光伏并网发电系统的低电压穿越技术

陈亚爱，刘劲东，周京华，张新强

（1.北方工业大学 北京市变频技术工程技术研究中心，北京 100144；2.天津瑞能电气有限公司，天津 300381）

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(low voltage ride through，LVRT)能力，即在电网故障期间保持光伏电站不间断并网运行。基于保护穿越期间光伏发电系统的安全，需对光伏并网发电系统低电压穿越技术进行研究。论文将结合光伏并网发电系统的结构论述目前光伏电站的低电压穿越技术。

1 低电压穿越要求

当电力系统发生故障，光伏电站并网点电压跌至曲线1以下时，光伏电站可从电网切出。对故障期间没有切出的逆变器，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率/s的变化率恢复至故障前的值。同时，低电压穿越过程中逆变器宜提供动态无功支撑。图1为光伏电站的低电压穿越能力要求。

图1 光伏电站的低电压穿越能力要求

新的并网规则中甚至要求光伏电站能够实现零电压穿越，穿越要求如曲线2所示，即能够在电网电压跌落至0时保持并网运行150ms，并对跌落期间的无功支撑做出详细规定要求。在工程中，实际的限定值需考虑保护和重合闸动作时间等实际情况，应按照接入电网主管部门的相应技术规范要求设定。

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[1]。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。

图2 光伏并网发电系统的拓扑结构

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。

图3 低电压穿越技术的分类

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。文献[2]采用所谓的STATCOM控制模式，电流内环采取q轴电流给定，实现调节无功输出，同时加入限幅环节以保护逆变器输出最大电流。如图4所示为定向矢量控制框图，虚线所示为改进部分。

图4 工作在STATCOM模式下的逆变器控制框图

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。

因此可引入负序电流控制环，对电流正序和负序分量分开控制，以实现灵活的控制目标，控制框图如图5所示。根据选取的控制目标，采用不同的参考值计算方式，不平衡下并网控制可实现：控制网侧有功功率恒定；控制无功功率恒定；抑制直流母线波动和抑制负序电流以实现三相平衡输出。另外采用瞬时值或平均值来计算，也会影响到控制的目标[3]。

图5 正负序双电流环的控制框图

上述的控制基于理想条件，未考虑滤波电感中能量波动的影响。实际系统中，采用的L型滤波器有阻抗，存在能量损耗，若以并网点作为控制目标，可实现近似的控制效果，例如以抑制母线波动作为目标，当并网点输出的有功控制为恒定时，此时电感和等效电阻的存在使得母线上的波动无法完全消除，控制效果并不理想。基于消除这部分波动量，提出在参考电流计算中引入逆变器输出侧的电压值，即以SVPWM模块的调制信号作为2倍频波动量的系数，与并网点有功、无功功率方程联立，求出参考电流的给定值。并仿真验证该算法的可行性，但线性方程组求解计算量较大，不利于工程实现。文献[4]通过能量平衡分析，考虑电感中的能量波动，并列出新的功率方程，简化求解得出参考电流值，并实验验证了能有效抑制母线电压波动，同时可提高并网的功率因数，降低并网电流的谐波含量[5]。

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。为简化计算，文献[6]通过功率分析得出，在正序控制环路的偏差信号中加入负序交流分量的补偿量以实现控制目标。该方式省去了负序控制环，简化了控制，也能实现对有功和无功的解耦控制。但用PI调节器来控制交流分量，无法实现无静差跟踪，虽然仿真进行了验证，但缺乏工程实践。为进一步简化控制，目前还对基于比例谐振（PR）调节器的控制方法进行了研究。

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[1]。

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。考虑到电压跌落瞬间的电流冲击，可通过模型计算，在图6所示的参考值计算环节中加入功率限定，以抑制暂态过程中网侧过电流，同时确保输出电流的正弦度[7]。

图6 基于PR调节器的不平衡控制框图

对于大功率的光伏并网系统，考虑到效率和成本，通常选取LCL型滤波器。但LCL型滤波器在电网不平衡条件下模型较为复杂，传统有源阻尼算法与双序电流环控制存在匹配问题，因此在抑制母线电压波动和控制LCL的谐振时存在难点。文献[8]通过引入电网电流反馈，采取多环控制方式，通过对逆变器侧电压和网侧电压的分开控制实现对谐振点的抑制，并仿真验证了算法的有效性。控制框图如图7所示。

因PR调节器可实现对交流量的无静差控制，因此采用三相电流直接反馈的方式实现低电压穿越，实质上原理相同。其他类型不平衡控制算法还包括：基于重复控制器的控制方式，基于模糊控制器的控制方式，建立非线性控制模型的非线性电压跌落控制方式，这些方法的控制原理类似，只是实现的方式不同。针对PR调节器的控制精度受限制，在非基频处的增益小，导致当频率变化时不能有效抑制电网引起的谐波等问题，分析了准PR调节器的设计方法来保持谐振控制器的高增益，进一步完善了控制。

