肖遠(yuǎn)逸 王珺 翟立唯

摘 要 光伏產(chǎn)業(yè)的崛起，各個(gè)地區(qū)的光伏并網(wǎng)都逐漸形成了一定的規(guī)模，光伏并網(wǎng)容量急劇上升，給傳統(tǒng)電網(wǎng)的供電質(zhì)量和系統(tǒng)性能都產(chǎn)生較大沖擊。本文將介紹目前國(guó)家電網(wǎng)的關(guān)于光伏電站的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和逆變器的工作原理，綜述國(guó)內(nèi)外關(guān)于光伏低電壓穿越技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)目前針對(duì)光伏低電壓穿越所做的研究及成果進(jìn)行介紹。此外，筆者依據(jù)自身對(duì)光伏并網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)光伏并網(wǎng)的相關(guān)發(fā)展問題進(jìn)行進(jìn)一步展望。

【關(guān)鍵詞】控制技術(shù) 逆變器 標(biāo)準(zhǔn)

1 技術(shù)背景

1.1 技術(shù)含義

由于某些原因造成的電網(wǎng)電壓跌落的情況下，光伏系統(tǒng)能維持并網(wǎng)狀態(tài)并正常運(yùn)行，且支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)至正常值，這種低電壓區(qū)域的過渡技術(shù)即為光伏低電壓穿越技術(shù)（LVRT）。

1.2 低電壓穿越規(guī)范

電力系統(tǒng)由于各種因素產(chǎn)生電壓降低的現(xiàn)象以后，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓若降至曲線下方，如圖1所示，則系統(tǒng)將光伏電網(wǎng)隔離開。在此期間，仍然保留在電網(wǎng)內(nèi)的逆變器應(yīng)逐漸恢復(fù)至原值，恢復(fù)速度為額定功率*0.1每秒。為保證光伏系統(tǒng)的安全，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為逆變器供應(yīng)動(dòng)態(tài)的無功功率給電網(wǎng)系統(tǒng)。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(shù)規(guī)范。規(guī)范要求電網(wǎng)電壓為零后，光伏系統(tǒng)應(yīng)能提供150毫秒的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，實(shí)際工程中則需要結(jié)合重合閘動(dòng)作、保護(hù)動(dòng)作等因素消耗的時(shí)間，以及電網(wǎng)管理單位的要求綜合設(shè)計(jì)。

2 光伏低電壓穿越原理

由于光伏設(shè)備將電能收集并轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換的電位為直流電而不是電網(wǎng)的交流電，因此需要用逆變器進(jìn)行預(yù)處理，圖2即為逆變器和光伏的電路連接示意圖。

為了達(dá)到低電壓穿越目的，當(dāng)前主流的控制策略是雙閉環(huán)控制法，包括電壓外環(huán)控制以及電流內(nèi)環(huán)控制兩個(gè)方面，前者主要是針對(duì)電壓在逆變器處理前后的不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行控制，從而降低因電壓波動(dòng)產(chǎn)生的電能損失，將光伏發(fā)電的能量利用率盡量提高；后者則針對(duì)功率進(jìn)行控制，并根據(jù)并網(wǎng)指令電流對(duì)光伏系統(tǒng)的功率、功率因素等方面進(jìn)行即時(shí)調(diào)整。圖3為雙閉環(huán)控制原理。

電壓外環(huán)控制是用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓以及并網(wǎng)逆變器有功功率的輸出，通過直流電壓外環(huán)的閉環(huán)反饋以及PI調(diào)節(jié)作用，可以無靜態(tài)誤差地跟蹤直流側(cè)電壓。在直流側(cè)，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(jié)論：通過對(duì)有功電流的調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電的電壓穩(wěn)定控制。對(duì)此，可以設(shè)計(jì)光伏發(fā)電直流電壓的外環(huán)PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以達(dá)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(nèi)環(huán)控制進(jìn)行，由上圖3的結(jié)論可知，有功電流分量比較電壓外環(huán)控制的參考值得到差值，測(cè)定的無功電流分量減去參考值的結(jié)果由PI調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)誤差電流的調(diào)節(jié)功能。將PI調(diào)節(jié)器得到的信號(hào)經(jīng)解耦量的引入，再通過空間矢量脈寬（SVPWM）調(diào)制得到控制開關(guān)管的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而完成逆變信號(hào)的輸出。

