基于光伏电站低电压穿越技术的要求与实现

　　当前光伏发电已成为太阳能资源开发利用的重要形式，其中大型光伏电站的接入，将对电网的安全稳定运行产生深刻影响，特别是在电网故障时光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态，带来更加严重的后果[1-2]。

　　当光伏电站渗透率较高或出力加大时，电网发生故障引起光伏电站跳闸，由于故障恢复后光伏电站重新并网需要时间，在此期间引起的功率缺额将导致相邻的光伏电站跳闸，从而引起大面积停电，影响电网安全稳定运行[3]。因此，亟须开展大型光伏电站低电压穿越技术的研究，保障光伏电站接入后电网的安全稳定运行。

　　文献[4-6]主要分析了目前光伏电站实现低电压穿越的重要性和必要性。2010年12月，我国首套用于光伏电站低电压穿越现场测试的检测平台在国网电力科学研究院建成，表明我国重视光伏电站低电压穿越能力的研究与检测工作。然而，目前国内外的光伏电站几乎不具有低电压穿越的能力，对光伏电站低电压穿越关键技术的研究也很少。在新能源并网的低电压穿越方面，风电场的低电压穿越技术可为光伏电站低电压穿越技术提供借鉴。文献[7-9]集中分析了风电机组低电压穿越的结构和控制方法，可以采用增加硬件crowbar卸荷电路和不增加硬件的方式实现风电场低电压穿越。光伏电站与风电场相比，相同的是都通过电力电子器件并网，电力电子器件的耐受能力制约光伏电站的低电压穿越能力;不同的是光伏电站没有转动惯量，直流侧的电压在电网故障时不会像风电机组那样升高很多，制约光伏电站低电压穿越的瓶颈是逆变器交流侧输出电流的大小，若超过额定电流过大，则会损害电力电子器件。因此本文提出了一种基于光伏逆变器的光伏电站低电压穿越技术，在电网故障时能保持并网运行，并向电网输出一定的无功功率以支撑并网点电压，减少了因光伏电站的突然脱网而给电网带来的不利影响。

　　1光伏电站低电压穿越技术要求

　　光伏电站低电压穿越技术(LowVoltageRideThrough，LVRT)是指当电网故障或扰动引起的光伏电站并网点电压波动时，在一定的范围内，光伏电站能够不间断地并网运行。

　　2010年底，国家电网公司出台的《光伏电站接入电网技术规定》(企标)明确指出[10]，“大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力;电力系统发生不同类型故障时，若光伏电站并网点考核电压全部在图中电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站应保证不间断并网运行;否则光伏电站停止向电网线路送电。”光伏电站的低电压穿越能力需要由逆变器实现。低电压穿越能力要求如图1所示，一般选择UL1设定为0.2倍额定电压，T1设为1s，T2设为3s。

　　西班牙和德国早在2008年前后就出台了新能源并网时的低电压穿越要求[11]。德国的标准还详细规定了无功电流和电压跌落的关系，如图2所示。

　　上图表明，在电压降落期间光伏电站必须提高其无功电流以支持电网电压，当电压跌落幅度超过10%时，每1%的电压跌落，光伏电站至少需要提供2%的无功电流，其响应速度应该在20ms以内，必要时可以提供100%的无功电流。

　　2光伏电站低电压穿越技术实现

　　光伏电站低电压穿越技术的核心是光伏逆变器的低电压穿越能力，它可以不需要额外增加硬件设备，通过改变光伏逆变器的控制策略就可以实现。

　　2.1光伏逆变器控制策略

　　文献[12-14]详细介绍了三相并网逆变器典型拓扑结构，光伏阵列输出的直流电能通过三相六桥逆变器转变为所需的三相电能。其控制目标是输出稳定、高质量的正弦电流，且与并网点电压同频，功率因数满足要求，因此实现这样的目标需要对三相逆变桥进行精确的控制。图3为三相并网逆变器Udc-Q并网控制框图。

　　逆变器通过MPPT算法得到Udc_ref，该参考值与直流侧电压之间的误差信号经过PI调节得到内环的电流d轴分量参考值i*d，i*d与逆变器出电流d轴分量之间的误差信号经过电流环PI调节、dq解耦过程后得到逆变器PWM调制波Ud;同理控制无功功率，无功功率的给定值为Qref。

　　2.2光伏逆变器LVRT控制策略

　　与风电场类似，光伏电站在电网故障期间需要保持一定时间不脱网，而不同的是，由于没有转动部分，在电网故障导致低电压期间光伏电站的逆变器直流侧母线电压不会增大很多，在达到开路电压Uoc以后，逆变器的输出就为零，直流侧电压不会继续增大。因此制约光伏电站低电压穿越能力的主要是光伏逆变器输出的交流电流，不应过流而导致光伏逆变器跳开，所以既要保持逆变器不脱网，又不能损坏逆变器。由于电压跌落期间逆变器输出的电流主要是有功分量id，因此使输出电流不过流(一般不超过额定电流的1.1倍)主要是控制电流内环的有功电流给定值i*d(见图3)，从而控制id不过流。在必要时可以降低id从而留出电流裕度用以输出无功电流iq。其控制策略如图4所示。

