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PCS 电压穿越技术是什么?

PCS 电压穿越(Voltage Ride-Through, VRT)技术介绍

  • 作者:海外事业部 · 技术中心
  • 适用产品:ENJOY EPCS125-AM / EPCS105-AM 系列储能变流器(PCS)

一、概述

电压穿越(Voltage Ride-Through, VRT)是并网型电力电子设备(PCS、光伏逆变器、风电变流器等)的强制合规项。它要求当电网电压因故障或其他原因发生暂态偏离时,设备保持并网、主动支撑、并按电网调度恢复——而不是简单"看见低压就跳开"。

随着新能源装机占比不断提升(欧盟 2025 年风光合计发电占比已超过 40%),传统"逆变器一遇故障就脱网"的策略会引发连锁跳机——2016 年澳洲"9·28"大停电、2019 年英国"8·9"大停电、2021 年美国得州大停电,均与新能源机组在故障期间集体脱网直接相关。

本文目的:

  1. 系统讲解 PCS 电压穿越的概念、参数、标准
  2. 对照全球主要并网标准的差异
  3. 给出 ENJOY EPCS125-AM 系列在已通过认证中的实测能力
  4. 提供项目实施时的应答模板与常见坑

二、什么是电压穿越

2.1 基本定义

电压穿越 = 当电网电压暂态偏离正常范围时,PCS 在规定时间内保持不脱网,并按电网需要输出/吸收无功或维持有功的能力。

它的英文名 "Ride-Through" 直译为"骑过去",形象地表达了"扛过这一关、不掉链子"的含义。

2.2 三大类别

类别 全称 触发场景 典型持续
LVRT Low Voltage Ride-Through,低电压穿越 短路故障、大电机启动、变压器合闸涌流 100 ms ~ 3 s
HVRT High Voltage Ride-Through,高电压穿越 甩负荷、电容组投切、单相接地导致非故障相升高 60 ms ~ 60 s
ZVRT Zero Voltage Ride-Through,零电压穿越 近端三相金属性短路 100 ~ 150 ms

传统思维:"电压低 → 赶紧跳开,保护自己"

⬇

现代要求:"电压低 → 留在网上,主动帮电网恢复"

这是"自我保护"与"电网责任"的根本转变。电网需要 PCS 在故障期间:

  1. 不离网(避免连锁跳机)
  2. 发无功(支撑电压恢复)
  3. 限制有功(避免加剧故障)
  4. 故障清除后快速恢复正常出力

三、为什么 PCS 必须具备电压穿越能力

3.1 电网稳定性要求

大规模可再生能源接入电网后,传统火电/水电的同步发电机占比下降。同步发电机天然具备故障穿越、惯量响应、无功支撑能力,而电力电子设备需要主动模拟这些能力。

3.2 法规合规要求

目前全球主要电网规范均强制要求并网设备具备 VRT 能力:

  • 中国 GB/T 34133-2017《储能系统接入电网技术规定》
  • 欧盟 EN 50549-1/-2/-10(2019~2022)
  • 英国 G99 Issue 2(含 Amd 7, 2024)
  • 北美 IEEE 1547-2018
  • 德国 VDE-AR-N 4105/4110/4120
  • 意大利 CEI 0-21 / CEI 0-16
  • 澳洲 AS/NZS 4777.2:2020

没有 VRT 认证证书 = 不能并网。

3.3 构网型(GFM/VSG)储能的新需求

随着同步机比例下降,新一代并网导则(如英国 GC0137、澳洲 CSIP-AUS、南非 Grid Code 9.0)开始要求:

  • Grid-Forming(GFM)模式:储能主动建立电网电压/频率参考
  • Virtual Synchronous Generator(VSG):模拟同步发电机惯量、阻尼、一次调频
  • Black Start(黑启动):电网全停后储能自主带负荷启动

这些能力都以电压穿越为基础——VRT 不合格的设备根本无法参与构网运行。


四、电压穿越核心参数详解

4.1 电压-时间包络线(Voltage-Time Profile)

这是电压穿越的第一硬指标——定义了"电网电压在某个区域内时,PCS 必须保持并网"。

典型 GB/T 34133-2017 曲线(参考)

pcs-voltage-ride-through-comparison

曲线下方 = 允许脱网区域;曲线上方 = 必须保持并网。

EN 50549-10:2022 曲线(储能专用)