電流控制方法有比例諧振法和滯環(huán)PWM控制法等。滯環(huán)控制中的濾波器不易設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，電流諧波含比較高；重復(fù)控制法穩(wěn)態(tài)性較好；無差拍控制法的劣勢(shì)是系統(tǒng)參數(shù)的變化會(huì)干擾控制效果，且系統(tǒng)的頻率適用范圍較窄；比例諧振控制法實(shí)現(xiàn)較為困難，即使得以實(shí)現(xiàn)也因?yàn)殡娋W(wǎng)頻率改變、系統(tǒng)精度下降等原因效果較差。PI控制的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能獨(dú)立的對(duì)電流的有功部分和無功部分進(jìn)行控制，在保證輸出較好的跟蹤參考值的同時(shí)兼具優(yōu)異的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性。

3 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

鄭飛， 張軍軍[1]針對(duì)LVRT數(shù)字仿真進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，這種方案以數(shù)字仿真器（RTDS）為理論基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器在兩種工作狀態(tài)下的LVRT控制：一是三相電網(wǎng)電壓保持在正常水平時(shí)的工作狀態(tài)，其次是電壓對(duì)稱跌落時(shí)的工作狀態(tài)。但是本文所提出的辦法對(duì)直流側(cè)電壓過大問題的解決沒有涉及；2011年7月，新竹大學(xué)科研人員發(fā)現(xiàn)，LVRT可以通過正序、負(fù)序電流注入法實(shí)現(xiàn)；2012年，華北電力大學(xué)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(chǔ)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(tǒng)中增添卸荷電阻的方式防止直流側(cè)電壓過高的情況發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)LVRT。

3.2 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

目前，LVRT技術(shù)在國(guó)外的研究已經(jīng)較為深入，部分國(guó)家的光伏產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，如德國(guó)、美國(guó)、西班牙已經(jīng)針對(duì)本國(guó)電網(wǎng)的特征相應(yīng)出臺(tái)了低電壓穿越能力的標(biāo)準(zhǔn)。隨著光伏產(chǎn)業(yè)日趨成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)必然趨于更加合理和全面。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓暫時(shí)性跌落故障，且跌落至電壓均方根值90%以下時(shí)，光伏電站必須能在20毫秒的時(shí)間內(nèi)維持無功功率的傳輸支撐電網(wǎng)電壓，此階段的電網(wǎng)電壓、無功電流關(guān)系為前者暫降1%，則后者應(yīng)上升2%。電網(wǎng)恢復(fù)后，光伏系統(tǒng)的向電網(wǎng)輸送的有功功率增長(zhǎng)速度應(yīng)保持不少于20%Pn/s。目前，世界上只有德國(guó)和西班牙對(duì)此其提出了明確規(guī)定。

隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究的深入，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)也日趨成熟，未來由光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)出的清潔的電能將會(huì)占據(jù)很大的裝機(jī)容量比例，這種趨勢(shì)也對(duì)傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，特別是在故障出現(xiàn)后電力系統(tǒng)的穩(wěn)定安全方面。一旦因?yàn)槟承┰驅(qū)е码娋W(wǎng)電壓下跌，并網(wǎng)電流就會(huì)沖擊式上升，這種沖擊尖峰電流對(duì)變流器的性能的考驗(yàn)十分嚴(yán)峻。如果用解列這種被動(dòng)保護(hù)式的應(yīng)對(duì)方法進(jìn)行故障的解決，很容易大幅降低光伏設(shè)備的有功輸出，從而將電力系統(tǒng)的故障更加嚴(yán)重，進(jìn)而導(dǎo)致其他電站的解列，引起大規(guī)模停電的供電事故。由此可見，低電壓穿越功能對(duì)于光伏電站十分必要。

4 穿越的關(guān)鍵技術(shù)

