当前位置: 首页 » 资讯 » 应用案例 » 正文

大功率光伏逆变系统低电压穿越技术研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-04-27   浏览次数:931
核心提示:  摘 要:随着大型光伏电站并网容量的不断增加,为了确保电力系统的可靠运行,提高大功率光伏逆变系统的低电压穿  越能力(Lo
 

  摘 要:随着大型光伏电站并网容量的不断增加,为了确保电力系统的可靠运行,提高大功率光伏逆变系统的低电压穿

  越能力(Low Voltage Ride-Through, LVRT)显得尤为重要。本文首先介绍了并网准则对大功率光伏系统LVRT 的要求,接着

  分析了电网电压骤降故障下(包括平衡跌落与不平衡跌落)大功率光伏系统的瞬态特性及其LVRT 技术的要点;在此基础之

  上提出了电网电压故障时系统的控制方案,并给出实验结果。

  关键词:大功率光伏;低电压穿越;电压跌落;无功输出

  1.引言

  当前光伏发电已成为太阳能资源开发利用的重要形式,其中大型光伏电站的接入,大规模光伏接入将对电网电压水平、短路电流水平、电能质量、稳定性及调度运行等带来很大影响,特别是在电网故障时大功率光伏系统的突然脱网会进一步恶化电网运行状态,带来更加严重的后果[1]。

  目前大功率光伏发电系统,主要接入中低压光伏发电系统当中,为了应对大规模光伏发电系统的接入,确保大功率光伏系统接入后电力系统运行的可靠性、安全性与稳定性,除了加强相应的电网建设、增加电网的调控手段,还需要对大功率光伏发电系统接入电力系统的技术要求作出相应的规定,以期不断提高光伏发电机组和光伏电站的运行特性,降低大规模光伏接入对电网带来的不利影响。为此,世界各国相继制定了新的电网法规来规范中低压系统的并网[错误!未找到引用源。-8],其中低电压穿越(Low VoltageRide-Through, LVRT)能力是目前光伏发电接入电网稳定问题中亟待解决的重要难点。大功率光伏发电系统的低电压穿越控制与全功率风力发电并网系统的低电压控制有一定的相似之处,但考虑到光伏发电系统本身的特性与风力发电系统有本质区别,十分有必要单独对光伏电压穿越进行系统的研究,

  本文首先介绍了光伏电站并网准则对LVRT 的要求,接着分析了电网电压骤降故障下(包括平衡跌落与不平衡跌落)光伏电站的瞬态特性及其LVRT 技术的要点;在此基础之上提出了电网电压故障时,逆变器系统的控制方案,并给出仿真和实验结果。

  2. 光伏电站低电压穿越的特性

  2.1 并网导则对光伏LVRT 的要求

  德国在2008 年前后出台了主要针对中,低压并网设施的并网导则[2],规定了不同类型并网发电设备在电网故障时刻需要保持并网的边界条件,如图1 所示,

  1)在跌落程度为100%,跌落时间小于150ms 的电网故障过程中,发电单元必须保持并网。

  2) 在图6 蓝线以下的电网故障范围内,对于发电单元是否保持并网不做要求。在电网故障是处于边缘线以内的电网电压跌落类型,发电单元必须保持并网,并且不能引起电网的不稳定。

  此外,电压降落期间光伏电站必须提高其无功电流以支持电网电压,当电压跌落幅度超过10%时,每1%的电压跌落,光伏电站至少需要提供2%的无功电流,其响应速度应该在20ms 以内,必要时可以提供100%的无功电流。

  2.2 光伏电站LVRT 特性分析

  在不考虑损耗的情况下,光伏电池板输出的电磁功率pe 和光伏逆变器的并网功率pg 满足如下的功率平衡方程

  电网对称故障,还是不对称故障,均会使电网电压正序分量降低。当电网电压跌落时,由于网侧换流器的输出电流限制,并网输出功率pg 将减小,故障瞬间光伏电池板输出不变,整个发电系统的输入、输出的有功不平衡,将会产生不平衡功率。

  Δp = pe − pg

  (2)由(2)式可知,不平衡功率Δp 将导致直流母线电压udc 上升。由于udc 的上升直接影响到光伏电池板的输出特性,因此光伏发电系统的低电压穿越特性与光伏太阳能电池的模型有直接的联系,其等效的数学模型为:

  由输出的I-V 曲线可以看出,当电网发生对称故障条件下,直流侧电压上升,会造成光伏电池组的输出电流下降,该特性有利于光伏并网发电系统的低电压穿越能力的,使得光伏发电系统相对于全功率风力发电系统有更好的低电压穿越特性。

