大功率光伏并網電流控制器的RTDS建模與仿真

黃 鑫，易映萍，范麗君

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093)

大功率光伏并網電流控制器的RTDS建模與仿真

黃 鑫，易映萍，范麗君

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093)

基于實時數字仿真器(RTDS)，提出了一種檢驗大功率光伏并網電流控制器控制性能的實時數字仿真方案。利用RTDS構建了100 kW光伏并網發電系統仿真試驗平臺，并分別搭建了基于比例積分(PI)和比例諧振(PR)兩種控制算法的電流控制器模型。模擬實際工況設計了相應的穩態、暫態仿真試驗，對兩種控制器的控制性能進行了考察。仿真結果有效驗證了兩種電流控制器的有效性和局限性，也為相關控制器性能的檢測提供了借鑒。

大功率光伏；RTDS；電流控制器

隨著我國光伏發電并網的規模不斷擴大，功率等級也在不斷提升，為滿足電網對大功率光伏發電系統饋入其中電流的嚴格要求，需對并網電流控制器的控制性能進行深入考察。對于工程上常用的基于獨立脈寬調制技術的線性電流控制器，已有不少理論方面的研究，典型的如基于比例積分(PI)和基于比例諧振(PR)的電流控制策略，這些控制策略已在小功率試驗樣機上完成了測試。但對于100 kW及以上的大功率光伏并網電流控制器在實際工況下控制性能的檢測方面存在諸多困難，主要有現場檢測試驗耗資大、周期長，一般仿真軟件過于理想化、運算速度不滿足實時輸出的需求等[1]。實時數字仿真器(RTDS)是一種實時全數字電磁暫態電力系統模擬裝置，擁有先進的并行處理技術和精確的電力系統元件模型，在對現場檢測平臺的模擬和對控制算法精細仿真及性能驗證上具有無可比擬的優勢[2]。本文利用RTDS構建了100 kW光伏并網發電系統仿真測試平臺，并分別搭建了基于PI和PR兩種控制算法的電流控制器模型，基于該平臺設計了相應的穩態、暫態仿真試驗，檢驗這兩種控制器在接近實際工況下的控制性能。

1 光伏并網發電系統一次部分建模

1.1 并網發電系統主回路設計

采用典型的兩級式三相光伏并網逆變器為主拓撲結構[3]，如圖1所示，光伏陣列發出的直流電能經前級Boost電路升壓后，通過三相逆變橋轉化為50 Hz的交流電能，經濾波電感并入電網。為光伏并網逆變器直流母線電壓，表示公共連接點的三相相電壓，為光伏逆變器三相并網電流，為濾波電感，表示并網點三相電壓。

圖1 三相光伏并網逆變器拓撲結構

光伏并網逆變器在三相靜止坐標系下的數學描述為：

這里在對升壓電路和三相逆變橋電路RTDS建模時，采用建立電壓源型電力電子裝置的小步長(<2 μs)模型的方法，以確保高頻開關器件的仿真精度及速度，光伏陣列、三相電網等交直流電氣模塊則采用大步長50 μs模型，大步長和小步長模型之間用三臺單相隔離變壓器相連，使不同仿真步長的電路元件能夠協調工作。

1.2 外接電力系統設計

通過RTDS模擬實際電力系統搭建的測試系統電氣結構圖如圖2所示，將輸出功率約為100 kW的光伏組件經升壓電路并聯至100 kW光伏逆變器，與一臺變比為0.4/10 kV的變壓器組成一個容量為100 kVA的發電單元，其發出電能在10 kV母線匯流后經變比為10/35 kV的變壓器升壓變送到35 kV母線。架空線路全長15 km，選用Chukar鋼芯鋁絞線，交流阻抗為0.040 3 Ω/km，負荷側和電網側的輸電線路長度比任意可調分別為與之對應的輸電線路等效阻抗。

光伏并網發電系統一次部分主要參數見表1。

圖2 光伏發電及配網電氣結構

表1 光伏并網發電系統一次部分主要參數

2 控制系統建模

在光伏并網發電系統的控制策略設計中，電流控制器的結構極為關鍵。一方面，通過電流控制器可使并網電流時刻與并網點電壓保持一定關系，從而向電網注入特定的有功、無功功率；另一方面，為避免不必要的過流保護，需對電流瞬時值進行合適的控制。目前應用最廣且最具代表性的是基于PI算法的電流控制器和基于PR算法的電流控制器。

2.1 基于PI算法的電流控制器設計

基于PI控制算法的電流控制器控制框圖如圖3所示，該控制算法是在兩個同步旋轉坐標系下實現的，由于PI調節器只對直流分量有無窮大增益，所以令它們分別以基波頻率在正、負序方向旋轉，最終使電流的正、負序分量化為直流量加以控制。在電網電壓不平衡條件下，各電磁量在正、反雙同步旋轉坐標系中綜合表現為直流量和二倍頻交流量之和，要得到三相電流、電壓的正、負序直流分量，工程中常使用兩階帶阻陷波器將其中二倍頻分量剔除。陷波器傳遞函數的頻域表達式為：

