光伏電站低電壓穿越及直流側保護控制策略

范麗君，黃 鑫

(1.國網上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800；2.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122)

隨著大型光伏電站在電網中滲透率的不斷提高，未來更容易引發因設備故障、脫網而導致的電力系統穩定性、可靠性等問題[1-2]。對此，我國針對大型光伏電站并網運行制定了相應的技術準則[3]。其中，要求光伏系統在電網電壓驟降(通常由電網故障引起)時需具備保持與電網相連并繼續維持運行，并在必要時向電網提供動態無功支撐以幫助電壓快速恢復的能力，即低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, 簡稱LVRT)能力，具體要求如圖1所示。此外，當電網發生低壓故障時，光伏陣列無法向外輸送功率，導致能量堆積在直流側，無法有效地轉移或消耗，造成直流母線電壓短時間內急劇升高，極易引發變流器開關器件因過流過熱而燒毀，故還需對光伏直流側電壓加以控制，以避免過電壓事件的發生。

圖1 光伏電站低電壓穿越的能力要求

針對這一目標，現有研究多是將不平衡故障下的各個分量進行正負序分解，并針對不同的參考坐標系提出電壓跌落故障下的并網電流參考值計算方法，進而設計相應的電流跟蹤控制策略[4-5]。文獻[6]提出采用負序電壓前饋的方法來消除電壓跌落時并網電流中的負序分量，使并網電流三相平衡且正弦，但其無法抑制有功、無功功率產生的二倍頻振蕩，交流側的功率振蕩會加劇光伏直流側電壓的波動，進而造成設備運行失穩；文獻[7]以抑制電壓跌落時的功率振蕩為目標，設計了基于電流預測的逆變器控制方法，然而該方法是將源側簡化為理想直流源，未考慮光伏直流側的電壓控制；文獻[8]采用增加耗能Crowbar的方法來消耗電壓跌落時直流側多余的能量以防止直流母線電壓過高，但該方法增加了硬件成本。

綜上所述，本文提出一種提高單級光伏電站LVRT能力的綜合控制策略，并通過Matlab/Simulink搭建了光伏并網發電模型，對所提控制策略進行仿真驗證，仿真結果證明該方法的有效性。

1 單級式光伏電站工作原理

圖2 電網正常運行時光伏系統控制結構框圖

2 所提LVRT控制策略

當電網發生故障并導致公共耦合點(PCC)的電壓下降至LVRT曲線(圖1)包絡范圍內時，逆變器須立即從正常運行模式切換至LVRT運行模式，所提LVRT綜合控制策略控制框圖如圖3所示。

圖3 電網故障時的LVRT控制策略

電壓降落檢測單元用于快速、精確地檢測電壓降落信號，并自動將系統從正常運行模式切換到低電壓運行模式；直流電壓控制單元、交流電流限制單元以及無功電流控制單元，根據技術規范分別用以保護逆變器避免直流母線電壓過高、交流側發生過電流，同時注入無功功率以實現對電網電壓的動態支撐。所提控制策略的工作流程見圖4，下面針對每個控制單元作具體說明。

圖4 所提LVRT控制策略工作流程

2.1 電網低電壓檢測方案

當發生電壓驟降時，LVRT控制應盡快將逆變器控制模式由正常狀態下的雙環控制切換至低電壓運行模式，其關鍵是擁有快速、精確的低電壓檢測單元。近年來，有多重低電壓檢測方法應用于光伏設備中，如電網電壓峰值檢測法、矢量控制檢測法等。這類方法動態響應較慢，并且較依賴硬件設備[11]。所提LVRT控制策略中采用均方根計算法，通過式(1)計算網側電壓dq軸分量的均方根值，該方法既可保證監測的快速性，并且不需要額外的硬件設備。

(1)

式中Vgr——網側電壓均方根值；Vgd——網側電壓d軸分量；Vgd——網側電壓q軸分量。

2.2 直流側過壓限制方案

受電壓跌落的影響，逆變器輸出的有功功率一般將小于光伏電池的輸出功率，多余的能量儲存在母線電容中，導致母線電壓不斷增大，最終觸發過電壓保護脫網造成低電壓穿越失敗。因此，在低電壓穿越期間需采用降MPPT運行的方式，從而將光伏電池的輸出功率Ppv不大于逆變器的輸出的有功功率Po。

