光伏逆变器接入智能电网的要求和技术探讨

无锡马丁格林光伏科技有限公司 ■ 徐献丰 陈晓高 熊保鸿

0 引言

近年来，智能电网正逐步成为电力领域的研究热点，如何使智能配电网健康快速地发展，也成为电力工作者越来越关注的问题。智能配电网的重要特征之一就是可支持大量分布式发电系统的合理并网(示意图见图1)，其不但具备投资少、发电灵活、环境兼容等特点，还能提高和完善需求侧响应与管理功能，完全符合智能配电网框架的发展要求[1]。光伏逆变器作为一种重要的分布式电源，正逐渐从独立发电模式朝大规模并网方向发展，随着光伏并网发电系统的不断增加，其对我国电网的稳定可靠运行及实现电网智能化既具有显著影响，也具有重要意义。由于光伏发电系统的随机性和间歇性，在大规模并网过程中将对配电系统结构和运行等方面产生显著影响。本文以光伏发电系统接入配电网的影响为出发点，从光伏逆变器的角度来探讨光伏系统接入智能电网后需解决的关键技术问题。

图1 微电网系统示意图

1 光伏逆变器接入智能电网的要求

光伏并网逆变器接入配电网后会带来各种扰动，影响系统电能质量，主要体现在电压闪烁和谐波、电压脉冲、浪涌、电压跌落、频率偏移、瞬时供电中断等动态电能质量问题。这对未来的逆变器提出了以下要求：

1)支持电网智能调度。应用该逆变器的光伏电站系统支持电网的智能管理，系统结构如图2所示。该光伏逆变器并网后，能接受电网调度中心的远程控制信号，可向电网注入有功功率的同时提供无功补偿，增强电网的调度能力；具有电网过频时有功降低调节能力，保证与电网的协调可靠运行；同时还具有低电压穿越能力，短时穿越电网故障，为电网提供动态支撑。

2)支持微网运行控制。实现与大电网对等的即插即用，可方便与其他分布式电源组成微网；具备多机并行群控模式，确保微电网中各并网逆变器的协调控制，并使由该逆变器组成的光伏电站系统的发电效率最优化。

图2 支持电网智能管理的光伏电站系统

3)兼容远程监控。要求具有多种可选的传输方式，如RS232、RS485、以太网、Wi-Fi、Bluetooth等，设有多种统一的通讯接口，可根据现场情况进行灵活组网，可方便地通过手机短息、电子邮件、因特网页等实现对远程任意节点的访问，方便用户对由该逆变器组成的光伏电站系统进行远程控制和数据监控，如图3所示。

图3 光伏电站控制及监控系统

2 光伏逆变器接入智能电网的关键技术

2.1 有功调节和无功补偿技术

为了满足对电网的调峰调频作用，要求接入电网的光伏逆变器可接受电网调度信号进行有功调节，并且具有有功过频降额功能。另外，为了抑制电网电压的大幅度波动，要求光伏逆变器具有一定无功补偿能力，即在电网电压低时可向电网注入无功以提高电网电压，或电网电压高时可吸收无功以降低电网电压。为了实现光伏逆变器的有功和无功控制，硬件结构上，基本是采用经典的三相全桥逆变电路。软件算法上，最常用的方法就是采用基于矢量变换的解耦控制，再通过PI控制器进行电流环跟踪控制，PI控制器表达式见式(1)。该方法在电网正常情况下具有很好的控制效果，但是在电网不平衡情况下，由于负序分量的存在，经过dq变换后d轴会有二次谐波分量，使得该方法存在一定的系统稳态误差。

其中：GPI表示比例积分控制器传递函数；KP表示比例积分系数；KI表示积分比例系数。

为了克服这一问题，比例谐振控制器(PR)和重复控制器(RP)可实现无静差跟踪。

比例谐振控制的思想主旨是在控制器传递函数的jω轴上加入两个固定的闭环极点，形成该频率下的谐振，同时利用谐振增大固定频率的增益(理论上，谐振使得该设计下的增益趋于无穷大)，从而实现该频率下指令信号的无静差跟踪[2]。比例谐振控制器表达式如下：

