光伏发电站高电压穿越研究综述

樊世超++赵丹

摘 要：文章在对最近颁布的光伏并网标准中新增的高电压穿越相关要求进行分析的基础上，对目前研究相对较少的光伏发电站高电压穿越研究进展进行综述。分别从光伏发电站的高电压穿越相关并网标准对比、测试平台原理以及光伏高电压穿越的控制策略三方面进行了分析与阐述，可为今后开展更为深入的光伏高电压穿越研究提供参考。

关键词：光伏电站；高电压穿越；并网标准

中图分类号：TM61 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0180-02

1 概述

近年来并网光伏发电的发展速度十分迅猛，光伏发电占总发电装机容量的比例日益增高。鉴于光伏发电具有随机性和间歇性的特点，其并网特性和控制策略与常规发电机组存在较大的差异，为此国家颁布了一系列的光伏并网规定，并且随着实际工程运行经验的积累，相应标准也在不断补充和完善。目前光伏发电站的低电压穿越特性与控制策略已得到了较为广泛和深入的研究[1]，而光伏发电站的高电压穿越（High Voltage Ride Through，HVRT）研究则尚处于刚起步的阶段[2]。国家电网公司于2016年12月颁布实施的修订版《光伏发电站接入电网技术规定》（Q/GDW 1617-2015）中明确增加了光伏高电压穿越的相关要求[3]，同时也有一部分学者对并网逆变器的高电压穿越进行了相应的前瞻性研究[4]。本文将重点对光伏高电压穿越的并网标准和测试平台原理以及高电压穿越的控制策略进行对比介绍，最后对光伏电站高电压穿越研究进行总结展望。

2 光伏高电压穿越的并网标准

光伏电站在运行过程中遇到负荷突然切除、单相接地引起的非故障相电压升高、短路故障恢复期间以及电容器投入切除不合理时，光伏电站并网点电压都可能会出现高于额定值运行的情况，严重时会造成光伏电站脱网，对光伏电站自身和电网的安全稳定运行产生威胁。光伏发电站的高电压穿越是指当电力系统事故或扰动引起光伏发电站并网点电压升高时，在一定的电压升高范围和时间间隔内，光伏发电站能保证不脱网连续运行[3]。

国外提出新能源场站的高电压穿越技术规定的时间相对较早，典型的标准规定如下：澳大利亚的NER标准规定新能源场站在并网点电压大于1.3p.u时至少保持并网60ms，并网点电压在1.1-1.3p.u.期间至少保持并网900ms[5]。德国E.ON标准规定当新能源场站并网点电压大于1.2p.u.时至少保持并网0.1s[6]。美国WECC标准规定并网点电压大于1.2p.u.时可以退出运行，在1.175-1.2p.u.之间应能保持并网大于0.1s，在1.15-1.175p.u.之间应能保持并网大于2s，在1.1-1.15p.u.之间应能保持并网大于3s[7]。

最新颁布的《光伏发电站接入电网技术规定》中参考了国际上光伏发电发达国家有关高电压穿越的技术规定，对光伏电站的高电压穿越进行了相应规定。光伏发电站高电压穿越的运行时间要求如表1所示。

同时要求光伏发电站在HVRT期间具有有功功率连续调节能力和向电网注入无功电流的能力。光伏发电站要求具有一定数量的动态无功补偿装置，并且能适应各种电网运行方式的变化和运行控制的要求，与高电压穿越的要求相匹配。不同电压水平下动态无功补偿装置的运行时间要求如表2所示。

表2 不同电压水平下动态无功补偿装置运行时间要求

光伏发电站高电压穿越和低电压穿越的电压要求曲线如图1所示。图中a曲线为光伏发电站高电压穿越的要求曲线；b曲线为光伏发电站低电压穿越的要求曲线。随着光伏并网规模的不断扩大，光伏电站同时具有高电压和低电压穿越能力是新的发展趋势和客观要求。

3 光伏高电压穿越测试平台分析

光伏逆变器高电压穿越测试平台基于阻抗/阻容分压原理，其产生的电压升高特性接近实际电网故障时的电压升高特性，能准确反映故障器件与电网之间的相互影响与作用。测试平台的原理图如图2所示，其中电压升高装置通过调整电阻、电容的参数和控制开关投切来产生测试用电压值，能模拟三相对称、单相以及两相电压抬升时的运行工况。

