探究光伏发电的低电压穿越技术

探究光伏发电的低电压穿越技术

郭辉

广东水电二局股份有限公司， 广东广州， 510000

摘要：光伏并网容量比重的持续增加，给电力系统的安全性和稳定性产生了一定影响,特别是在电网电压跌落时，光伏电站低电压穿越能力也有所降低。对此，需要将低电压穿越技术在光伏发电当中进行有效应用，从而有效维持光伏发电系统的安全稳定运行。本文针对光伏发电的低电压穿越技术进行分析，探讨了光伏系统及低电压穿越要求，并提出具体的光伏系统低电压穿越方案，希望能够为相关工作人员提供一些参考和借鉴。

关键词：光伏发电；低电压穿越技术；无功补偿；应用方案

太阳能作为一种重要的清洁可再生资源，受到了各个国家的高度重视。我国光伏发电行业的发展时间相对较短，但随着相关法律法规和政策的不断出台，光伏发电产业的整体发展水平也得到了显著提升。当新能源并网容量扩大后，对电力系统的安全运行也产生了一定影响。当电网电压发生跌落时，光伏系统将会发生脱网现象，进而导致电网运行风险有所增大，严重情况下甚至会造成电网崩溃。因此，为了使新能源在电网当中接入的可靠性得到提升，需要对低电压穿越技术进行合理应用。

一、光伏系统及低电压穿越要求

（一）光伏系统理论分析

太阳能光伏发电主要利用光生伏特效应，可以通过太阳能电池板对太阳光子进行吸收，并将其转换为电能。对于太阳能光伏阵列所输出的直流电，在经过逆变器的转换后，可以形成符合规定的交流电，通过变压器或直接接入到电网当中。光伏系统具体包括DC/AC系统、光伏电池系统、连接装置、储能系统等组成部分。具体来说，光伏电池系统可以通过光伏电池对光能进行吸收，使其转化成相应的直流电。而DC/AC系统可以通过逆变器将电能转化成交流电，控制系统可以为系统提供具体的控制信号，连接装置则可以使光伏电站并网问题得到解决。储能系统可以有效存储太阳电池组件产生的电能，从而在负载需求增大时有效提供电能^[1]。

（二）光伏电站并网低电压穿越要求

光伏电站并网的低电压穿越技术主要是指在光伏并网电压出现跌落时，光伏电站仍能持续并网，而且还可以通过向电网提供无功功率，从而使电压得到恢复，最终促进电网的恢复，对低电压时间区域进行“穿越”。我国国家电网公司推出的光伏电站接入电网技术规范对大中型光伏电站在出现电网故障时的低电压穿越能力提出相关规定和标准。在光伏电站并网点的电压一直跌落到20%额定电压时，可以使其恢复到额定电压的80%，从而保证光伏电站的不间断并网运行。一旦光伏并网点的电压在电压轮廓线以上时，需要保证光伏电站的不间断并网运行，而当电压在轮廓线以下时，则可以允许光伏电站发生脱网^[2]。

二、光伏发电系统的低电压穿越技术应用方案

（一）基于光伏系统控制策略低电压穿越方案

针对光伏系统控制算法方案进行分析，其主要在不增加电力装置的情况下，通过改进和控制并网控制算法与组成部分，从而有效实现低电压穿越。一般情况下，当电压发生跌落时，可以改变控制变流器策略向电网当中注入无功，从而使低电压穿越目标得到实现。所采取的控制策略，具体包括以下几个方面：

首先，通过电压定向矢量控制的方式有效实现低电压穿越。定向矢量控制方法需要在变换坐标后，通过新的坐标轴定向特定矢量，然后采取PI调节器等方法，精确控制轴电流分量。对于电网电压定向矢量的这种双闭环控制策略，其具有十分明显的优势，具体表现在动态响应快、稳态无误差跟踪以及有功无功可独立解耦控制等。通常来说，电压定向矢量控制需要对电流内环以及外环的控制结构进行采用。与此同时，还可以对电压定向矢量控制的策略进行应用，此策略可以有效控制光伏并网逆变器的电压定向矢量，并有效实现有功和无功解耦。当电网电压出现跌落时，需要对电路负荷进行增加，从而使直流侧电压波动得到抑制，结合电网电压跌落程度，为其补充无功功率，从而为电压恢复起到支撑作用。而针对电网正序电压定向的相应矢量控制策略，当电网出现不对称故障时，通过光伏并网可以对低电压进行有效穿越，但未对负序分量进行考虑，因此无法使二次谐波得到有效抑制。针对电网对称故障以及不对称故障情况下实现低电压穿越，应在出现对称故障时，采用限功率运行的方法使输入功率得到改变，降低光伏系统对电网输出的功率，使电网对称故障能够有效实现低电压穿越。而在出现不对称故障时，则需要对电网当中的正序以及负序分量特征量进行提取，对双闭环矢量控制方式进行采取，使瞬时电流冲击得到有效抑制^[3]。

