒本文為單相系統(tǒng)提出一種低壓穿越方法，使得紋波電壓控制電路仍能工作在正常狀態(tài)下，并通過調(diào)整系統(tǒng)功率控制回路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低壓穿越﹒

1 低壓故障下的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)規(guī)范

為使得光伏系統(tǒng)在低壓故障期間對電網(wǎng)的影響降到最低，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)須具備低壓穿越的能力﹒許多國家已經(jīng)出臺了有關(guān)規(guī)定，要求光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠承受相應(yīng)的電壓異常，德國的E.O是影響力最大的標(biāo)準(zhǔn)﹒

德國是新能源領(lǐng)域研究的先驅(qū)，早期的光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)對低壓穿越技術(shù)要求作出了規(guī)范，并按照接入電網(wǎng)等級發(fā)布了高壓電網(wǎng)中的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)和低壓電網(wǎng)中的低壓穿越標(biāo)準(zhǔn)[12]，這些標(biāo)準(zhǔn)為其他國家后來的技術(shù)研究提供了參考﹒本文研究的單相光伏系統(tǒng)通常用于低壓電網(wǎng)，此處僅列舉德國對中低壓網(wǎng)絡(luò)中低壓故障運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，具體規(guī)范如圖1所示﹒

圖1規(guī)定當(dāng)系統(tǒng)工作狀態(tài)處于實(shí)線上方部分時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)保持并網(wǎng)運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)零電壓穿越﹒當(dāng)電壓跌落在150 ms之內(nèi)時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)保持并網(wǎng)狀態(tài)，如果150 ms后電壓仍然小于正常電壓的0.9倍，則以圖1中從150 ms到1 500 ms的實(shí)線為界線，電網(wǎng)電壓在實(shí)線上方需維持并網(wǎng)，在實(shí)線以下可以選擇離網(wǎng)﹒

圖1 德國對新能源發(fā)電系統(tǒng)接入中低壓電網(wǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)特性要求

考慮到在故障期間向電網(wǎng)注入無功對于電網(wǎng)電壓回復(fù)正常等級具有很大作用，為此德國也發(fā)布了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對故障期間逆變器提供的無功作出要求，具體的補(bǔ)償曲線如圖2所示﹒

圖2 德國低壓故障期間無功支撐標(biāo)準(zhǔn)

在圖2中，故障期間補(bǔ)償?shù)臒o功電流應(yīng)根據(jù)電壓跌落深度Δu來確定﹒

當(dāng)?shù)渖疃刃∮?0%時(shí)，屬于允許范圍內(nèi)的正常波動(dòng)，無需補(bǔ)償；當(dāng)?shù)渖疃忍幱谳^小的范圍，如處于在10%至50%之間時(shí)，無功電流補(bǔ)償系數(shù)為當(dāng)?shù)渖疃瘸^50%時(shí)，逆變器應(yīng)最大程度輸出無功﹒

2 低壓穿越實(shí)現(xiàn)方式

目前低壓穿越的實(shí)現(xiàn)方法主要有3種：附加硬件耗能電路；儲(chǔ)能裝置；逆變器無功補(bǔ)償﹒

2.1 基于耗能電路

直流電壓增加，引起逆變器過電流，是由于在電壓跌落期間功率平衡問題引起，最直接有效的辦法是增加耗能電路，以提供一個(gè)新的功率釋放通道，防止瞬間直流電壓增加對直流側(cè)電容器的損壞，能夠避免直流電壓上升，變換器輸出電流超過限制值引起自動(dòng)保護(hù)機(jī)制動(dòng)作，其主要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示﹒

圖3中兩種耗能電路與直流母線直接相連，當(dāng)?shù)渖疃忍幱谳^小的范圍，逆變器可使直流電壓維持穩(wěn)定，耗能電路待機(jī)；當(dāng)?shù)渖疃忍幱谳^大的范圍，直流電壓不斷上升，直流電容上的能量不斷堆積，逆變器輸出電流達(dá)到限幅值，耗能電路開始工作，通過耗能電阻Rd將多余的能量消耗掉﹒圖 3(a)直接通過開關(guān)與直流母線連接，圖3(b)通過Buck電路與直流母線連接﹒

圖3 基于耗能電路的光伏逆變結(jié)構(gòu)

