甄曉亞，尹忠東,王云飛，孫舟

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206）

太陽能發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述

甄曉亞，尹忠東,王云飛，孫舟

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京102206）

在當(dāng)今世界能源危機和環(huán)境問題備受關(guān)注的今天，太陽能作為一種取之不竭用之不盡的能源，其發(fā)電市場發(fā)展迅猛,光伏電站裝機容量逐年上升,尤其是在歐美的一些發(fā)達(dá)國家,光伏發(fā)電所占電網(wǎng)供電比例不斷提高。大容量光伏并網(wǎng)是新能源發(fā)展的重要趨勢，伴隨著大容量光伏的投入，因此，必須考慮電網(wǎng)故障時光伏電站的各種運行狀態(tài)對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，因此各國電網(wǎng)公司根據(jù)各國情況對光伏并網(wǎng)提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求。包括低電壓穿越能力、無功控制能力、有功功率變化率控制。其中低電壓穿越能力（LVRT）被認(rèn)為是光伏并網(wǎng)設(shè)備設(shè)計制造控制技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)之一，直接關(guān)系到光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用[1-4]。低電壓穿越LVRT,指在光伏并網(wǎng)點電壓跌落的時候,光伏設(shè)備能夠保持并網(wǎng),甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率,支持電網(wǎng)恢復(fù),直到電網(wǎng)恢復(fù)正常,從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。電壓跌落會給設(shè)備帶來一系列暫態(tài)過程,如出現(xiàn)過電壓、過電流等,嚴(yán)重危害光伏設(shè)備本身及其控制系統(tǒng)的安全運行[5-8]。

1 大型光伏系統(tǒng)理論分析

太陽能光伏發(fā)電是基于光生伏打效應(yīng)，利用太陽能電池板吸收光子產(chǎn)生電動勢的的現(xiàn)象進(jìn)行發(fā)電[9-13]。太陽能光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)過電力電子變換裝置轉(zhuǎn)換為符合規(guī)定的交流電，直接或通過變壓器接入電網(wǎng)。對于大容量兆瓦級的光伏電站，整個系統(tǒng)有若干個變換模塊形成一個集群，通過一定的集群控制方案使逆變器并聯(lián)運行，構(gòu)成光伏電站的多個子系統(tǒng)之間受特定的中央控制中心指揮，相互協(xié)作并保持通訊[14-16]。根據(jù)運行狀況的不同，各臺逆變器和變壓器可以有多種投運方案，進(jìn)而解決在低日照時的變換效率問題，保證系統(tǒng)的可靠性[17-18]。

圖1為典型的大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖。如圖1所示,大型光伏系統(tǒng)主要包括光伏電池系統(tǒng)、直流/交流轉(zhuǎn)化系統(tǒng)、交流并網(wǎng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、濾波系統(tǒng)5大部分。光伏電池系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)化為直流電能;直流電能經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為并網(wǎng)交流電能;交流并網(wǎng)系統(tǒng)主要解決光伏電站的并網(wǎng)措施;控制系統(tǒng)則為光伏電站提供所需的控制信號及保護措施;濾波系統(tǒng)包括直流濾波環(huán)節(jié)和交流輸出濾波環(huán)節(jié),從硬件上減小直流輸入擾動和交流輸出諧波。

2 低電壓穿越能力和電壓控制策略

光伏系統(tǒng)并網(wǎng)即逆變器與電網(wǎng)并聯(lián)運行,濾波支路容量相對較小,線路阻抗主要呈現(xiàn)為感性。逆變器輸出視在功率為：

式中，X為逆變器輸出阻抗;δ為逆變器輸出電壓矢量E1與電網(wǎng)電壓矢量E之間的夾角。

逆變器輸出有功功率和無功功率為

則逆變器輸出有功功率受功角δ的影響,無功功率決定于輸出電壓幅值X1，因此,逆變器輸出電壓的相位與幅值與其輸出有功功率和無功功率近似線性耦合。逆變器輸出電壓幅值可以直接控制,而相位可以通過調(diào)節(jié)輸出頻率來實現(xiàn)。通過逆變器輸出電壓幅值即可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出無功功率的目的,通過調(diào)節(jié)頻率可以達(dá)到輸出有功功率的目的。

