探究光伏電站低電壓穿越時的無功控制策略

張建勛

（內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，內蒙古呼和浩特 010021）

1.分析并網光伏電站低電壓穿越技術要求及技術實現

大量光伏接入電網，對電網運行安全性和穩定性產生了諸多不良影響，因此，為減少電壓脫落故障，并始終保持不脫離電網運行狀態，有必要提高光伏發電系統低電壓穿越能力，切實提高光伏電站整體運行穩定性。就并網光伏電站低電壓穿越要求看，光伏電站在實際發展中，主要以“分散開發”“大規模開發”等模式發展，在具體運行中，呈現出不穩定運行狀態[1]。因此，為全面提高電網運行環境的穩定性，相關電網企業在實踐運營過程中，必須參照《光伏電站接入電網技術規范》等要求擬定光伏電站低電壓穿越技術文件，確保實現對光伏電站運行狀況的監控，促使光伏電站在不間斷并網運行狀態下穩定運行。

同時，為保證并網光伏電站低電壓穿越技術水平，需要將電壓值ULO控制在定額電壓0.9倍左右，將光伏電站運行區域時間控制在合理范圍內，確保光伏電站始終保持在最佳運行狀態。另外，在并網光伏電站低電壓穿越過程中，需要將無功電流值設定為0；要求相關技術操作人員將光伏發電系統故障后無功電流設定為：IB=kIN，確保滿足電網運行需求，提高電網運行穩定性。

2.探究光伏電站低電壓穿越的無功策略

2.1 非對稱故障情況下，低電壓穿越控制策略

研究發現電網故障發生時，逆變器運行工況直接關系到電網運行狀態，為此，要想保證光伏系統運行安全可靠性，必須制定具有針對性的低電壓穿越控制策略，為保證獲取到精度較高的并網電流，需要清晰化地明確控制目標；必須實現對前級最大功率的跟蹤和控制，確保前后級直流側功率在穩定范圍內，并嚴格按照系統設定的母線電壓標準，將電壓控制在穩定狀態下。在光伏系統正常運行狀態下，逆變器可實現cosφ=1并網目標，當出現低電壓故障時，系統會根據電網無功需求，發出無功功率。基于光伏系統結構看，并網逆變器與電網之間構成并聯的結構，如圖1所示；逆變器和電網相當于兩個電壓源并聯在一起，在正常工況下，功率流動會出現環流情況，為此，針對此種情況，采取的是在并網點電流控制的辦法[2]。在MPPT算法推導下可得到逆變器Ude-ref，為更好跟蹤和監測電網電壓、電流分量情況，使用的是引用鎖相環對電網電壓進行跟蹤，并在MPPT協同作用下，有效調節光伏陣列輸出的直流電流，大大提升了并網運行的穩定性。

圖1 并網逆變器控制框架圖

2.2 電壓定向逆變器控制策略

電網發生低電壓故障時，并網故障點處的電壓會開始下降，需要采取限流控制措施，保證逆變器安全運行。基于光伏陣列持續保持最大功率跟蹤狀態，會造成能量出入不平衡，能量堆積在直流側，導致直流母線測電壓激增，造成逆變器中的功率開關器件被燒毀。因此，需要對電壓定向的逆變器進行控制，在本文研究中，主要采取的是“電網電壓矢量定向雙閉環控制”方式，借助變量進行獨立控制，并實時進行無誤差跟蹤，可掌握逆變器動態響應情況。要想提高光伏電站運行穩定性，將光伏系統接入電網運行時，必須保證在穩壓狀態下；在光伏發電系統中，光伏陣列側輸出的功率途徑逆變器轉換成正弦量，為此，需要為逆變器運行提供電網電位信號控制條件，確保實現電網電壓一致性。

2.3 對稱故障下低電壓穿越故障控制策略

對稱故障發生時，光伏發電系統中的電氣量是保持在對稱狀態的，但故障期間直流側堆積了大量的功率，造成直流母線側電壓出現激增現象。當電網發生對稱性低電壓跌落故障時，需要采用所示的控制策略，雙向的Buck/Boost變換器，可將能量從高壓轉移到低壓狀態，支持存儲直流側不平衡能量，有效規避直流側能量的堆積，進而保持直流側電壓的穩定性，切實提高光伏發電系統安全可靠性質，確保光伏電站低電壓故障能夠順利地穿越。

2.4 對稱故障時，負序電壓前饋控制策略

研究發現，因非線性擾動因素造成的三相電壓不平衡時，基波電壓負序分量和高次諧波含量也會增加，實現對電網各序電壓分量的控制。當電網發生非對稱故障情況時，直流側的功率中含有二倍頻分量，經由調制后，會產生更高次的諧波，對電網造成了諧波污染。當負序分量在逆變器輸出功率中出現二倍頻波動情況時，鎖相信號會發生畸變情況，并對調制信號產生一定的干擾，最終導致電流發生畸變情況。針對此種情況的解決辦法，主要采用的是鎖相環將負序分量分離和消除；使用LES濾波器電壓檢測方法后，獲取到電網電壓基波和正負序分量，然而，在濾波環節削弱了光伏逆變系統低電壓穿越響應速度，為此，要想規避電網故障時電流負序分量的影響，采用了負序電壓前饋控制方法，抑制了電網電路中負序電流分量對光伏逆變系統的影響，保證了光伏逆變系統低電壓穿越的響應速度[3]。

2.5 雙向Buck/Boost變換器輔助控制策略

在電網故障期間，需要將直流母線側堆積的能量轉移到超級電容中，為保證后續故障再利用需求，需要將超級電容中的能量進行釋放，確保快速恢復電網正常運行狀態，在雙向Buck/Boost變換器輔助控制下，可為電網電壓跌落故障的發生提供支持。進行超級電容放電時，需要設置切換點，目的在于保持光伏發電系統正常并網，一是，當光伏陣列側的輸入功率小于額定功率時，可將其應用于穩定直流側電壓；二是，當超級電容放電達到儲能下限時，則停止放電。相關研究人員通過實踐研究發現，光伏電池短路電流和輸出功率與環境因素變化有一定的關聯性；當溫度較低情況下，光伏電池短路電流和輸出功率較少，當溫度較高時，則發出較多的有功功率；此種情況下，對逆變器并網運行產生了負面的影響。針對上述問題，提出了相關的控制措施，當溫度較低的情況下，在超級電容釋放能量過程中，補充前級功率的缺額，在溫度較高情況下，吸收超過額定功率的部分能量，進而實現MPPT運行，在光伏系統運行過程中，雙向Buck/Boost變換器扮演著重要的角色，可將直流母線電壓維持在恒定狀態下，并根據光伏陣列輸出的功率和額定功率，對超級電容的工作狀態進行判斷和分析。

3.結論

為解決社會能源使用需求，將光伏電站接入到電網中，會造成不同程度的電網損耗現象，影響到電能傳輸時效。為保證電網企業可持續發展，逐步提升在市場競爭中的核心競爭力水平，有必要深入研究光伏電站低電壓穿越控制策略，通過分析非對稱故障情況下，低電壓穿越控制策略、電壓定向逆變器控制策略，負序電壓前饋控制策略等控制策略，為光伏電站穩定運行提供支撐，為光伏系統接入電網并網運行提供了科學指導，確保進一步提高電網運行安全性。