  • 0.05 pu 持续 ≥ 150 ms
  • 0.20 pu 持续 ≥ 625 ms
  • 0.85 pu 持续 ≥ 3.0 s

IEEE 1547-2018 Category III(最严)

  • 0.0 pu 持续 ≥ 160 ms
  • 0.30 pu 持续 ≥ 1.6 s
  • 0.65 pu 持续 ≥ 3.0 s
  • 0.88 pu 持续 ≥ 5.0 s

4.2 无功电流响应系数 k(Reactive Current Coefficient)

公式:

ΔIq≥k⋅(U0−Umeasured) \Delta I_q \geq k \cdot (U_0 - U_{measured})

其中:

  • U0U_0:正常电压参考值(通常 0.9 pu)
  • UmeasuredU_{measured}:当前实测电压
  • k:响应系数,单位 pu/pu

k 值越大 → 电压支撑越强 → 越受电网欢迎

标准 典型 k 值
GB/T 34133 1.5 ~ 3.0(推荐 2.0)
EN 50549-10 2.0 ~ 6.0(可选 4.0)
IEEE 1547-2018 Cat III 2.0 ~ 6.0(默认 4.0)
G99 2.0
VDE-AR-N 4110 2.0

响应时间:故障发生后 ≤ 20 ms(1 个工频周期)发出无功电流。

4.3 故障期间运行优先级

优先级(从高到低):

无功电流(Q)>有功电流(P) 无功电流(Q) > 有功电流(P)

即:电压跌落期间,先发无功稳住电压,再考虑有功。

具体策略:

  • LVRT 期间:有功可降至 0(GB/T、IEEE);EN 50549-10 储能可继续小功率充电(≤0.1 pu),这是 BESS 比 PV 的独特优势
  • HVRT 期间:有功降至 0,可吸收无功降压

4.4 故障清除后恢复

  • 故障清除后 ≤ 500 ms:有功恢复到 ≥ 90%
  • 电流爬升斜率:每周期 ≤ 0.2 pu
  • 频率响应:恢复期间频率扰动应 ≤ 0.5 Hz

五、全球主要并网标准对照

5.1 标准速查表

地区 标准 核心曲线 k 值 不对称故障 储能专用
中国 GB/T 34133-2017 0.20 pu / 625 ms 2.0 单相、两相 章节 9
欧盟 EN 50549-10:2022 0.05 pu / 150 ms 2.0~6.0 三相 + 不对称 ✅ 储能全条款
英国 G99 Issue 2 Amd 7 0.05 pu / 140 ms 2.0 Type B/D 区分 Form A/B/D
德国 VDE-AR-N 4110:2023 0.05 pu / 150 ms 2.0 全套 FGW TR3/TR4
意大利 CEI 0-21:2022 0.20 pu / 200 ms 2.0 单相 章节 8
法国 DIN VDE 0126 (Type A/B) 0.20 pu / 500 ms 2.0 单相 Type A/B
北美 IEEE 1547-2018 Cat III 0.0 pu / 160 ms 4.0 不对称 Cat I/II/III
澳洲 AS/NZS 4777.2:2020 多点曲线 4.0 三相 Appendix F

5.2 关键差异点

  1. 最严苛曲线:IEEE 1547-2018 Cat III(要求 0 pu 穿越 160 ms)
  2. 最快响应:EN 50549-10、G99(要求 10~20 ms 启动无功注入)
  3. 储能专属条款:EN 50549-10(故障期间可反向充电)
  4. 最复杂仿真要求:VDE-AR-N 4110/4120(要求 DIgSILENT PowerFactory 模型)

六、ENJOY EPCS125-AM 系列电压穿越实测能力

6.1 产品简介

ENJOY EPCS125-AM 系列是恩玖科技面向欧洲、澳洲、亚洲市场开发的双向储能 PCS,包含 3 个型号:

型号 额定功率 用途
EPCS125-AM 125 kW 商业储能、工商业光储一体
EPCS125-AM-F 125 kW 含离网切换功能版本
EPCS215-AM-HX 215 kW 商业储能、工商业光储一体

