光伏電站低電壓穿越技術要求與實現(xiàn)

陳波，朱曉東，朱凌志，施濤，曲立楠

（國網電力科學研究院南京南瑞集團公司，江蘇南京 210003）

當前光伏發(fā)電已成為太陽能資源開發(fā)利用的重要形式，其中大型光伏電站的接入，將對電網的安全穩(wěn)定運行產生深刻影響，特別是在電網故障時光伏電站的突然脫網會進一步惡化電網運行狀態(tài)，帶來更加嚴重的后果[1-2]。

當光伏電站滲透率較高或出力加大時，電網發(fā)生故障引起光伏電站跳閘，由于故障恢復后光伏電站重新并網需要時間，在此期間引起的功率缺額將導致相鄰的光伏電站跳閘，從而引起大面積停電，影響電網安全穩(wěn)定運行[3]。因此，亟須開展大型光伏電站低電壓穿越技術的研究，保障光伏電站接入后電網的安全穩(wěn)定運行。

文獻[4-6]主要分析了目前光伏電站實現(xiàn)低電壓穿越的重要性和必要性。2010年12月，我國首套用于光伏電站低電壓穿越現(xiàn)場測試的檢測平臺在國網電力科學研究院建成，表明我國重視光伏電站低電壓穿越能力的研究與檢測工作。目前國內外的光伏電站幾乎不具有低電壓穿越的能力，對光伏電站低電壓穿越關鍵技術的研究也很少。在新能源并網的低電壓穿越方面，風電場的低電壓穿越技術可為光伏電站低電壓穿越技術提供借鑒。文獻[7-9]集中分析了風電機組低電壓穿越的結構和控制方法，可以采用增加硬件crowbar卸荷電路和不增加硬件的方式實現(xiàn)風電場低電壓穿越。光伏電站與風電場相比，相同的是都通過電力電子器件并網，電力電子器件的耐受能力制約光伏電站的低電壓穿越能力；不同的是光伏電站沒有轉動慣量，直流側的電壓在電網故障時不會像風電機組那樣升高很多，制約光伏電站低電壓穿越的瓶頸是逆變器交流側輸出電流的大小，若超過額定電流過大，則會損害電力電子器件。因此本文提出了一種基于光伏逆變器的光伏電站低電壓穿越技術，在電網故障時能保持并網運行，并向電網輸出一定的無功功率以支撐并網點電壓，減少了因光伏電站的突然脫網而給電網帶來的不利影響。

1 光伏電站低電壓穿越技術要求

光伏電站低電壓穿越技術（lowvoltageridethrough，LVRT）是指當電網故障或擾動引起的光伏電站并網點電壓波動時，在一定的范圍內，光伏電站能夠不間斷地并網運行。

2010年底，國家電網公司出臺的《光伏電站接入電網技術規(guī)定》（企標）明確指出[10]：大中型光伏電站應具備一定的低電壓穿越能力；電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時，若光伏電站并網點考核電壓全部在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內時，光伏電站應保證不間斷并網運行；否則光伏電站停止向電網線路送電。光伏電站的低電壓穿越能力需要由逆變器實現(xiàn)。低電壓穿越能力要求如圖1所示，一般選擇UL1設定為0.2倍額定電壓，T1設為1 s，T2設為3 s。

圖1 大中型光伏電站的低電壓穿越能力要求Fig.1 Requirements of the LVRT ability of the PV plant

西班牙和德國早在2008年前后就出臺了新能源并網時的低電壓穿越要求[11]。德國的標準還詳細規(guī)定了無功電流和電壓跌落的關系，如圖2所示。

圖2 德國關于無功電壓支撐的規(guī)定Fig.2 The related regulations for reactive voltage support in Germany

圖2表明，在電壓降落期間光伏電站必須提高其無功電流以支持電網電壓，當電壓跌落幅度超過10%時，每1%的電壓跌落，光伏電站至少需要提供2%的無功電流，其響應速度應該在20 ms以內，必要時可以提供100%的無功電流。

2 光伏電站低電壓穿越技術實現(xiàn)

