光伏发电系统低电压穿越技术综述

姜婷婷（南京工程学院 电力工程学院，江苏南京 211167）

光伏发电系统低电压穿越技术综述

姜婷婷
（南京工程学院 电力工程学院，江苏南京 211167）

摘要：随着光伏并网容量的比重不断增加，给电力系统的安全稳定带来一系列问题。尤其是当电网电压跌落时光伏电站的低电压穿越能力的问题，已成为光伏并网技术中的研究热点。本文介绍了光伏发电原理及其光伏并网低电压要求，在对当前国内研究成果进行分析和归纳基础上，重点总结了基于光伏系统控制策略穿越低电压和基于增加辅助设备的穿越低电压的两种方案，为光伏发电系统低电压穿越技术的研究与应用提供参考。

关键词：光伏发电；低电压穿越；无功补偿

本文引用格式：姜婷婷.光伏发电系统低电压穿越技术综述[J].新型工业化，2015，5（8）：57-62

Citation: JIANG Ting-ting. Low Voltage Ride-through Technologies in Photovoltaic Generation System[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5（8）: 57-62.

0 引言

太阳能作是一种清洁可再生能源，受到各国的重视，欧美光伏发电发展较快，2009 年底，欧美为17.6GW，占据全球光伏系统总量的70%左右。我国光伏发展较国外略迟，但随着我国政府对太阳能光伏发电的重视，出台并完善了相关法规、法律，使得中国光伏发电产业快速发展[1-2]。

随着太阳能、风能等新能源并网容量的不断扩大，其对电力系统安全运行产生了重要的影响。电网发生电压跌落时，若此时光伏系统脱网，可能会进一步增加电网安全运行风险，甚至可能会导致电网崩溃，为提高新能源接入的电网运行可靠性，各国相继制定了光伏的接入进行规范[3-5]。其中低电压穿越能力（low voltage ride through，LVRT）是并网规定中的一项重要指标，其是否达到要求，直接关系到光伏发电的前景。因此，对保证光伏系统接入后电力系统的安全稳定运行，研究低电压穿越能力技术十分必要的。本文分析了光伏系统原理，介绍了国内外并网低电压穿越的要求。在对当前国内外研究成果进行分析和归纳的基础上，总结实现低电压穿越的不同技术原理和特点，为光伏发电系统的低电压穿越技术的研究与应用提供参考。

1 光伏系统及低电压穿越要求

1.1 光伏系统理论分析

太阳能光伏发电基于光伏效应原理，利用太阳能电池板吸收太阳光子转换为电能。太阳能光伏阵列输出的直流电经过逆变器转换为符合规定的交流电，直接或通过变压器接入电网[6-7]。

如图1所示，光伏系统主要包括光伏电池系统、DC/AC系统以及连接装置等部分。光伏电池系统通过光伏电池吸收光能，将其转化为直流电；DC/AC系统将电能经逆变器转化交流电；控制系统为系统提供了控制信号；连接装置主要解决光伏电站的并网问题；储能系统将太阳电池组件产生的电能存储起来，当负载需求增大时，将储能系统中电能释放提供给负载。1.2 光伏电站并网低电压穿越要求

光伏电站并网低电压穿越技术是指光伏并网点电压跌落时，光伏电站能够继续保持并网，甚至能够向电网提供无功功率来支持电压恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。

我国国家电网公司推出的《光伏电站接入电网技术规范（试行）》中对大中型光伏电站在电网故障时的低电压穿越能力制定了相关标准[8]，如图2所示。

当光伏电站在并网点电压跌落至20%的额定电压或者跌落后3s 内能够恢复到额定电压的85%时，光伏电站能够保持不间断并网运行[8]。当光伏并网点电压在图2中电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断并网运行，并网点电压在电压轮廓线以下时，允许光伏电站脱网。

以德国、丹麦、意大利、西班牙为首的许多国家已经制定了并网时的低电压穿越要求。其中德国的E.ON标准还详细规定了无功电流和电压跌落的关系，在电压降落时光伏电站应增加无功功率，以提高电网电压，当电压跌落为50%～90%时，光伏并网系统需有线性输出的无功电流；当电网的电压跌落深度小于 50%时，需提供 100%的无功电流[9]。