耗能電路可以解決直流電壓過壓等問題，但對于單相光伏系統(tǒng)而言，耗能電路同時(shí)也增加了系統(tǒng)的成本和體積﹒

2.2 基于儲(chǔ)能裝置

基于儲(chǔ)能裝置的低壓穿越技術(shù)是在電壓跌落瞬間將直流側(cè)能量儲(chǔ)存起來﹒這種方法是目前分布式發(fā)電系統(tǒng)解決功率不平衡的主要手段﹒具體結(jié)構(gòu)如圖4所示﹒

圖4 基于儲(chǔ)能裝置的低壓穿越技術(shù)

當(dāng)產(chǎn)生低壓故障時(shí)，光伏陣列在最大功率點(diǎn)工作，直流能量堆積在電容上，輸出電流升高，當(dāng)其大于額定值的時(shí)候，儲(chǔ)能裝置開始儲(chǔ)能，將多余能量保存，平衡變換器兩端功率﹒故障消除后，儲(chǔ)能裝置釋放能量﹒儲(chǔ)能裝置的控制及其策略是低壓穿越方案的關(guān)鍵，控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致過度充電等不良后果﹒

2.3 基于無功補(bǔ)償

無功補(bǔ)償方法主要有2種方案：一種是并聯(lián)靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置；另一種是基于單相PQ理論的無功補(bǔ)償策略﹒

基于靜止無功補(bǔ)償裝置的低壓穿越方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示﹒通過在并網(wǎng)點(diǎn)處并聯(lián)靜止無功補(bǔ)償裝置，在電壓跌落期間，投切無功補(bǔ)償裝置，并按照并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償無功電流﹒

圖5 基于靜止無功補(bǔ)償裝置的低壓穿越技術(shù)

基于單相PQ理論的方案直接利用逆變器產(chǎn)生無功，具體控制原理如圖6所示﹒

圖6 基于單相PQ理論的無功補(bǔ)償方法

由圖6可知系統(tǒng)由雙環(huán)控制來控制功率，該方法可對低壓穿越期間的參考有功和無功進(jìn)行精確跟蹤﹒

以上幾種方案中，基于耗能電路和儲(chǔ)能裝置的方案可有效解決直流過壓問題，但成本較高不適于單相系統(tǒng)；基于單相PQ理論的方案由于功率外環(huán)的存在，具有系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)﹒

3 基于紋波電壓控制并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的低壓穿越方法

基于對上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析，結(jié)合電流解耦控制的特點(diǎn)，通過直接調(diào)整有功和無功電流的參考值的方式來實(shí)現(xiàn)低壓穿越效果﹒一是根據(jù)電網(wǎng)電壓等級和跌落深度來對無功輸出進(jìn)行控制；二是根據(jù)變換器最大輸出電流和無功補(bǔ)償電流的大小來確定輸出有功參考電流﹒

3.1 低壓故障期間輸出電流參考值設(shè)計(jì)

由并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)可知不同跌落深度對應(yīng)的無功輸出存在差別，跌落深度與并網(wǎng)電壓的數(shù)量關(guān)系為

式中UgN為額定并網(wǎng)電壓﹒低壓故障發(fā)生后，如果逆變器按最大功率點(diǎn)輸出有功，可能導(dǎo)致變換器過電流，使得過流保護(hù)觸發(fā)﹒為了避免這種狀況，逆變器輸出有功也應(yīng)相應(yīng)調(diào)整﹒下面對2種跌落范圍的有功和無功電流參考進(jìn)行設(shè)計(jì)﹒

如果逆變器輸出最大電流，則有功電流為

因?yàn)楣夥姵剌敵龉β侍幱陔S時(shí)變化的狀態(tài)，電壓跌落故障發(fā)生時(shí)，光伏陣列提供的有功功率較小，逆變器實(shí)際輸出有功電流小于則此時(shí)有功參考值應(yīng)取電壓外環(huán)控制的數(shù)值；再將與進(jìn)行比較，如果大于，則有功電流參考值取

根據(jù)最大電流輸出原則，有

圖7所示﹒

圖7 指令電流設(shè)計(jì)流程

3.2 低壓故障期間儲(chǔ)能電感電流參考值設(shè)計(jì)