核心技术参数:

  • 额定电压:230/400 Vac(三相四线)
  • 额定频率:50 Hz / 60 Hz 自适应
  • 拓扑:两电平 IGBT + LCL 滤波器
  • 软件版本:V200B000D000(截至 2025 年)
  • 控制平台:DSP + FPGA 双核架构
  • 通讯接口:RS485 / CAN / Ethernet(Modbus RTU/TCP、CAN 2.0B)

6.2 已通过的 VRT 相关认证(这里仅展示部分证书详细内容跳转证书中心)

# 国家/地区 证书编号 标准 LVRT HVRT ZVRT
1 欧盟通用 COCPVP0201925E-001 EN 50549-1+10 ✅ ✅ ✅
2 欧盟(MV) COCPVP0201925E-002 EN 50549-2+10 ✅ ✅ ✅
3 德国 250194RECO01-CER VDE-AR-N 4110/4120 ✅ ✅ ✅
4 英国 COCPVP1007024E-001 G99 Type D ✅ ✅ ✅
5 英国 2588AP060242001 G100 ✅ ✅ —
6 西班牙 240375RECO01-CER UNE 217001 ✅ ✅ ✅
7 西班牙 240375RECO02-A/B UNE 217002 ✅ ✅ ✅
8 意大利 COCPVP0308024E-001 CEI 0-21 ✅ ✅ ✅
9 意大利 COCPVP0308024E-002 CEI 0-16 ✅ ✅ ✅
10 法国 COCPVP0309625E-001/002 Type A / Type B ✅ ✅ ✅
11 波兰 COCPVP0500525E-002 Type D / NC RfG ✅ ✅ ✅
12 荷兰 COCPVP0500525E-003 EN 50549 ✅ ✅ ✅
13 瑞典 COCPVP0500525E-004 EN 50549 ✅ ✅ ✅
14 芬兰 COCPVP0500525E-005 EN 50549 ✅ ✅ ✅
15 捷克 COCPVP0510025E-001 EN 50549 ✅ ✅ ✅
16 丹麦 COCPVP0600525E-001 EN 50549 ✅ ✅ ✅
17 罗马尼亚 COCPVP0600525E-002 EN 50549 ✅ ✅ ✅
18 比利时 COCPVP0600525E-003 Synergrid C10/11 ✅ ✅ ✅
19 匈牙利 COCPVP0703625E-001 EN 50549 ✅ ✅ ✅
20 瑞士 COCPVP0703625E-002 ESTI ✅ ✅ ✅
21 奥地利 COCPVP0206725E-001 EN 50549 ✅ ✅ ✅
22 希腊 AOCPVP0909825E-001 EN 50549 ✅ ✅ ✅
23 南非 COCPVP0500525E-001 NRS 097-2-1 ✅ ✅ ✅
24 沙特 DSS_PCS-25-1206 SASO / IEC 62116 ✅ ✅ —
25 澳洲 100~125kW 澳洲证书 AS/NZS 4777.2 ✅ ✅ ✅
26 澳新 COCPVP1104724E-002 AS/NZS 4777.2 + IEC 61727/62116 ✅ ✅ ✅

总覆盖率:22 国 + 2 类(欧盟通用 MV/LV)= 24 套并网区域。

6.3 关键实测能力(基于认证测试数据)

6.3.1 LVRT 实测(以 EN 50549-10:2022 为例)

测试点 测试电压 持续时间 实测结果
1 0.05 pu 150 ms 保持并网,无功注入 k=2.0
2 0.20 pu 625 ms 保持并网,无功注入 k=2.0
3 0.50 pu 1.5 s 保持并网,故障清除后 480 ms 恢复 90% 有功
4 0.75 pu 2.0 s 保持并网,故障清除后 380 ms 恢复 90% 有功

测试条件:100% 额定功率(125 kW)、50 Hz、三相对称跌落、动态无功电流响应时间 ≤ 20 ms。

6.3.2 HVRT 实测

测试点 测试电压 持续时间 实测结果
1 1.10 pu 60 s 保持并网,吸收无功
2 1.15 pu 60 s 保持并网,吸收无功
3 1.20 pu 1 s 保持并网,吸收无功
4 1.30 pu 100 ms 保持并网,吸收无功

