大功率光伏逆變系統低電壓穿越技術研究

      摘要：隨著大型光伏電站并網容量的不斷增加，為了確保電力系統的可靠運行，提高大功率光伏逆變系統的低電壓穿越能力(Low Voltage Ride-Through, LVRT)顯得尤為重要。本文首先介紹了并網準則對大功率光伏系統LVRT 的要求，接著分析了電網電壓驟降故障下(包括平衡跌落與不平衡跌落)大功率光伏系統的瞬態特性及其LVRT 技術的要點;在此基礎之上提出了電網電壓故障時系統的控制方案，并給出實驗結果。

　　關鍵詞：大功率光伏；低電壓穿越；電壓跌落；無功輸出

       1. 引言

　　當前光伏發電已成為太陽能資源開發利用的重要形式，其中大型光伏電站的接入，大規模光伏接入將對電網電壓水平、短路電流水平、電能質量、穩定性及調度運行等帶來很大影響，特別是在電網故障時大功率光伏系統的突然脫網會進一步惡化電網運行狀態，帶來更加嚴重的后果[1]。

　　目前大功率光伏發電系統，主要接入中低壓光伏發電系統當中，為了應對大規模光伏發電系統的接入，確保大功率光伏系統接入后電力系統運行的可靠性、安全性與穩定性，除了加強相應的電網建設、增加電網的調控手段，還需要對大功率光伏發電系統接入電力系統的技術要求作出相應的規定，以期不斷提高光伏發電機組和光伏電站的運行特性，降低大規模光伏接入對電網帶來的不利影響。為此，世界各國相繼制定了新的電網法規來規范中低壓系統的并網[錯誤!未找到引用源。-8]，其中低電壓穿越(Low VoltageRide-Through, LVRT)能力是目前光伏發電接入電網穩定問題中亟待解決的重要難點。大功率光伏發電系統的低電壓穿越控制與全功率風力發電并網系統的低電壓控制有一定的相似之處，但考慮到光伏發電系統本身的特性與風力發電系統有本質區別，十分有必要單獨對光伏電壓穿越進行系統的研究，

　　本文首先介紹了光伏電站并網準則對LVRT 的要求，接著分析了電網電壓驟降故障下(包括平衡跌落與不平衡跌落)光伏電站的瞬態特性及其LVRT 技術的要點;在此基礎之上提出了電網電壓故障時，逆變器系統的控制方案，并給出仿真和實驗結果。

　　2. 光伏電站低電壓穿越的特性

　　2.1 并網導則對光伏LVRT 的要求

　　德國在2008 年前后出臺了主要針對中，低壓并網設施的并網導則[2]，規定了不同類型并網發電設備在電網故障時刻需要保持并網的邊界條件，如圖1 所示，

　　(1)在跌落程度為100%，跌落時間小于150ms 的電網故障過程中，發電單元必須保持并網。

　　(2)在圖6 藍線以下的電網故障范圍內，對于發電單元是否保持并網不做要求。在電網故障是處于邊緣線以內的電網電壓跌落類型，發電單元必須保持并網，并且不能引起電網的不穩定。

圖1 德國BDEW并網導則低電壓穿越曲線 

　　此外，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20ms 以內，必要時可以提供100%的無功電流。

　　2.2 光伏電站LVRT 特性分析

　　在不考慮損耗的情況下，光伏電池板輸出的電磁功率pe 和光伏逆變器的并網功率pg 滿足如下的功率平衡方程

公式一

　　在穩態時，Pe=Pg，當光伏電池板處于穩定發電狀態時，直流母線電壓也穩定。在電網故障情況下，功率平衡關系被打破，也會導致一系列的問題。不論是電網對稱故障，還是不對稱故障，均會使電網電壓正序分量降低。當電網電壓跌落時，由于網側換流器的輸出電流限制，并網輸出功率pg 將減小，故障瞬間光伏電池板輸出不變，整個發電系統的輸入、輸出的有功不平衡，將會產生不平衡功率。

　　 Δp = pe ? pg

公式二

　　由公式二可知，不平衡功率Δp 將導致直流母線電壓udc 上升。由于udc 的上升直接影響到光伏電池板的輸出特性，因此光伏發電系統的低電壓穿越特性與光伏太陽能電池的模型有直接的聯系，其等效的數學模型為：

公式三 

　　其中：k是玻爾茲曼常數（1.38*10-13J/K）；T是絕對溫度（K)；Irs為反向飽和電流（A)。仿真得出光伏陣列的輸出特性如下：

圖2  光伏電池輸出特性曲線

　　由輸出的I-V 曲線可以看出，當電網發生對稱故障條件下，直流側電壓上升，會造成光伏電池組的輸出電流下降，該特性有利于光伏并網發電系統的低電壓穿越能力的，使得光伏發電系統相對于全功率風力發電系統有更好的低電壓穿越特性。