其中：GPR表示谐振控制器传递函数；KR表示谐振系数；ω表示角频率。

比例谐振控制不仅可对特定频率下基波电流精确跟踪，当结合锁相环PLL技术时，还可应用于对3次、5次、7次谐波补偿，在PR控制器中并联加入式(3)的分量即可。

2.2 低电压穿越(LVRT)技术

为了保证系统在电网电压跌落后快速作出故障穿越反应(即根据电压跌落深度向电网注入无功，抬高电压以帮助电网恢复)，要求具有快速的电网电压跌落检测技术。常规的电压跌落检测方法有：有效值(RMS)计算和相序分解法。

对于RMS法，是通过计算T/2周期内每个线电压(p2p)的有效值来判断电压跌落：

对于相序分解法，是通过Clarke变换，把零序(ZS)分量分离出来，在αβ坐标系下仅剩正序(PS)和负序(NS)分量，再通过不同的正负序分离手段得到PS和NS分量，最后通过PS的变化来检测电压跌落。αβ坐标系下正负序分离的方法有1/4周期法(T/4)、微分法(DT)和二阶广义积分法(SOGI)[3-4]。

T/4法是通过自延迟1/4周期，因此对周期性信号具有抵消能力，但同时减弱了抗扰精度，通过式(5)得到PS和NS分量：

DT法是通过对信号取微分来建立正交分量，这使得该方法对谐波非常敏感。数学表达式如式(6)：

SOGI法是通过二阶广义积分器来建立正交分量，分解方程如式(7)：

图4给出了以上4种方法在电网电压跌落至50%且THD值为5%时的检测结果，可看出：T/4法具有不连续性；DT法对谐波较敏感；SOGI法速度慢，但是在噪声和畸变条件下具有很好的稳定性和抗扰性；RMS法在各种条件下都具有较好的检测效果。

2.3 支持微电网运行控制

图4 电网电压跌落检测方法对比

分布式发电以其诸多优点受到了广泛关注，尤其是光伏发电系统近年来得到了快速发展。但是，当电力系统发生故障时，分布式电源必须马上退出运行，这使得分布式电源的效益未得到充分发挥。微网技术的出现可解决这一问题，微电网是在分布式发电基础之上形成的一种新型供电方式，通过电力电子装置和储能设备实现功率变换和灵活控制，既可单独为本地网络负载供电(孤岛模式)，又可与配电网连接并网运行(并网模式)的一种供电网络形式[5]。电网正常情况下，微电网可运行并网模式；电网出现故障，微电网可及时与电网断开而运行孤岛模式，以维持本地网络电压幅值频率稳定，保证负载可靠供电。

2.3.1 孤岛检测技术

微电网灵活控制的关键问题之一是孤岛检测，孤岛检测方法一般可分为无源法和有源法。无源法检测基本电气量的特性，如电压幅值(过压/欠压)、相位(相位突变)、频率(高频/低频、频率变化率)、谐波畸变率、不平衡度、功率变化率和频率功率变化率等，其特点是对电能质量无影响，但存在孤岛检测盲区。有源法通过有源扰动或正反馈引发系统偏离正常稳定工作点，从而实现孤岛检测。有源扰动量包括电流幅值、相位和频率、电流谐波、输出有功和无功功率等，其特点是可减小或消除孤岛检测盲区。

然而，微电网孤岛运行控制要求维持系统电压幅值频率正常且稳定。如果采取传统破坏性无盲区孤岛检测方法，虽然可检测到孤岛的发生，但此时系统电压幅值或频率处于故障运行范围，在由并网运行模式向孤岛运行模式切换的过渡过程中，可能会由于参考电压(正常)和实际电压(故障)差别大而出现较大暂态过程(如过压或过流现象)。为了避免此类情况的出现，需微电网在不破坏电压前提下仍能检测到孤岛的发生，即微电网要求具有无盲区且非破坏性孤岛检测的功能。一种基于负序电压正反馈的孤岛检测方法[6]可满足这一要求，该方法在电压处于正常运行范围的情况下仍可快速有效地检测到孤岛的发生，从而实现非破坏性无盲区孤岛检测。此外，其在电网单相和两相断路情况下仍然有效。

