新能源并網逆變器的低電壓穿越技術

陳亞愛， 劉勁東， 周京華， 金雍奧

(1. 北方工業大學 電力電子與電氣傳動工程中心，北京 100144；2. 國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 06500)

0 引 言

近年來，隨著新能源的發展受到重視，風力發電和光伏電站等新能源發電的裝機總量得到了迅速發展。大量的新能源并網給電力系統的安全、穩定運行帶來嚴峻的挑戰。在新能源大規模集中并網區域，當電網發生故障時，為保護風電系統或光伏系統的安全，若仍采取被動保護式的解列措施將會導致電網有功輸入大量減少，增加整個電力系統的恢復難度，甚至加劇故障，引起其他機組解列，導致大規模停電。因此，新的風力和光伏并網接入規則均要求電站必須具備傳統發電站所具有的有功和無功調節能力，以保證電網的安全和穩定運行；并要求在電網故障條件下，保持一定時間的不間斷并網，以促進電力系統恢復。

風力發電系統和光伏并網系統在結構上均采用變流器裝置控制，相對于雙饋式風力發電結構，直驅式風力發電和光伏并網發電采用逆變器并網，即發電站與電網間被逆變器隔離。當電網故障時，不會直接影響到電機或者光伏電站，無雙饋式發電機中必須考慮的電機轉速和轉矩等機械限制。因此，該結構在低電壓穿越應用中具有優勢。本文將基于并網逆變器結構，研究直驅式風力發電和光伏發電系統的低電壓穿越技術。采用MATLAB/Simulink對低電壓穿越方案進行仿真，驗證該方案的可行性和有效性。

1 逆變器并網系統的結構

直驅式風力發電系統由永磁發電機、機側整流器、直流母線電容、網側逆變器、濾波器和變壓器組成。永磁發電機將機械能轉化為電能，整流器和逆變器將電能轉化為可接入電網的三相交流電。選取適當的控制策略，提高并網電能的質量。而光伏電站是由電池板將太陽能轉化為直流電，經并網逆變器轉化為三相交流電。基于并網逆變器的拓撲結構如圖1所示。當電網故障引起并網點電壓跌落時，將針對該結構下并網逆變器進行低電壓穿越控制算法設計和仿真研究[1，2]。

圖1 基于并網逆變器的拓撲結構

2 并網接入的低電壓穿越要求

新能源并網接入規則對低電壓穿越要求為： 當電力系統發生不同類型的故障時(主要包括三相短路、兩相短路和單相接地故障，故障在并網點處電壓表現為三相平衡跌落或不平衡跌落)，當并網點電壓跌至一定曲線區間范圍時，風電或光伏電站才可以從電網切出，風電的穿越曲線要求如圖2中的曲線1所示，光伏電站的要求如圖2中的曲線2所示[3-4]。

圖2 風力發電和光伏電站的低電壓穿越能力要求

對電力系統故障期間沒有切出的并網逆變器，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復至故障前的值。根據穿越曲線的要求，選擇具有代表性的光伏電站低電壓穿越進行描述，即對于總裝機容量在百萬千瓦級規模及以上的光伏發電站群，當電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落時，光伏發電站在低電壓穿越過程中應具有以下動態無功支撐能力。

(1) 當并網點電壓發生跌落時，光伏發電站應能夠通過注入無功電流支撐電網電壓恢復；自并網點電壓跌落的時刻起，動態無功電流控制的響應時間≤75ms，持續時間應≥550ms。

(2) 光伏發電站的無功電流饋入不應使光伏發電站并網點電壓高于1.1倍標稱電壓。

(3) 光伏發電站注入電力系統的動態無功電流IT應滿足：

式中：UT——光伏發電站并網點電壓標幺值；

IT——光伏發電站額定電流。

3 低電壓穿越的實現

在電網電壓穩定的情況下，通過逆變器控制將直流母線上的直流電能轉變為高質量三相交流電，且要求電流穩定，正弦度好，諧波含量低，同時頻率和功率因數需滿足并網的要求。為了實現這一目標，通常采用直流側電壓外環、并網電流內環的雙閉環控制方式。

當電網發生故障時，將引起并網點電壓發生平衡或不平衡的跌落，由功率平衡關系可知，電壓的跌落使得并網電流相應增加，超出額定值時引起過電流，危害系統的安全；對于電壓不平衡跌落的情況，存在鎖相信號紊亂導致鎖相不準和d、q軸的電流參考值波動等一系列問題，這將導致并網電流發生畸變，影響到發電系統的不間斷并網，因此必須采取相應的保護措施。