4 光伏高电压穿越控制策略分析

4.1 增加高电压穿越辅助设备

根据相应辅助设备种类的不同可以分为主动式和被动式两类：其中主动式辅助设备主要包括SVC、SVG等动态无功补偿装置以及储能装置，通过辅助设备的动态调整来减少光伏电站并网点的电压升高程度，可以等效视为光伏电站与电网系统近似“隔离”起来；被动式辅助设备主要包括直流侧卸荷电路，通过调整直流侧电压来实现稳定HVRT期间并网点电压的目的。

通过增加辅助设备来实现高电压穿越是实际运行中的一种有效策略，并且上文的并网标准分析中也对于动态无功补偿装置的运行时间要求做出了相应的说明。该方法的缺点是会增加设备成本，通常与改善光伏逆变器的控制策略配合使用以实现高电压穿越。

4.2 改善光伏逆变器的控制策略

目前通过改善光伏逆变器的控制策略来实现高电压穿越主要有以下两种思路：一是使光伏逆变器在容量允许的范围内吸收一定量的无功功率，来降低并网点电压；二是适当提高直流侧电压的参考值，减小直流侧的电压波动。文献[4]对于逆变器在HVRT期间逆变器向电网输送无功功率和提高直流侧电压参考值进行了定量的分析计算。文献[8-10]对与光伏逆变器的控制策略十分相近的直驱变流器HVRT控制策略进行分析，其在HVRT期间的控制策略值得参考借鉴。下面将分别对于上述两种HVRT控制策略进行详细分析：

（1）HVRT期間逆变器吸收无功功率

光伏逆变器在正常运行状态时处于单位功率因数状态，仅向电网输送有功功率。对于目前研究较为成熟的低电压穿越，在故障期间可利用逆变器的最大输出容量向电网输送一定量的无功功率来提供电压支撑；同样对于研究尚处于起步阶段的高电压穿越，在HVRT期间可利用光伏逆变器的最大输出容量吸收一定量的无功功率来减少并网点的电压升高。endprint

其中IqrfH为HVRT期间的无功电流参考值，I'2为光伏逆变器的最大允许输出电流，K为并网点的实际电压与额定电压的比值。具有HVRT功能的光伏逆变器控制模式切换结构框图如图3所示。

（2）提高直流侧电压参考值

为了使HVRT期间光伏逆变器直流侧的电压波动减小，从而得到更为稳定的并网点输出特性，可通过提高直流侧的电压参考值来实现。HVRT期间的直流侧电压参考值UdcrefH如下：

（3）

其中，Udcref为直流侧在HVRT前的电压参考值；△U为HVRT期间电压参考值的增量，其因逆变器种类和运行工况的不同而取不同的数值。

5 结束语

基于最近颁布的光伏并网标准中新增的对高电压穿越的相关要求，本文对光伏发电站的高电压穿越相关并网标准、测试平台原理以及光伏高电压穿越的控制策略進行了分析与阐述。随着光伏并网规模的快速增长，光伏发电站同时具有高电压和低电压穿越能力非常必要，本文较为系统地归纳总结了目前国内外光伏高电压穿越的研究进展，可为今后开展更为深入的光伏高电压穿越研究提供参考。

参考文献：

[1]贾利虎，朱永强，孙小燕，等.基于模型电流预测控制的光伏电站低电压穿越控制方法[J].电力系统自动化，2015，39（7）：68-74.

[2]张阳.光伏并网逆变器的高电压穿越控制[D].合肥：合肥工业大学，2014.

[3]Q/GDW 1617-2015.光伏发电站接入电网技术规定[S].

[4]郑重，耿华，杨耕.新能源发电系统并网逆变器的高电压穿越控制策略[J].中国电机工程学报，2015，35（6）：1463-1472.

[5]Australian Energy Market Commission National electricity rules Chapter 5 grid connection [S].Sydney，Australia：AEMC，2012.

[6]E.ON Netz.Grid code high and extra high voltage[S].Bayreuth，Germany：E.ON Netz GmbH，2006.

[7]Western Electricity Coordination Council （WECC）.Low voltage ride through standard [S].New York，USA：WECC，2005.

[8]郜亚秋，许恩泽，孙健，等.直驱变流器高电压穿越控制策略研究[J].电器与能效管理技术，2015（12）：50-54.

[9]喻俊鹏，黄峰一，胡斌.全功率风电系统高电压穿越的仿真与实验研究[J].电源学报，2016，14（5）：145-149.

[10]艾斯卡尔，朱永利，王海龙.永磁直驱风电机组HVRT功能开发及其检验[J].电力自动化设备，2016，36（12）：18-23.endprint