并网逆变系统低压穿越技术研究

高大可

(广东电网有限责任公司 茂名供电局，广东 茂名 525000)

并网逆变系统低压穿越技术研究

高大可

(广东电网有限责任公司 茂名供电局，广东 茂名 525000)

逆变器控制系统作为光伏并网发电系统的核心，其设计直接影响整个并网系统的性能﹒随着光伏电站在电力系统中的不断接入，如何提高低压穿越能力成为研究热点﹒本文深入研究单相单级光伏并网逆变系统低压穿越技术，提出了基于单相PQ理论的有功无功电流解耦控制方案﹒该方法可实时对有功电流和无功电流参考进行调整，解决电压跌落过程中的功率不平衡问题，以实现故障期间的功率控制，并将无功功率注入电网以支持电网电压的恢复，最后通过仿真对本文所提出低压穿越技术的正确性和有效性进行了验证﹒

并网逆变器；低压穿越；单相PQ理论

当今社会，电力电子设备的成本急剧下降，光伏发电技术的应用越来越深入，使大电网的稳定性也受到较大影响﹒大电网中最严重的是电压跌落故障，为了防止逆变器故障，光伏微电网被系统切除，但可能会导致更严重的电网故障[1]﹒如果电压跌落情况下无功功率可以注入电网，一方面可以使振荡对电网的影响降至最低，另一方面可以较好的调节电网电压﹒许多发达国家详细解释了光伏系统的相关规定，并颁布了相应的国家标准，要求光伏并网系统必须具有一定程度的低压穿越能力[2-3]﹒

在电压跌落等低电压条件下，光伏微电网对电网的存在有很大的影响﹒在这种情况下，低压单相光伏并网发电系统具有接入方便、维护便捷和成本低等优点，故应用发展迅速﹒然而，由于低压单相光伏并网发电系统在并网/离网操作时会影响大电网的稳定性，所以大电网接入光伏微网系统具有一系列的准入规定﹒但是，如果可以提高单相光伏系统的输出特性，获得一定的低压通过和无功补偿能力，使并网/离网对电网稳定运行的影响降到最低，将大大推动光伏并网发电系统的实际应用﹒目前，低功率单相光伏并网发电系统是研究热点之一﹒

在文献[4]中，证明了单相光伏系统在低压故障中的可控性﹒同时，通过基于单相PQ理论的低压穿越方法也验证了文献所提方法的有效性﹒在文献[5]中，对基于单相反激式变换器的交流光伏系统进行了研究，提出了电压断续模式中的低压穿越策略﹒在文献[6]中，提出了基于交流限流输出的低压穿越策略，通过限制逆变器输出电流值来防止过流，可以使光伏阵列离网的可能性降到最低，但是光伏逆变器的无功功率不用于帮助恢复电网电压﹒在文献[7]中，将三相系统的无功补偿方法(恒定峰值电流，恒定有功电流，恒定有功)用于单相系统，并对各自的优缺点进行了分析比较﹒在文献[8]基础上，文献[9]对3种单相非隔离光伏并网逆变器进行深入研究，比较了各自的低压故障控制方法及有效性﹒在文献[10]中，提出了一种基于同步发电机理论的低压穿越方法，根据低压穿越标准朝大电网输送无功功率，并控制能量的流向﹒通过研究风力发电穿越技术中使用耗能电路的方法，文献[11]提出了将串联制动电阻应用在单相光伏发电系统中的方法﹒

综上所述，国外研究者们对单相光伏系统的主要思路是采用逆变器从控制的角度来对电网补偿无功﹒虽然国内学者还研究了低压穿越策略，但其大部分研究主要应用于大型光伏电站和三相光伏发电系统，而单相光伏领域的低压穿越技术研究成果甚少﹒为了防止单相系统在故障期间造成的离网对大电网稳定性造成的不利影响，它也必须拥有一定的低压穿越能力﹒本文为单相系统提出一种低压穿越方法，使得纹波电压控制电路仍能工作在正常状态下，并通过调整系统功率控制回路来实现系统的低压穿越﹒

1 低压故障下的光伏系统并网规范

为使得光伏系统在低压故障期间对电网的影响降到最低，光伏并网系统须具备低压穿越的能力﹒许多国家已经出台了有关规定，要求光伏发电系统能够承受相应的电压异常，德国的E.O是影响力最大的标准﹒

德国是新能源领域研究的先驱，早期的光伏、风力发电等新能源发电系统对低压穿越技术要求作出了规范，并按照接入电网等级发布了高压电网中的低压穿越标准和低压电网中的低压穿越标准[12]，这些标准为其他国家后来的技术研究提供了参考﹒本文研究的单相光伏系统通常用于低压电网，此处仅列举德国对中低压网络中低压故障运行标准，具体规范如图1所示﹒