　　图中，控制器检测并网点电压是否跌落，若电压跌落，则断开电压外环，在电流内环直接给定输出不过流时的id值作为参考值，可用正常运行时id=1作为参考值，也可以用小于1的值作为参考值从而减小id，降低有功功率输出;另一种方法是用逆变器正常运行时的id=1作为限制值，通过限幅环节限制住i*d的增大，从而限制住id的增加。若检测到电压没有跌落，则i*d继续取自电压外环计算出的结果。

　　新的并网要求还规定，在电网故障期间，光伏电站不仅需要保持并网状态，而且最好能够动态发出无功功率以支撑电网电压，并尽快恢复电气有功出力。

　　正常情况时逆变器运行在单位功率因数，id=i=1(pu)，逆变器输出电流i在电网电压跌落时不能超过额定电流的1.1倍，id以1pu作为限制，则最大无功电流给定有：

　　即最大的无功电流给定不能超过额定电流的46%，否则会造成交流侧输出电流过流。如果要进一步增大无功电流给定，则就必须减小有功电流给定值i*d，例如采用上面的方法一。

　　3仿真验证

　　本文采用PSCAD/EMTDC平台对所提光伏电站低电压穿越策略的可行性与正确性进行验证。算例如图5所示。1MW光伏电站中单台逆变器容量为500kW，光伏逆变器出口为400V母线，经过升压变压器升高到35kV，经过专线与大电网相连。下面分析光伏电站在电网侧发生三相接地短路故障和单相短路故障时的低电压穿越特性。假设故障前光伏电站以单位功率因数满功率运行，即id=1pu。

　　3.1三相接地短路故障

　　假设算例中35kV母线在0.5s时发生三相接地短路故障，短路阻抗为0.025Ω。故障于0.8s时清除。光伏电站中逆变器输出电流、交流侧电压、逆变器直流侧电流、电压及输出的有功和无功功率、输出电流的有功和无功分量如图6所示。(为了便于观察，把交流输出电流和电压错开180°，故障前输出电流和电压同相位)

　　由图可见，光伏逆变器交流侧电压在电网故障时下降到了正常状态时的20%，导致输出的有功功率骤然减小;由于采用了低电压穿越控制，光伏电站可以保持并网运行，其交流侧输出的电流在故障期间经过短暂的调节过程恢复至额定电流值，故障过程中电流略有增大，但是能很好的限制在额定电流的1.1倍以内，LVRT控制策略基本限制住了电流的增大，保护了逆变器的电力电子器件。由于功率输出减小，电能累积在逆变器直流侧电容增多，电容的充电效应使直流侧电压有所增大;直流侧电流在故障期间有所减小。

　　光伏电站在实现低电压穿越的同时还可以向电网侧发送一定的无功功率(约0.1pu)，通过光伏逆变器有功和无功的解耦，可以使之向电网发送无功，在一定程度上支撑并网点电压的跌落。从图中可见，无功电流在故障期间增大，而有功电流由于受到了限制，基本保持不变，无功电流达到了最大值0.46pu，与第2节中的无功功率极限的推导一致，因此电流增大的部分主要是无功电流。

　　通过计算也可知道，光伏电站发出的无功电流为0.46pu，网侧电压跌落到0.2pu，则光伏电站向电网发送的无功功率为0.46*0.2≈0.092pu，也与实测的无功功率(约0.1pu)一致。

　　图7是光伏电站发送无功功率前后并网点电压的对比。由图中可见，光伏电站能通过发送无功功率，把并网点电压从0.2pu提升到约0.35pu。

　　3.2单相接地短路故障

　　假设算例中35kV母线在0.5s时发生单相(a相)接地短路故障，短路阻抗为0.025Ω。故障于0.65s时清除。光伏电站中逆变器输出三相电流、交流侧三相电压、逆变器直流侧电流、电压及输出有功和无功功率、输出电流的有功和无功分量如图8所示。

　　电网侧单相电压跌落时实现光伏电站低电压穿越的关键也是限制住逆变器网侧电流的增大。由图可见，在短路故障发生时，a相的电压跌落到额定值的60%，其他两相电压没有影响;a相电流有所增大，但基本限制在1.1倍以内。由于已经限制住了有功电流，因此增大的部分主要是无功电流。其他两相电流基本没有影响。光伏逆变器直流侧电容的充电效应使直流侧电压有所增大，直流侧电流有所减小。由于是单相电压跌落，并网点电压略有减少，输出的有功功率略有下降。

　　光伏电站发出的无功电流约为0.46pu，网侧电压跌落到0.88pu(图13)，则光伏电站向电网发送的无功功率为0.46*0.880.4pu，与实测的无功功率一致。在故障期间光伏电站保持并网的同时还可以向电网输出一定的无功功率，支撑并网点电压，如图9所示，能将并网点电压从0.88pu提升到约0.93pu。

　　4结论

　　通过对光伏电站中核心部件光伏逆变器采用一定的控制策略，可以使其在电网扰动或故障导致并网点电压跌落时保持并网运行，实现低电压穿越，还可以向电网发送无功功率以支撑并网点电压。仿真表明，在电网电压跌落到20%时，光伏电站仍可以保持并网运行，并具有一定的无功电压支撑能力，满足并网标准，在三相电压跌落和单相电压跌落的情况下，均能实现良好的低电压穿越，本文为大型光伏电站低电压穿越技术的研究提供了一定的理论依据。下一步将重点开展光伏电站低电压穿越过程中有功、无功功率协调控制的研究。

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