從直流側(cè)來看,光伏電池陣列工作點處的電壓決定了其輸出電流,即決定了逆變器輸入功率。從交流側(cè)來看,電網(wǎng)可以看成恒壓電源,并網(wǎng)功率可由并網(wǎng)電流的大小來體現(xiàn)。

LVRT是對并網(wǎng)光伏設(shè)備在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落或故障時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行功能要求。不同國家（和地區(qū)）所提出的LVRT要求不盡相同。

由于全世界還未制定出光伏并網(wǎng)的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，這里我們可以參考風(fēng)電廠的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)。圖2所示為光伏低電壓穿越的電壓邊界要求。這個標(biāo)準(zhǔn)中的電壓輪廓線是針對光伏設(shè)備并網(wǎng)點的電壓而言。電壓跌落前，光伏設(shè)備并網(wǎng)點電壓維持在額定水平。0s時電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落，不低于額定電壓的15%時，在150ms時間范圍內(nèi)光伏設(shè)備必須保持并網(wǎng)運行；另外當(dāng)光伏設(shè)備并網(wǎng)點電壓在電網(wǎng)故障3s恢復(fù)至額定電壓的90%以上時，此過程中風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運行。

3 實現(xiàn)低電壓穿越的典型方案

3.1 基于儲能設(shè)備的解決方案

該設(shè)備的基本控制策略和拓?fù)涿枋鋈鐖D3所示，AC/DC得到的交流電能質(zhì)量可以得到明顯改善，正常情況下也就是電網(wǎng)未發(fā)生故障時，電網(wǎng)給超級電容充電;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，超級電容器放電給并網(wǎng)點注入能量，提供并網(wǎng)點的支撐電壓，可以繼續(xù)使光伏設(shè)備并網(wǎng)工作正常運行。

3.2 基于無功補償設(shè)備的低電壓穿越實現(xiàn)解決方案

電網(wǎng)側(cè)發(fā)生瞬時故障時,光伏電站本身不能提供瞬間的電壓支撐,容性動態(tài)無功補償裝置尤為必要。同時,容性動態(tài)無功補償裝置可顯著提高光伏電站各母線電壓,增強光伏電站低電壓穿越能力[19-20]。

當(dāng)由于天氣狀況變化引起光照發(fā)生變化時,光伏電站出力發(fā)生變化,從而引起公網(wǎng)接入點電壓波動。因此,光伏發(fā)電系統(tǒng)同其他分布式電源一樣,必須配置相應(yīng)容量的容性和感性動態(tài)無功補償設(shè)備,以抑制公網(wǎng)接入點處母線電壓波動。裝設(shè)動態(tài)無功補償裝置后,逆變器輸出電壓基本恒定。

該種解決方案是動態(tài)無功補償裝置可以采用靜止無功補償器（SVC）,雖然動態(tài)性能略差,故障時反向沖擊電壓略大,但能滿足運行要求。考慮到動態(tài)無功補償裝置(SVG)價格的逐步降低,今后也可考慮采用（STATCOM）等新型動態(tài)無功補償設(shè)備,以提高光伏電站整體動態(tài)響應(yīng)性能。

3.3 基于無功電流電壓支撐的解決方案

如文獻(xiàn)[21,23]所述，絕大多數(shù)的電網(wǎng)公司并未定義電壓支撐要求。德國電網(wǎng)公司則對高壓、中壓和低壓電網(wǎng)提出了電壓支撐的要求標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[23]還包括了對DPGS的最高要求標(biāo)準(zhǔn)。電網(wǎng)規(guī)范包括了對電壓支撐的測量。圖2所示為高壓和中壓電網(wǎng)對電壓的要求。電網(wǎng)故障中，當(dāng)殘余電壓在邊界曲線1之上時不應(yīng)導(dǎo)致DPGS出錯。在邊界曲線1之下但在邊界曲線2之上，在特定的短時周波內(nèi)的離網(wǎng)是部分被接受的。在邊界曲線2之下，持續(xù)時間超過了1500ms時，DPGS允許離網(wǎng)。圖4所示為電網(wǎng)暫態(tài)故障期間所要求的無功電流。特性曲線的斜率和截止帶可能各有不同。該圖也可以作為高電壓穿越 (HVRT)參考。文獻(xiàn)[22]描述了高電壓穿越現(xiàn)象，但其發(fā)生的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這里所論述的LVRT。德國對電壓支撐無功電流i*R的要求如下：

