MW級光伏并網逆變器低電壓穿越控制策略

徐裕勇

（京瑯智能裝備(中山)有限公司 廣東省中山市 528437）

1 引言

為了應對氣候的變化，化石能源的逐漸枯涸，光伏發電等可再生能源原在世界各國能源系統中占比越來越大。隨著風力發電、光伏發電等這種間歇式能源在電網中占比越來越大，它們的波動會嚴重影響著電網的波動, 有可能會引起光伏電站的大面積停止發電，導致局域電網的癱瘓，給整個電網及用電大戶造成巨大損失。因此為了電網系統的高效穩定的運行，要求光伏電站具有一定的低電壓穿越能力。低電壓穿越（LVRT）能力也被認為是光伏并網設備設計制造控制技術上的最大挑戰之一，直接關系到光伏發電的大規模應用[1-2]。因此，為了電網系統更加穩定，光伏電站十分有必要具有低電壓或零電壓穿越功能。目前國內外對單機MW 級兩級拓撲光伏并網逆變器低電壓穿越研究比較少。 本文提出了MW 級光伏并網逆變器兩級系統拓撲，在低電壓穿越過程中為解決電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導致系統保護無法穿越問題引入了逆變母線過壓保護控制環，該控制環有效解決了電壓跌落造成的兩級系統逆變母線過壓問題。

2 MW級光伏并網逆變器兩級控制策略

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

如圖1所示，光伏陣列的電能分兩路交錯進入前級系統，先經過前級Boost 升壓電路，使較低的直流電壓升壓至960V，通過后級逆變系統使母線電壓持續穩定在960V，再通過后級三相全橋逆變電路，經LC 濾波后以620V 交流電壓并網。

2.1 前級MPPT及Boost DC/DC控制分析

在電網穩定運行的環境下，MPPT 功率環是通過改變功率的大小，觀察光伏電池板輸出電壓的變化, 計算出最大功率點后, 輸出量給定到Boost 電壓控制環，通過Boost DC/DC 升壓并把光伏電池板電壓穩定在最大功率點上。當出現低電壓穿越故障時，Boost DC/DC 電壓環切換為對直流母線進行控制，讓直流母線保持平穩，環路間通過故障切換點進行切換，如圖2所示。

2.2 后級DC/AC三相全橋并網控制分析

后級DC/AC 三相全橋并網拓撲框圖如圖3所示。

以并網逆變器Cdc1和Cdc2連接點為直流側的N 點進行分析。文獻[5-8]給出了在abc 靜止坐標系下，其數學模型如下式（1）：

從式（1）看出，三相電流是相互獨立的，控制起來會比較復雜。為了控制更加簡單，我們對它進行d-q 坐標變換，變換矩陣為式（2）：

合并兩式（1）及式（2）得：

圖1：MW 級兩級交錯光伏并網逆變器電路原理圖

圖2：前級Boost 控制框圖

圖3：后級DC/AC 三相全橋并網拓撲框圖

圖4：d-q 旋轉坐標系下的三相系統控制框圖

圖5：逆變母線過壓保護PI 環控制策略

圖6：后級三相全橋逆變控制策略[4]

式中id和iq分別是三相并網逆變器電流在旋轉坐標系下的d 軸分量和q 軸分量，即有功電流和無功電流。Ud和Uq分別是電網電壓在旋轉坐標系下的分量。Sd和Sq是在旋轉坐標系下的開關函數[3-8]。

圖7：低電壓穿越系統控制策略Simulink 仿真圖

圖8：直流母線電壓仿真結果

圖9：MYsolar-1000TL 實驗樣機

如圖4所示，通過旋轉坐標變換后，原來系統的三個交變參數變成了兩個的常量參數，而且在交叉解耦后相互獨立，控制起來非常簡單。控制系統采用母線電壓外環結合并網電流內環結合的方式進行控制。逆變母線電壓外環把直流母線控制在960V，輸出量作為并網電流內環的給定量，通過電流內環設定有功電流id輸出和無功電流iq輸出（電站需要發無功要求）。控制系統通過交叉解耦的方法對它們進行獨立控制。為了使得系統不受電網電壓瞬變影響太大，控制策略中把電網電壓ugd和ugq進行前饋控制，進一步提高控制系統的魯棒性[8]。最后三者相加，輸出并網電壓矢量ud和uq。此方法解耦了有功電流和無功電流，非常適合在低電壓穿越（LVRT）時，系統要發無功電流的要求。

3 矢量法的LVRT控制策略

電壓跌落過程中，由于能量在母線電容上堆積導致逆變母線電壓迅速上升，在母線電壓超過限壓保護環閥值后調用限壓保護環PI，使母線電壓穩定在一定的范圍內不出現過壓情況，即圖5 中的限壓PI 環在母線電壓超過1000V（正常并網穩定在960V）之后調用此PI 環，其輸出量給定前級Boost PI 環的輸入，以減小占空比，防止母線過壓的出現。

對于后級三相全橋控制，如圖6所示，正常時，逆變母線電壓PI 環把母線電壓穩定在960V，此環路的輸出給定有功電流分量同時對無功電流分量設定為0。閉環調節后，經dq/abc變換，電網電壓前饋后得到PWM 調制波對三相全橋進行控制并網。

圖10：三相電壓對稱跌落至20%情況逆變母線電壓(中間橙色為逆變母線電壓波形)

4 系統Matlab／Simulink仿真及控制策略

控制策略在Matlab/Simulink 仿真圖如圖7所示，仿真系統包含光伏電池陣列、雙相交錯DC/DC 升壓電路、后級三相全橋逆變電路、LC 濾波回路及交流電網。

直流母線電壓仿真結果從圖8 可見，在電網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，但一直都維持在一定的范圍而不會出現過壓情況。仿真的結果驗證了該控制策略的可行性。

5 實驗結果

本文的控制策略在明陽公司研發的單機1MW 光伏并網逆變器上進行驗證，并在國家電網電力科學研究院太陽能研發實現中心通過了低電壓穿越實驗，實驗結果證實了該控制策略的可行性。

實驗樣機如圖9所示。

運行工況一，在重載860KW 并網情況下，標準要求三相電壓對稱跌落至20%時的電壓波形、逆變母線電壓波形及并網電流波形如圖10所示。可見當網壓發生跌落時逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩定在一定的閥值上，逆變器能正常并網輸出，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8 仿真的情況類似。

圖11：A 相電壓對稱跌落至20%情況逆變母線電壓（中間橙色為逆變母線電壓波形）

運行工況二，在重載860KW 并網情況下，A 相電壓跌落至60%時的電壓波形、逆變母線電壓波形及并網電流波形如圖11所示。由圖11 可見，網側電壓發生跌落時逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩定在一定的閥值上。逆變器能正常并網輸出，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8 仿真的情況類似。

6 結論

本文對MW 級光伏并網逆變器兩級系統拓撲建立其低電壓穿越仿真模型。為解決在低電壓穿越過程中電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導致系統保護無法問題引入了逆變母線過壓保護控制環，該控制環有效解決了電壓跌落造成的兩級系統逆變母線過壓問題。該控制策略在國家電網電力科學研究院太陽能實驗研發中心得到驗證，實驗所用的樣機MYsolar-1000TL 順利通過了國網電科院的低電壓穿越認證測試。驗證了該控制策略的可行性，對集中式大功率光伏并網逆變器的研發具有一定的引導性作用。