為了實現并網逆變器控制的低電壓穿越，需重新設計鎖相環節和引入正負序分離技術等。

3.1 鎖相環設計

電網電壓的不平衡跌落或頻率變化會引起鎖相角度偏差或鎖相信號的正弦度差等問題，鎖相信號的質量直接影響到并網電流的波形輸出質量[5]。因此，可采用電網電壓正序分量鎖相的方式，解決電網不對稱故障時的鎖相問題。根據對稱分量法，可將不平衡的三相電壓分解成平衡的正序分量和負序分量，取正序分量作為過零鎖相的輸入信號，從而得到不平衡時電網電壓正序分量的精確相角。

3.2 正負序分離技術

為實現抑制并網電流中的負序分量和獲得正確的鎖相信號，控制中需要從不平衡的電網電壓中提出正序分量。因不平衡的三相電壓可經坐標變換后得到旋轉坐標系下的d、q軸分量，變換后的表達式可表示為[2，6，7]

(1)

由式(1)可見，網側電壓的d、q軸分量均包含直流分量和二倍頻分量，可采用二倍頻陷波器的提取方式濾除等式右側的負序二倍頻分量，以獲取正序分量；同樣的方式適用于負序分量的提取。基于二倍頻陷波器的正序提取方法如圖3所示。

圖3 基于二倍頻陷波器的正序提取方法

3.3 低電壓穿越控制策略

(1) 控制原理。

低電壓穿越過程中，為了有效地保證并網電流的穩定，實現三相平衡，可采用抑制負序電流的控制策略。該控制算法通過控制交流側負序電流

分量為0，使得交流側只含有正序電流分量而維持三相平衡，控制框圖如圖4所示。

圖4中，電流內環的d、q電流參考值計算表達為

(2)

式中：P0、Q0——逆變器并網輸出的有功功率和無功功率的平均值。

有功功率參考值與直流側電壓電流有關，即電壓外環可采用圖5所示的外環給定方式。在低電壓穿越期間，為保護并網逆變器件的安全，須對并網電流的幅值作限定。當達到限幅值以后，逆變器輸出的功率將減小，為維持功率的平衡，可適當增加直流母線電壓參考值以直流側的輸入功率。當并網逆變器的前一級為光伏電池板時，直流母線電壓的上升將會引起陣列輸出功率不會運行在最大功率點，因此可切除MPPT算法部分。當逆變器前一級為永磁發電系統時，考慮背靠背結構的配合控制，采用該控制策略并網逆變器輸出功率將減小，因此，因適當修正機側整流器的控制以減小永磁發電機的功率輸出，從而實現直流母線能量平衡。

圖4 基于并網逆變器控制的低電壓穿越控制原理圖

圖5 無功支撐曲線

基于并網逆變器的控制策略研究低電壓穿越控制算法，不涉及永磁電機的控制，因此選取更為直觀的光伏發電系統作為研究對象。根據光伏電池輸出的功率電壓特性曲線，表1列出了一組針對不同并網點電壓跌落條件下的直流母線電壓的給定值[7]。當電壓跌落時，參考這組參數實時更新外環的給定值，可有效地提升系統的動態性能，快速維持功率的平衡。相對于風電系統，光伏陣列直流母線電壓上升，在達到開路電壓后，光伏陣列的輸出功率為0，此時直流母線電壓不會繼續增大。

表1 直流側電壓給定值與并網點電壓跌落的關系圖表

因此不會引起過電壓的問題，這一特性也是光伏低電壓穿越的優勢所在。

因電壓外環調節的動態響應較慢，調節過程中可能會出現過電流，因此可采取d軸電流直接限幅保護，實時調節光伏陣列的功率輸出。假定向網側注入一定量的無功，則有功電流給定的最大值不能超過限定值imax，其值應滿足

(3)

(2) 無功支撐。

新的并網接入規則規定低電壓穿越期間必須具備動態的無功支撐能力，且無功電流支撐與電網電壓跌落的幅度有關，如圖5所示。因此可通過判定電壓跌落的幅度，調節無功功率Q/iq的給定，實時調節并網逆變器向電網注入的無功電流值。調節過程中在滿足無功支撐的前提下，通過減小有功輸出以確保輸出總電流必須滿足限幅式(3)的要求。

(3) 有功恢復。

當電網故障排除，電網電壓恢復至0.9pu時，此時通過調節d軸電流的給定值，以實現有功功率的恢復。且d軸電流給定值的恢復速度為至少10%pu/s的速度恢復到故障前的值。

4 仿真試驗

針對500kW并網逆變器進行了仿真研究。參數如下： 直流母線側額定輸出功率500kW，光伏陣列開路電壓720V，直流母線電容6600F，濾波電感0.17mH，網側額定電流1500A，允許最大流過電流1650A。