图1规定当系统工作状态处于实线上方部分时，发电系统应保持并网运行，并实现零电压穿越﹒当电压跌落在150 ms之内时，发电系统应保持并网状态，如果150 ms后电压仍然小于正常电压的0.9倍，则以图1中从150 ms到1 500 ms的实线为界线，电网电压在实线上方需维持并网，在实线以下可以选择离网﹒

图1 德国对新能源发电系统接入中低压电网时动态特性要求

考虑到在故障期间向电网注入无功对于电网电压回复正常等级具有很大作用，为此德国也发布了有关标准，对故障期间逆变器提供的无功作出要求，具体的补偿曲线如图2所示﹒

图2 德国低压故障期间无功支撑标准

在图2中，故障期间补偿的无功电流应根据电压跌落深度Δu来确定﹒

当跌落深度小于10%时，属于允许范围内的正常波动，无需补偿；当跌落深度处于较小的范围，如处于在10%至50%之间时，无功电流补偿系数为当跌落深度超过50%时，逆变器应最大程度输出无功﹒

2 低压穿越实现方式

目前低压穿越的实现方法主要有3种：附加硬件耗能电路；储能装置；逆变器无功补偿﹒

2.1 基于耗能电路

直流电压增加，引起逆变器过电流，是由于在电压跌落期间功率平衡问题引起，最直接有效的办法是增加耗能电路，以提供一个新的功率释放通道，防止瞬间直流电压增加对直流侧电容器的损坏，能够避免直流电压上升，变换器输出电流超过限制值引起自动保护机制动作，其主要实现结构如图3所示﹒

图3中两种耗能电路与直流母线直接相连，当跌落深度处于较小的范围，逆变器可使直流电压维持稳定，耗能电路待机；当跌落深度处于较大的范围，直流电压不断上升，直流电容上的能量不断堆积，逆变器输出电流达到限幅值，耗能电路开始工作，通过耗能电阻Rd将多余的能量消耗掉﹒图 3(a)直接通过开关与直流母线连接，图3(b)通过Buck电路与直流母线连接﹒

图3 基于耗能电路的光伏逆变结构

耗能电路可以解决直流电压过压等问题，但对于单相光伏系统而言，耗能电路同时也增加了系统的成本和体积﹒

2.2 基于储能装置

基于储能装置的低压穿越技术是在电压跌落瞬间将直流侧能量储存起来﹒这种方法是目前分布式发电系统解决功率不平衡的主要手段﹒具体结构如图4所示﹒

图4 基于储能装置的低压穿越技术

当产生低压故障时，光伏阵列在最大功率点工作，直流能量堆积在电容上，输出电流升高，当其大于额定值的时候，储能装置开始储能，将多余能量保存，平衡变换器两端功率﹒故障消除后，储能装置释放能量﹒储能装置的控制及其策略是低压穿越方案的关键，控制不当会导致过度充电等不良后果﹒

2.3 基于无功补偿

无功补偿方法主要有2种方案：一种是并联静态无功补偿装置；另一种是基于单相PQ理论的无功补偿策略﹒

基于静止无功补偿装置的低压穿越方法拓扑结构如图5所示﹒通过在并网点处并联静止无功补偿装置，在电压跌落期间，投切无功补偿装置，并按照并网标准的补偿无功电流﹒

图5 基于静止无功补偿装置的低压穿越技术

基于单相PQ理论的方案直接利用逆变器产生无功，具体控制原理如图6所示﹒

图6 基于单相PQ理论的无功补偿方法

由图6可知系统由双环控制来控制功率，该方法可对低压穿越期间的参考有功和无功进行精确跟踪﹒

以上几种方案中，基于耗能电路和储能装置的方案可有效解决直流过压问题，但成本较高不适于单相系统；基于单相PQ理论的方案由于功率外环的存在，具有系统响应速度较慢的缺点﹒

3 基于纹波电压控制并网逆变系统的低压穿越方法

基于对上述方案的优缺点分析，结合电流解耦控制的特点，通过直接调整有功和无功电流的参考值的方式来实现低压穿越效果﹒一是根据电网电压等级和跌落深度来对无功输出进行控制；二是根据变换器最大输出电流和无功补偿电流的大小来确定输出有功参考电流﹒