图1 大型光伏系统并网发电系统原理图Fig.1 Large photovoltaic grid-connected power generation system schematic diagram

图2 大中型光伏电站LVRT要求Fig.2 Large and medium-sized pv power station LVRT requirement

2 光伏系统的低电压穿越方案

根据目前光伏系统低电压穿越的研究现状，以是否在光伏系统中增加额外的电力设备装置为依据，光伏低电压穿越技术可分为基于光伏系统控制策略和增加辅助电力设备装置两种方案。

2.1 基于光伏系统控制策略穿越低电压方案

基于光伏系统控制算法方案不增加电力装置为，而是通过改进并网控制算法和各组成部分的控制策略来实现低电压穿越。通俗地说就是，电网电压跌落时，可通过改变控制变流器策略，向电网注入一定量的无功，而实现低电压穿越。目前，主要有以下几种控制策略。

（1）基于电压定向矢量控制的低电压穿越策略

定向矢量控制方法是通过坐标变换后，在新的坐标轴下对特定矢量定向，再通过PI调节器等方法实现d-q 轴电流分量的精确控制。基于电网电压定向矢量的双闭环控制策略具有稳态无误差跟踪、动态响应快、有功无功可独立解耦控制等优点。一般电压定向矢量控制采用电流内环、电压外环的控制结构。

文献[10]提出了一种基于电压定向矢量控制的 LVRT 控制策略，该策略对光伏并网逆变器进行电压定向矢量控制，实现有功和无功解耦。在电网电压跌落期间，增加卸荷电路抑制直流侧的电压波动，根据电网电压的跌落程度补偿一定的无功功率来支撑电压的恢复，但仅适用电网发生对称故障时低电压穿越。文献[11]设计了电网正序电压定向的矢量控制策略，在电网不对称故障时，光伏并网能够穿越低电压，但是没有考虑负序分量，不能有效地抑制二次谐波。文献[12-14]提出了电网对称故障和不对称故障时实现低电压穿越。在对称故障时，采用限功率运行的方法改变输入功率，减少光伏系统对电网的输出功率，实现了电网对称故障的低电压穿越。在不对称故障时，提取出电网中的正序、负序分量特征量，采用正序电流和负序电流双闭环矢量控制，有效地抑制了瞬时电流冲击。

（2）基于直接功率控制策略实现低电压穿越

直接功率控制（direct power control，DPC）是根据系统瞬时功率与指令功率比较的结果，然后通过查表计算得到一个需要输出的电压矢量，实现系统瞬时功率对指令功率的追踪，此方法具有结构简单、动态性能好的优点。文献[15]针对电压跌落时的控制需求，采用了复开关表DPC，可避免查开关表计算过程中的周期误差产生谐波，提升了这类控制系统的LVRT能力。

（3）基于模型电流预测控制策略。

模型电流预测控制技术是应用功率开关器件有限个开关状态（即开通和关断两种状态），并且系统的模型可以预测在相应开关状态下对应的控制变量特征，模型电流预测控制方法能够使逆变器的输出电流迅速地跟随参考电流指令，具有良好的动态特性。在光伏电站电压跌落时，能快速地控制光伏系统无功功率的输出，为穿越低电压提供电压支撑。

文献[16-17]采用模型电流预测控制（MCPC）技术，将该控制策略应用于光伏单级三相并网逆变器控制上，能够显著改善传统的LVRT技术，具有良好的动态响应，能够快速根据电网电压的跌落情况进行有功功率和无功功率的分配，为并网点提供电压支撑。相关文献指出[18]，利用模型电流预测控制方法在PSCAD/EMTDC仿真平台上进行仿真，仿真结果表明，光伏电站在低电压期间为电网提供电压支撑，验证了所提出控制方法的有效性。

2.2 基于增加辅助设备的穿越低电压方案

光伏电站的低电压穿越能力受到自身设备容量以及器件等限制。当电网电压跌落严重时，光伏系统无法安全的提供或消耗较多功率时，可通过加入辅助电力设备的方式对电网提供或消耗无功功率，来提升系统穿越低电压能力。