光伏電站低電壓穿越技術的核心是光伏逆變器的低電壓穿越能力，它可以不需要額外增加硬件設備，通過改變光伏逆變器的控制策略就可以實現(xiàn)。

2.1 光伏逆變器控制策略

文獻[12-13]詳細介紹了三相并網逆變器典型拓撲結構，光伏陣列輸出的直流電能通過三相六橋逆變器轉變?yōu)樗璧娜嚯娔?。其控制目標是輸出穩(wěn)定、高質量的正弦電流，且與并網點電壓同頻，功率因數滿足要求，因此實現(xiàn)這樣的目標需要對三相逆變橋進行精確的控制。圖3為三相并網逆變器Udc-Q并網控制框圖。

圖3 逆變器Udc-Q并網控制框圖Fig.3 Grid control diagram of the inverter Udc-Q

逆變器通過MPPT算法得到Udc_ref，該參考值與直流側電壓之間的誤差信號經過PI調節(jié)得到內環(huán)的電流d軸分量參考值i*d，i*d與逆變器出電流d軸分量之間的誤差信號經過電流環(huán)PI調節(jié)、dq解耦過程后得到逆變器PWM調制波Ud；同理控制無功功率，無功功率的給定值為Qref。

2.2 光伏逆變器LVRT控制策略

與風電場類似，光伏電站在電網故障期間需要保持一定時間不脫網，而不同的是，由于沒有轉動部分，在電網故障導致低電壓期間光伏電站的逆變器直流側母線電壓不會增大很多，在達到開路電壓Uoc以后，逆變器的輸出就為零，直流側電壓不會繼續(xù)增大。因此制約光伏電站低電壓穿越能力的主要是光伏逆變器輸出的交流電流，不應過流而導致光伏逆變器跳開，所以既要保持逆變器不脫網，又不能損壞逆變器。由于電壓跌落期間逆變器輸出的電流主要是有功分量id，因此使輸出電流不過流（一般不超過額定電流的1.1倍）主要是控制電流內環(huán)的有功電流給定值i*d（見圖3），從而控制id不過流。在必要時可以降低id從而留出電流裕度用以輸出無功電流iq。其控制策略如圖4所示。

圖4 控制策略流程圖Fig.4 Flow chart of the control strategy

圖4中，控制器檢測并網點電壓是否跌落，若電壓跌落，則斷開電壓外環(huán)，在電流內環(huán)直接給定輸出不過流時的id值作為參考值，可用正常運行時id=1作為參考值，也可以用小于1的值作為參考值從而減小id，降低有功功率輸出；另一種方法是用逆變器正常運行時的id=1作為限制值，通過限幅環(huán)節(jié)限制住i*d的增大，從而限制住id的增加。若檢測到電壓沒有跌落，則i*d繼續(xù)取自電壓外環(huán)計算出的結果。

新的并網要求還規(guī)定，在電網故障期間，光伏電站不僅需要保持并網狀態(tài)，而且最好能夠動態(tài)發(fā)出無功功率以支撐電網電壓，并盡快恢復電氣有功出力。

正常情況時逆變器運行在單位功率因數，id=i=1pu，逆變器輸出電流i在電網電壓跌落時不能超過額定電流的1.1倍，id以1pu作為限制，則最大無功電流給定有：

即最大的無功電流給定不能超過額定電流的46%，否則會造成交流側輸出電流過流。如果要進一步增大無功電流給定，則就必須減小有功電流給定值i*d，例如采用上面的方法一。

3 仿真驗證

本文采用PSCAD/EMTDC平臺對所提光伏電站低電壓穿越策略的可行性與正確性進行驗證。算例如圖5所示。1 MW光伏電站中單臺逆變器容量為500 kW，光伏逆變器出口為400 V母線，經過升壓變壓器升高到35 kV，經過專線與大電網相連。下面分析光伏電站在電網側發(fā)生三相接地短路故障和單相短路故障時的低電壓穿越特性。假設故障前光伏電站以單位功率因數滿功率運行，即id=1 pu。

圖5 仿真算例Fig.5 Simulation system

3.1 三相接地短路故障

假設算例中35 kV母線在0.5 s時發(fā)生三相接地短路故障，短路阻抗為0.025 Ω。故障于0.8 s時清除。光伏電站中逆變器輸出電流、交流側電壓、逆變器直流側電流、電壓及輸出的有功和無功功率、輸出電流的有功和無功分量如圖6所示。（為了便于觀察，把交流輸出電流和電壓錯開180°，故障前輸出電流和電壓同相位）