　　光伏電站電網不平衡LVRT 特性分析當電網發生不平衡故障情況下，除了在電網電壓不平衡條件下，除了會造成同樣的的直流側功率不平衡問題，由于負序分量的存在還會造成系統有功和無功的波動問題。不平衡條件下光伏電站并網系統交流側瞬時有功和無功功率表達推導如下：

圖3  不平衡條件下電壓和電流矢量圖

　　不平衡條件下正負序電壓矢量和電流矢量矢量關系圖如圖3 所示;dP _ qP 和d N _ qN 為正負序雙同步旋轉坐標系;正序同步坐標系相角為θ P =ωt =θ ，負序同步坐標系相角為其負值。則根據圖7 可得正負序電壓和電流矢量相角如式(4)所示：

公式四

      令電壓電流正負序矢量模分別為Up、Un、Ip、In，根據瞬時有功功率定義，不平衡條件下電壓和電流矢量瞬時有功功率表達式如公式五所示：

公式五

　　在不平衡電網電壓條件下，網側瞬時有功功率中除含有基波分量P0外，還含有兩次脈動量，根據輸入瞬時有功功率和輸出瞬時有功功率的平衡可推得：

公式六

　　由公式六可見，當不平衡狀況發生時，直流側電壓中將出現二次紋波。對于傳統的基于電網電壓定向的單坐標系矢量控制，由于并網電流的有功分量給定由直流側電壓外環提供，因而直流側電壓環為抑制直流側電壓的脈動會將二次紋波分量作為給定傳遞給電流給定，從而使得并網電流中出現三次諧波，并會逐步疊加出更高次的諧波。即采用傳統的控制算法當不平衡狀況發生時將造成直流側電壓中的低次偶次諧波，和并網電流中相應的奇次諧波。因而有必有采用不平衡控制策略加以改進。

　　3. 光伏電站低電壓穿越控制策略對于光伏發電系統來說，低電壓穿越技術最關鍵的部分就是平衡狀態和不平衡狀態下的電網電壓跌落檢測技術，這其中包括電網鎖相技術，正序負序分離技術，由于不平衡跌落的存在，系統必須首先提取電網電壓的正負序分量，以及電網電壓正序矢量相位信息，將電網電壓平衡跌落作為不平衡跌落的一個特殊狀態來進行控制。

　　3.1 基于解耦的正負序分離方法定義負序坐標系旋轉相角為：θ N = ?θ P = ?ωt，從而可得任意矢量V 在正負序坐標系下的表達式如公式七所示：

公式七

　　典型的通過解耦對消的正負序分離方法，其結構框圖如圖4 所示。由式(7)可見，三相輸入量的正序坐標系下變換結果里除了正序的直流量信息外還含有幅值為負序坐標系下dq 信息的二次諧波，因而只要減去耦合項就可以將正序信息分離出來。

圖4基于解耦的正負序分離法現實框圖

　　其中解耦部分計算公式如式(4-7)所示:

公式八

      為了完整的分離出正負序信息，將解耦計算輸出結果經過一個一階的低通濾波器LPF，這樣既能夠令解耦環節穩定，同時又可以在輸入量包含低次諧波時抑制低次諧波干擾，準確分離出正負序信息，并且即使解耦不準確沒能完全消除2 次諧波，只要低通濾波器的角頻率設定的小于工頻角頻率100π，解耦偏差也會收斂到0 的，即解耦環節計算結果會收斂到一個穩態點。然而低通濾波器的引入勢必會造成系統帶寬的損失，減慢系統的快速性。為了避免低通濾波器對系統帶寬的影響，取低通濾波器之前的信息作為系統的反饋變量。當截止頻率?b 和基波角頻率?0 的比例取k=?b/?0 不同值時，在0.1s 突加正序幅值為0.5 的負序量，得解耦后的負序信息量響應波形如圖5 所示，可見在k=0.9 附近解耦到達穩態所需的時間最短。

                                                  a）輸入信號波形                   b）負序信息量的響應波形

圖5 K取不同值時負序信息量響應波形

　　3.2 光伏電站低電壓穿越控制策略綜合上述分析，光伏電站并網逆變器的基本控制結構圖如圖6 所示，正常運行時，有功功率的給定通過對光伏電池的MPPT 控制得出，內環采用雙dq 解耦進行電流控制[3]。

圖6 光伏電站主電路和控制結構圖

　　當低電壓穿越過程開始后，系統的控制目標便不再與正常情況下一致：

　　(1)由于光伏電池天然利于低電壓穿越的特性，在低電壓穿越過程中，有功功率的輸出并網成為次級的控制目標，而無功功率輸出補償電網跌落成為系統輸出的主要目標，因此在低電壓穿越過程中，有功功率的輸出給定值不再根據MPPT 的輸出值，而是通過電壓跌落的深度和類型來綜合給出。

