關(guān)于光伏低電壓穿越要求

背景

光伏并網(wǎng)低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)技術(shù)是指在網(wǎng)側(cè)發(fā)生擾動或發(fā)生故障時導(dǎo)致并網(wǎng)連接點的電壓發(fā)生跌落（或抬升），光伏系統(tǒng)要能夠在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一段時間內(nèi)保持并網(wǎng)，并可以向電網(wǎng)輸入一部分無功功率用來支持電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，從而實現(xiàn)低電壓穿越。GB/T19964-2012要求光伏發(fā)電站應(yīng)該滿足的低電壓穿越能力要求。當(dāng)光伏發(fā)電站并網(wǎng)連接點電壓在圖中曲線1以上時，光伏發(fā)電站不能從電網(wǎng)中切出，反之當(dāng)并網(wǎng)連接點電壓在圖1中曲線以下時，光伏發(fā)逆變器允許從電網(wǎng)中切出。從圖中可以看出，當(dāng)并網(wǎng)連接點電壓跌落到0-0.2 pu時，光伏發(fā)電站要保持至少0.15 s不脫網(wǎng)；當(dāng)并網(wǎng)連接點電壓跌落到0.2-0.9 pu時，光伏發(fā)電站要保持不脫網(wǎng)的最短時間與電壓跌落的程度成線性關(guān)系，跌落越小，光伏發(fā)電站要保持不脫網(wǎng)的時間越長；當(dāng)并網(wǎng)連接點電壓跌落到0.9 pu以上時，光伏電站不能脫網(wǎng)。 圖1 光伏低電壓穿越要求 光伏低電壓穿越技術(shù)一般有三種方案：一種是在直流側(cè)采用卸荷電路，當(dāng)交流電壓跌落直流電壓上升時，投入卸荷電阻消耗直流側(cè)多余的能量；二種是引入新型拓?fù)浼皟δ芙Y(jié)構(gòu)，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(xiàn)光儲互補(bǔ)；三是采用合理的直流側(cè)控制算法，在不改變原有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的條件下，通過軟件控制實現(xiàn)交流測電壓跌落時，光伏直流側(cè)電壓不超過換流器的保護(hù)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(xiàn)低穿功能。軟件控制的方法對于廠家來說已經(jīng)十分成熟，但現(xiàn)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(xiàn)光伏側(cè)功率與交流側(cè)功率進(jìn)行匹配，使直流側(cè)電壓維持穩(wěn)定，并且在允許的范圍內(nèi)。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(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電壓降低時，由于逆變器控制內(nèi)環(huán)電流限幅等原因，不會變得很大，導(dǎo)致交流側(cè)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(cè)功率的不平衡。為了平衡直流側(cè)所多余的功率，直流側(cè)母線電壓會升高，在實際中可能會造成開關(guān)管過壓損壞。因此需要通過一定的控制手段，實現(xiàn)逆變器前后功率的平衡。 另外，根據(jù)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 GB/T19964-2012》，光伏在交流電壓跌落過程中還需要向電網(wǎng)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(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流， IN為光伏發(fā)電站正常時的額定電流， 為光伏發(fā)電站并網(wǎng)連接點電壓標(biāo)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(jìn)行直流電壓控制。 ? ? ? 結(jié)合一些論文，總結(jié)了兩可行的方式：1.在低穿過程中，boost電路控制（假設(shè)是雙級式并網(wǎng)拓?fù)洌┯稍瓉鞰PPT模式切換為控直流電壓模式，此時光伏電池根據(jù)交流側(cè)功率情況，會自動調(diào)整匹配到一個新的工作點，實現(xiàn)直流電壓的穩(wěn)定，并網(wǎng)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(shè)置一個固定的比例系數(shù)Vdc/Voc，當(dāng)前光伏出口電壓乘以該系數(shù)，與直流電壓給定值進(jìn)行比較，實現(xiàn)直流電壓的控制及自動功率匹配。 仿真模型 正常運行狀態(tài)下的光伏并網(wǎng)模型之前已經(jīng)介紹過，本文不再贅述。模型參數(shù)為，光伏額定功率P=100kW，直流側(cè)的母線電壓 500V，交流電網(wǎng)的線電壓260V，電網(wǎng)頻率f=50Hz。 圖2 整體仿真模型 （1）不加低穿控制策略：電網(wǎng)發(fā)生三相電壓對稱跌落至20%，設(shè)置總的仿真時間為3s，在t=1 s時電網(wǎng)電壓三相跌落至20%的額定電壓，持續(xù)跌落時間為0.625 s，到1.625 s跌落結(jié)束恢復(fù)至額定電壓，仿真結(jié)果如下： 圖3 光伏電池電壓、電流、功率 圖4 逆變器直流側(cè)電壓 圖5?并網(wǎng)點電壓、電流、功率 從上述仿真結(jié)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(cè)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(dāng)檢測到電壓降落時，boost電路控制切換為控直流側(cè)電壓，并網(wǎng)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(wǎng)控制及切換 設(shè)置總的仿真時間為3s，分別進(jìn)行在t=1s時電網(wǎng)電壓三相跌落至20%和35%的額定電壓，持續(xù)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(cè)電壓 ? 圖10?并網(wǎng)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(cè)電壓 ? 圖13?并網(wǎng)點電壓、電流、功率 ? 通過上圖仿真結(jié)果可以看出，采用此方法控制，當(dāng)電壓跌落到20%時，逆變側(cè)計算得到的無功電流參考為1.05標(biāo)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(tài)，直流電壓瞬間略有升高，并慢慢下降。當(dāng)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(wěn)定，光伏可根據(jù)交流側(cè)功率自動匹配對應(yīng)的工作點。 （3）低穿時切換到比例系數(shù)法：該方式的目標(biāo)主要是維持功率匹配的前提下使直流側(cè)電壓不超過預(yù)設(shè)值，具體實現(xiàn)如下：

圖14 前級boost控制切換控制

圖15 逆變器并網(wǎng)控制及切換

跟（2）一樣，設(shè)置總的仿真時間為3s，分別進(jìn)行在t=1s時電網(wǎng)電壓三相跌落至20%和35%的額定電壓，持續(xù)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(cè)電壓 ? 圖18?并網(wǎng)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(cè)電壓 ? 圖21?并網(wǎng)點電壓、電流、功率 通過上圖仿真結(jié)果可以看出，采用此方法控制，當(dāng)電壓跌落到20%時，逆變側(cè)計算得到的無功電流參考為1.05標(biāo)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(tài)，直流電壓瞬間略有升高，并慢慢放電下降。當(dāng)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(wěn)定，該方法會根據(jù)不同的功率匹配情況調(diào)整直流電壓，并不一定一直維持500V。?