光伏低電壓穿越技術的研究綜述

肖遠逸 王珺 翟立唯

摘 要 光伏產業的崛起，各個地區的光伏并網都逐漸形成了一定的規模，光伏并網容量急劇上升，給傳統電網的供電質量和系統性能都產生較大沖擊。本文將介紹目前國家電網的關于光伏電站的并網標準和逆變器的工作原理，綜述國內外關于光伏低電壓穿越技術的研究現狀，對目前針對光伏低電壓穿越所做的研究及成果進行介紹。此外，筆者依據自身對光伏并網的經驗，對光伏并網的相關發展問題進行進一步展望。

【關鍵詞】控制技術 逆變器 標準

1 技術背景

1.1 技術含義

由于某些原因造成的電網電壓跌落的情況下，光伏系統能維持并網狀態并正常運行，且支持電網電壓恢復至正常值，這種低電壓區域的過渡技術即為光伏低電壓穿越技術（LVRT）。

1.2 低電壓穿越規范

電力系統由于各種因素產生電壓降低的現象以后，光伏系統的并網點電壓若降至曲線下方，如圖1所示，則系統將光伏電網隔離開。在此期間，仍然保留在電網內的逆變器應逐漸恢復至原值，恢復速度為額定功率*0.1每秒。為保證光伏系統的安全，可將系統設計為逆變器供應動態的無功功率給電網系統。圖1即為光伏低電壓穿越具體要求。

由于之前的低電壓穿越要求具有一定的局限性，其中增添了零電壓穿越這一新技術規范。規范要求電網電壓為零后，光伏系統應能提供150毫秒的并網運行時間，實際工程中則需要結合重合閘動作、保護動作等因素消耗的時間，以及電網管理單位的要求綜合設計。

2 光伏低電壓穿越原理

由于光伏設備將電能收集并轉換后，轉換的電位為直流電而不是電網的交流電，因此需要用逆變器進行預處理，圖2即為逆變器和光伏的電路連接示意圖。

為了達到低電壓穿越目的，當前主流的控制策略是雙閉環控制法，包括電壓外環控制以及電流內環控制兩個方面，前者主要是針對電壓在逆變器處理前后的不穩定現象進行控制，從而降低因電壓波動產生的電能損失，將光伏發電的能量利用率盡量提高；后者則針對功率進行控制，并根據并網指令電流對光伏系統的功率、功率因素等方面進行即時調整。圖3為雙閉環控制原理。

電壓外環控制是用于穩定直流側電壓以及并網逆變器有功功率的輸出，通過直流電壓外環的閉環反饋以及PI調節作用，可以無靜態誤差地跟蹤直流側電壓。在直流側，由于存在有功功率消耗，若不考慮逆變器能量損失，則有如下結論：通過對有功電流的調節，能實現光伏發電產生的直流電的電壓穩定控制。對此，可以設計光伏發電直流電壓的外環PI調節系統，以達到控制逆變器輸出有功功率大小的目的。

逆變器三相輸出電流PI前饋解耦通過電流內環控制進行，由上圖3的結論可知，有功電流分量比較電壓外環控制的參考值得到差值，測定的無功電流分量減去參考值的結果由PI調節，實現誤差電流的調節功能。將PI調節器得到的信號經解耦量的引入，再通過空間矢量脈寬（SVPWM）調制得到控制開關管的開關驅動信號，進而完成逆變信號的輸出。

電流控制方法有比例諧振法和滯環PWM控制法等。滯環控制中的濾波器不易設計實現，電流諧波含比較高；重復控制法穩態性較好；無差拍控制法的劣勢是系統參數的變化會干擾控制效果，且系統的頻率適用范圍較窄；比例諧振控制法實現較為困難，即使得以實現也因為電網頻率改變、系統精度下降等原因效果較差。PI控制的優勢體現在能獨立的對電流的有功部分和無功部分進行控制，在保證輸出較好的跟蹤參考值的同時兼具優異的動態、穩態特性。

3 國內外的研究現狀

3.1 國內的研究現狀

鄭飛， 張軍軍[1]針對LVRT數字仿真進行光伏系統的設計進行介紹，這種方案以數字仿真器（RTDS）為理論基礎，能夠實現光伏并網逆變器在兩種工作狀態下的LVRT控制：一是三相電網電壓保持在正常水平時的工作狀態，其次是電壓對稱跌落時的工作狀態。但是本文所提出的辦法對直流側電壓過大問題的解決沒有涉及；2011年7月，新竹大學科研人員發現，LVRT可以通過正序、負序電流注入法實現；2012年，華北電力大學劉子興、馮燕闖、梁海峰等通過研究，提出了全新的以電流無差拍為基礎的LVRT控制思想，主要是通過逆變器輸出電流范圍的限制以及系統中增添卸荷電阻的方式防止直流側電壓過高的情況發生，從而實現LVRT。

3.2 國外的研究現狀

目前，LVRT技術在國外的研究已經較為深入，部分國家的光伏產業相關技術已經較為成熟，如德國、美國、西班牙已經針對本國電網的特征相應出臺了低電壓穿越能力的標準。隨著光伏產業日趨成熟，相關標準必然趨于更加合理和全面。當電網出現電壓暫時性跌落故障，且跌落至電壓均方根值90%以下時，光伏電站必須能在20毫秒的時間內維持無功功率的傳輸支撐電網電壓，此階段的電網電壓、無功電流關系為前者暫降1%，則后者應上升2%。電網恢復后，光伏系統的向電網輸送的有功功率增長速度應保持不少于20%Pn/s。目前，世界上只有德國和西班牙對此其提出了明確規定。

