基于電壓定向的光伏LVRT控制策略

摘 "要： 為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越（LVRT）能力，提出了一種單級三相系統(tǒng)下的LVRT控制策略。該控制策略運用電壓前饋并引入PI調節(jié)器，實現(xiàn)電流內環(huán)的解耦控制。在LVRT期間采用卸荷電路來穩(wěn)定直流側電壓，并根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落深度發(fā)出相應的無功功率，支撐電壓的恢復。在Matlab/SIMULINK中建立了仿真模型，仿真表明該控制策略具有可行性。

關鍵詞： 光伏發(fā)電系統(tǒng); LVRT; 卸荷電路; 解耦控制

中圖分類號： TN710?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）02?0145?04

PV LVRT control strategy based on voltage orientation

YANG Xin?hua1， 2， WANG Long?wei1， SUN Yan?jun1

（1. Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China; 2. Gansu Key Laboratory of Advanced Control for Industrial Process， Lanzhou 730050， China）

Abstract： To improve the low voltage ride?through （LVRT） capability of photovoltaic （PV） power generation system， "a LVRT control strategy under the single?stage three?phase system is proposed. The control strategy using the grid voltage feed?forward and introduced the PI regulator， achieve decoupling control of the current internal ring. During LVRT， the unloading circuit is used to stabilize the DC voltage， and issue the corresponding reactive power according to the depth of the grid voltage drop to support voltage recovery. The simulation model is established in Matlab / SIMULINK， and the simulation shows that the control strategy is feasible.

Keywords： photovoltaic power generation system; LVRT; unloading circuit; decoupling control

隨著光伏電站數(shù)量和容量的不斷增加，光伏并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生的威脅也逐漸增大，特別是在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落的情況下，如果大量光伏電站集體脫網(wǎng)，將加劇電網(wǎng)震蕩，甚至導致電網(wǎng)崩潰的重大事故[1]。

目前，針對光伏低電壓穿越的研究多集中在限制交流電流幅值的雙閉環(huán)控制策略[2?3]。該策略雖能在一定程度上限制電壓跌落時交流電流的過沖，但當電壓跌落深度較大時，由于系統(tǒng)本身特性以及PI控制器的控制效果所限，實際系統(tǒng)仍會產(chǎn)生不穩(wěn)定運行情況[4]。為有效應對電網(wǎng)低電壓故障，本文提出了基于電網(wǎng)電壓定向的低電壓穿越控制策略，并采用卸荷電路抑制電網(wǎng)電壓對稱跌落期間直流側電壓的波動，且根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落深度發(fā)出一定的無功功率以支撐電壓的恢復。

1 "光伏電站LVRT要求

光伏發(fā)電領域LVRT是指在光伏并網(wǎng)點電壓短時跌落時，光伏并網(wǎng)發(fā)電設備能夠保持并網(wǎng)，必要時能向電網(wǎng)提供無功功率以支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常。我國在2011年發(fā)布了國網(wǎng)公司企業(yè)標準《光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定》[5]，文中對電網(wǎng)故障或異常時光伏系統(tǒng)的響應做了明確規(guī)定。LVRT要求如圖 1 所示，光伏電站只有在并網(wǎng)點電壓低于20%額定電壓時或并網(wǎng)點電壓低于90%額定電網(wǎng)電壓并且超出曲線規(guī)定的1 s時，逆變器才可脫網(wǎng)運行。

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圖1 光伏并網(wǎng)標準中的LVRT要求

2 "光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越控制策略

單級式光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結構如圖2所示[6]，在數(shù)學建模前先做如下假設：

（1） 三相光伏逆變器并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)輸出三相平衡、且穩(wěn)定性較高;

（2） 電感電容等元器件為理想器件;

（3） 功率開關管為理想器件，忽略死區(qū)時間及開關過程。

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圖2 單級式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構圖

圖中[ipv]為光伏陣列輸出電流，[Udc]、[idc]為逆變器直流端輸入電壓、電流。

在三相靜止abc坐標系下，根據(jù)基爾霍夫定律，三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型可描述為：

[LdiadtLdibdtLdicdt=-r000-r000-riaibic+100010001uaubuc-100010001eaebec] " " （1）

式中：[ea]，[eb]，[ec]為三相電網(wǎng)電壓;[ua]，[ub]，[uc]為逆變器輸出電壓;[ia]，[ib]，[ic]為逆變器輸出電流;[L]為交流端濾波電感;[R]為逆變器輸出阻抗。

經(jīng)同步坐標變換可得到三相并網(wǎng)逆變器在同步旋轉d?q坐標系下的數(shù)學模型，如下所示：

[Ldiddt=ud-ed-Rid+ωLiqLdiqdt=uq-eq-Riq-ωLidCdudcdt=ipv-idc] " （2）

采用前饋解耦控制策略，并引入PI調節(jié)，可得在d?q坐標系下三相并網(wǎng)逆變器的電流前饋解耦公式為：

[ud=PI*（i*d-id）+ed-ωLiquq=PI*（i*q-iq）+eq+ωLid] （3）

由此可得三相并網(wǎng)逆變器的控制策略如圖3所示。

光伏并網(wǎng)逆變器通過MPPT算法得到[V*dc]，并與直流側母線電壓[Vdc]做差，將誤差信號經(jīng)PI調節(jié)得到有功電流的參考值[i*d]。有功無功電流參考值[i*d]、[i*q]與逆變器輸出有功無功電流的采樣值做差，并將誤差經(jīng)PI調節(jié)和解耦控制，得到[ud]、[uq]，然后再經(jīng)過SVPWM變換，得到逆變器需要的PWM波。

