光伏并网逆变器低电压穿越检测装置的研究

李臻 张军军 秦筱迪 朱松鸣

（国网电力科学研究院，江苏 南京 211100）

【摘要】本文针对大容量光伏并网逆变器，提出了低电压穿越检测装置的两种设计方案，即采用无源电抗器和交直交变频器的方式。并通过理论研究与基于MATLAB的建模仿真对两种方案进行对比分析，最后提出了分析结果。

关键词：光伏并网逆变器；低电压穿越；MATLAB；

Research on Low voltage ride-through testing device for grid connected photovoltaic inverters

LI Zhen，ZHANG JunJun，QIN XiaoDi，ZHU SongMing

(State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211100, China)

[Abstract] To meet the requirements of high power PV inverters testing, it is proposed that two types of design use in LVRT testing device, using passive reactors and AC-DC converters respectively. Through theoretical studies and based on modeling and simulation of MATLAB, it is contrasted and analysed for both designs with the results presented.

Key words: grid connected PV inverter, low voltage ride-through, Matlab

0 引言

随着传统能源资源的不断枯竭，新能源技术的不断发展，光伏发电系统已成为电力能源中的重要组成部分。随着光伏发电穿透功率的增加，将对电网的安稳性带来新的挑战。当电网发生瞬时故障时，如果大容量的光伏发电单元不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性造成很大的影响。

低电压穿越（LVRT），是指当电力系统事故或扰动引起电网电压跌落时，光伏发电系统保证不脱网连续运行，支持电网故障恢复直到电压达到正常水平，从而穿越低电压这个区域。在国内外风电系统中，已经相应制定了新的电网运行准则，规定了风电系统并网运行条件中必须具有低电压穿越能力。国内光伏发电系统中，已经制定了相关准则对低电压穿越能力提出要求。 国网电力科学研究院率先展开了低电压穿越和相关检测装置的研究和标准制定工作。

本文在介绍低电压穿越分析低电压穿越相关要求的基础上，展开了低电压穿越试验检测装置的研究工作，给出了装置两种拓扑，通过对主拓扑电路和相关仿真的结果进行对比分析，总结了各自的优缺点。

1 低电压穿越要求

根据我国2011年出版的国网公司企业标准《光伏电站接入电网技术规定》[1]，对光伏发电系统低电压穿越提出如下要求。

图1  光伏发电站的低电压穿越能力要求（0.2pu 1s,3s）

a)光伏发电站并网点电压跌至20％标称电压时，光伏发电站能够保证不脱网连续运行1s；

b)光伏发电站并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到标称电压的90％时，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。

光伏发电系统主要是由光伏电池板、光伏并网逆变器、升压变压器等相关设备组成。光伏逆变器为整个光伏发电系统中的核心部件，光伏发电系统的低电压穿越等功能，应由光伏逆变器来实现。

2 主回路拓扑

光伏并网逆变器低电压穿越检测主回路拓扑如图2所示。检测实验室连接10kV公用电网，为了防止检测对公用电网产生影响，增加隔离变器。低电压穿越装置一端连接到隔离变，另一端连接到升压变。低电压穿越装置必须具有两项功能：

1）能够模拟当电网发生故障时刻的电压跌落曲线和电压恢复曲线。

2）将光伏并网逆变器发出的能量转送入电网。

图2 光伏逆变器检测主回路拓扑图

3 设计原理

低电压穿越检测装置通常通过两种方式来实现：

◆无源电抗器

◆交直交变频器

3.1 采用无源电抗器

单独采用无源电抗器模拟低电压穿越的检测装置如图3所示：装置由X1限流电抗器、X2接地电抗器、断路器S1、S2组成。检测试验开始时断路器S1合上，S2打开，光伏逆变器正常运行。实验开始时，打开，合上，模拟电网电压跌落。为了能准确模拟电网电压跌落，需要合理选取和电抗值。

图3 低电压穿越试验主电路拓扑图一

和电抗值的选择，受到诸多因素的，根据上文图3主回路拓扑图进行分析，将变压器等效为电抗XT、X3，电网等效为理想电压源、逆变器等效为理想电流源，等效电路[2]如图4所示：

图4 低电压试验主回路等效电路

根据图4等效电路分析，电路等效于电压源和电流源单独作用后叠加结果，由于光伏逆变器发纯有功，所以电网和光伏逆变器在X2分压相位差90度，则电压跌落点电压计算公式：

    3.1

从3.1式可以看出，因为被测光伏并网逆变器容量不确定。为了减少对跌落点的影响，必须减少无源电抗器的电抗值以最大程度减少光伏逆变器电流对跌落电压深度的影响。但当缩小电抗值后，将增加无源电感从电网吸收无功功率，由于隔离变压器出口变压器有容量，无源电抗器的值不能无限缩小。由于低电压穿越不需要长时间运行，考虑变压器具有短时超载实行的功能，一般无源电抗器的最小值可取2~3倍出口变压器的容量。