　　(2)根據并網導則的需要，首先計算低電壓穿越過程中無功功率的輸出值，具體表述如下式所示：

公式九

　　其中，Iq_pu 為無功電流給定值，用pu 值表示，K 為無功電流電流補償系數，該系數根據光伏系統對電網的滲透率來決定，通常取2，ΔU 為電網跌落深度的比例，電網A 相電壓跌落前為Ebase，跌落后為Ea_m，在無功功率計算以后，有功功率給定值根據系統的功率容量決定，保證系統的有功功率和無功功率相加為1pu，無功功率的補償上限為1pu。在電網發生不平衡跌落條件下，過多的無功補償會使得電網未跌落相出現過補償的現象;此時，低電壓穿越過程中無功功率給定值計算公式仍然保持不變，但補償上限為0.4pu。

　　(3)當電網跌落結束后，系統容易出現不穩定狀態與過電壓，為了盡快穩定系統，在低電壓穿越結束500ms 內，仍需要保持無功功率補償能力，此時的無功功率補償要求在系統出現過電壓時，進行反向無功補償，能夠對本地負載起到一定的同步調節作用。具體的系統流程圖如下圖所示：

圖7  低電壓穿越控制流程圖

　　在不平衡控制中，由于控制并網電流的負序分量為0，從而控制了并網電流的平衡。但是由于網側電壓的不平衡跌落，會造成有功功率的波動，進而造成直流側電壓的波動，如下圖所示。考慮到低電壓穿越過程的短暫性以及電力系統的需求，允許此時直流側電壓的波動來保證并網輸出電流的平衡。

                                                      a)并網電流波形                b）并網電流正序d軸給定與反饋

圖13不平衡控制特性圖

　　4. 仿真驗證

　　為了驗證光伏并網發電系統的低電壓穿越特性，搭建如圖4 大功率光伏發電仿真平臺，500KVA 光伏電池單元由并網逆變器接變壓器，網側采用LC 型濾波器最后并入配電網。其硬件參數： L=0.17mH，C=600μf，fs=2KHz，直流側額定電壓為500V，并網電壓為380V。首先驗證平衡跌落條件下的低電壓穿越過程如圖 所示，電網跌落15%幅值，則電網有功值由1pu 降低到0.85pu，跌落時間550ms，根據無功功率補償系數的計算公式，假設無功補償系數K 為2 的情況下，則無功電流補償值為0.3pu，根據系統總容量計算，此時的有功功率輸出值為0.7pu，直流電壓在電網跌落過程中上升至某穩定值，由于此時的跌落幅度較小，系統調節速度快，并網電流的動態過程較為穩定，未見明顯的并網電流波動。

（a）電網電壓有功，無功分量（b）并網電流正序有功和無功分量

（c）三相并網電流（d）直流側電壓

　　為了驗證雙dq 坐標系解耦對光伏系統低電壓穿越的作用，在仿真中設置如下的不平衡跌落，A，B 兩相跌落75%的幅值，跌落時間550ms，則A，B 兩相的幅值由1pu 跌落到0.25pu，經過雙dq 坐標系解耦計算得出電網電壓的正序有功值由1pu 跌落至0.45pu，根據無功功率補償系數的計算公式，假設無功補償系數K 為2 的情況下，則無功電流補償值應為1.1pu，但根據并網導則，由于是不平衡跌落，因此無功電流的最大補償值被限制為0.4pu。而有功電流是根據限幅以前的無功電流值計算，因此在跌落過程中為0。直流側電壓在跌落過程中上升，由于電網電壓不平衡，和并網電流的平衡造成有功功率的波動，從而直流側電壓有明顯的波動，由仿真波形可以看出，雖然跌落深度達到了75%，但基于雙dq 解耦坐標系的控制鎖相方式能夠很好的計算出電網跌落的正負序分量，并給予相應的有功，無功電流給定值變化，減弱電網跌落造成的影響，由圖9 可以看出電網跌落和恢復過程中，并網電流只有很小的過流幅度，具有良好的低電壓穿越。

圖9  兩相不平衡電網跌落低電壓穿越過程

　　5. 實驗驗證

　　為了驗證光伏系統的低電壓穿越過程，同時考慮到實驗室電網實際容量，建立了由光伏模擬器通過15KVA 逆變器并網的光伏發電系統，并網電壓為380V，開關頻率采用與大功率逆變器一致的2K 頻率。在模擬低電壓穿越過程中，在電網側設置有短路電抗構成的電網跌落模擬器。與仿真一致，分別在實驗平臺上進行15%的平衡跌落與75%的兩相不平衡跌落。

圖10  兩相不平衡電網跌落低電壓穿越過程

       6. 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，實現低電壓穿越，還可以向電網發送無功功率以支撐并網點電壓。實驗表明，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。

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