圖3 基于解耦雙同步電流控制器的控制框圖

2.2 基于PR算法的電流控制器設計

基于比例諧振電流控制器的控制框圖如圖4所示。在兩相靜止坐標系中，電流的正、負序分量分別以、－的同步速旋轉，而諧振頻率為的比例諧振控制器對角頻率為±的正、負序交流成分具有無窮大增益。因此，無需引入正、負序電流分解和交叉解耦環節，僅需要一個比例諧振控制器便可同時控制正序和負序電流。兩相靜止坐標系下并網逆變器矢量形式電壓方程為：

在兩相靜止坐標系下，光伏逆變器交流側電壓參考值為：

圖4 基于比例諧振電流控制器的結構框圖

3 仿真試驗

本文從穩態、暫態兩個方面比較兩種不同電流控制器的控制效果。穩態主要考察并網電流的諧波含量；暫態主要考察并網電流在電網故障時的波形狀況。

3.1 穩態仿真

在理想電網條件下，并網電流的諧波主要由電流控制器和系統非線性造成，利用RTDS三相電壓源模塊提供理想電網電壓，用FFT模塊對并網電流進行諧波分析。

由圖5可知，基于PI電流控制器和基于PR電流控制器的并網電流總諧波畸變率分別為1.913%和1.783%，滿足IEEE Std.1547總諧波畸變率小于5%的標準，且各奇次諧波都在電流諧波限值以內，說明兩種電流控制器在電網正常情況下都能達到良好的控制效果。

圖5 并網電流諧波分析圖

3.2 故障仿真

故障仿真主要針對電力系統發生最頻繁的單相短路和造成后果最嚴重的三相短路，以保持并網電流三相平衡且正弦為控制目標，對比兩種控制器的暫態性能。短路故障發生在負荷側，距離10 kV母線8 km處。設短路時長為200 ms，待系統穩定后，由觸發器和控制邏輯在特定時間觸發。

3.2.1 單相短路故障

圖6(a)為經過0.4/10 kV變壓器后的三相電壓波形，即光伏逆變器并網點處電壓波形，測得A相、B相電壓分別跌落至80%和74%額定值，同時相角存在躍變。

圖6(b)為采用基于PI電流控制器的單相短路故障試驗波形，由于該控制器可分別對電流的正、負序分量進行PI調節，故負序電流能夠得到抑制，故障瞬間最大電流值為1.089倍額定電流，電流三相平衡且正弦，實現了控制目標。

采用基于PR電流控制器的控制系統單相短路故障試驗波形如圖6(c)所示，由于以電網頻率作為基準值，省去了正、負序分解環節，系統響應速度較快，同樣達到了良好的控制效果。且三相電流更為平滑，故障瞬間最大電流值為1.042倍額定電流。相比前者，該控制器更好地實現了控制目標。

圖6 單相短路時故障電壓和并網電流波形

3.2.2 三相短路故障

當發生電力系統中最為嚴重的三相短路故障時，基于PI電流控制器與基于PR電流控制器的控制性能相比則有所差異。對比圖7(a)與圖7(b)可知，在并網點處電壓瞬間跌落至18%的嚴峻考驗下，基于PI電流控制器的電流過沖現象非常明顯。實際工程中，若滿功率條件下發生跌落，過沖電流會導致硬件保護動作，使得電網側斷路器跳閘，從而與電網斷開，甚至有燒毀短路器的危險。三相電流嚴重不平衡，故障切除后并網電流恢復緩慢。因此，沒有達到控制目標。

基于PR電流控制器的單相電流仍存在一定的過沖，但幅值較前者明顯減小，且三相電流基本保持平衡，故障切除后電流迅速恢復到正常狀態，基本實現了控制目標。

圖7 三相短路時故障電壓和并網電流波形

4 結論

本文基于RTDS對大功率光伏并網發電系統及其電流控制器進行了建模，并模擬實際工況對兩種電流控制器的控制性能進行了仿真試驗。通過仿真波形的對比分析，說明基于RTDS的光伏并網仿真平臺很好地滿足了控制策略的驗證需求，提出的兩種電流控制器中，基于PR的電流控制器具有更好的暫態性能，能更高效地實現大功率光伏并網系統的控制目標。

[1]王多，常康，薛峰，等.基于RTDS與MATLAB的雙饋感應風電機組動態特性仿真比較[J].電力自動化設備，2012，32(12)：80-86.

[2]常浩，張民，馬為民.實時數字仿真器的應用[J].中國電力，2006，39(7)：56-60.

[3]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，2011：84-91.

RTDS modeling and simulation of high power photovoltaic grid-connected current controller

Based on real time digital simulator(RTDS)， a real time digital simulation scheme was presented for examining the control performance of high power photovoltaic(PV)grid-connected current controller.A set of 100 kW grid-connected PV power generation system simulation platform was established by RTDS，then two different current controllers namely PI and PR current controller were built.The evaluations for the two current controllers were made in steady state test and transient test.The results illustrate that the platform which is very familier with the real situation is suitable for anglicizing the controllers'performance.

high power PV;RTDS;current controller

TM 57

A

1002-087 X(2016)04-0895-04

2015-09-11

國家“863”高技術基金項目(2012AA050206)

黃鑫(1990—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為分布式能源并網發電及故障穿越技術。