若要實(shí)現(xiàn)較好的光伏電站低壓穿越，首先需要檢測(cè)兩個(gè)參數(shù)，一是電壓同步鎖相信號(hào)，其次是正負(fù)序分量，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于算法的精確性具有重要意義，也是低電壓穿越的基礎(chǔ)。

4.1 最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，溫度、太陽能輻射度這兩個(gè)因素是影響光伏電池輸出電參數(shù)的主要方面，也決定了光伏系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定性。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的目的，就是將光伏電池的效率提升至最大值，并實(shí)現(xiàn)光伏投入產(chǎn)出比的最佳。

4.2 防孤島檢測(cè)技術(shù)

光伏發(fā)電并網(wǎng)后，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的電能輸送至電網(wǎng)。一旦電網(wǎng)由于某些原因產(chǎn)生故障，電網(wǎng)隨即產(chǎn)生跳閘等保護(hù)動(dòng)作，而光伏電力輸送不會(huì)因此而停止，并持續(xù)的向本地負(fù)載輸送電能，這種現(xiàn)象稱為供電的孤島現(xiàn)象。孤島現(xiàn)象的危害體現(xiàn)在兩個(gè)主要方面，一是會(huì)因?yàn)殡娏η袛嗖粡氐捉o電力維修人員造成安全威脅；其次是系統(tǒng)設(shè)備的沖擊力會(huì)影響逆變器等器件的性能，甚至導(dǎo)致設(shè)備的損毀。

4.3 鎖相環(huán)技術(shù)

q軸定向鎖相、過零點(diǎn)檢測(cè)等鎖相環(huán)技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)不同電網(wǎng)的電壓同步?；趒軸定向的鎖相技術(shù)原理是建立兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將坐標(biāo)系q 軸的旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)至與輸入頻率一致，由此得到鎖相信號(hào)。該方式原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。但其劣勢(shì)體現(xiàn)在電壓的不對(duì)稱跌落情況下，因?yàn)橥叫D(zhuǎn)坐標(biāo)系所攜帶的直流部分會(huì)摻雜2 倍頻交流分量，這個(gè)交流分量導(dǎo)致鎖相信號(hào)精確度降低，嚴(yán)重的甚至無法進(jìn)行正弦信號(hào)的鎖相。為了能對(duì)不對(duì)稱的電壓進(jìn)行鎖相信號(hào)的獲取，一般進(jìn)行鎖相環(huán)帶寬減小的處理方式進(jìn)行鎖相。過零點(diǎn)檢測(cè)鎖相的原理則是首先進(jìn)行電壓的檢測(cè)，并以此為依據(jù)判斷電網(wǎng)電壓極性進(jìn)而得到相角信號(hào)，但是存在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)檢測(cè)的過零點(diǎn)會(huì)有多個(gè)的缺陷，目前應(yīng)用較少。

4.4 正負(fù)序分離技術(shù)

電壓如果存在跌落不平衡的因素，鎖相信號(hào)的獲取難度較大?；谡?fù)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(shí)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(fù)序分量，但各個(gè)方法均有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況選擇。

5 總結(jié)

本文闡述了逆變器的工作原理，總結(jié)了目前應(yīng)用最廣泛的關(guān)于光伏低電壓穿越技術(shù)的控制方法和關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)如今，對(duì)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(jìn)行低電壓穿越的控制設(shè)計(jì)時(shí)仍有很多工作要做。此外，低電壓穿越相關(guān)的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠明確，這對(duì)于光伏并網(wǎng)的規(guī)范性產(chǎn)生一定的影響。因此，此階段的光伏電站的實(shí)際建設(shè)具有很大的主觀性。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

肖遠(yuǎn)逸（1992-），男，江西省九江市人。曾獲得上海電機(jī)學(xué)院碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)。

王珺，女，北京市人。博士學(xué)位?，F(xiàn)為上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院特聘教授，洋山學(xué)者。

翟立唯（1990-），男，江蘇省泰興市人。上海電機(jī)學(xué)院碩士。

作者單位

上海電機(jī)學(xué)院 上海市閔行區(qū) 201100