光伏并網系統低電壓穿越控制策略研究

郭殿林，李勇超，李凱飛

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，哈爾濱 150022)

0 引 言

近年來，隨著全球環境污染問題和化石能源危機的不斷加劇，太陽能等清潔可再生能源受到了越來越多關注，光伏發電產業得到了快速發展[1-2]。為了保障并網系統以及整個電網的安全穩定運行，各個國家都會根據本國的國情對光伏電站低電壓穿越做出具體的要求。當電網電壓跌落時，對于并網電流限制其不過流，維持逆變器不發生脫網是實現穿越的核心。對于限制逆變器不過流，文獻[3]分析了光伏發電系統的滲透率，進而分析光伏系統的暫態影響因素，結果表明維持LVRT的穩定對系統暫態過程具有重要意義；文獻[4]采用了當電壓跌落時輸出無功電流電壓的支撐作用；文獻[5]提出了利用虛擬磁鏈控制技術，在電壓跌落時，通過改進的瞬時對稱分量法提取出電壓的正序分量，在基于系統中配置儲能裝置的基礎上，控制逆變器兩端功率的平衡，使得逆變器輸出支撐的無功分量完成穿越；文獻[6]在實現單位功率因數并網的基礎上，提出一種新型的基于一階慣性濾波正序分離的鎖相控制技術，避免電壓跌落時傳統檢測方式的延時造成的誤差，對電壓進行及時檢測，提高了LVRT控制性能；文獻[7]提出電網不對稱跌落時，利用基于SOGI鎖相環技術對于電網電壓的正負序量進行分離提取，又設計電網正序電壓矢量定向控制的方法，保證電壓跌落期間并網光伏系統的穩定運行。

此文主要探討在電網電壓跌落條件下，基于雙二階廣義積分的鎖相環來進行電壓暫降深度檢測。為了保持電網故障狀態下低電壓穿越能力，研究具有無功支撐的低電壓穿越控制策略，當檢測到電壓跌落時，斷開正常工作的雙閉環系統的電壓外環，使其成為單電流內環的閉環系統，通過不同的跌落深度來重新計算和分配有功電流指令和無功電流指令，實現光伏并網的正常運行到電網恢復。

1 光伏逆變器的拓撲結構和數學模型

選擇二極管箝位式(NPC)三電平拓撲為光伏并網逆變結構，結構如圖1所示。

圖1 二極管箝位型三電平逆變拓撲結構Fig.1 Topology of diode neutral point clamped three-level inverter

其中Vdc為逆變器直流輸入電壓，C1和C2為直流側母線電容，而且C1=C2，理想狀態下，C1和C2的兩端電壓相等，等于1/2Vdc。在拓撲結構中，O點為直流側的中點。整個逆變器共有3個相同的橋臂，分別為A、B、C橋臂，每一個橋臂有4個功率開關管，4個續流二極管，2個箝位二極管。該拓撲控制采用具有平衡因子的空間矢量調制技術(SVPWM)，保證光伏變換器的2個電容電壓保持穩定，實現了中性點電壓平衡控制。

2 平衡狀態下閉環控制策略

根據瞬時無功理論,逆變器產生的瞬時有功如等式(1)所示：

P=v·i

(1)

式中：v=[vavbvc]是電壓矢量，i=[iaibic]T是電流矢量，電壓與電流相乘是標量積。對于給定的電壓矢量，有無窮大的電流矢量，它們能夠向電網傳遞完全相同的瞬時有功功率。 產生正弦電流的電流矢量由式(2)得出：

(2)

式中：P是平均有功功率，V+是正序電壓矢量。在式(2)中的電流矢量由一組完全平衡的正序正弦波形組成，與正序電壓矢量單調成正比。直流電壓控制動態性緩慢，因此，在每個電網電壓周期中，有功功率基準將被認為是一個常數，除了矢量V+具有恒定的振幅。 因此，參考電流矢量具有恒定的振幅,這個振幅由式(3)給出：

(3)

式中：符號＾表示峰值。從式(2)可以定義最大功率為

(4)

該表達式限定電網電流幅度，且其中的V+是正序電壓的函數，因此任何導致此值下降的故障都會降低逆變器輸出的平均功率。上述分析是在一般坐標系下推導的，同樣可以用于靜止參考坐標系以及任何其他參考系。