圖6 光伏電站低電壓穿越期間各項參數Fig.6 Parameters of the PV plant in LVRT

由圖6可見，光伏逆變器交流側電壓在電網故障時下降到了正常狀態(tài)時的20%，導致輸出的有功功率驟然減??；由于采用了低電壓穿越控制，光伏電站可以保持并網運行，其交流側輸出的電流在故障期間經過短暫的調節(jié)過程恢復至額定電流值，故障過程中電流略有增大，但是能很好地限制在額定電流的1.1倍以內，LVRT控制策略基本限制住了電流的增大，保護了逆變器的電力電子器件。由于功率輸出減小，電能累積在逆變器直流側電容增多，電容的充電效應使直流側電壓有所增大；直流側電流在故障期間有所減小。

光伏電站在實現(xiàn)低電壓穿越的同時還可以向電網側發(fā)送一定的無功功率（約0.1pu），通過光伏逆變器有功和無功的解耦，可以使之向電網發(fā)送無功，在一定程度上支撐并網點電壓的跌落。從圖中可見，無功電流在故障期間增大，而有功電流由于受到了限制，基本保持不變，無功電流達到了最大值0.46pu，與第2節(jié)中的無功功率極限的推導一致，因此電流增大的部分主要是無功電流。

通過計算也可知道，光伏電站發(fā)出的無功電流為0.46pu，網側電壓跌落到0.2pu，則光伏電站向電網發(fā)送的無功功率為0.46×0.2≈0.092 pu，也與實測的無功功率（～0.1pu）一致。

圖7是光伏電站發(fā)送無功功率前后并網點電壓的對比。由圖中可見，光伏電站能通過發(fā)送無功功率，把并網點電壓從0.2pu提升到約0.35pu。

圖7 光伏電站發(fā)送無功功率前后的并網點電壓Fig.7 Comparison of PCC voltages before&after strategy

3.2 單相接地短路故障

假設算例中35 kV母線在0.5 s時發(fā)生單相（a相）接地短路故障，短路阻抗為0.025 Ω。故障于0.65 s時清除。光伏電站中逆變器輸出三相電流、交流側三相電壓、逆變器直流側電流、電壓及輸出有功和無功功率、輸出電流的有功和無功分量如圖8所示。

電網側單相電壓跌落時實現(xiàn)光伏電站低電壓穿越的關鍵也是限制住逆變器網側電流的增大。由圖可見，在短路故障發(fā)生時，a相的電壓跌落到額定值的60%，其他兩相電壓沒有影響；a相電流有所增大，但基本限制在1.1倍以內。由于已經限制住了有功電流，因此增大的部分主要是無功電流。其他兩相電流基本沒有影響。光伏逆變器直流側電容的充電效應使直流側電壓有所增大，直流側電流有所減小。由于是單相電壓跌落，并網點電壓略有減少，輸出的有功功率略有下降。

圖8 光伏電站低電壓穿越期間各項參數Fig.8 Parameters of the PV plant in LVRT

光伏電站發(fā)出的無功電流約為0.46pu，網側電壓跌落到0.88pu，則光伏電站向電網發(fā)送的無功功率為0.46×0.88≈0.4pu，與實測的無功功率一致。在故障期間光伏電站保持并網的同時還可以向電網輸出一定的無功功率，支撐并網點電壓，如圖9所示，能將并網點電壓從0.88pu提升到約0.93pu。

圖9 光伏電站發(fā)送無功功率前后的并網點電壓Fig.9 Comparison of PCC voltages before&after strategy

4 結論

通過對光伏電站中核心部件光伏逆變器采用一定的控制策略，可以使其在電網擾動或故障導致并網點電壓跌落時保持并網運行，實現(xiàn)低電壓穿越，還可以向電網發(fā)送無功功率以支撐并網點電壓。仿真表明，在電網電壓跌落到20%時，光伏電站仍可以保持并網運行，并具有一定的無功電壓支撐能力，滿足并網標準，在三相電壓跌落和單相電壓跌落的情況下，均能實現(xiàn)良好的低電壓穿越，本文為大型光伏電站低電壓穿越技術的研究提供了一定的理論依據。下一步將重點開展光伏電站低電壓穿越過程中有功、無功功率協(xié)調控制的研究。

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