光伏并網(wǎng)逆變器兩級系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學(xué)院

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光伏并網(wǎng)逆變器兩級系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學(xué)院

文章摘要：當(dāng)針對常規(guī)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)，提出了MW級光伏并網(wǎng)逆變器兩級系統(tǒng)拓?fù)浞绞剑⒔⑵涞碗妷捍┰椒抡婺Ｐ汀Ｔ诘碗妷捍┰竭^程中為解決電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導(dǎo)致系統(tǒng)保護無法穿越問題引入了逆變母線過壓保護環(huán)，該控制環(huán)有效解決了電壓跌落造成的兩級系統(tǒng)逆變母線過壓問題。仿真和實驗結(jié)果驗證了該控制策略的可行性 。

關(guān)鍵詞：MW級光伏；逆變器；兩級系統(tǒng)；低電壓穿越；過壓保護環(huán)

1.引言

近年來，隨著光伏電站數(shù)量和容量的不斷增加 ，對電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行 產(chǎn)生的威脅逐漸增大。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時，光伏電站的突然脫網(wǎng)會進一 步惡化電網(wǎng)運行狀態(tài)，在此期間引起的功率缺額可能導(dǎo)致相鄰的電站跳閘。從而 引起更大面積的停電，LVRT能力也被認(rèn)為是光伏并網(wǎng)設(shè)備設(shè)計制造控制技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)之一，直接關(guān)系到光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。因此，對保障光伏電站 接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行而言，研究LVRT技術(shù)十分必要。

《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》指出大中型光伏電站應(yīng)具備一定的LVRT能力。說明現(xiàn)階段中國對光伏電站的LVR能力的重視。

目前常規(guī)MW級光伏并網(wǎng)逆變器一般采用兩臺單級系統(tǒng)逆變器并聯(lián)的方式實現(xiàn)，一方面由于在常規(guī)并網(wǎng)電壓270V/315V并網(wǎng)條件下，輸出MW級功率電流達2千多安培，常規(guī)的IGBT模塊很難達到要求，受功率器件的限制很難實現(xiàn)單機MW級逆變器；另一方面提高并網(wǎng)電壓，使并網(wǎng)輸出電流大大減小，此時由于并網(wǎng)電壓高，則要求輸入側(cè)的直流電壓高才能滿足并網(wǎng)條件，而逆變器為了最大限度的發(fā)電，需在較低電壓時亦能并網(wǎng)發(fā)電。基于上述兩個方面，本文采取了兩級系統(tǒng)逆變方案。

方案中首先將低電壓的直流電壓通過BOOST電路升壓到960V，使逆變母線電壓穩(wěn)定在960V，后級采用常規(guī)的三相全橋逆變方式，620V并網(wǎng)輸出。方案既把并網(wǎng)電流減小將近一半，使IGBT功率器件滿足要求，同時由于逆變母線電壓經(jīng)前級升壓后高達960V使逆變器在低電壓情況下也滿足并網(wǎng)要求，解決了上述提到的兩大問題。

圖1　MW級光伏并網(wǎng)逆變器電路原理圖

圖2　Matlab／Simulink仿真原理圖

2.MW級光伏并網(wǎng)逆變器兩級系統(tǒng)拓?fù)鋱D

如圖1所示，直流側(cè)分兩路進入前級系統(tǒng)，先經(jīng)過前級BOOST升壓電路，使較低的直流電壓升壓至960V，通過后級逆變系統(tǒng)使母線電壓持續(xù)穩(wěn)定在960V，再通過后級三相全橋逆變電路，經(jīng)LC濾波后620V交流電壓并網(wǎng)。

3.系統(tǒng)Matlab／Simulin仿真及控制策略

方案在Matlab／Simulink仿真原理圖如圖2所示，仿真系統(tǒng)包含PV模擬電源、前級BOOST升壓電路、后級全橋逆變電路、LC濾波回路及交流電網(wǎng)。

系統(tǒng)整體控制框圖如圖3所示：

電壓跌落過程中，由于能量在母線電容上堆積導(dǎo)致逆變母線電壓迅速上升，在母線電壓超過限壓保護環(huán)閥值后調(diào)用限壓保護環(huán)PI，使母線電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)不出現(xiàn)過壓情況，PI_Portect限壓PI環(huán)在母線電壓超過1000V（正常并網(wǎng)穩(wěn)定在960V）之后調(diào)用此PI環(huán)以減小占空比，防止母線過壓的出現(xiàn)。

圖3　系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)系統(tǒng)檢測到電壓跌落后，此時使電壓環(huán)的指令值與實際值相同，即誤差e始終為0，維持Idref電流指令值不變，電壓環(huán)處于“切斷”的狀態(tài)，同樣前級的升壓環(huán)也是采取同樣的處理方案，指令值與實際值相等，占空比由積分累加構(gòu)成，升壓環(huán)處于“切斷”狀態(tài)。

方案在Matlab／Simulink中的仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4　電壓跌落過程中逆變母線電壓變化情況

由圖4可見，在電網(wǎng)電壓跌落后逆變母線電壓因能量堆積迅速上升，由于母線電容充放電的作用電壓在不停的波動以解耦前后級系統(tǒng)，但一直都維持在一定的范圍而不會出現(xiàn)過壓情況。仿真的結(jié)果驗證了該控制策略的可行性。

4.實驗驗證

本文采用某公司研發(fā)的單機1MW光伏并網(wǎng)逆變器在國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽能研發(fā)實現(xiàn)中心進行的低電壓穿越實驗來驗證策略的可行性。

在重載860KW并網(wǎng)情況下，三相電壓對稱跌落至20%時的電壓波形、直流電壓波形及并網(wǎng)電流波形如下圖5所示。由圖5可見，當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生跌落時逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統(tǒng)采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩(wěn)定在一定的閥值上，逆變器能正常并網(wǎng)輸出，且電流波形畸變小，順利穿越低電壓過程。逆變母線電壓的變化情況與圖4仿真的情況一樣。

圖5　三相電網(wǎng)電壓對稱跌

5.結(jié)束

本文的控制策略于2013年4月17在國家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽能實驗研發(fā)中心得到驗證。1MW逆變器電路拓?fù)渑c常規(guī)拓?fù)浞绞讲煌夹g(shù)難度更大，要求更高。因此，該測試的通過充分展示了本文所提方案的可行性。

綜上，對于兩級控制系統(tǒng)中低電壓穿越過程中引起的母線電壓過壓問題進行了分析和說明，同時得到了仿真和實驗的驗證，為解決光伏低電壓穿越問題提供了新的思路。

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