6.3.3 不对称故障实测

故障类型 实测结果
单相跌落(AN 相 0.0 pu,BC 正常) 保持并网,负序电流 ≤ 5% 额定
两相跌落(AB 相 0.0 pu,C 正常) 保持并网,负序电流 ≤ 5% 额定
三相对称跌落(0.05 pu) 保持并网,正序电流按 k=2.0 响应

6.4 仿真模型与实测双轨验证

ENJOY 为大型并网项目提供 DIgSILENT PowerFactory 仿真模型:

  • 模型文件:EPCS125.pfd
  • MD5 校验值:9051EAAF58492DDA68DA1AF3F8353D0C
  • 仿真平台:DIgSILENT PowerFactory 2024
  • 配套标准:VDE-AR-N 4110/4120 + FGW TR3 Rev. 26 / TR4 Rev. 10

适用范围:

  • 投标阶段电网冲击研究(Grid Impact Study, GIS)
  • 系统暂态稳定性分析(Transient Stability)
  • 故障穿越能力仿真验证
  • 多机并联谐波交互分析

6.5 第三方测试报告与认证机构

所有测试由 SGS、TÜV、Intertek、DNV、CESI 等国际权威第三方机构出具,测试程序符合:

  • ISO/IEC 17065(产品认证体系)
  • IEC 61400-21-1(功率质量测量方法)
  • FGW TR3 Rev. 26(德国并网测量技术指南)

每份证书的有效期均为 5 年,最新版 VDE 证书有效期至 2030-06-19。


七、BESS PCS 相比 PV 逆变器的优势

储能 PCS 与光伏逆变器在拓扑、控制上类似,但储能的双向能量流 + 灵活调度赋予其独特的电压穿越能力:

维度 PV 逆变器 BESS PCS(ENJOY EPCS125-AM)
LVRT 期间有功 必须降为 0 可继续小功率放电(EN 50549-10)
故障后恢复 受辐照度限制(秒级) 毫秒级主动爬升
电压支撑方向 单向(只能降有功、给无功) 双向——VSG 模式模拟同步机
HVRT 期间 降功率或停机 切入 STATCOM 模式吸收无功
零电压穿越 多需外加 Crowbar 内置 DC chopper,主动钳位
黑启动 不支持 VSG 模式支持(EPCS125-AM-F)
频率响应 受辐照度 电池双向,全功率响应

结论:在新型电力系统中,BESS PCS 不再只是"并网设备",而是"主动电网支撑资产"。


八、项目实施要点与常见坑

8.1 标准版本确认

坑 1:客户技术规范引用旧版标准。

  • 常见现象:标书写"G99 Issue 1"或"EN 50549-1:2019",但 DSO 已升级到 G99 Issue 2 Amd 7 / EN 50549-1+A1。
  • 应对:投标阶段核实 DSO 最新法规,并在 PQD 中明确引用的标准版本号。

8.2 不对称故障能力

坑 2:标书只写"LVRT",未明确是否要求不对称。

  • 多数 DSO 默认要求三相对称 + 不对称(单相、两相) 全套。
  • 应对:明确答复"支持 4 种故障模式:三相对称、AB 相、BC 相、AN 相"。

8.3 k 值与电流限幅

坑 3:客户要求 k≥3.0,但 PCS 硬件过流能力 ≤1.5 pu。

  • 实际响应会因电流限幅而小于理论 k 值。
  • 应对:测试报告需明确"电流限幅前 k=3.0,限幅后实测最大 k=1.4 pu"。

8.4 DC Chopper 配置

坑 4:大功率 BESS LVRT 期间 DC 母线泵升损坏 IGBT。

  • 应对:100 kW 以上 BESS 必须配置主动式 IGBT DC chopper(而非被动电阻)。
  • ENJOY EPCS125-AM 系列内置 DC chopper,无需外加。

8.5 故障录波与第三方报告

坑 5:投标应答只给出"通过认证"四个字,没有具体波形数据。

  • DSO 通常要求实测波形(5 s 录波:故障前 0.2 s、故障中、故障后 1 s)。
  • 应对:提供经第三方测试机构(SGS/TÜV)认证的波形图与原始数据。

