并網(wǎng)光伏系統(tǒng)低電壓穿越的控制策略研究

劉龍

國(guó)投新能源（紅河）股份有限公司，云南紅河，654300

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，對(duì)能源需求量逐漸提高，而天然氣、石油為現(xiàn)代最常用的不可再生資源。根據(jù)專業(yè)人員預(yù)測(cè)，我國(guó)現(xiàn)存石油儲(chǔ)備量只能用到本世紀(jì)中期，煤炭資源使用時(shí)間相比于其他能源而言年限較長(zhǎng)，但始終有用完那天，一旦不可再生資源全部消耗殆盡，會(huì)給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)非常嚴(yán)重的影響。因此，政府部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不可再生資源的控制力度，進(jìn)一步開發(fā)可再生資源，而太陽(yáng)光伏作為目前最常見的可再生資源，其具有下面幾種優(yōu)點(diǎn)：第一，安裝和運(yùn)輸簡(jiǎn)單，建設(shè)周期較短，未安裝旋轉(zhuǎn)部件；第二，發(fā)電過(guò)程中不消耗任何能源，綠色無(wú)噪音；第三，不存在枯竭危險(xiǎn)，分布范圍較廣，在全國(guó)任何位置都能進(jìn)行獲取；第四，容易啟動(dòng)且使用方便，維護(hù)便捷。由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有各方面的優(yōu)勢(shì)，被逐漸普及到發(fā)電當(dāng)中。

1 網(wǎng)電壓跌落對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的影響

太陽(yáng)能屬于自然資源，能給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)源源不斷的能源，但由于其具有較強(qiáng)隨機(jī)性，很難受到人為因素控制，一旦光照強(qiáng)度和外界溫度出現(xiàn)變化會(huì)給光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率造成嚴(yán)重影響，一旦功能產(chǎn)生波動(dòng)很容易給電網(wǎng)頻率帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致頻率出現(xiàn)負(fù)荷工作狀態(tài)。同時(shí)，功率波動(dòng)會(huì)給并網(wǎng)點(diǎn)帶來(lái)不同程度的變化，如電壓跌落、電壓波動(dòng)等，從而出現(xiàn)三相電流不平衡問(wèn)題。目前，我國(guó)現(xiàn)存的大型光伏電站中都存在不同程度的諧波超標(biāo)的問(wèn)題，尤其在光照條件較差的情況下這種問(wèn)題更加嚴(yán)重，一旦注入電網(wǎng)諧波會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)變形，從而給電網(wǎng)帶來(lái)很多方面的問(wèn)題。例如，在檢測(cè)IEEE電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，工作人員要根據(jù)要求對(duì)電壓跌落特征量的界定范圍標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行分析，而IEC標(biāo)準(zhǔn)通常是利用跌落電壓差值和電壓百分比值，來(lái)明確表示電壓跌落標(biāo)準(zhǔn)值，通常條件情況下電壓跌落持續(xù)時(shí)間從幾十秒到半周不等，工作人員可將電壓相位偏移角作為描述電壓跌落的具體數(shù)值。并且惡劣天氣是造成電壓出現(xiàn)跌落的主要因素，據(jù)專業(yè)人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有一半以上的電壓跌落現(xiàn)象全部是由惡劣天氣導(dǎo)致；而系統(tǒng)故障同樣是造成系統(tǒng)電壓跌落的重要原因，一旦電力系統(tǒng)輸電線路出現(xiàn)安全故障，會(huì)給周圍電力用戶帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至干擾到正常電力輸送工作，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致該負(fù)荷的連接母線電壓出現(xiàn)跌落[1]。

2 光伏并網(wǎng)逆變LVRT

2.1 光伏電站低電壓穿越（LVRT）技術(shù)要求

光伏電站進(jìn)行并網(wǎng)過(guò)程中，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)故障問(wèn)題，很容易給光伏電站帶來(lái)電壓波動(dòng)，為確保光伏電站能順利運(yùn)行，光伏電站要保證并網(wǎng)電壓滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]。當(dāng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低到零毫安時(shí)，電站需要進(jìn)行脫網(wǎng)運(yùn)行0.15s；而當(dāng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降到規(guī)定數(shù)值時(shí)，工作人員才能實(shí)現(xiàn)電站脫網(wǎng)工序。同時(shí)，在清除故障前，工作人員要保持光伏電站功率高于額定功率，一直到整個(gè)電站電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常；若光伏電站電壓等級(jí)超過(guò)500kV，很容易引起電網(wǎng)短路故障，其公式為（1）：