由此給出K的典型值：K=2?？捎嬎愠鲭娋W(wǎng)故障發(fā)生后的20ms內(nèi)需要注入無功電流。參考文獻(xiàn)[23]給出了以下結(jié)論的詳細(xì)證明：如果無功電流的階躍響應(yīng)具有60ms的峰值時間和沉淀時間，則20ms是必須遵守的，定義誤差帶是設(shè)定點的90%～120%，80ms。文獻(xiàn)[22]對無功電流的方向以及電壓正序分量提出了更深入的要求。

式中，UN額定電壓;U0故障前電壓;U瞬時電壓;IN額定電流;IB無功電流;IB0故障前無功電流。

我們選用如圖5所示的控制結(jié)構(gòu)原理。采用SOGI方法對電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣從而實現(xiàn)序分量分解。上面提到的分化方法由于其對諧波的穩(wěn)定問題，我們在下面的論述中將其忽略，盡管它是已有的最快速方法。通常所說的T/4方法速度快，但只是針對周期信號時才有優(yōu)勢。所以噪聲和部分諧波影響它們的性能。分解出的正序分量被送至PLL以實現(xiàn)同步化和穩(wěn)定化以及電網(wǎng)故障條件下的無功電流方向。兩個電流限值標(biāo)準(zhǔn)被執(zhí)行。首先在直流Link控制器之后，限制相對于額定電流的有功參考；其次是在上述參考后的相對于額定電流的電流矢量和的限制。直流Link控制器產(chǎn)生正常電網(wǎng)條件下的有功參考電流i*d,DC，參考計算產(chǎn)生P+諧振控制器所需的有功參考電流i*d和無功參考電流i*q（包括LCL濾波器補償）[24]。為了提高控制環(huán)的動態(tài)特性，我們在PWM調(diào)制信號產(chǎn)生之前引入了一個電網(wǎng)電壓的前饋控制量。當(dāng)未加電網(wǎng)電壓前饋控制電壓跌落時會導(dǎo)致逆變器輸出電流的急劇上升。當(dāng)加入改進(jìn)措施包括電壓跌落的前饋控制時，輸出電流可控制在傳送的無功電流范圍之內(nèi)，同時保護硬件裝置不至于過電流。

4 結(jié)語

光伏電源作為大型分布式供電系統(tǒng),是一個典型的離散控制系統(tǒng)。接入電力系統(tǒng)大中型光伏電站要求具有輸出有功和無功的調(diào)節(jié)能力，并在電網(wǎng)異常狀態(tài)下起到支撐作用。光伏發(fā)電的隨機出力特性是對電網(wǎng)造成不良影響的關(guān)鍵，其較小的系統(tǒng)慣量直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性和故障恢復(fù)能力，由電力電子開關(guān)器件構(gòu)建的逆變器既是電能質(zhì)量的干擾源，同時也可以依靠控制實現(xiàn)無功和諧波補償?shù)淖饔谩４笕萘抗夥l(fā)電并網(wǎng)的運行需要借助于凈負(fù)荷的概念和準(zhǔn)確的發(fā)電預(yù)測模型，與常規(guī)機組協(xié)作以保證供電可靠性。在光伏設(shè)備方面，大容量、高效率、強可靠性的電網(wǎng)友好型變換器是各類產(chǎn)品競爭的焦點，只有達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)的光伏設(shè)備，才能真正創(chuàng)造高效的綠色清潔能源。本文描述太陽能光伏發(fā)電原理和實現(xiàn)低電壓穿越的3種方法，并綜述了國內(nèi)外提出的一些低電壓穿越實現(xiàn)的具體措施和實現(xiàn)方法，重點分析了無功電流實現(xiàn)低電壓穿越的控制策略。該分析同樣適用于其他分布式電源，可為電網(wǎng)的合理調(diào)度和安全經(jīng)濟運行提供理論依據(jù),供今后全國大型光伏電站建設(shè)時參考。

[1]肖盛,張建華,郭世繁,等.并網(wǎng)雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越能力研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(2):69-73.

[2]李輝,唐顯虎,劉志詳,等.5MW雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越的仿真分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(12):75-81.

[3]魏林君,遲永寧,趙建國,等.雙饋變速風(fēng)電機組低電壓穿越控制[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2):41-45.

[4]閆廣新,李江,張鋒,等.變速雙饋風(fēng)電機組低電壓穿越功能仿真[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(6):49-52.