通過分析，在跌落故障期間，雖然有功輸出下降，但無功輸出增加，此時(shí)并網(wǎng)輸出功率中仍有2次功率波動(dòng)存在，且大小為

根據(jù)功率守恒，并網(wǎng)逆變器的輸入側(cè)也有 2

若紋波電壓控制電路不進(jìn)入工作狀態(tài)，則直流側(cè)電壓可表示為

因此仍然需要在跌落期間控制直流側(cè)紋波﹒直流側(cè)2次功率被儲(chǔ)能裝置吸收，即λ取1﹒儲(chǔ)能電感電流參考為

3.3 仿真結(jié)果與分析

本文對并網(wǎng)逆變系統(tǒng)進(jìn)行了低壓穿越能力的仿真﹒首先模擬低跌落深度低壓穿越，當(dāng)仿真結(jié)果如圖8所示﹒圖8(a)為并網(wǎng)電壓電流，圖 8(b)為有功和無功電流波形﹒從圖 8中可看出，0.3 s前，逆變器正常工作，并網(wǎng)電壓幅值為12 V，輸出電流幅值為23.2 A，有功約為140 W，光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)；0.3 s至0.6 s期間，并網(wǎng)電壓跌落至8.4 V，輸出電流升高，達(dá)到限幅輸出值；0.6 s后電網(wǎng)電壓恢復(fù)至額定值12 V，電流幅值降至23.2 A﹒此外，從圖8(b)還可以看出，電壓跌落期間，系統(tǒng)向電網(wǎng)注入無功，雖然系統(tǒng)的有功電流有少量增加，但因?yàn)椴⒕W(wǎng)電壓減小，系統(tǒng)在0.3 s至0.6 s期間的有功功率輸出減小﹒

圖8 Δu=0.3時(shí)并網(wǎng)側(cè)仿真結(jié)果

再對較大電壓跌落深度的情況進(jìn)行仿真，在此期間紋波電壓控制電路處于工作狀態(tài)﹒圖9為變換器交流側(cè)仿真結(jié)果﹒從圖9(a)中可看出，0.3 s至0.6 s時(shí)間內(nèi)，并網(wǎng)電壓跌落到3 V，這個(gè)時(shí)候跌落深度在電壓跌落以及電壓恢復(fù)的瞬間，電網(wǎng)電流發(fā)生較大波動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，并網(wǎng)電流為30 A，逆變器工作在最大電流狀態(tài)﹒同時(shí)從圖 9(b)中可看出，逆變器無功電流輸出為24.8 A，有功輸出為15 A，保證了逆變器最大限度的輸出有功功率﹒此時(shí)光伏電池仍有功率輸出，并沒有工作在開路電壓點(diǎn)﹒

圖9 Δu=0.75時(shí)并網(wǎng)電壓電流仿真結(jié)果

綜合以上仿真結(jié)果可看出，本文提出的低壓穿越方案可以對逆變器輸出的有功和無功電流進(jìn)行解耦控制﹒當(dāng)電壓跌落深度較小時(shí)，可以支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)；當(dāng)電壓跌落較深時(shí)，確保光伏電池有功率輸出，避免開路的發(fā)生﹒

4 結(jié)論

本文分析了電網(wǎng)低壓故障期間單相光伏系統(tǒng)的暫態(tài)過程，對比分析了常用低壓穿越技術(shù)﹒并提出一種基于單相PQ理論的有功無功電流解耦控制低壓穿越方法﹒該方案能夠使逆變器在電壓跌落故障期間按照并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)輸出無功﹒在低壓故障期間，系統(tǒng)能及時(shí)調(diào)整有功參考并快速實(shí)現(xiàn)新的有功功率平衡，防止直流電壓不斷增加﹒

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(責(zé)任編校：龔倫峰)

Research on Low Voltage Ride Through Technology of Grid-connected Inverter System

GAO Dake
(Maoming Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Maoming, Guangdong 525000, China)

As the core component of the grid-connected PV systems, the design performance of the inverter's control system directly affects the performance of the whole system. Meanwhile, with the proportion of the PV power station increasing, the low voltage ride-through ability of the grid-connected PV systems becomes a hot research. In this paper a low voltage ride through (LVRT) method in single-phase single-stage grid-connected PV system is deeply researched. Then, a LVRT method based on the decoupling control of active current and passive current is proposed. The reference values of active current and passive current are adjusting in time to avoid the unbalance of active power and inject passive power to support the grid voltage.Finally, the simulation verifies the correctness and effectiveness of the proposed LVRT technology.

grid-connected inverter; low voltage ride through; single-phase PQ theory

TM464

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0014

1672–7304(2017)05–0065–05

2017-06-28

高大可(1992- )，男，湖南益陽人，碩士，主要從事電能質(zhì)量分析及微電網(wǎng)技術(shù)研究﹒E-mail: 515037030@qq.com