式（1）中，UT、IN分別為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電站輸出額定電流。

2.2 LVRT控制策略

一個(gè)健全的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要包括繼電器保護(hù)、逆變?cè)O(shè)備交流測(cè)設(shè)備、直流側(cè)設(shè)備等組成。工作人員可不考慮繼電保護(hù)問(wèn)題，從直流側(cè)方面進(jìn)行分析，其主要是利用光伏電池陣列將太陽(yáng)能變成直流電能，從而確定該系統(tǒng)輸出電流具體數(shù)值，進(jìn)而給輸入逆變橋功率大小帶來(lái)嚴(yán)重影響。從某方面來(lái)看，交流電網(wǎng)屬于一個(gè)較大的恒壓源，通過(guò)公式P＝UI來(lái)看，逆變器輸出電流大小和并網(wǎng)功率大小有直接聯(lián)系，同時(shí)，通過(guò)研究光伏陣列特性，發(fā)現(xiàn)直流側(cè)母線電壓幅值很難出現(xiàn)較強(qiáng)變化，當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落情況時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器會(huì)通過(guò)光伏陣列來(lái)收集大量直流電壓，當(dāng)其所收集的直流電壓超過(guò)開路電壓后，直流電壓保護(hù)系統(tǒng)會(huì)立刻停止工作，且整個(gè)電壓數(shù)值基本相同，光伏逆變器不會(huì)傳輸任何電流。因此，可發(fā)現(xiàn)光伏逆變器并網(wǎng)電流輸出高低是決定光伏電站能力大小的最主要因素，即控制策略是針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制。在信息化時(shí)代背景下，我國(guó)相關(guān)研究人員都是利用電流電壓雙閉環(huán)控制方式，來(lái)控制PI調(diào)節(jié)器，控制逆變器不同方面的電壓。

3 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)分析

三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)是將光伏電池組發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)化成和公用電網(wǎng)電壓同幅值、同頻率的交流電能，不僅能給其提供常用的負(fù)載電能，還能向電網(wǎng)提供健全的電能系統(tǒng)。本文只分析典型的三相電壓源型有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、工作狀態(tài)和工作波形。

3.1 并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最左側(cè)屬于直流側(cè)，其主要是由大量光伏電池構(gòu)成，當(dāng)直流母線流過(guò)直流側(cè)斷路器時(shí)，壓敏電阻會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)現(xiàn)象，直流濾波吸收環(huán)境可改變成交流電。而逆變器在經(jīng)過(guò)交流電到達(dá)變壓器升壓、電感濾波、交流側(cè)接觸器線圈等環(huán)節(jié)后并納入三相電網(wǎng)。 而直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻就是給電路起過(guò)壓保護(hù)作用的，當(dāng)直流母線上電壓超過(guò)壓敏電阻耐壓值，壓敏電阻被擊穿等效為短路，供電電路電流瞬間增大，很容易出現(xiàn)斷路器跳閘、電源停止供電等問(wèn)題。在正常情況下，濾波電容被工作人員設(shè)計(jì)為電解電容，擁有較強(qiáng)的吸收濾波作用，工作人員將V1到V6作為開關(guān)控制器，不同開關(guān)控制器對(duì)應(yīng)不同系統(tǒng)。當(dāng)工作人員將A、B、C三相全部逆變后，每相上面都出現(xiàn)電流感應(yīng)，主要目的是過(guò)濾逆變輸出電流，來(lái)提高整個(gè)電網(wǎng)質(zhì)量的純凈度。另外，三相逆變并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過(guò)在網(wǎng)側(cè)安裝隔離變壓器，來(lái)增加系統(tǒng)壓力，不僅能實(shí)現(xiàn)公共電網(wǎng)測(cè)電壓增幅措施，還能讓系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)和逆變橋出現(xiàn)電氣隔離現(xiàn)象。

3.2 系統(tǒng)工作原理分析

為簡(jiǎn)化電路工作流程，工作人員可將開關(guān)控制位置設(shè)置橋臂，總共設(shè)置六個(gè)橋臂，而電壓型三相橋式逆變電路是通過(guò)利用180°導(dǎo)電方法，讓同一水平面相橋臂進(jìn)行相互導(dǎo)電，且不同相導(dǎo)電角度相差120°，一旦任何位置動(dòng)出現(xiàn)導(dǎo)電現(xiàn)象，瞬間三個(gè)橋臂會(huì)在第一時(shí)間通電，有可能是上面橋臂和下面兩個(gè)橋臂，也可能是上面兩個(gè)橋臂和下橋臂進(jìn)行導(dǎo)電。通常相同工作時(shí)間中，六個(gè)開光管被觸發(fā)導(dǎo)通順序?yàn)閂1→V2→V3→V4→V5 →V6，不同導(dǎo)通間差距60°，在同一時(shí)間有三個(gè)開關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)電，導(dǎo)電正常順序?yàn)閂1V2V3,V2V3V4,V3V4V5,V4V5V6,V5V6V1,V6V1V2，同樣將不同導(dǎo)電工作角度控制在60°。同時(shí)，工作人員可將太陽(yáng)能電池板電壓為基礎(chǔ)， 在直流側(cè)電容側(cè)面設(shè)置一點(diǎn)， 來(lái)對(duì)應(yīng)交流側(cè)電網(wǎng)中心點(diǎn)，并將其作為假想點(diǎn)，用N表示，進(jìn)而可將電解電容作為兩個(gè)等值電容相互連接。下面來(lái)分析波形，將一個(gè)工作周期分成6個(gè)區(qū)域即區(qū)間內(nèi)，設(shè)置三個(gè)開光管的柵極電壓則有V1V2V3導(dǎo)通。