（1）基于保护电路的穿越低电压技术

为了消除暂态过程对逆变器件造成的冲击，可减小逆变器侧受到的冲击，在逆变器侧串联电阻，并根据电压跌落程度改变电阻大小，来减小逆变器受到的电流电压冲击，从而确保低电压穿越状态下逆变器的安全运行。

文献[19-20]在逆变器输出侧加入 AC-AC斩波电路，隔离了电网与逆变器。通过调节 AC-AC 斩波电路开关占空比实时调节逆变器输出侧的电压值，起到支撑逆变器侧电压的作用，从而保护光伏电站的安全。

保护电路解决穿越低电压的核心在于需以实际光伏系统的情况作为依据，选择合理的电阻大小以及投切时间。随着晶闸管等电力电子器件的发展，保护电路对于电网电压跌落严重时，对电子设备的保护起到关键重要的作用，因此在工程实践运用广泛。

（2）基于能量存储系统的穿越低电压技术

当电网电压跌落或恢复时，可通过控制储能系统吸收或释放功率，实现功率的双向传输，提高光伏系统低电压穿越能力。文献[21-23]在电网电压跌落时，通过控制超级电容吸收有功功率，平衡直流母线电压，减少光伏阵列注入逆变器的功率。如图3，给出一种超级电容储能系统拓扑结构

能量存储系统可提升光伏系统的低电压穿越能力，与保护电路相比，减少了电能的浪费等问题，但缺点是能量存储系统价格高，限制了其大规模运用。

图3 一种超级电容储能系统拓扑结构Fig.3 A super capacitor energy storage system topology

（3）基于无功补偿设备的穿越低电压方案

电力系统发生瞬时性故障，其自身不能提供瞬间的电压支撑，因此应安装无功补偿装置。无功补偿装置可提供光伏系统瞬间的母线电压支撑，明显地增强光伏电站低电压穿越能力。目前动态无功补偿装置，可以采用静止无功补偿器（SVC），虽能满足运行要求，但是动态性能较差，故障时冲击电压较大。鉴于无功补偿装置（SVG）成本越来越低，也可考虑采用新型无功补偿设备（STATCOM）等。目前，已有将动态电压补偿电路（DVR）引入到风电系统中，在光伏系统中也可参照此做法，DVR电路的拓扑结构，如图4。文献[24]介绍了SVC 在电网故障时起到动态支撑电压的作用，显著减小了并网光伏系统脱网的概率，为并网光伏系统的安全稳定运行提供了保障。文献[25]比较了SVC和SVG在工程运用中的优缺点，同时也说明了SVC和SVG有助于增强光伏电站低电压穿越能力。

图4 DVR电路的拓扑结构Fig.4 DVR circuit topology

3 结论

本文在对当前国内外研究成果进行分析和归纳基础上，将光伏低电压穿越技术可分为基于光伏系统控制策略和增加辅助电力设备装置两种方案。为光伏发电系统的低电压穿越技术的研究与应用提供参考。当电网电压跌落较轻时，可通过系统控制策略的改进，可有效提高光伏系统的低电压穿越能力。当电压跌落幅度较大时，光伏系统可能无法承受瞬间的电压电流冲击，此时应增加辅助电力设备方案，成本虽大，但可提高系统稳定性能。

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DOI：10.3969/j.issn.2095-6649.2015.08.010

Low Voltage Ride-through Technologies in Photovoltaic Generation System

JIANG Ting-ting
(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology , Nanjing , 211167)

ABSTRACT:With the increase of the proportion of photovoltaic grid capacity, increasing the electric power system security and stability of a series of problems. Especially the problem of low voltage ride through capability, when grid voltage dips, it has become a hot research topic in the photovoltaic grid technology. This paper introduces the principle of photovoltaic power generation and photovoltaic grid low voltage requirements, Emphatically summarized the photovoltaic system control strategy based on through low voltage and based on the increase of auxiliary equipment through two kinds of schemes of low voltage, it offers reference to the research and application for photovoltaic power generation system of low voltage through technology .

KEYWORDS:Photovoltaic power generation; Low Voltage Ride Through; Reactive Compensation