光伏并網(wǎng)逆變器零電壓穿越控制策略

莊英軍 劉路

摘 要：《GB-T 19964-2012 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，光伏并網(wǎng)逆變器在遇到電網(wǎng)電壓由于電網(wǎng)故障或者擾動(dòng)導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須連續(xù)運(yùn)行，并向電網(wǎng)輸送一定的無功功率，故障消除后必須快速恢復(fù)到故障之前的發(fā)電功率。光伏逆變器必須能夠?qū)崟r(shí)對不平衡電網(wǎng)進(jìn)行鎖相，判斷電網(wǎng)跌落水平，記錄故障之前的輸出功率，并能夠快速恢復(fù)到故障前的最大功率點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：零電壓穿越； 電網(wǎng)不平衡； 光伏并網(wǎng)逆變器； 鎖相環(huán)

引言

近幾年來，隨著國際社會(huì)清潔能源的重視，光伏發(fā)電正在以前所未有的速度發(fā)展，光伏系統(tǒng)的總裝機(jī)容量不斷增加。電網(wǎng)電壓突然跌落對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響不可小視，同樣的在電網(wǎng)跌落瞬間，光伏逆變器如若立即故障脫網(wǎng)，將給電網(wǎng)帶來巨大沖擊，因此光伏并網(wǎng)逆變器的零電壓“穿越”控制問題越來越受到人們的重視。

光伏逆變器的零電壓穿越面臨諸多工況，包括三相同時(shí)跌落、兩相跌落、單相跌落，以及電壓跌落到不同程度。而且一些條件下電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)不平衡故障，電網(wǎng)電壓畸變，出現(xiàn)負(fù)序分量，常規(guī)鎖相方法不能正確鎖定網(wǎng)壓相位角。此時(shí)三相并網(wǎng)逆變器輸出電流將受到影響，使逆變器并網(wǎng)電流產(chǎn)生畸變，負(fù)序分量增加，嚴(yán)重時(shí)使并網(wǎng)逆變器發(fā)生故障，加劇電網(wǎng)不平衡度。最新國標(biāo)《GB-T 19964-2012 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》 對“零電壓穿越”提出了具體要求，要求逆變器具備應(yīng)對不平衡電網(wǎng)的能力，且配合發(fā)出無功功率，以支撐電網(wǎng)的快速恢復(fù)。因此在電網(wǎng)跌落時(shí)快速而準(zhǔn)確的判斷網(wǎng)壓及鎖相并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制是逆變器必須具備的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這對于大容量集中型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在上述研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了電網(wǎng)跌落時(shí)光伏逆變器的數(shù)據(jù)處理、控制算法及電網(wǎng)恢復(fù)后逆變器有功功率的快速恢復(fù)等策略。

1、零電壓穿越曲線要求

光伏逆變器能滿足的零電壓穿越要求：a）電力系統(tǒng)發(fā)生不同的故障時(shí)，若光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)考核電壓全部在上圖曲線以上區(qū)域，光伏逆變器應(yīng)保證連續(xù)不脫網(wǎng)運(yùn)行；否則允許光伏逆變器切出。b）電力系統(tǒng)故障期間，沒有脫網(wǎng)運(yùn)行的光伏逆變器，其有功功率在故障清除后應(yīng)能快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開始，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至正常發(fā)電狀態(tài)。c）自電網(wǎng)電壓跌落時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無功電流的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于30ms；且在電壓恢復(fù)到0.9pu期間，光伏逆變器注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流應(yīng)跟隨并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，滿足一定的公式要求。

2、電網(wǎng)電壓不平衡下鎖相算法

當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡跌落時(shí)，必然在電網(wǎng)上產(chǎn)生負(fù)序分量，此時(shí)若光伏逆變器仍按照實(shí)時(shí)采樣進(jìn)行鎖相，必然導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)序電流，進(jìn)一步加重電網(wǎng)故障。因此必須要使用適當(dāng)算法對采樣電壓進(jìn)行正負(fù)序分離，僅對分離后正序分量進(jìn)行鎖相，可以保證光伏逆變器在不平衡電網(wǎng)下能夠輸出正序電流，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。

為保證鎖相環(huán)的準(zhǔn)確性，本文使用了基于單同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)算法，在對電網(wǎng)電壓進(jìn)行正負(fù)序分離的基礎(chǔ)上，首先進(jìn)行Clark變換，將三相靜止坐標(biāo)系abc下的電壓轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系alpha/beta下的電壓，然后再進(jìn)行Park變換，將靜止兩相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的Ud/Uq。通過控制Uq=0來作為鎖相成功的標(biāo)志，即使得三相合成旋轉(zhuǎn)矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)q軸上的分量為0來實(shí)現(xiàn)鎖相。

3、電網(wǎng)電壓恢復(fù)后逆變器有功恢復(fù)策略

為做到故障消除后光伏逆變器能夠快速實(shí)現(xiàn)功率恢復(fù)，在判斷進(jìn)入零電壓穿越時(shí)，光伏逆變器必須及時(shí)記錄故障之前的內(nèi)環(huán)電流給定，以及故障之前的最大功率點(diǎn)電壓。當(dāng)判斷電壓故障消除后，快速恢復(fù)之前的最大點(diǎn)電壓及內(nèi)環(huán)電流給定。快速向電網(wǎng)提供有功支撐，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。

4、總結(jié)

通過對理論及算法的研究，作者對上述控制策略在500KW光伏逆變器上進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，取得了良好效果，并順利通過國網(wǎng)電科院的零電壓穿越認(rèn)證，為光伏逆變器廠家能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓穿越功能提供了參考。