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圖3 單級式并網(wǎng)逆變器控制策略

由于采用電網(wǎng)電壓d軸定向，則[eq=0]。根據(jù)瞬時功率的定義，可得逆變器輸出瞬時有功和無功功率為：

[P=32（edid+eqiq）=32edidQ=32（eqid-ediq）=-32ediq] （4）

當電網(wǎng)電壓跌落時，由功率平衡可知直流側電壓會突增。為抑制直流側電壓的波動，在直流側增加了卸荷電路，消耗逆變器兩側不平衡功率[7]。其結構如圖4所示，虛線框部分為卸荷電路，主要有晶閘管和卸荷電阻[Rd]組成。[Ppv]為光伏陣列輸入功率，[Pg]為逆變器輸出功率。

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圖4 卸荷電路結構圖

卸荷電路控制原理如圖5所示[8]，主要是通過對逆變器輸入功率[Pin]、輸出功率[Pout]和直流端電壓[Udc]的檢測，判斷是否將卸荷電路投入運行。

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圖5 卸荷電路控制框圖

當逆變器兩側的功率不平衡時，可以通過投入卸荷電阻來消耗掉其兩側的功率差。系統(tǒng)正常運行時，即[ΔP]和[Udc]在正常范圍中波動，控制電路不投入卸荷電阻。如果功率差[ΔP≥ΔPmin]，則保護電路通過計算占空比并將卸荷電阻投入運行，以消除功率差;若[ΔP≤ΔPmin]，但是直流側電壓[Udc≥Udc_max]，卸荷電阻也同樣投入運行，直到直流側電壓降低到一定數(shù)值以下，再將卸荷電阻切除。[ΔPmin]為卸荷電路投入運行的最小功率差，[Udc_max]為卸荷電路不投入運行的直流端最大電壓。

3 "低電壓穿越期間的有功無功協(xié)調

大功率光伏逆變器通常具有無功調節(jié)能力，特別是當電網(wǎng)電壓跌落時，需要對電網(wǎng)進行無功補償。以德國E.ON并網(wǎng)導則中的低電壓穿越為例（見圖6），電壓跌落幅度超過10%，每1%的電壓跌落，光伏電站需提供2%的無功電流以支撐電網(wǎng)電壓的恢復[9?10]。

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圖6 LVRT期間無功的輸出

圖中0～t1為故障初始階段，此階段要求發(fā)電系統(tǒng)不脫網(wǎng);t1～t2為故障保持階段，此階段要求發(fā)電系統(tǒng)輸出一定的無功以支撐電網(wǎng);t3～t4為故障恢復階段，此階段要以一定的速率恢復其有功功率輸出至正常值。

根據(jù)網(wǎng)側電流不能超過額定電流的1.1倍的規(guī)定，即：

[（I*d）2+（I*q）2≤（1.1IN）2] （5）

式中：[IN]為電網(wǎng)的額定電流;[I*q]為并網(wǎng)逆變器輸入無功電流的給定值。

由圖6可得出LVRT期間所需的無功為：當?shù)∮?0%時，[I*q=0];當?shù)笥?0%小于50%時，[I*q=（-2UUN+2）IN];當?shù)笥?0%時，[I*q=IN]，[UN]、[IN]分別為電網(wǎng)的額定電壓和電流。

4 "仿真研究

用光伏電池模型來模擬光伏電站，并在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建標況下額定功率為25 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖7所示，具體參數(shù)如表1所示。

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圖7 LVRT仿真模型

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

電網(wǎng)在0.3 s時發(fā)生三相平衡跌落，跌落幅度為50%，在0.5 s時電網(wǎng)電壓恢復正常。電壓跌落期間采取該LVRT控制策略后并網(wǎng)點a相電壓、電流，逆變器輸出有功功率和無功功率和直流端電壓的波形如圖8所示。

由圖8（a）可知，電網(wǎng)電壓在0.3 s時發(fā)生50%跌落，由于該控制策略的無功補償，支撐了電網(wǎng)電壓的恢復，使得電網(wǎng)電壓被抬高到61%左右。

由圖8（b）可知，LVRT期間由于交流限幅和卸荷電阻的投入，使得并網(wǎng)側電流雖有些波動，但波動較小，避免了電流的突增，防止了并網(wǎng)逆變器因過流而損壞;由圖8（c）、8（d）可知，在LVRT期間并網(wǎng)逆變器根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落幅度發(fā)出一定的無功功率支撐電網(wǎng)電壓，實現(xiàn)了有功無功的協(xié)調控制。

由圖8（e）可知，在LVRT期間，由于并網(wǎng)逆變器輸入輸出兩端的不平衡功率由卸荷電阻來消耗，使得直流端電壓基本維持穩(wěn)定，雖有稍微波動，但在可控范圍內。

仿真結果顯示該控制策略可以在LVRT期間抑制逆變器輸出電流的增大，保持逆變器并網(wǎng)運行，還可以保持直流側電壓的穩(wěn)定。另外，根據(jù)電壓的跌落幅度輸出一定的無功功率，支持電網(wǎng)電壓的恢復。

圖8 仿真結果

5 "結 "語

通過對光伏并網(wǎng)逆變器的理論分析，建立其基于電網(wǎng)電壓定向的并網(wǎng)數(shù)學模型，并結合交流限幅技術、卸荷電路和無功發(fā)生策略，實現(xiàn)低電壓穿越。仿真表明，該控制策略可有效抑制LVRT期間過電流現(xiàn)象，并能輸出一定的無功功率支撐電網(wǎng)電壓的恢復。

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