在MATLAB環境下搭建了系統仿真模型，并分別對并網點電壓平衡和不平衡跌落的情況進行了仿真研究。仿真試驗中用受控電壓源替代電網，受控電壓源的優點是可模擬三相電壓的幅值、相位、相角的變化和切換時間調節。

4.1 并網點電壓平衡跌落的仿真

當電網發生三相電壓平衡跌落(電壓三相跌落至20%pu)時，如圖6(a)所示。采用上述控制算法，在故障發生時刻，并網電流存在短暫的上升，被限定在設定值(1650A)以內(如圖6(b)所示)；直流母線電壓上升以維持功率的平衡(如圖6(c)所示)；對于深度電壓跌落至20%pu的情況，甚至可采取控制有功為零，全無功輸出的方式，如圖6(d)所示。

圖6 電壓對稱跌落時的并網波形(abc三相跌落20%pu)

4.2 并網點電壓不平衡跌落的仿真

電網電壓發生不平衡跌落，可分為單相、兩相和三相不平衡情況。對于電壓跌落幅度較小的單相故障，如圖7(a)所示。根據正序d軸檢測判定方式檢測到額定電壓>90%pu，此時無需無功支撐。仿真結果分別如圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)所示，此時并網電流略微上升，但在限定值以內。另外，直流母線電壓基本維持恒定，功率保持平衡，符合理論分析結果。

圖7 單相電壓跌落(a相85%pu)時的輸出波形

當并網點電壓不平衡跌落較深時，需要輸出無功，如圖8、圖9所示。其中，圖8為單相電壓跌落 (a相跌落至50%pu)；圖9為兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)。此時，保持原有的有功輸出將導致網側電流過流，需要采取限制措施，限定后的電流波形如圖8(b)、圖9(b)所示，維持在限定值(1650A)以內，同時直流母線電壓上升，使得輸出有功功率減少，保證無功功率的輸出。如圖8(c)、圖8(d)、圖9(c)、圖9(d)所示，因母線電壓出現的二倍頻波動幅值較小，較之于對于600V的母線額定條件可忽略，因此該條件下也滿足并網規定的要求。

圖8 單相電壓跌落(a相50%pu)時的輸出波形

圖9 兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)時的輸出波形

采取抑制負序電流的控制措施對于并網點電壓三相不平衡跌落，依舊能保持較好的控制效果，如圖10所示(a相10%，b相50%，c相70%)。并網電流(圖10(b))、直流母線電壓幅值(圖10(c))以及無功支撐、有功輸出(圖10(d))均滿足并網要求。

圖10 三相電壓不平衡跌落(a相10%，b相50%，c相70%)時的輸出波形

仿真結果表明： 對于并網點電壓的跌落情況，在并網規定曲線1以上時，該方案均能有效地控制并網電流并提供無功支撐。

5 結 語

在故障發生時刻，采用切換的方式，將直流母線電壓參考值由MPPT算法得到或者前級整流得到切換為參照表1直接給定，以保證逆變器輸入輸出的功率平衡。按新的逆變器并網接入規定要求，采用抑制負序電流的控制策略，保護系統在安全的前提下保持不間斷并網，同時維持三相電流平衡，減小并網電流的THD。有效地控制基波正序分量有功功率輸出的穩定，并按照規定要求，發出無功以支撐電網至恢復，同時留有一定的余量提供故障期間的有功功率輸出。采用該控制方式，使得并網逆變器具有低電壓穿越能力，能適應極端條件下的電網電壓故障時不間斷并網，從而滿足并網接入規定。在從理論上對低電壓穿越實現的可行性做出分析的基礎上，提出了相應的控制策略。仿真試驗驗證了該控制方案的可行性，對直驅式永磁同步發電和光伏發電的低電壓穿越的工程實現有參考意義。

【參考文獻】

[1] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M].北京： 機械工業出版社，2011.

[2] 李建林，許洪華.風力發電系統低電壓運行技術[M].北京： 機械工業出版社，2008.

[3] GB/T 19964—2011 光伏發電站接入電力系統技術規定 [S].

[4] Q_GDW 392—2009 國家電網公司風電場接入電網技術規定 [S].

[5] LIMONG L R, BOJOI R, PICA C, et al. Analysis and comparison of phase locked loop techniques for grid utility applications[C]∥Power Conversion Conference Nagoya, 2007： 674-681.

[6] MAJID T, JAVAD S， EBADOLLAH K. Protection of grid connected photovoltaic system during voltage sag [C]∥The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection,2011： 2030-2035.

[7] CHRISTIAN H B, FRANKE W T, FRIEDRICH W F. Low voltage ride through capability of a 5 kW grid-tied solar inverter [C]∥14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010： 1213-1220.