[5]魯華永,袁越,陳志飛，等.太陽能發(fā)電技術(shù)探討[J].江蘇電機工程,2008,2(1):81-84.

[6]于靜,車俊鐵,張吉月.太陽能發(fā)電技術(shù)綜述[J].世界科技研究與發(fā)展,2008,30(1):56-59.

[7]高嵩,侯宏娟.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分析[J].華電技術(shù),2009,31(1):70-74.

[8]曲學(xué)基.太陽能發(fā)電技術(shù)方興未艾[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2008(9):34.

[9]胡奇勛，段渭軍，王福豹.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（6）：199-202.

[10]倪玉峰，閆闈，劉建成，等.一種新穎的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(3)：201-204.

[11]石波.提高風(fēng)力和光伏發(fā)電質(zhì)量的探索[J].西北水電，2010（6）：39-39.

[12]楊愛菊，肖松權(quán)，李紅星，等.太陽能電源點的開發(fā)[J].西北水電，2009(5)：95-99.

[13]王天.未來5年太陽能將成我國新能源支柱[J].節(jié)能，2011（1）：20-20.

[14]陳剛，鄭桂斌，彭紅衛(wèi).一種改進(jìn)型的太陽能最大功率點跟蹤控制與仿真[J].節(jié)能，2009(7):27-30.

[15]劉洋，白連平，太陽能光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制器的研究[J].節(jié)能,2008(12):8-11.

[16]吳永忠,鄒立.光伏電站太陽能電池陣列間距的計算[J].能源工程，2011（1）：39-40.

[17]宿建峰,李和平, 小銀,等.太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題[J].華電技術(shù),2009,31(4):78-82.

[18]胡寅.太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計[J].上海建設(shè)科技,2009(1):12-15.

[19]張國榮,項若軒光伏電池最大功率點跟蹤方法的研究[J].能源工程，2009（1）：13-16.

[20]王斌,施正榮,朱拓,等.超級電容器-蓄電池應(yīng)用于獨立光伏系統(tǒng)的儲能設(shè)計[J].能源工程，2007（5）：37-41.

[21]SANGRONIZ N.Review of International Grid Codes for Wind Generation [C].in VIII Brazilian Conference on Power Quality,August 2009.

[22]BOLLEN M H.Understanding Power Quality Probems：Voltage Sags and Interruptions[C].IEEE Press Series on Power Engeneering,New York,2000.

[23]SCHLABBACH J.Low Voltage Fault Ride Through Criteria for Grid Connection of Wind Turbine Generators[C].in European Electricity Market,2008.EEM 2008.5th International Conference on,May 2008:1-4.

[24]HIROFUMI AKAGI E H W,Mauricio Aredes,Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning[C].IEEE Press Series on Power Engeneering,New Jersey,2007.

Overview of Low Voltage Ride Through in Photovoltaic Power Generation

ZHEN Xiao-ya,YIN Zhong-dong,WANG Yun-fei,SUN Zhou
（New Energy Power Systems State Key Laboratory of North China Electric Power University,Beijing 102206,China）

With the expansion of installed capacity of photovoltaic equipment in recent years,solar power generation presents an ever-growing proportion in the total power supply.However,when a failure happens to the power grid,or voltage dips,the PV array may step out to bring instability to the grid or even cause the total paralysis of the grid.This paper overviews three kinds of photovoltaic inverter through the low voltage solutions and control strategies with a focus on analyzing the voltage support solution based on the reactive current control.

low voltage ride through;photovoltaic;solar energy;voltage support

近幾年來伴隨著光伏設(shè)備裝機容量的擴大，太陽能發(fā)電供電比重越來越大，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或電壓暫降時，光伏陣列可能解列給電網(wǎng)帶來不穩(wěn)定，甚至造成電網(wǎng)的全面癱瘓，綜述了3種光伏逆變器低電壓穿越的解決方案和控制策略，重點分析了基于控制無功電流實現(xiàn)電壓支撐的解決方案。

低電壓穿越;光伏;太陽能;電壓支撐

1674-3814（2011）08-0065-04

十一五國家科技支撐項目（2007BAA12B03）。

2011-04-29。

甄曉亞（1984—），男，研究方向：新能源并網(wǎng)，短路限流，電能質(zhì)量。

（編輯 徐花榮）