關于光伏低電壓穿越要求

背景

光伏并網低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)技術是指在網側發生擾動或發生故障時導致并網連接點的電壓發生跌落（或抬升），光伏系統要能夠在國家標準規定的一段時間內保持并網，并可以向電網輸入一部分無功功率用來支持電網電壓的恢復，從而實現低電壓穿越。GB/T19964-2012要求光伏發電站應該滿足的低電壓穿越能力要求。當光伏發電站并網連接點電壓在圖中曲線1以上時，光伏發電站不能從電網中切出，反之當并網連接點電壓在圖1中曲線以下時，光伏發逆變器允許從電網中切出。從圖中可以看出，當并網連接點電壓跌落到0-0.2 pu時，光伏發電站要保持至少0.15 s不脫網；當并網連接點電壓跌落到0.2-0.9 pu時，光伏發電站要保持不脫網的最短時間與電壓跌落的程度成線性關系，跌落越小，光伏發電站要保持不脫網的時間越長；當并網連接點電壓跌落到0.9 pu以上時，光伏電站不能脫網。 圖1 光伏低電壓穿越要求 光伏低電壓穿越技術一般有三種方案：一種是在直流側采用卸荷電路，當交流電壓跌落直流電壓上升時，投入卸荷電阻消耗直流側多余的能量；二種是引入新型拓撲及儲能結構，儲能既可以消耗多余的能量，還能夠在光伏出力不足的條件下，實現光儲互補；三是采用合理的直流側控制算法，在不改變原有電路拓撲結構的條件下，通過軟件控制實現交流測電壓跌落時，光伏直流側電壓不超過換流器的保護電壓。但目前考慮光伏整體成本，普遍采用第三種方式，即不增加額外的裝置或電路，通過軟件控制實現低穿功能。軟件控制的方法對于廠家來說已經十分成熟，但現有論文中很少有提及光伏低穿時，MPPT部分如何通過控制切換實現光伏側功率與交流側功率進行匹配，使直流側電壓維持穩定，并且在允許的范圍內。本文作為拋磚引玉，僅供參考。 建模思路 由于正常情況下光伏一般工作在MPPT模式，當交流側電網電壓降低時，由于逆變器控制內環電流限幅等原因，不會變得很大，導致交流側功率減小，如果此時光伏仍然以最大功率輸出，會造成逆變器兩側功率的不平衡。為了平衡直流側所多余的功率，直流側母線電壓會升高，在實際中可能會造成開關管過壓損壞。因此需要通過一定的控制手段，實現逆變器前后功率的平衡。 另外，根據《光伏發電站接入電力系統技術規定 GB/T19964-2012》，光伏在交流電壓跌落過程中還需要向電網提供一定的無功支撐，具體無功計算公式為： 其中：IT為光伏發電站注入電力系統的動態無功電流， IN為光伏發電站正常時的額定電流， 為光伏發電站并網連接點電壓標幺值。通過公式可以看出，無功電流為計算值，有功電流必然也是由無功電流計算而來，存在控制的切換，即電壓跌落過程中逆變器控制無法再進行直流電壓控制。 ? ? ? 結合一些論文，總結了兩可行的方式：1.在低穿過程中，boost電路控制（假設是雙級式并網拓撲）由原來MPPT模式切換為控直流電壓模式，此時光伏電池根據交流側功率情況，會自動調整匹配到一個新的工作點，實現直流電壓的穩定，并網逆變器控制切換為有無功電流給定模式；2.在低穿過程中，設置一個固定的比例系數Vdc/Voc，當前光伏出口電壓乘以該系數，與直流電壓給定值進行比較，實現直流電壓的控制及自動功率匹配。 仿真模型 正常運行狀態下的光伏并網模型之前已經介紹過，本文不再贅述。模型參數為，光伏額定功率P=100kW，直流側的母線電壓 500V，交流電網的線電壓260V，電網頻率f=50Hz。 圖2 整體仿真模型 （1）不加低穿控制策略：電網發生三相電壓對稱跌落至20%，設置總的仿真時間為3s，在t=1 s時電網電壓三相跌落至20%的額定電壓，持續跌落時間為0.625 s，到1.625 s跌落結束恢復至額定電壓，仿真結果如下： 圖3 光伏電池電壓、電流、功率 圖4 逆變器直流側電壓 圖5?并網點電壓、電流、功率 從上述仿真結果可以看出，在不加任何低穿控制策略時，光伏以最大功率輸出，由于交流側功率降低，多出來的功率對直流電容充電，使電壓變得很高。 （2）低穿時MPPT模式切換為直流電壓控制模式策略：正常工作時，光伏工作在最大功率，當檢測到電壓降落時，boost電路控制切換為控直流側電壓，并網逆變器控制切換為有無功電流給定控制。 圖6 前級boost控制切換 圖7 逆變器并網控制及切換 設置總的仿真時間為3s，分別進行在t=1s時電網電壓三相跌落至20%和35%的額定電壓，持續跌落時間分別為0.625s和1s，兩種工況仿真波形如下： 20%電壓跌落波形： 圖8 光伏電池電壓、電流、功率 ? 圖9 逆變器直流側電壓 ? 圖10?并網點電壓、電流、功率 ? 35%電壓跌落波形： 圖11 光伏電池電壓、電流、功率 ? 圖12 逆變器直流側電壓 ? 圖13?并網點電壓、電流、功率 ? 通過上圖仿真結果可以看出，采用此方法控制，當電壓跌落到20%時，逆變側計算得到的無功電流參考為1.05標幺，有功電流為0，光伏電池工作在開路電壓，此時光伏輸出功率為0，boost電路由于控制飽和，處于閉鎖狀態，直流電壓瞬間略有升高，并慢慢下降。當電壓跌落到35%時，此時計算的有功無功電流均不為0，boost電路可以通過控制維持直流電壓穩定，光伏可根據交流側功率自動匹配對應的工作點。 （3）低穿時切換到比例系數法：該方式的目標主要是維持功率匹配的前提下使直流側電壓不超過預設值，具體實現如下：

圖14 前級boost控制切換控制

圖15 逆變器并網控制及切換

跟（2）一樣，設置總的仿真時間為3s，分別進行在t=1s時電網電壓三相跌落至20%和35%的額定電壓，持續跌落時間分別為0.625s和1s，兩種工況仿真波形如下： 圖16 光伏電池電壓、電流、功率 ? 圖17 逆變器直流側電壓 ? 圖18?并網點電壓、電流、功率 ? 35%電壓跌落波形： 圖19 光伏電池電壓、電流、功率 圖20?逆變器直流側電壓 ? 圖21?并網點電壓、電流、功率 通過上圖仿真結果可以看出，采用此方法控制，當電壓跌落到20%時，逆變側計算得到的無功電流參考為1.05標幺，有功電流為0，光伏電池工作在開路電壓，此時光伏輸出功率為0，boost電路處于閉鎖狀態，直流電壓瞬間略有升高，并慢慢放電下降。當電壓跌落到35%時，此時計算的有功無功電流均不為0，boost電路通過控制維持直流電壓穩定，該方法會根據不同的功率匹配情況調整直流電壓，并不一定一直維持500V。?