光伏并网系统电网故障下的动态特性

光伏发电系统的瞬时功率平衡方程如式（9-8）所示。光伏电池板输出的电磁功率P_pv和网侧变流器交流侧输出瞬时有功P_c电网电压跌落较深时，由于网侧变流器输出电流的限制，并网逆变器输出有功功率减小，若故障瞬间光伏电池板输出有功功率不变，输入输出的不平衡有功功率ΔP将会导致直流母线电压U_dc上升。若电网故障为不对称故障，除了直流母线电压上升以外，电网电压的负序分量还会导致变流器直流母线电压和光伏发电系统输出功率的脉动。

图9-14 光伏电站拓扑结构图

对于并网型风电系统，在电网电压跌落期间必须采取卸荷措施，以释放风电机组输出的多余能量，以避免直流母线电压过高而导致的变流器损坏或机组切机。与风电机组不同，光伏发电系统不存在机械旋转部件，光伏电池端电压的变化会导致其输出功率迅速变化，该特性使得光伏发电系统能够较好地适应电网电压跌落；此外，由于不存在机械旋转部件，光伏发电系统对不对称电网故障的适应性也要优于非耦合型风电系统。

在不对称电网故障条件下，网侧变流器的动态可基于电网电压正负序模型分析，不平衡条件下正负序电压矢量和电流矢量关系图如图9-15所示，采用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θ^N=-θ^P=-θ。则根据图9-15可得正负序电压和电流矢量相角如式（9-9）所示。

图9-15 不平衡条件下电压和电流矢量图

令电压电流正负序矢量模分别为U^P、U^N、I^P、I^N（即正负序相电压和电流的幅值），根据瞬时有功功率定义，不平衡条件下电压和电流矢量瞬时有功功率表达式如式（9-10）所示：(www.xing528.com)

将式（9-9）带入式（9-10）得式（9-11），并以正序电网电压矢量定向建立坐标系，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：

在不平衡电网电压条件下，网侧瞬时有功功率中除含有基波分量外，还含有两次脉动量。根据输入瞬时有功功率和输出瞬时有功功率的平衡可推得

由此可见，不对称故障时，除了功率不平衡现象外，电网电压的负序分量还会导致变流器直流母线电压和输出功率的脉动。若对上述波动功率均不加控制，当发电机输出功率P_e恒定时，该功率波动可能会导致变流器直流母线电压中出现二次纹波。一方面，变流器存在直流母线过电压/欠电压保护，通常，当直流母线电压瞬时值大于110%或小于90%额定电压时，为保护变流器，并网系统将会切机。另一方面，若网侧变流器采用传统的电压、电流双闭环控制方法时，由于并网电流的有功分量指令为直流母线电压外环的输出，电压环为抑制直流母线电压脉动会将二次纹波分量作为指令传递给电流环，最终使得并网电流出现三次谐波，由于功率守恒，并网电流中的三次谐波会导致直流母线电压中的四次纹波，此四次脉动进一步会引起并网电流中的五次谐波分量。以此类推，不对称故障下，变流器直流母线电压会出现偶次谐波，并网电流包含奇次谐波，严重影响光伏并网系统输出电能质量。

根据本书第2.3.1节的介绍，光伏电池本质上是一个pn结，其基本特性与二极管相似，等效数学模型可由式（2-6）～式（2-11）表示。光伏电池输出功率与其端电压、输出电流的关系可由第2章图2-9、图2-10表示。

由图2-9所示的P-U曲线可知，光伏电池端电压从零开始上升时，其输出功率亦从零开始增加；当端电压达到最优值时，其输出功率达到最大；若端电压继续增加，其输出功率将逐步减少，当端电压达到光伏电池的开路电压时，其输出功率减小到零。电网故障时，由以上分析可知，光伏电池的输出功率将随直流母线电压的升高而自动减小，这有利于光伏并网发电系统的LVRT。因此，LVRT过程中，光伏并网发电系统一般不需要增加额外的能量泄放支路或通过改进其控制算法主动减小发电单元的有功功率输出。

图9-16为某光伏逆变器的LVRT实际测试波形，t=10s时，电网发生相间短路故障，故障后两相电压跌落深度为80%，1s后电网电压恢复正常；光伏电池运行于最大功率点处的端电压为640V，开路电压为775V。由图9-16可知，电网故障时，直流侧电压迅速上升，由于光伏电池的P-U特性，其输出有功功率迅速减少，直至直流侧电压达到开路电压；为支撑电网运行，网侧变流器输出一定的无功功率。电网电压恢复后，光伏发电系统的有功功率输出也逐渐恢复至故障前数值。跌落过程中，电网的不对称故障引起直流侧电压纹波。