其次，通过采用直接功率控制策略，从而有效实现低电压穿越。直接功率控制可以结合系统的瞬时功率和指令功率对比结果，采取查表计算的方法，对需要输出的电压矢量进行获得，并有效通过瞬时功率追踪指令功率，该方法不仅结构简单，而且具有良好的动态性能。

最后，模型电流预测控制策略。该类控制技术主要对功率开关器件的有限个开关状态进行应用，可以通过系统模型对相应开关状态下的控制变量特征进行预测。模型电流预测控制方法可以使逆变器输出电流参考电流指令进行快速跟随，因此动态特性良好。当光伏发电系统出现电压跌落时，可以对光伏系统无功功率输出进行快速控制，从而为低电压穿越提供有力支撑。

图1 同步PI电流控制原理

（二）基于增加辅助设备的穿越低电压方案

对于光伏电站低电压穿越能力而言，其往往需要受到设备容量、器件等因素的限制，一旦电网电压出现严重跌落现象时，光伏系统将无法保证电压的安全提供，而且还会有过多功率消耗，此时通过采用辅助电力设备方式，可以为电网提供或者消耗相应的无功功率，使系统的低电压穿越能力得到提升。

首先，保护电路的低电压穿越技术。为了使暂态过程给逆变器件产生的冲击得到消除，可在逆变器侧有效串联电阻，结合电压跌落程度对电阻大小进行调整，这样可以使逆变器的电流电压冲击得到减小，保证低电压穿越时逆变器运行的安全性。

其次，能量存储系统的低电压穿越技术。在电网电压发生跌落或者恢复时，可以通过对储能系统的功率吸收或者释放进行控制，从而有效双向传输功率，使系统低电压穿越能力得到提高。具体来说，在电网电压跌落时，可以控制超级电容对有功功率进行吸收，从而使直流母线电压得到平衡，使光伏阵列注入的逆变器功率得到减少。能源存储系统可以使光伏系统的低压穿越能力得到提升，对比保护电路，可以使电能浪费等问题得到减少。

最后，无功补偿设备的低电压穿越技术。当电力系统出现瞬时性故障时，自身无法提供具体的瞬间电压支撑，所以需要安装无功补偿装置，其可以为光伏发电系统提供瞬间的母线电压支撑，从而使光伏电站的低电压穿越能力得到增强^[4]。现如今，针对动态无功补偿装置，可以对静止无功补偿器进行采用，这样虽然能够使运行要求得到满足，但具有的动态性能还相对较差，一旦发生故障时将会产生较大的冲击压力。无功补偿装置的成本相对较低，因此可以对新型无功补偿设备等进行采用。现如今，可以在风电系统当中引入动态电压补偿电路，而光伏发电系统也可以对此做法进行参考。根据相关文献进行分析，可以在电网故障时运用无功补偿装置，从而起到动态支撑电压作用，使并网光伏系统的脱网概率得到显著减小，进一步保障系统的安全稳定运行。

图2 一种超级电容储能系统拓扑结构

图4 DVR电路的拓扑结构

结束语：

综上所述，在光伏发电系统当中，通过对低电压穿越技术进行应用，可以有效维持系统的稳定运行。如果电网电压的跌落相对较轻，则可以通过改进系统控制策略，使光伏系统具有的低电压穿越能力得到提高。而当电压跌落幅度相对较大时，光伏系统将无法承受瞬间的电压电流冲击，此时需要增加辅助电力设备，从而使系统的稳定性能得到提高。

参考文献：

[1]李宇泽,周念成,侯健生,等. 计及光伏发电低电压穿越不确定性的主动配电网短路电流概率评估[J]. 电工技术学报,2020,35(3):564-576.

[2]赵培羽,张节潭,南海鹏,等. 基于虚拟同步机技术的光伏发电系统低电压穿越控制方法[J]. 青海电力,2017,36(4):12-20.

[3]魏承志,刘幸蔚,陈晓龙,等. 具有低电压穿越能力的光伏发电系统仿真建模[J]. 电力系统及其自动化学报,2016,28(10):67-73.

[4]杨新华,汪龙伟,吴丽珍,等. 可降低母线电压波动的两级式光伏发电系统低电压穿越策略[J]. 可再生能源,2016,33(6):827-833.