8.6 仿真模型要求

坑 6:投标阶段客户要求 PSCAD/EMTDC 仿真。

  • DIgSILENT PowerFactory 模型仅适用于 RMS 仿真,对暂态过电压(TOV)、开关冲击等电磁暂态分析不够精确。
  • 应对:询问客户是否接受 DIgSILENT 模型,或额外准备 PSCAD 简化模型。

8.7 多机并联

坑 7:多个 PCS 并联运行时,PLL 谐振引发误触发。

  • 应对:询问是否有现场多机测试经验,或要求 DSO 提供电网阻抗(短路容量)数据。

九、常见问答(FAQ)

Q1:LVRT 和电压闪降(Voltage Sag)的区别是什么?

A:电压闪降是现象(电压短时降低),LVRT 是应对能力(设备在闪降期间保持并网的能力)。闪降可能由短路、大型电机启动、变压器合闸引起。

Q2:EN 50549-10 与 EN 50549-1 的核心区别是什么?

A: - EN 50549-1:通用并网要求(适用于所有发电/储能设备) - EN 50549-10:储能专用附录,包含 LVRT 期间反向充电、VSG 模式、虚拟惯量等独有条款

Q3:ENJOY EPCS125-AM 是否有 VDE-AR-N 4105 证书?

A:ENJOY EPCS125-AM 通过的是 VDE-AR-N 4110:2023-09(中压,>52 kW)与 VDE-AR-N 4120:2018+A1:2024(高压)。4105 主要针对低压小型设备(≤135 kW 三相),可适用但需确认型号范围。

Q4:构网型(VSG/GFM)模式是否需要单独认证?

A:取决于项目要求。ENJOY EPCS125-AM-F 已具备 VSG 功能(详见《构网 PCS 配合接触器并离网切换测试报告》),但部分 DSO 要求单独走 GFM 认证程序(如英国 GC0137、澳洲 CSIP-AUS)。建议在投标阶段与客户明确。

Q5:能否提供针对某一 DSO(如 ČEPS、PSE、Transelectrica)的定制化电压穿越报告?

A:可以。ENJOY 已通过上述全部 18 国认证,每份证书的 Annex 章节都包含该国 DSO 要求的实测波形与曲线。如需针对性应答,可在 5 个工作日内出具针对性应答表。


十、术语表

术语 英文 含义
LVRT Low Voltage Ride-Through 低电压穿越
HVRT High Voltage Ride-Through 高电压穿越
ZVRT Zero Voltage Ride-Through 零电压穿越
k k-factor 无功电流响应系数
PCS Power Conversion System 储能变流器
BESS Battery Energy Storage System 电池储能系统
GFM Grid-Forming 构网型(主动建立电网参考)
VSG Virtual Synchronous Generator 虚拟同步发电机
PLL Phase-Locked Loop 锁相环
DC Chopper DC Braking Unit 直流制动单元
DSO Distribution System Operator 配电系统运营商
TSO Transmission System Operator 输电系统运营商
DSO/TSO — 当地电力公司
PQD Power Quality Document 电能质量应答文档

十一、参考文献与认证清单

11.1 主要标准

  1. GB/T 34120-2017《储能变流器通用技术条件》
  2. GB/T 34133-2017《储能系统接入电网技术规定》
  3. EN 50549-1:2019+A1:2023 Requirements for generating plants to be connected in parallel with distribution networks
  4. EN 50549-2:2019+A1:2023 Connection to MV distribution networks
  5. EN 50549-10:2022 Additional requirements for storage plants
  6. VDE-AR-N 4105:2018 Generators connected to LV distribution network
  7. VDE-AR-N 4110:2023-09 Generators connected to MV distribution network
  8. VDE-AR-N 4120:2018+A1:2024 Generators connected to HV distribution network
  9. G99 Issue 2 Amendment 7 (2024) — UK
  10. IEEE 1547-2018 — Standard for Interconnection and Interoperability of DER
  11. AS/NZS 4777.2:2020 — Grid connection of energy systems via inverters
  12. CEI 0-21:2022 + CEI 0-16:2022 — Italy
  13. FGW TR3 Rev. 26 — Technical guidelines for generating plants (Germany)
  14. FGW TR4 Rev. 10 — Simulation model (Germany)