圖5 光伏電池P-V特性曲線

2.3 逆變器輸出電流控制策略

由于電力電子逆變器過流能力較弱，當過電流發生時極易引發逆變器脫網或開關器件燒毀。為此，首先應采取一定的限流措施，將其限制在最大允許電流(通常為1.1倍的額定電流)以內。同時，逆變器應發出一定的無功功率以幫助電網電壓恢復。光伏電站在電網電壓驟降下指定的無功電流注入量如圖6所示。

圖6 無功電流與電壓支撐的關系

當電網電壓幅值(標幺值)在0.9～1.1之間時，系統正常運行，逆變器只注入有功電流，而當電網電壓幅值(標幺值)降至0.9以下時，逆變器切換至LVRT控制模式，此時注入無功電流應滿足如下關系：

(2)

在低電壓期間，逆變器輸出電流應滿足如下不等式關系：

(3)

k=(ΔIq/IN)/(ΔVg/VN)≥2

(4)

式中Vg——電網電壓瞬時值；VN——電網電壓額定值；IN——逆變器輸出電流的額定值；Id，Ig——逆變器輸出的有功、無功電流分量。

(5)

由此可知，低電壓期間逆變器允許流過的最大有功、無功功率參考值可表示：

(6)

3 仿真驗證

為驗證所提控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink搭建了如圖2所示的單級式三相光伏并網仿真模型，并采用所提控制策略進行控制。仿真中系統接入的是10 kV配電網絡，光伏發電直流母線電壓為700 V，交流側出口電壓為380 V，設光伏此時發出的最大有功功率為10 kW，無功功率為0，在t=0.5 s時發生電壓跌落，跌落幅度為60%，仿真結果如圖7所示。

由圖7(a)和7(b)可以看出，網側電壓發生跌落，電壓(標幺值)由1跌落至0.4，并在t=1 s時恢復正常。低電壓檢測單元通過監測電壓均方根數值，當該值在短時間內發生突變時，即啟動或退出LVRT運行模式。由此可知，在t=0.5 s時刻，逆變器控制由正常狀態時的雙環控制立即轉換為LVRT控制模式。

通過圖7(c)和7(d)可以看出，逆變器的輸出電流的峰值在正常時約為20 A。當故障發生瞬間，并沒有發生過大的電流沖擊，低電壓期間電流幅值始終維持在1.1倍額定電流以內，保證了逆變器在低電壓期間的可靠運行。同時，通過逆變器輸出電流的dq軸分量波形可以看到，有功電流由20 A下降至17 A左右，無功電流由0 A上升至12 A，說明該控制策略減少了光伏的有功功率注入，同時按照電壓跌落的水平，向電網注入一定的無功電流對其進行支撐。

按照圖6無功電流與電壓的支撐關系，當電壓下降60%時，逆變器應提供約為額定電流60%的無功電流，而為了輸出電流不超過額定值的1.1倍，需降低有功功率注入。觀察圖7(e)可知，逆變器按照比例注入了相應的無功功率，而系統有功功率的降低維持了低電壓期間的功率平衡。并且，圖7(f)展示了光伏直流側的母線電壓，仿真中電壓控制上選取系數，此時母線電壓將不會大于其上限(800 V)，仿真結果也證明了這一點。

圖7 所提控制方法下逆變器低電壓穿越運行仿真結果

綜上所述，低電壓期間逆變器不會觸發過壓保護或者過流保護，并且輸出的無功功率符合并網規則的要求，因此所提控制策略實現了光伏并網系統的低電壓穿越。

4 結語

本文研究了單級式三相光伏并網逆變器在電網電壓降低情況下的綜合控制策略，通過低電壓檢測單元、直流電壓限制單元、交流電流控制單元以及無功電流控制單元的設計和相互配合，實現了對電網電壓降低情況下的精確、快速控制。當發生故障時系統能夠自動切換至LVRT運行模式，有效限制直流母線電壓以及逆變器輸出電流在合理范圍之內，避免因故障造成過壓、過流而導致逆變器脫網現象發生，能夠向電網提供一定的動態無功支撐，為光伏電站高可靠性并網提供了保障。通過仿真算例驗證所提控制策略的有效性。