图5所示为基于负序电压正反馈孤岛检测方法的逆变器并网控制原理图。

图5 基于负序电压正反馈孤岛检测方法的逆变器并网控制原理图

2.3.2 电压和频率控制技术

当光伏发电系统接入微网后存在并网和孤岛两种运行模式。并网运行时，微网内的各PV发电单元只需控制功率流的输出以保证微网内部功率的平衡[7]。由于微网的总体容量相对于电网较小，因此电压水平和额定频率都由电网进行支持和调节。孤岛运行时，微网与电网连接断开，此时微网内部要保持电压和频率的额定值，需某个或某几个光伏发电单元或微网内其他的分布式电源担当电网的角色来提供额定电压和频率。 对于微网运行控制通常采用电压/频率(V/f)和下垂(Droop)控制策略。

1) V/f控制策略：是利用逆变器反馈电压以调节交流侧电压来保证输出电压的稳定，常采用电压外环电流内环的双环控制方案。电压外环能保证输出电压的稳定，电流内环构成电流随动系统能大幅加快抵御扰动的动态过程。电压电流双环控制充分利用系统的状态信息，不仅动态性能好，稳态精度也高。同时，电流内环增大逆变器控制系统的带宽，使逆变器动态响应加快，对非线性负载扰动的适应能力加强，输出电压的谐波含量减小。

2) Droop控制策略：微网中各并联逆变单元(PV发电单元或其他分布式电源)可通过检测本单元的输出功率大小，根据自身容量把频率与幅值两个要素通过输出的有功功率和无功功率进行近似解耦控制。各逆变单元通过下垂控制得到输出电压频率和幅值的指令值，然后各自反相微调其输出电压幅值和频率，达到系统有功和无功功率的合理分配。输出有功功率大的逆变电源，通过频率下垂特性减小其输出频率，从而减少其有功功率输出；输出有功功率小的逆变电源，通过频率下垂特性增大其输出频率，从而增加其有功功率输出。输出无功功率大的逆变电源，通过幅值下垂特性降低其电压幅值，从而减小其输出无功功率；输出无功功率小的逆变电源，通过幅值下垂特性抬高其电压幅值，从而增大其输出无功功率。这种自我调节过程将一直持续下去，直到微网系统达到平衡点。

2.4 潮流控制

光伏发电系统接入配电网后，特别是从负荷侧接入后，往往会导致整个网络的负荷分布发生变化。此外，光伏发电系统的随机变化特性会导致并网后的各种负荷分布情况交替出现，这使系统潮流也具有一定随机性，此时传统潮流算法将不再适用[8]。因此，有必要提出新的潮流分析和控制方法。

3 结论

光伏逆变器并入智能电网会带来的系统问题还需在实践基础上进行深入探讨，除了文中所述部分，还涉及配电系统的规划、运行、管理等多个方面。光伏发电系统作为一种重要且极受欢迎的分布式电源，应该纳入建设坚强智能配电网的总体研究框架中。从基础问题入手，以高层次优化应用为目标，以良好的实验环境为科研平台，进一步开展多方面实用化研究，以满足智能配电网的发展需求。

[1] 陈树勇，宋书芳，李兰欣，等. 智能电网技术综述[J]. 电网技术，2009，33(8): 1－7.

[2] Teodorescu R，Blaabjerg F，Borup U，ea al. A new control structure for grid-connected LCL PV inverters with zero steadystate error and selective harmonic compensation[A]. Applied Power Electronics Conference and Exposition，APEC'04.Nineteenth Annual IEEE[C]，2004，1: 580 - 586.

[3] Timbus A，Teodorescu R，Blaabjerg F，et al.Synchronization methods for three phase distributed power generation systems-An overview and evaluation[A]. Power Electronics Specialists Conference 2005. PESC'05. IEEE 36th[C]，2005，2474 － 2481.

[4] Magueed F，Sannino A，Svensson J. Transient performance of voltage source converter under unbalanced voltage dips[A].Power Electronics Specialists Conference 2004. PESC 04. 2004 IEEE 35th Annual[C]，2004，2: 1163 － 1168.

[5]赵宏伟，吴涛涛. 基于分布式电源的微网技术[J]. 电力系统及其自动化学报，2008，20(1): 126－128.

[6]郭小强，邬伟扬. 微电网非破坏性无盲区孤岛检测技术[J].中国电机工程学报，2009，29(25): 7－12.

[7]杨文杰. 光伏发电并网与微网运行控制仿真研究[D]. 成都:西南交通大学，2010.

[8]刘伟，彭冬，卜广全，等. 光伏发电接入智能配电网后的系统问题综述[J]. 电网技术，2009，33(19): 1－6.