图7 基于LCL滤波器电压不平衡控制算法

当电网电压跌落时，基于控制算法的低电压穿越技术方案不需要增加额外的硬件成本，但对数据采集的精度要求较高，同时对算法中参数选取也较为敏感。

3.2 基于辅助硬件的低电压穿越技术

基于降低电网故障对逆变器运行造成的影响，可采取增加辅助硬件的方式以提升并网点电压。图8所示为主电路硬件结构，由图8可知，为了消除暂态过程对逆变器件造成的冲击，可从以下两个方面选取控制实现LVRT：提升并网点电压，减小逆变器侧受到的冲击；提升逆变器的抗冲击能力，使之能安全渡过低电压穿越阶段。即在逆变器输出侧加入硬件保护电路，或者在并网点处加入无功补偿电路，如图8虚线部分所示。

图8 光伏并网发电系统的硬件结构

在逆变器输出侧串联可变电阻，并根据电压跌落的等级实时调整三相串联电阻的大小，从而调整可变电阻消耗的能量，以减小逆变器受到的电流冲击从而确保低电压穿越状态下逆变器的安全运行。文献[9-10]在逆变器输出侧加入AC-AC斩波电路，隔离了电网与逆变器，通过调节AC-AC斩波电路开关占空比实时调节逆变器输出侧的电压值，起到支撑逆变器侧电压的作用，从而保护光伏电站的安全。

文献 [11]在风电机组并网点加入动态电压补偿装置(dynam ic voltage restorer，DVR)，即通过输出一个幅值、相位可控的电压实现对并网点电压进行补偿，以减小甚至消除电网电压跌落对发电系统的冲击，从而实现低电压穿越。该方式同样适用于具有相似结构的光伏并网发电系统。基于静止同步补偿器（static synchronous compensator,STATCOM）的无功补偿措施，主要应用于提高电能质量，这种网侧串联STATCOM的方式对于电网电压跌落支撑有一定的效果，但支撑程度受电网容量影响。同时，STATCOM也可满足并网规则中的无功支撑要求，因此可应用于光伏系统的低电压穿越控制。

另外，为提升逆变器的抗冲击能力，可考虑在DC/DC变换和逆变器结构和控制上加以改进。文献[10]基于背靠背型变流器的并网，采用串联逆变器的方式。当电压跌落时，基于保护变流器、防止过流，可采用成本较低的SCR、GTO构成的辅助变流器与主变流器串并联，以实现分压或分流，减小主变流器受到的冲击。缺点是需根据电网电压跌落的程度保证足够大的电流等级；同时GTO的开关频率较低，会注入较大的谐波。文献在双馈式风力发电系统中对算法进行了验证，结果表明具有较好的低电压穿越性能，从原理上分析，这种方式也可适用于逆变器并网的光伏电站，但缺点是增加了硬件成本，且控制算法较为复杂。

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。该方式原理简单，实现方便。但对于不对称电压跌落，同步旋转坐标系的直流分量中将含有2倍频交流分量，影响了锁相信号的准确性，甚至锁不到正弦信号。因此，基于获取不平衡电压条件下的锁相信号，可采取降低锁相环带宽或采取输入正序分量的锁相方式。正序锁相方式由正序分量提取模块消除直流分量中的扰动量，然后采用正交信号发生器的方式，得到低电压穿越期间的锁相信号[12]。

图9 q轴定向锁相环框图

文献[13]中使用的一种锁相方式，包括幅值变换处理、频率变换处理、相位变换处理三部分，使幅值相位频率变化时均能有效地锁定相位，现有的仿真算法大都基于该方式。分析了传统的锁相环在低电压穿越期间遇到的问题，并验证了该锁相方式在不同条件下的快速锁相能力。不同的正序分量提取方式会影响锁相环的快速性。

4.2 正负序分离设计[14]

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100 Hz带阻滤波器和50 Hz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（second order generalized integrator，SOGI)。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。

上述几种实现的方式均可从功能上实现正负序分量的提取，有各自的优点，实际应用中需作出最优选择。

5 总结

目前查阅的大量资料表明，大功率光伏电站的低电压穿越技术研究大多基于理想条件下进行，在算法上依赖于快速精确的信号检测和控制芯片数据处理能力，文献中多基于小功率条件进行验证。实际运行中，如何实现低电压穿越的最优化控制，仍然是一个需要研究的课题。同时，并网标准中对低电压穿越的要求还不够明确，如无功支撑的幅度、有功输出要求等。控制中在满足并网规则的前提下，应视实际的情况而定。考虑到大功率光伏电站输出特性，基于控制算法的低电压穿越技术在成本上更容易实现，因此具有较大的潜力。

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