光伏低电压穿越技术的研究综述

肖远逸 王珺 翟立唯

摘 要 光伏产业的崛起，各个地区的光伏并网都逐渐形成了一定的规模，光伏并网容量急剧上升，给传统电网的供电质量和系统性能都产生较大冲击。本文将介绍目前国家电网的关于光伏电站的并网标准和逆变器的工作原理，综述国内外关于光伏低电压穿越技术的研究现状，对目前针对光伏低电压穿越所做的研究及成果进行介绍。此外，笔者依据自身对光伏并网的经验，对光伏并网的相关发展问题进行进一步展望。

【关键词】控制技术 逆变器 标准

1 技术背景

1.1 技术含义

由于某些原因造成的电网电压跌落的情况下，光伏系统能维持并网状态并正常运行，且支持电网电压恢复至正常值，这种低电压区域的过渡技术即为光伏低电压穿越技术（LVRT）。

1.2 低电压穿越规范

电力系统由于各种因素产生电压降低的现象以后，光伏系统的并网点电压若降至曲线下方，如图1所示，则系统将光伏电网隔离开。在此期间，仍然保留在电网内的逆变器应逐渐恢复至原值，恢复速度为额定功率*0.1每秒。为保证光伏系统的安全，可将系统设计为逆变器供应动态的无功功率给电网系统。图1即为光伏低电压穿越具体要求。

由于之前的低电压穿越要求具有一定的局限性，其中增添了零电压穿越这一新技术规范。规范要求电网电压为零后，光伏系统应能提供150毫秒的并网运行时间，实际工程中则需要结合重合闸动作、保护动作等因素消耗的时间，以及电网管理单位的要求综合设计。

2 光伏低电压穿越原理

由于光伏设备将电能收集并转换后，转换的电位为直流电而不是电网的交流电，因此需要用逆变器进行预处理，图2即为逆变器和光伏的电路连接示意图。

为了达到低电压穿越目的，当前主流的控制策略是双闭环控制法，包括电压外环控制以及电流內环控制两个方面，前者主要是针对电压在逆变器处理前后的不稳定现象进行控制，从而降低因电压波动产生的电能损失，将光伏发电的能量利用率尽量提高；后者则针对功率进行控制，并根据并网指令电流对光伏系统的功率、功率因素等方面进行即时调整。图3为双闭环控制原理。

电压外环控制是用于稳定直流侧电压以及并网逆变器有功功率的输出，通过直流电压外环的闭环反馈以及PI调节作用，可以无静态误差地跟踪直流侧电压。在直流侧，由于存在有功功率消耗，若不考虑逆变器能量损失，则有如下结论：通过对有功电流的调节，能实现光伏发电产生的直流电的电压稳定控制。对此，可以设计光伏发电直流电压的外环PI调节系统，以达到控制逆变器输出有功功率大小的目的。

逆变器三相输出电流PI前馈解耦通过电流内环控制进行，由上图3的结论可知，有功电流分量比较电压外环控制的参考值得到差值，测定的无功电流分量减去参考值的结果由PI调节，实现误差电流的调节功能。将PI调节器得到的信号经解耦量的引入，再通过空间矢量脉宽（SVPWM）调制得到控制开关管的开关驱动信号，进而完成逆变信号的输出。

电流控制方法有比例谐振法和滞环PWM控制法等。滞环控制中的滤波器不易设计实现，电流谐波含比较高；重复控制法稳态性较好；无差拍控制法的劣势是系统参数的变化会干扰控制效果，且系统的频率适用范围较窄；比例谐振控制法实现较为困难，即使得以实现也因为电网频率改变、系统精度下降等原因效果较差。PI控制的优势体现在能独立的对电流的有功部分和无功部分进行控制，在保证输出较好的跟踪参考值的同时兼具优异的动态、稳态特性。

3 国内外的研究现状

3.1 国内的研究现状

郑飞， 张军军[1]针对LVRT数字仿真进行光伏系统的设计进行介绍，这种方案以数字仿真器（RTDS）为理论基础，能够实现光伏并网逆变器在两种工作状态下的LVRT控制：一是三相电网电压保持在正常水平时的工作状态，其次是电压对称跌落时的工作状态。但是本文所提出的办法对直流侧电压过大问题的解决没有涉及；2011年7月，新竹大学科研人员发现，LVRT可以通过正序、负序电流注入法实现；2012年，华北电力大学刘子兴、冯燕闯、梁海峰等通过研究，提出了全新的以电流无差拍为基础的LVRT控制思想，主要是通过逆变器输出电流范围的限制以及系统中增添卸荷电阻的方式防止直流侧电压过高的情况发生，从而实现LVRT。

