浅谈光伏并网发电系统的低电压穿越

浅谈光伏并网发电系统的低电压穿越

卢锦均

关键词：光伏电站；并网结构；低电压穿越

0前言

太阳能最为一种清洁能源，不仅对环境不会产生污染，也是一种可再生资源，因此对其进行开发利用十分重要。光伏并网发电系统的应用，就是太阳能利用的典型代表。光伏并网发电系统应用过程中，会涉及到低电压穿越控制问题，该控制能力越强大，光伏并网发电系统作用发挥程度越高。因此相关学者都对低电压穿越控制策略研究比较重视。

现阶段，我国对低电压穿越控制策略的研究，注重集中在风电领域，光电领域还比较少。正是因为如此本文以光伏并网发现系统为研究对象，对低电压穿越控制策略进行了探讨分析。笔者认为可以采取电压定向矢量控制的方法，来提高低电压穿越控制能力，以此达到有功与无功解耦。本文首先对光伏并网发电系统及其低电压穿越要求进行了分析，其次对光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略进行了探讨，仅供参考借鉴。

1光伏并网发电系统及其低电压穿越要求

光伏发电系统主要应用的物质是光伏电池，该设施最重要的价值就是将太阳能转换成电能，最终完成发电任务。光伏并网主要是指两大系统连接，分别为光伏系统、电力网系统。两大系统连接之后，不必再借助蓄电池，初期成本比较低，而且更容易维护，后期检修成本也比较低，可以说是现阶段最为经济实用的发电系统。光伏并网发电系统形式依据场合差异而不同，现阶段应用最为广泛的应该是逆潮与无逆潮并网系统、地域并网系统等。早期应用的是光伏发电系统，存在着比较多的缺陷，比如逆充电现象、电网电压波动过于明显等现象，因此在应用的过程中比较麻烦。正是基于此，光伏并网发电系统优势更加突出。但是光伏并网发电系统在应用的过程中，则需要满足非常重要的条件，即低电压穿越要得到控制。这主要是因为发电系统运行过程中，会出现并网点电压跌落情况，此时要求光伏设备依然能够实现并网，如果条件允许，还能够为电网提供无功功率，确保电网在短时间内就可以恢复。

现阶段我国针对光伏并网发电系统的低压电压穿越能力要求已经出台了相应的技术规范，该技术规范中对光伏电站的低电压穿越能力标准要求进行了明确的规定，具体标准如图1所示。

依据图1中显示可知，如果光伏并网电点电压正好处于在轮廓线或者高于轮廓线，同时处于区域之间，此时光伏电站并网运行必须要保证畅通，但是如果并网点电压处于在轮廓线之下，则可以出现线路送电暂停的情况。世界上很多国家都依据自己国情制定了光伏并网低电压穿越要求，其中比较典型的就是德国制定的E.ON标准。该标准对低电压穿越控制要求更加的详细，其中最为重要的是该标准对低压穿越过程中，无功电流比重与电压跌落深度之间的呈现的关系进行了规定。电压跌落过程中，光伏并网发电站一定要为系统提供无功电流，如果子电压跌落深度超过了50%，但是没有超过90%，则无功电流应该满足线性输出条件，而如果电压跌落深度未能超过50%，此时无功电流必须达到100%。

2光伏并网发电系统的结构

根据光伏并网发电系统的结构，低电压穿越需结合并网控制选取最优的控制策略。光伏并网发电系统根据有无隔离变压器分为隔离型和非隔离型，隔离型根据隔离变压器的工作频率又可分为工频隔离型和高频隔离型；非隔离型按照拓扑结构分为单级式和多级式两类。目前光伏低电压穿越的研究大多基于工频隔离型或非隔离型光伏逆变器，并网拓扑结构如图2所示。

多级式拓扑中包含DC/DC变换环节，如图2虚线部分所示，其作用为提升直流侧输出电压和实现最大功率点追踪。逆变器将直流电变换为交流电，实现对电能质量的控制。单级式结构中没有DC/DC环节，直接通过电压外环调节直流侧电压实现最大功率点追踪，电流内环实现并网电流控制。论文将结合并网逆变器论述光伏电站的低电压穿越技术。

3低电压穿越技术

大功率光伏电站大多采用集中式逆变器并网结构，与直驱式永磁同步风力发电系统并网结构相似，因此，论文对直驱式风电系统和光伏并网系统的低电压穿越研究都有一定的意义。

采用逆变器并网结构使得电站与电网隔离，并网点电压的变化不会直接影响到光伏电站，较之双馈式风电系统直接作用于发电机，具有易于控制的优点。同时，当系统运行在最大功率点附近，直流母线电压的升高或降低都会导致光伏阵列输出功率减小，直至开路电压或最低并网电压。这一特性利于故障时逆变器侧的能量平衡及直流母线的保护，因此光伏电站在低电压穿越上具有优势。

为实现光伏并网系统的低电压穿越，需维持电压跌落前后系统的稳定并网，并抑制跌落瞬间的电流冲击。目前，采用的控制有两种，为基于控制策略实现和基于增加硬件保护实现，如图3所示。