4 系統(tǒng)模型搭建

在信息時(shí)代背景下，系統(tǒng)進(jìn)而利用L型濾波為基礎(chǔ)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)PWM波，來(lái)模擬光伏電池組輸出的直流電壓，砜取400V，仿真時(shí)間為0.06S，采用可變步長(zhǎng)的ode23tb算法。三相電壓的正弦波較為健全，而三相電流諧波和其他電流相比，其電流諧波功率較大，可見一階濾波器無(wú)法達(dá)到電流紋波濾波效果。但從上述分析發(fā)現(xiàn)，并網(wǎng)系統(tǒng)從實(shí)用性、運(yùn)行效率等方面來(lái)看，單項(xiàng)電感濾波器無(wú)法滿足系統(tǒng)基本要求；而大型光伏電站作為國(guó)家日常運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，其系統(tǒng)運(yùn)行效率和國(guó)家光伏發(fā)電領(lǐng)域所掌握技術(shù)有直接聯(lián)系，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)濾除比，優(yōu)化電流整體波形，工作人員通常會(huì)利用增加濾波電感抗性來(lái)提升濾波器整體重量，從而有效拓展系統(tǒng)體積。同時(shí)，在最短時(shí)間內(nèi)提高電感能耗和無(wú)功率消耗，很容易給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重影響，甚至?xí)档拖到y(tǒng)供電可靠性。另外，建設(shè)企業(yè)小型光伏系統(tǒng)，要求有離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種工作模式，很明顯單電感濾波器無(wú)法滿足逆變器輸出工作，所以工作人員可利用高階濾波器為基礎(chǔ)，來(lái)進(jìn)行電流傳輸工作。

5 基于改進(jìn)型鎖相環(huán)的光伏并網(wǎng)低電壓穿越技術(shù)

5.1 正序基波電壓信號(hào)的提取

當(dāng)系統(tǒng)電壓出現(xiàn)不規(guī)律現(xiàn)象時(shí)，如公式2所示

有：

式（3）中：S90表示移相90°。

5.2 系統(tǒng)仿真分析

為確定該設(shè)計(jì)控制方法的正確性，本文通過(guò)利用MATLAB軟件平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，從而取得正確的仿真波形。

6 低電壓穿越技術(shù)分析

光伏逆變器的參數(shù)如表1所示。

表1 逆變器參數(shù)

7 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的仿真運(yùn)行

7.1 故障發(fā)生前的仿真

逆變器輸出電流和并網(wǎng)點(diǎn)電壓相位基本相同，其功率因素?zé)o限靠近1。當(dāng)光伏逆變器接入電網(wǎng)時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電流超過(guò)指定標(biāo)準(zhǔn)，但經(jīng)過(guò)半個(gè)周期的波動(dòng)后又重新恢復(fù)正常，這是由于仿真模型中光伏電站啟動(dòng)時(shí)并網(wǎng)所造成的；而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，光伏發(fā)電裝置通常是在光伏電站全部啟動(dòng)后再接入電網(wǎng)，這樣能避免光伏發(fā)電裝置給電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重沖擊[3]。在故障前，逆變器根據(jù)額定功率運(yùn)行。在電網(wǎng)未發(fā)生任何故障時(shí)，逆變器給電網(wǎng)提供有功功率。

7.2 故障發(fā)生后的仿真

在故障發(fā)生0.3秒后，電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)三相短路的問(wèn)題，當(dāng)網(wǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓降低到80%時(shí)，仿真效果較佳。在穿越低電壓時(shí)，逆變器輸出電流并未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電流，還能像電網(wǎng)提供一些無(wú)功功率，有利于幫助電壓恢復(fù)正常[4]。可見其以從不同方面實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，充分滿足電網(wǎng)電壓故障期間的并網(wǎng)要求[5]。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前我國(guó)最常見可再生資源有風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能、光能等，其中光能具有無(wú)枯竭、無(wú)噪聲、無(wú)污染等特點(diǎn)，受到各行業(yè)高度重視，已逐漸普及到各行業(yè)中，而光伏發(fā)電作為解決不可再生資源枯竭的主要途徑，能從根源上解決能源危機(jī)問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題，進(jìn)一步提高我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。基于此，本文通過(guò)闡述光伏電池原理，分析光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的常用方法，通過(guò)合理采用電導(dǎo)增量法來(lái)構(gòu)建健全的光伏電池仿真模型，并從不同方面對(duì)模型特征和電網(wǎng)電壓下降對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)造成的影響進(jìn)行合理分析，給光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供源源不斷的能量。