隨著國內外對光伏并網系統的研究的深入，光伏并網系統的相關技術也日趨成熟，未來由光伏產業發出的清潔的電能將會占據很大的裝機容量比例，這種趨勢也對傳統的電力系統產生較大的沖擊，特別是在故障出現后電力系統的穩定安全方面。一旦因為某些原因導致電網電壓下跌，并網電流就會沖擊式上升，這種沖擊尖峰電流對變流器的性能的考驗十分嚴峻。如果用解列這種被動保護式的應對方法進行故障的解決，很容易大幅降低光伏設備的有功輸出，從而將電力系統的故障更加嚴重，進而導致其他電站的解列，引起大規模停電的供電事故。由此可見，低電壓穿越功能對于光伏電站十分必要。

4 穿越的關鍵技術

若要實現較好的光伏電站低壓穿越，首先需要檢測兩個參數，一是電壓同步鎖相信號，其次是正負序分量，這兩個參數對于算法的精確性具有重要意義，也是低電壓穿越的基礎。

4.1 最大功率點跟蹤技術

最大功率點跟蹤技術，對于光伏發電系統而言，溫度、太陽能輻射度這兩個因素是影響光伏電池輸出電參數的主要方面，也決定了光伏系統輸出的不穩定性。最大功率點跟蹤技術的目的，就是將光伏電池的效率提升至最大值，并實現光伏投入產出比的最佳。

4.2 防孤島檢測技術

光伏發電并網后，將系統轉換的電能輸送至電網。一旦電網由于某些原因產生故障，電網隨即產生跳閘等保護動作，而光伏電力輸送不會因此而停止，并持續的向本地負載輸送電能，這種現象稱為供電的孤島現象。孤島現象的危害體現在兩個主要方面，一是會因為電力切斷不徹底給電力維修人員造成安全威脅；其次是系統設備的沖擊力會影響逆變器等器件的性能，甚至導致設備的損毀。

4.3 鎖相環技術

q軸定向鎖相、過零點檢測等鎖相環技術都能實現不同電網的電壓同步。基于q軸定向的鎖相技術原理是建立兩相旋轉坐標系，將坐標系q 軸的旋轉頻率調節至與輸入頻率一致，由此得到鎖相信號。該方式原理簡單，實現方便。但其劣勢體現在電壓的不對稱跌落情況下，因為同步旋轉坐標系所攜帶的直流部分會摻雜2 倍頻交流分量，這個交流分量導致鎖相信號精確度降低，嚴重的甚至無法進行正弦信號的鎖相。為了能對不對稱的電壓進行鎖相信號的獲取，一般進行鎖相環帶寬減小的處理方式進行鎖相。過零點檢測鎖相的原理則是首先進行電壓的檢測，并以此為依據判斷電網電壓極性進而得到相角信號，但是存在電網電壓畸變時檢測的過零點會有多個的缺陷，目前應用較少。

4.4 正負序分離技術

電壓如果存在跌落不平衡的因素，鎖相信號的獲取難度較大。基于正負序分離的方法能較好地解決這一問題，常見的分離方式有五種，分別是濾波器分離法、陷波器分離法、T/4 延時法、解耦法以及二階廣義積分器法。這五種方法任意一種均能有效提取出正負序分量，但各個方法均有優缺點，需要根據系統實際情況選擇。

5 總結

本文闡述了逆變器的工作原理，總結了目前應用最廣泛的關于光伏低電壓穿越技術的控制方法和關鍵技術。現如今，對光伏電站的低電壓穿越研究較多且較深入，低電壓穿越的理論也趨于成熟，但是在具體進行低電壓穿越的控制設計時仍有很多工作要做。此外，低電壓穿越相關的參數標準不夠明確，這對于光伏并網的規范性產生一定的影響。因此，此階段的光伏電站的實際建設具有很大的主觀性。

參考文獻

[1]鄭飛，張軍軍.基于RTDS 的光伏發電系統低電壓穿越建模與控制策略[J].電力系統自動化，2012，36（22）：19-24.

[2]Chia-Tse Lee，Che-Wei Hsu，Po-Tai Cheng.A Low-Voltage Ride-Through Technique forGrid-Connected Convertersof Distributed Energy Resources[J].IEEE Transactions on Industry Applications， 2014，47（4）：1821-1832.

[3]梁海峰，馮燕闖，劉子興，等.基于無差拍控制的光伏電站低電壓穿越技術的研究[J].電力力系統保護與控制，2014，41（21）：110-115.

[4]BOLLEN M H.Understanding Power Quality Problems：Voltage sags andInterruptions [C].IEEE Press Series On Power Engeneering.New York.2015.

作者簡介

肖遠逸（1992-），男，江西省九江市人。曾獲得上海電機學院碩士學位。主要研究方向為光伏并網。

王珺，女，北京市人。博士學位。現為上海電機學院電氣學院特聘教授，洋山學者。

翟立唯（1990-），男，江蘇省泰興市人。上海電機學院碩士。

作者單位

上海電機學院 上海市閔行區 201100