  2.2 光伏电站电网不平衡LVRT 特性分析当电网发生不平衡故障情况下,除了在电网电压不平衡条件下,除了会造成同样的的直流侧功率不平衡问题,由于负序分量的存在还会造成系统有功和无功的波动问题。不平衡条件下光伏电站并网系统交流侧瞬时有功和无功功率表达推导如下:

  不平衡条件下正负序电压矢量和电流矢量矢量关系图如图3 所示;dP _ qP 和d N _ qN 为正负序双同步旋转坐标系;正序同步坐标系相角为θ P =ωt =θ ,负序同步坐标系相角为其负值。则根据图7 可得正负序电压和电流矢量相角如式(4)所示:

  由式6 可见,当不平衡状况发生时,直流侧电压中将出现二次纹波。对于传统的基于电网电压定向的单坐标系矢量控制,由于并网电流的有功分量给定由直流侧电压外环提供,因而直流侧电压环为抑制直流侧电压的脉动会将二次纹波分量作为给定传递给电流给定,从而使得并网电流中出现三次谐波,并会逐步叠加出更高次的谐波。即采用传统的控制算法当不平衡状况发生时将造成直流侧电压中的低次偶次谐波,和并网电流中相应的奇次谐波。因而有必有采用不平衡控制策略加以改进。

  3 光伏电站低电压穿越控制策略对于光伏发电系统来说,低电压穿越技术最关键的部分就是平衡状态和不平衡状态下的电网电压跌落检测技术,这其中包括电网锁相技术,正序负序分离技术,由于不平衡跌落的存在,系统必须首先提取电网电压的正负序分量,以及电网电压正序矢量相位信息,将电网电压平衡跌落作为不平衡跌落的一个特殊状态来进行控制。

  3.1 基于解耦的正负序分离方法定义负序坐标系旋转相角为:θ N = −θ P = −ωt,从而可得任意矢量V 在正负序坐标系下的表达式如式(7)所示:

  典型的通过解耦对消的正负序分离方法,其结构框图如图4 所示。由式(7)可见,三相输入量的正序坐标系下变换结果里除了正序的直流量信息外还含有幅值为负序坐标系下dq 信息的二次谐波,因而只要减去耦合项就可以将正序信息分离出来。

  为了完整的分离出正负序信息,将解耦计算输出结果经过一个一阶的低通滤波器LPF,这样既能够令解耦环节稳定,同时又可以在输入量包含低次谐波时抑制低次谐波干扰,准确分离出正负序信息,并且即使解耦不准确没能完全消除2 次谐波,只要低通滤波器的角频率设定的小于工频角频率100π,解耦偏差也会收敛到0 的,即解耦环节计算结果会收敛到一个稳态点。然而低通滤波器的引入势必会造成系统带宽的损失,减慢系统的快速性。为了避免低通滤波器对系统带宽的影响,取低通滤波器之前的信息作为系统的反馈变量。当截止频率ɷb 和基波角频率ɷ0 的比例取k=ɷb/ɷ0 不同值时,在0.1s 突加正序幅值为0.5 的负序量,得解耦后的负序信息量响应波形如图5 所示,可见在k=0.9 附近解耦到达稳态所需的时间最短。

  3.2 光伏电站低电压穿越控制策略综合上述分析,光伏电站并网逆变器的基本控制结构图如图6 所示,正常运行时,有功功率的给定通过对光伏电池的MPPT 控制得出,内环采用双dq 解耦进行电流控制[3]。

  当低电压穿越过程开始后,系统的控制目标便不再与正常情况下一致:

  (1)由于光伏电池天然利于低电压穿越的特性,在低电压穿越过程中,有功功率的输出并网成为次级的控制目标,而无功功率输出补偿电网跌落成为系统输出的主要目标,因此在低电压穿越过程中,有功功率的输出给定值不再根据MPPT 的输出值,而是通过电压跌落的深度和类型来综合给出。

  (2)根据并网导则的需要,首先计算低电压穿越过程中无功功率的输出值,具体表述如下式所示:

  其中,Iq_pu 为无功电流给定值,用pu 值表示,K 为无功电流电流补偿系数,该系数根据光伏系统对电网的渗透率来决定,通常取2,ΔU 为电网跌落深度的比例,电网A 相电压跌落前为Ebase,跌落后为Ea_m,在无功功率计算以后,有功功率给定值根据系统的功率容量决定,保证系统的有功功率和无功功率相加为1pu,无功功率的补偿上限为1pu。在电网发生不平衡跌落条件下,过多的无功补偿会使得电网未跌落相出现过补偿的现象;此时,低电压穿越过程中无功功率给定值计算公式仍然保持不变,但补偿上限为0.4pu。

