低电压故障对光伏发电系统的影响优化方案：低电压故障的影响与光伏发电系统

已颁布的光伏发电系统并网导则中，低电压穿越要求一般仅针对接入中高压电力系统的光伏发电站。此电压等级下，光伏发电系统通常采用单级式结构，典型拓扑如图6-58所示^[64]，多块光伏电池采用串并联方式组合组成光伏阵列，由光伏阵列直接输出直流侧电压作为三相并网逆变器的直流母线电压，经三相逆变后并网运行。与接入低压电网的常用两级式结构相比，单级式结构不需要经过一级升压过程。当然，即使采用两级式结构，由于升压环节仅控制直流母线电压，与三相逆变器的输出控制是解耦的，因此对并网逆变器的低电压穿越并没有影响。与非耦合型风电系统相似，电网电压跌落时，由于并网逆变器的隔离作用，发电单元（光伏组件）感受不到电压跌落，其运行特性受电网故障影响较小。

图6-57 不对称故障下非耦合型风电机组控制方法仿真结果（输出1pu正序无功电流）

图6-58 光伏电站拓扑(www.xing528.com)

光伏发电系统与非耦合型风电系统具有相同的功率平衡方程式（6-76）。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，若故障瞬间光伏阵列输出有功功率不变，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。上述现象与非耦合性风电系统相似，具体分析可参考本章6.5.1节。

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，从而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。

根据本书4.2.1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（4-1）～式（4-6）表示。光伏电池输出功率与其端电压、输出电流的关系可由图4-2和图4-3表示。由图4-2b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低电压穿越。因此，低电压穿越过程中，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6-59为某光伏逆变器的低电压穿越实际测试波形，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6-59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。故障过程中，电网电压的负序分量引起直流侧电压纹波。