         3.2

3.2 采用交直交变频器

采用交直交变频器模拟低电压穿越检测装置如图5所示，装置主要由变压器、交直交变频器组成。装置内部的变压器用来转换电网与变频器之间的电压差异，同时附带具有滤波的作用，避免变频器对电网注入谐波污染。当进行低电压穿越检测时，只需控制变频器输出电压的幅值跌落到额定值即可。由于变频器带有闭环控制，所以检测装置可以做到准确的调节和模拟恢复曲线。

图5 低电压穿越试验主电路拓扑图二

使用交直交变频器进行低电压穿越时，网侧变流器采用电压矢量控制，在保证流动功率因数为1的前提下，保证直流侧电压为恒定值；逆变器侧的控制策略采用电压闭环控制，将相电压采样值输入到控制器中，经控制输出需要的电压幅值，生成PWM波，从而控制逆变器输出电压的幅值。

4 仿真

4.1 无源电抗器仿真

设计方案中，检测光伏逆变器的功率范围为1kW~1MW，其中具有低电压穿越能力的逆变器功率为250kW~1MW。实验室供电系统隔离变压器的容量为4MVA，低电压穿越实验跌落最低深度要求为20%，根据式3.2可以得出，无源电抗器的最小总和为：10Ω，合算电感值为：31.85mH，仿真如图6所示：

图6 低电压穿越试验仿真结构图一

4.2 交直交变频器仿真

设计方案中，在逆变器侧配置一定参数的电感、电控滤波器，通过调节变流器的控制参数，即可实现低电压穿越，仿真如图7所示：

图7 低电压穿越试验仿真结构图二

4.3 仿真结果

4.3.1 采用无源电抗器仿真结果

根据第3节式3.1、3.2，我们针对不同电压跌落深度的要求，配置了相应的电抗器参数。仿真中，分别使用了250kW、500kW、630kW和1000kW四种不同功率的光伏逆变器，装置实际跌落的电压深度如下表1所示：

表1 电抗器参数比对值（单位：mH）

4.3.2 采用无源电抗器仿真波形

使用无源电抗器的低电压穿越装置，可以模拟电网故障引起的单相电压跌落、两相电压跌落、三相电压跌落以及它们的恢复曲线，具体效果如下图8所示：

图8 低电压穿越试验仿真波形图一

4.3.3 交直交变频器波形

使用交直交变频器的低电压穿越装置，可以模拟电网故障引起的单相电压跌落、两相电压跌落、三相电压跌落以及它们的恢复曲线，具体效果如下图9所示：

图9 低电压穿越试验仿真波形图二

5 方案比较

通过接3、4的理论分析和实际仿真的结果可以得出，采用无源电抗器和交直交变频器均可以实现低电压穿越检测装置的模拟。

采用无源电抗器时，由于电抗器不能连续调节且不可以中间抽头，必须配置不同参数的电抗值满足不同电压跌落深度的要求。电压跌落的精度受到被测逆变器容量和电网电压影响。模拟电网恢复曲线不能做到平滑调节，只能进行电压分级恢复。电抗器是耗能设备，测试是需要耗损大量电能，同时运行时发热情况严重，不能长时间运行，两次测试之间需要等待电抗器降温，测试时间长，影响检测效率。

采用交直交变频器时，由于采用的电压闭环控制，电压跌落精度可以准确控制，也可以满足不同电压跌落的要求。装置可以模拟电压恢复的平滑曲线。相较于电抗器方式，电力电子器件发热小，散热速度快，两次测试间隔时间短，能够连续进行测试，提高了测试效率。但由于采用变频器装置，无论采用高电压小电流的高压变频装置还是低电压大电流的低压变频装置，成本均比较高。由于采用电压闭环控制，装置的响应速度较慢。

6 结论

本文介绍低电压穿越试验设备的主回路结构，提出了低电压穿越试验设备无源电感计算方法、变频器控制策略，在MATLAB中分别对两种不同的方案，并结合仿真的结果对两种方案进行了比较，为研制低电压穿越检测装置提供了理论支撑。

[1] Q/GDW 617-2011 《光伏电站接入电网技术规定》 

[2] Joukto Niranen. Experiences on voltage dip nrde through factory testing of synchronous and doubly fed generator drives.