  (3)当电网跌落结束后,系统容易出现不稳定状态与过电压,为了尽快稳定系统,在低电压穿越结束500ms 内,仍需要保持无功功率补偿能力,此时的无功功率补偿要求在系统出现过电压时,进行反向无功补偿,能够对本地负载起到一定的同步调节作用。具体的系统流程图如下图所示:

  在不平衡控制中,由于控制并网电流的负序分量为0,从而控制了并网电流的平衡。但是由于网侧电压的不平衡跌落,会造成有功功率的波动,进而造成直流侧电压的波动,如下图所示。考虑到低电压穿越过程的短暂性以及电力系统的需求,允许此时直流侧电压的波动来保证并网输出电流的平衡。

  4 仿真验证

  为了验证光伏并网发电系统的低电压穿越特性,搭建如图4 大功率光伏发电仿真平台,500KVA 光伏电池单元由并网逆变器接变压器,网侧采用LC 型滤波器最后并入配电网。其硬件参数: L=0.17mH,C=600μf,fs=2KHz,直流侧额定电压为500V,并网电压为380V。首先验证平衡跌落条件下的低电压穿越过程如图 所示,电网跌落15%幅值,则电网有功值由1pu 降低到0.85pu,跌落时间550ms,根据无功功率补偿系数的计算公式,假设无功补偿系数K 为2 的情况下,则无功电流补偿值为0.3pu,根据系统总容量计算,此时的有功功率输出值为0.7pu,直流电压在电网跌落过程中上升至某稳定值,由于此时的跌落幅度较小,系统调节速度快,并网电流的动态过程较为稳定,未见明显的并网电流波动。

  为了验证双dq 坐标系解耦对光伏系统低电压穿越的作用,在仿真中设置如下的不平衡跌落,A,B 两相跌落75%的幅值,跌落时间550ms,则A,B 两相的幅值由1pu 跌落到0.25pu,经过双dq 坐标系解耦计算得出电网电压的正序有功值由1pu 跌落至0.45pu,根据无功功率补偿系数的计算公式,假设无功补偿系数K 为2 的情况下,则无功电流补偿值应为1.1pu,但根据并网导则,由于是不平衡跌落,因此无功电流的最大补偿值被限制为0.4pu。而有功电流是根据限幅以前的无功电流值计算,因此在跌落过程中为0。直流侧电压在跌落过程中上升,由于电网电压不平衡,和并网电流的平衡造成有功功率的波动,从而直流侧电压有明显的波动,由仿真波形可以看出,虽然跌落深度达到了75%,但基于双dq 解耦坐标系的控制锁相方式能够很好的计算出电网跌落的正负序分量,并给予相应的有功,无功电流给定值变化,减弱电网跌落造成的影响,由图9 可以看出电网跌落和恢复过程中,并网电流只有很小的过流幅度,具有良好的低电压穿

  5 实验验证

  为了验证光伏系统的低电压穿越过程,同时考虑到实验室电网实际容量,建立了由光伏模拟器通过15KVA 逆变器并网的光伏发电系统,并网电压为380V,开关频率采用与大功率逆变器一致的2K 频率。在模拟低电压穿越过程中,在电网侧设置有短路电抗构成的电网跌落模拟器。与仿真一致,分别在实验平台上进行15%的平衡跌落与75%的两相不平衡跌落。

  4 结论

  通过对光伏电站中核心部件光伏逆变器采用一定的控制策略,可以使其在电网扰动或故障导致并网点电压跌落时保持并网运行,实现低电压穿越,还可以向电网发送无功功率以支撑并网点电压。实验表明,在电网电压跌落到20%时,光伏电站仍可以保持并网运行,并具有一定的无功电压支撑能力,满足并网标准,在三相电压跌落和单相电压跌落的情况下,均能实现良好的低电压穿越,本文为大型光伏电站低电压穿越技术的研究提供了一定的理论依据。

  参考文献

  [1] 雷一,赵争鸣.大容量光伏发电关键技术与并网影响综述

  [J]. 电力电子,2010,3:16-22.

  [2] Technical Guideline Generating Plants Connected to the

  Medium-Voltage Network. BDEW 2008

  [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].中南大学博士学位论文,2007.5.

 
 
[ 资讯搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 违规举报 ]  [ 关闭窗口 ]

免责声明:
本网站部分内容来源于合作媒体、企业机构、网友提供和互联网的公开资料等,仅供参考。本网站对站内所有资讯的内容、观点保持中立,不对内容的准确性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保证。如果有侵权等问题,请及时联系我们,我们将在收到通知后第一时间妥善处理该部分内容。
扫扫二维码用手机关注本条新闻报道也可关注本站官方微信账号:"xxxxxxx",每日获得互联网最前沿资讯,热点产品深度分析!
 
 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐资讯
点击排行

产品

登录 注册

快速发布采购