关于光伏低电压穿越要求

背景

光伏并网低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)技术是指在网侧发生扰动或发生故障时导致并网连接点的电压发生跌落（或抬升），光伏系统要能够在国家标准规定的一段时间内保持并网，并可以向电网输入一部分无功功率用来支持电网电压的恢复，从而实现低电压穿越。GB/T19964-2012要求光伏发电站应该满足的低电压穿越能力要求。当光伏发电站并网连接点电压在图中曲线1以上时，光伏发电站不能从电网中切出，反之当并网连接点电压在图1中曲线以下时，光伏发逆变器允许从电网中切出。从图中可以看出，当并网连接点电压跌落到0-0.2 pu时，光伏发电站要保持至少0.15 s不脱网；当并网连接点电压跌落到0.2-0.9 pu时，光伏发电站要保持不脱网的最短时间与电压跌落的程度成线性关系，跌落越小，光伏发电站要保持不脱网的时间越长；当并网连接点电压跌落到0.9 pu以上时，光伏电站不能脱网。 图1 光伏低电压穿越要求 光伏低电压穿越技术一般有三种方案：一种是在直流侧采用卸荷电路，当交流电压跌落直流电压上升时，投入卸荷电阻消耗直流侧多余的能量；二种是引入新型拓扑及储能结构，储能既可以消耗多余的能量，还能够在光伏出力不足的条件下，实现光储互补；三是采用合理的直流侧控制算法，在不改变原有电路拓扑结构的条件下，通过软件控制实现交流测电压跌落时，光伏直流侧电压不超过换流器的保护电压。但目前考虑光伏整体成本，普遍采用第三种方式，即不增加额外的装置或电路，通过软件控制实现低穿功能。软件控制的方法对于厂家来说已经十分成熟，但现有论文中很少有提及光伏低穿时，MPPT部分如何通过控制切换实现光伏侧功率与交流侧功率进行匹配，使直流侧电压维持稳定，并且在允许的范围内。本文作为抛砖引玉，仅供参考。 建模思路 由于正常情况下光伏一般工作在MPPT模式，当交流侧电网电压降低时，由于逆变器控制内环电流限幅等原因，不会变得很大，导致交流侧功率减小，如果此时光伏仍然以最大功率输出，会造成逆变器两侧功率的不平衡。为了平衡直流侧所多余的功率，直流侧母线电压会升高，在实际中可能会造成开关管过压损坏。因此需要通过一定的控制手段，实现逆变器前后功率的平衡。 另外，根据《光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T19964-2012》，光伏在交流电压跌落过程中还需要向电网提供一定的无功支撑，具体无功计算公式为： 其中：IT为光伏发电站注入电力系统的动态无功电流， IN为光伏发电站正常时的额定电流， 为光伏发电站并网连接点电压标幺值。通过公式可以看出，无功电流为计算值，有功电流必然也是由无功电流计算而来，存在控制的切换，即电压跌落过程中逆变器控制无法再进行直流电压控制。       结合一些论文，总结了两可行的方式：1.在低穿过程中，boost电路控制（假设是双级式并网拓扑）由原来MPPT模式切换为控直流电压模式，此时光伏电池根据交流侧功率情况，会自动调整匹配到一个新的工作点，实现直流电压的稳定，并网逆变器控制切换为有无功电流给定模式；2.在低穿过程中，设置一个固定的比例系数Vdc/Voc，当前光伏出口电压乘以该系数，与直流电压给定值进行比较，实现直流电压的控制及自动功率匹配。 仿真模型 正常运行状态下的光伏并网模型之前已经介绍过，本文不再赘述。模型参数为，光伏额定功率P=100kW，直流侧的母线电压 500V，交流电网的线电压260V，电网频率f=50Hz。 图2 整体仿真模型 （1）不加低穿控制策略：电网发生三相电压对称跌落至20%，设置总的仿真时间为3s，在t=1 s时电网电压三相跌落至20%的额定电压，持续跌落时间为0.625 s，到1.625 s跌落结束恢复至额定电压，仿真结果如下： 图3 光伏电池电压、电流、功率 图4 逆变器直流侧电压 图5 并网点电压、电流、功率 从上述仿真结果可以看出，在不加任何低穿控制策略时，光伏以最大功率输出，由于交流侧功率降低，多出来的功率对直流电容充电，使电压变得很高。 （2）低穿时MPPT模式切换为直流电压控制模式策略：正常工作时，光伏工作在最大功率，当检测到电压降落时，boost电路控制切换为控直流侧电压，并网逆变器控制切换为有无功电流给定控制。 图6 前级boost控制切换 图7 逆变器并网控制及切换 设置总的仿真时间为3s，分别进行在t=1s时电网电压三相跌落至20%和35%的额定电压，持续跌落时间分别为0.625s和1s，两种工况仿真波形如下： 20%电压跌落波形： 图8 光伏电池电压、电流、功率   图9 逆变器直流侧电压   图10 并网点电压、电流、功率   35%电压跌落波形： 图11 光伏电池电压、电流、功率   图12 逆变器直流侧电压   图13 并网点电压、电流、功率   通过上图仿真结果可以看出，采用此方法控制，当电压跌落到20%时，逆变侧计算得到的无功电流参考为1.05标幺，有功电流为0，光伏电池工作在开路电压，此时光伏输出功率为0，boost电路由于控制饱和，处于闭锁状态，直流电压瞬间略有升高，并慢慢下降。当电压跌落到35%时，此时计算的有功无功电流均不为0，boost电路可以通过控制维持直流电压稳定，光伏可根据交流侧功率自动匹配对应的工作点。 （3）低穿时切换到比例系数法：该方式的目标主要是维持功率匹配的前提下使直流侧电压不超过预设值，具体实现如下：

图14 前级boost控制切换控制

图15 逆变器并网控制及切换

  跟（2）一样，设置总的仿真时间为3s，分别进行在t=1s时电网电压三相跌落至20%和35%的额定电压，持续跌落时间分别为0.625s和1s，两种工况仿真波形如下： 图16 光伏电池电压、电流、功率   图17 逆变器直流侧电压   图18 并网点电压、电流、功率   35%电压跌落波形： 图19 光伏电池电压、电流、功率 图20 逆变器直流侧电压   图21 并网点电压、电流、功率 通过上图仿真结果可以看出，采用此方法控制，当电压跌落到20%时，逆变侧计算得到的无功电流参考为1.05标幺，有功电流为0，光伏电池工作在开路电压，此时光伏输出功率为0，boost电路处于闭锁状态，直流电压瞬间略有升高，并慢慢放电下降。当电压跌落到35%时，此时计算的有功无功电流均不为0，boost电路通过控制维持直流电压稳定，该方法会根据不同的功率匹配情况调整直流电压，并不一定一直维持500V。  　　

      审核编辑：彭静