光伏电站低电压穿越时的无功控制策略

光伏电站低电压穿越时的无功控制策略

闫博寿江云孙一凡

（嘉兴供电公司浙江嘉兴314000）

摘要：大力促进包括光伏发电在内的新能源的开发和利用是解决当前面临的能源短缺危机和缓解环保压力的有效措施。大型光伏电站以及屋顶并网光伏电站是太阳能利用的重要发展趋势。光伏发电的迅速发展也给电力系统带来了许多新问题，无功电压问题就是最重要的问题之一。光伏发电系统本身光照强度、温度变化等都会引起并网点电压波动。光伏电站对系统电压影响程度的大小取决于电网结构的强度和光伏电站容量的大小。本文分析在非满功率运行时造成一定程度视在功率浪费的现状，提出了一种光伏逆变器低电压穿越时的无功控制策略。

关键词：光伏电站；低电压穿越；无功控制策略；

据统计，按电网电压跌落故障发生比例来分，单相对地故障约占70%，两相对地故障占15%，相间故障占10%，三相故障占5%。目前，虽然低电压穿越技术已经受到越来越多的关注。

一、无功控制策略的基本思想

光伏电站常通过10kV或35kV交流母线接入电网，在电网发生扰动或故障时，并网点电压常有较大幅度的跌落。常规的解决方式是在光伏电站内加装常规无功补偿装置，而却忽略了光伏逆变器本身的无功输出性能，造成了一定程度上的浪费。本文的目的就是为实现光伏电站的本身逆变器的无功输出控制提出一种解决方案。本文将光伏电站的无功电压控制模式分为无功功率整定和无功功率分配。由于单台光伏逆变器的容量相对较小，其无功调节无法对光伏电站和接入点电压带来明显的变化，因此光伏电站的无功调节是多台逆变器的联合调节。通过无功整定，把光伏电站控制点电压的变化情况转化为整个光伏电站的无功输出参考值，再根据一定的原则把总的无功输出参考值分配到电站内各台逆变器中，作为每台逆变器的无功输出参考信号，从而使光伏电站输出一定的无功功率以支撑控点电压。

二、控制策略

1.光伏逆变器控制策略。在系统正常运行情况下，光伏逆变器采用双闭环控制策略。电压外环为逆变器直流侧电压跟踪PI控制，电流内环为逆变器输出电流PI前馈解耦控制。

2.光伏系统变结构LVRT控制策略。大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力，在电网故障期间，光伏电站不仅要保持并网状态，而且能够提供动态无功功率以支撑电网电压，并尽快恢复电站有功出力。当电网发生短路故障造成逆变器网侧电压降低时，会引起逆变器直流侧电压升高，光伏阵列的输出功率随着直流电压升高而减小；当光伏组件达到开路电压时，功率输出为零，逆变器直流母线电压不会增大很多。因此，光伏电站低电压穿越的瓶颈即为限制逆变器交流侧输出电流的大小。根据并网要求，为了增大故障时输出的无功功率，并保证逆变器的安全运行，应限制逆变器输出电流的有功电流分量。当网侧电压跌落至额定电压的90%时，通过“比较器”的输出，使开关断开，切断电压外环。通过“比较器1”的输出，使开关闭合，投入无功电流外环控制，实现变结构控制。无功电流外环控制采用比例调节器，将电网侧电压跌落深度转换为无功电流缺额，并按比例分配到各个逆变器，使光伏系统逆变器输出无功功率，支撑并网点电压。在此期间，为了保证逆变器的安全，限制逆变器的输出电流不超过额定电流的1.1倍。正常运行情况下逆变器工作在单位功率因数，此时，id=1pu，则故障时，逆变器输出的无功电流最大值为：，即最大的无功电流给定不超过额定电流的46%。如果要增大无功电流输出，则必须限制有功电流的输出。故障期间所需无功功率大小与故障类型、电压跌落深度和系统短路容量有关。如所需无功电流大于iq的限制值，即逆变器最大输出电流，则通过限幅环节限制iq的增加。当所需无功电流小于限制值，则通过模块实时调节有功功率电流参考值，提供有功输出，实现无功功率外环控制，向系统输送无功功率，支持并网点电压。当电网发生故障，网侧电压低于额定电压的90%时，闭合开关，同时打开控制开关，实现无功功率外环控制，向系统输送无功功率，支持并网点电压。

三、算例仿真

1.光伏电站内部逆变器出口电压为400kV，经升压变压器升高到35kV，然后经过单回架空输电线与35kV母线相连，再由110kV变电站升高到110kV后连接至无穷大电网。光伏电站出口处接有5MW的负荷，负荷功率因数为0.95。正常运行时，光伏电站工作在单位功率因数模式。下面分析负荷变化和母线三相短路故障情况下的无功电压控制情况。

2.负荷变化。首先假设光伏电站出口处的负荷在0.5s时功率发生波动，其有功负荷突然增大到原来的200%，并一直保持该容量。负荷波动前光伏电站满功率运行。电压控制点选为光伏电站的35kV母线。从有功功率情况来看，由于并网点电压跌落幅度不大，故有功输出的变化也不大。未加入无功控制时，光伏电站几乎不输出无功功率;而在加入无功控制后，能够在负荷变化期间跟踪计算出的需要给定的无功参考值，从而发出无功功率，以支撑控制点电压。可见，跟踪无功给定的效果较好。

3.三相短路故障。假设所接负荷的母线在0.5s时三相短路故障，在0.7s时继电保护动作清除故障。故障发生前光伏电站以额定功率运行，功率因数为1。电压控制点选为光伏电站出口升压变高压侧35kV母线采用无功功率控制策略时，在故障期间能发出无功功率支撑电压，基本跟踪了无功功率参考量，有利于并网点电压的恢复。可以看出，此时受输出电流不越限的限制，无功电流不能太大，因此离无功功率上限已经很近，说明光伏电站此时已经处于较大的无功输出程度。因此有功功率的降落程度与并网点电压的跌落程度一致。采用无功控制后，并网点电压得到了一定的恢复。从有功功率情况来看，未采用无功控制策略时，并网点电压跌落较大，造成有功功率输出约降低至0.85p．U；采用无功控制后，由于并网点电压得到了一定的恢复，因此有功输出也得到提高，约为0.96p．U。

本文通过对光伏电站中无功电压控制策略和低电压穿越控制策略的研究，利用算例在平台上仿真验证了系统在负荷变化和母线三相短路情况下光伏电站对局部区域电网电压的支撑作用，表明光伏电站在故障期间不仅具有良好的低电压穿越性能，还可以在电网扰动或故障期间向电网提供无功功率以支撑局部电网电压，从而减少SVC等常规无功补偿装置的使用，减少了设备成本费用，具有一定的现实意义。

参考文献

[1]芮骐骅.三相光伏并网逆变器SVPWM电流控制技术研究[J]．电力电子技术，2010，44(4):4-6．

[2]林少华，许洪华.基于电网电压前馈的光伏并网逆变器的仿真与实现[J].可再生能源，2013，8(26):10-12．

[3]董密.太阳能光伏并网发电系统的优化设计与控制策略研究[D].长沙:中南大学，2012．