3.2 国外的研究现状

目前，LVRT技术在国外的研究已经较为深入，部分国家的光伏产业相关技术已经较为成熟，如德国、美国、西班牙已经针对本国电网的特征相应出台了低电压穿越能力的标准。随着光伏产业日趋成熟，相关标准必然趋于更加合理和全面。当电网出现电压暂时性跌落故障，且跌落至电压均方根值90%以下时，光伏电站必须能在20毫秒的时间内维持无功功率的传输支撑电网电压，此阶段的电网电压、无功电流关系为前者暂降1%，则后者应上升2%。电网恢复后，光伏系统的向电网输送的有功功率增长速度应保持不少于20%Pn/s。目前，世界上只有德国和西班牙对此其提出了明确规定。

随着国内外对光伏并网系统的研究的深入，光伏并网系统的相关技术也日趋成熟，未来由光伏产业发出的清洁的电能将会占据很大的装机容量比例，这种趋势也对传统的电力系统产生较大的冲击，特别是在故障出现后电力系统的稳定安全方面。一旦因为某些原因导致电网电压下跌，并网电流就会冲击式上升，这种冲击尖峰电流对变流器的性能的考验十分严峻。如果用解列这种被动保护式的应对方法进行故障的解决，很容易大幅降低光伏设备的有功输出，从而将电力系统的故障更加严重，进而导致其他电站的解列，引起大规模停电的供电事故。由此可见，低电压穿越功能对于光伏电站十分必要。

4 穿越的关键技术

若要实现较好的光伏电站低压穿越，首先需要检测两个参数，一是电压同步锁相信号，其次是正负序分量，这两个参数对于算法的精确性具有重要意义，也是低电压穿越的基础。

4.1 最大功率点跟踪技术

最大功率点跟踪技术，对于光伏发电系统而言，温度、太阳能辐射度这两个因素是影响光伏电池输出电参数的主要方面，也决定了光伏系统输出的不稳定性。最大功率点跟踪技术的目的，就是将光伏电池的效率提升至最大值，并实现光伏投入产出比的最佳。

4.2 防孤岛检测技术

光伏发电并网后，将系统转换的电能输送至电网。一旦电网由于某些原因产生故障，电网随即产生跳闸等保护动作，而光伏电力输送不会因此而停止，并持续的向本地负载输送电能，这种现象称为供电的孤岛现象。孤岛现象的危害體现在两个主要方面，一是会因为电力切断不彻底给电力维修人员造成安全威胁；其次是系统设备的冲击力会影响逆变器等器件的性能，甚至导致设备的损毁。

4.3 锁相环技术

q轴定向锁相、过零点检测等锁相环技术都能实现不同电网的电压同步。基于q轴定向的锁相技术原理是建立两相旋转坐标系，将坐标系q 轴的旋转频率调节至与输入频率一致，由此得到锁相信号。该方式原理简单，实现方便。但其劣势体现在电压的不对称跌落情况下，因为同步旋转坐标系所携带的直流部分会掺杂2 倍频交流分量，这个交流分量导致锁相信号精确度降低，严重的甚至无法进行正弦信号的锁相。为了能对不对称的电压进行锁相信号的获取，一般进行锁相环带宽减小的处理方式进行锁相。过零点检测锁相的原理则是首先进行电压的检测，并以此为依据判断电网电压极性进而得到相角信号，但是存在电网电压畸变时检测的过零点会有多个的缺陷，目前应用较少。

4.4 正负序分离技术

电压如果存在跌落不平衡的因素，锁相信号的获取难度较大。基于正负序分离的方法能较好地解决这一问题，常见的分离方式有五种，分别是滤波器分离法、陷波器分离法、T/4 延时法、解耦法以及二阶广义积分器法。这五种方法任意一种均能有效提取出正负序分量，但各个方法均有优缺点，需要根据系统实际情况选择。

5 总结

本文阐述了逆变器的工作原理，总结了目前应用最广泛的关于光伏低电压穿越技术的控制方法和关键技术。现如今，对光伏电站的低电压穿越研究较多且较深入，低电压穿越的理论也趋于成熟，但是在具体进行低电压穿越的控制设计时仍有很多工作要做。此外，低电压穿越相关的参数标准不够明确，这对于光伏并网的规范性产生一定的影响。因此，此阶段的光伏电站的实际建设具有很大的主观性。

参考文献

[1]郑飞，张军军.基于RTDS 的光伏发电系统低电压穿越建模与控制策略[J].电力系统自动化，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，冯燕闯，刘子兴，等.基于无差拍控制的光伏电站低电压穿越技术的研究[J].电力力系统保护与控制，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.

作者简介

肖远逸（1992-），男，江西省九江市人。曾获得上海电机学院硕士学位。主要研究方向为光伏并网。

王珺，女，北京市人。博士学位。现为上海电机学院电气学院特聘教授，洋山学者。

翟立唯（1990-），男，江苏省泰兴市人。上海电机学院硕士。

作者单位

上海电机学院 上海市闵行区 201100