3.1基于控制策略的低电压穿越技术

逆变器并网常采用定向矢量控制和直接功率控制，目前研究多基于定向矢量控制，控制原理为根据坐标变换和解耦实现有功无功分量的独立控制。根据低电压穿越要求，需要对控制算法进行改进。基于算法改进方式分为基于直流分量的PI调节器控制和基于交流分量的PR调节器控制。

3.1.1基于PI调节器的控制算法

基于PI调节器的改进算法是在定向矢量控制的基础上，结合参考值与反馈值的调节关系，对参考值进行限制的一种改进方式。

对于多级式并网结构，采用DC/DC控制配合逆变器控制，当检测到电网电压跌落时，切除MPPT控制以减小PV阵列的功率输出，从而实现逆变器侧输入输出功率的平衡；也可在逆变器侧直流母线上加入crowbar保护电路或储能电路，以保护母线安全。但上述方式均基于电压三相平衡跌落条件进行分析，实际中需采用更为有效的控制以解决不平衡跌落时的穿越问题。

对于三相不平衡跌落情况，根据对称分量法可将不对称的量分解为对称的正序分量、负序分量和零序分量。负序分量的存在导致馈入电网的有功、无功功率中均存在2倍频振荡分量，且并网电流将出现高度不平衡，从而影响并网的电能质量。

采用正负序双电流环控制方式在实际应用中程序计算量较大，且正负序分量提取过程中存在一定的延时，因此，精确的控制条件下动态性能受影响。

3.1.2基于PR调节器的控制算法

因PR调节器的传递函数在基波频率处增益无穷大，可实现对基波正弦电流的无静差控制；同时，PR调节器只与输入信号的频率有关，不平衡条件下的正序分量与负序分量相位不同而频率一致，因此可采用一个PR调节器来同时控制正序和负序分量。进一步研究表明采用PR调节器还可以有效抑制电网基波电压的扰动。

采用PR调节器的典型框图如图6所示，其参考值计算与同步旋转坐标系下的求解类似，较之于基于PI调节器的控制方式，该方式省略了电网电压信号同步环节和负序电流环路，简化了控制过程，具备快速稳定的动态性能。

4低电压穿越关键技术

实现光伏电站的低电压穿越需采取精确的控制算法，这依赖于电网电压同步锁相信号和正负序分量检测，因此快速准确地获得故障期间的锁相信号和正负序分量，是实现低电压穿越期间的关键技术。

4.1锁相环设计

为实现电网电压同步，常采用锁相环包括过零点检测方式和q轴定向的锁相方式。过零点检测原理是根据检测判定电网电压极性变化来获取相角信号，但当电网电压畸变时会导致检测到多个过零点情况，因此需采取一些改进措施。另一种锁相方法为基于q轴定向的锁相环。其基本框图如图9所示，该方法原理是通过调节两相旋转坐标系下的q轴旋转频率至输入频率，从而获取锁相信号。

4.2正负序分离设计

不平衡电压跌落中，目前研究的正负序分离方式有如下几种：

（1）滤波器分离。分为100Hz带阻滤波器和50Hz带通滤波器两种方式，原理为滤除2倍频扰动或提取基频分量。缺点是滤波器的延时较大，不利于正负序分量的快速检测；

（2）陷波器分离。该方式基于滤除直流分量中的2倍频分量，类似于带阻滤波器，但是动态性能更好，可改变调节阻尼系数调节陷波器的动态性能；

（3）T/4延时法。该方式基本思路是通过理论计算出2倍频分量之间的关系，通过延时T/4后扰动分量叠加相抵消的方式，消除直流分量中出现的2倍频。实现的前提是输入信号频率稳定，因此抗扰动性较差；

（4）解耦法。解耦法类似于T/4延时方式，根据正负序耦合关系，解耦以提取正负序分量，并引入低通滤波器以消除低次谐波在解耦中的叠加干扰，在控制中可采用测量信号解耦或采用参考信号与误差信号解耦两种方式；

（5）二阶广义积分器：通过积分方式延时输入信号，叠加消除存在的2倍频扰动。可改变系数调整控制的动态性能，这种方式能够获取平滑的锁相信号，应用较广。

5总结

随着光伏电站装机容量的增加，越来越多的光伏电能将并入电网。光伏电站大规模集中并网也给电力系统的安全稳定运行带来挑战。当电网发生故障导致电网电压跌落时，并网电流可能会有瞬时尖峰，这会对变流器件造成冲击。若仍采取被动保护式的解列措施将导致光伏电站有功输出大量减少，增加整个电力系统的恢复难度，甚至可能加剧故障，引起其他电站解列，导致大规模停电。因此新的并网接入规则要求光伏电站应具备低电压穿越能力，即在电网故障期间保持光伏电站不间断并网运行。

参考文献：

[1]张兴，曹仁贤．太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M]．北京：机械工业出版社，2011．

[2]李建林，徐少华．直接驱动型风力发电系统低电压穿越控制策略[J]．电力自动化设备，2012，32（1）：29-33．

[3]姚骏，廖勇，李辉．电网不平衡时采用串联网侧变换器的DFIG风电系统协调控制[J]．电机与控制学报，2010，14（12）：1-8．

[4]洪芦诚，魏应冬，姜齐荣，等．基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略[J]．电力系统自动化，2011，35（16）：32-37．

[5]史媛，江道灼，周月宾.统一潮流控制器同步锁相技术研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（7）：37-42.