3.1 低压故障期间输出电流参考值设计

由并网标准可知不同跌落深度对应的无功输出存在差别，跌落深度与并网电压的数量关系为

式中UgN为额定并网电压﹒低压故障发生后，如果逆变器按最大功率点输出有功，可能导致变换器过电流，使得过流保护触发﹒为了避免这种状况，逆变器输出有功也应相应调整﹒下面对2种跌落范围的有功和无功电流参考进行设计﹒

如果逆变器输出最大电流，则有功电流为

因为光伏电池输出功率处于随时变化的状态，电压跌落故障发生时，光伏阵列提供的有功功率较小，逆变器实际输出有功电流小于则此时有功参考值应取电压外环控制的数值；再将与进行比较，如果大于，则有功电流参考值取

根据最大电流输出原则，有

图7所示﹒

图7 指令电流设计流程

3.2 低压故障期间储能电感电流参考值设计

通过分析，在跌落故障期间，虽然有功输出下降，但无功输出增加，此时并网输出功率中仍有2次功率波动存在，且大小为

根据功率守恒，并网逆变器的输入侧也有 2

若纹波电压控制电路不进入工作状态，则直流侧电压可表示为

因此仍然需要在跌落期间控制直流侧纹波﹒直流侧2次功率被储能装置吸收，即λ取1﹒储能电感电流参考为

3.3 仿真结果与分析

本文对并网逆变系统进行了低压穿越能力的仿真﹒首先模拟低跌落深度低压穿越，当仿真结果如图8所示﹒图8(a)为并网电压电流，图 8(b)为有功和无功电流波形﹒从图 8中可看出，0.3 s前，逆变器正常工作，并网电压幅值为12 V，输出电流幅值为23.2 A，有功约为140 W，光伏阵列工作在最大功率点；0.3 s至0.6 s期间，并网电压跌落至8.4 V，输出电流升高，达到限幅输出值；0.6 s后电网电压恢复至额定值12 V，电流幅值降至23.2 A﹒此外，从图8(b)还可以看出，电压跌落期间，系统向电网注入无功，虽然系统的有功电流有少量增加，但因为并网电压减小，系统在0.3 s至0.6 s期间的有功功率输出减小﹒

图8 Δu=0.3时并网侧仿真结果

再对较大电压跌落深度的情况进行仿真，在此期间纹波电压控制电路处于工作状态﹒图9为变换器交流侧仿真结果﹒从图9(a)中可看出，0.3 s至0.6 s时间内，并网电压跌落到3 V，这个时候跌落深度在电压跌落以及电压恢复的瞬间，电网电流发生较大波动，达到稳态时，并网电流为30 A，逆变器工作在最大电流状态﹒同时从图 9(b)中可看出，逆变器无功电流输出为24.8 A，有功输出为15 A，保证了逆变器最大限度的输出有功功率﹒此时光伏电池仍有功率输出，并没有工作在开路电压点﹒

图9 Δu=0.75时并网电压电流仿真结果

综合以上仿真结果可看出，本文提出的低压穿越方案可以对逆变器输出的有功和无功电流进行解耦控制﹒当电压跌落深度较小时，可以支撑电网电压的恢复；当电压跌落较深时，确保光伏电池有功率输出，避免开路的发生﹒

4 结论

本文分析了电网低压故障期间单相光伏系统的暂态过程，对比分析了常用低压穿越技术﹒并提出一种基于单相PQ理论的有功无功电流解耦控制低压穿越方法﹒该方案能够使逆变器在电压跌落故障期间按照并网标准输出无功﹒在低压故障期间，系统能及时调整有功参考并快速实现新的有功功率平衡，防止直流电压不断增加﹒

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(责任编校：龚伦峰)

Research on Low Voltage Ride Through Technology of Grid-connected Inverter System

GAO Dake
(Maoming Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Co., Ltd., Maoming, Guangdong 525000, China)

As the core component of the grid-connected PV systems, the design performance of the inverter's control system directly affects the performance of the whole system. Meanwhile, with the proportion of the PV power station increasing, the low voltage ride-through ability of the grid-connected PV systems becomes a hot research. In this paper a low voltage ride through (LVRT) method in single-phase single-stage grid-connected PV system is deeply researched. Then, a LVRT method based on the decoupling control of active current and passive current is proposed. The reference values of active current and passive current are adjusting in time to avoid the unbalance of active power and inject passive power to support the grid voltage.Finally, the simulation verifies the correctness and effectiveness of the proposed LVRT technology.

grid-connected inverter; low voltage ride through; single-phase PQ theory

TM464

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0014

1672–7304(2017)05–0065–05

2017-06-28

高大可(1992- )，男，湖南益阳人，硕士，主要从事电能质量分析及微电网技术研究﹒E-mail: 515037030@qq.com