圖2 雙閉環控制框圖Fig.2 Block diagram of double closed-loop control

3 低電壓穿越控制策略

3.1 基于雙二階廣義積分鎖相環的電壓跌落檢測

在電壓不對稱跌落的情況下，負序基頻分量會產生二次諧波，嚴重地影響最終的檢測結果，所以必須要把正序分量和負序分量分離進而檢測正序的相位和頻率信息，而雙二階廣義積分器檢測(SOGI)可以達到目的。二階廣義積分器本質是一個帶通濾波器，對中心頻率的信號增益大，并且相移為零，但是當信號的頻率發生偏移時，信號增益會變小。二階廣義積分器是由正交信號發生器、正負序計算模塊、PI控制器、積分器和坐標變換模塊組成，其結構原理圖如圖3所示[8]。

3.2 低電壓穿越無功支撐控制策略

當光伏并網系統在正常工作時，采用雙閉環控制策略穩定運行，系統發生故障導致電壓跌落時，若還是保持原有的控制策略進行工作，那么就會導致系統整體過電流，可能導致系統脫網，而且系統功率器件可能會因為過電流從而燒毀，所以當發生電壓跌落時，要采用無功支撐的低電壓穿越控制策略保證系統不脫網運行。保證前級光伏電池的功率和逆變器的輸出功率相等并且可以限制逆變器過流，對有功電流和無功電流指令的重新分配而達到低電壓穿越的過程。

在電網發生故障時，要把并網電流限制在1.1倍的額定電流，則有

(5)

根據式(5)可知，如果有功電流指令維持原狀，那么無功電流指令一定要低于額定電流的0.46倍，若超出該值，那么逆變器將會過流。所以，當電壓跌落深度增加時，如果要提升無功電流指令，就一定要對有功電流指令進行減小控制。

靜態無功補償和電壓跌落深度之間的關系為

式中：UN為額定電壓；U0為跌落前電壓值；Iq為跌落無功電流；Iq0為跌落前無功電流；IN為額定電流。

則無功電壓指令也可以表達為

UN可以經過前饋控制計算得出。而電流被限制為

Iq

一般規定k≥2，此次取2，當逆變器輸出為額定電流時，有功電流指令為

所以，當電網發生電壓跌落的時候，采用圖2中的電流單閉環控制策略。

4 仿真分析

根據以上分析，搭建了Matlab的仿真模型，具體仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數Table 1 Simulation parameters

4.1 電壓跌落檢測仿真

對SOGI電壓跌落檢測進行仿真驗證，首先設置電壓三相對稱跌落，同樣使電壓發生60%跌落，共0.4 s，并且在0.2 s時發生跌落，得到如圖4所示波形。

圖4 對稱跌落時并網點電壓及其d軸分量Fig.4 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when symmetrical sag occurs

由上分析，當電網發生三相對稱跌落時，可以檢測到電壓d軸有功分量跌落，并且最終穩定，證明可以檢測電壓跌落深度。

當電網發生不對稱跌落時，仿真條件同上，當發生一相跌落時，則得到如圖5所示波形。

圖5 一相跌落時并網點電壓及其d軸分量Fig.5 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when single-phase sag occurs

通過上述仿真分析，可知在0.2 s時a相發生跌落60%時，二階廣義積分器在檢測電網電壓d軸有功分量在發生跌落后迅速穩定，說明其可以檢測單相電壓跌落。

當電網發生兩相跌落時，在相同的條件下得到的波形如圖6所示。根據圖6(b)的仿真波形，可以發現當電網發生兩相電壓跌落時，二階廣義積分器檢測的電壓d軸有功分量，在發生電壓跌落之后可以迅速穩定下來，表明其可以檢測不對稱兩相電壓跌落的情況。

圖6 兩相跌落時并網點電壓及d軸分量Fig.6 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when two-phase voltage sag occurs

4.2 低電壓穿越控制策略仿真分析

首先分析電壓跌落10%的工作情況，當電網電壓在0.2 s時跌落10%，在0.3 s時電壓恢復。當電壓跌落時，逆變器的輸出電流小于1.1倍的額定電流，此時并沒有超出規定的要求，逆變器繼續以雙閉環控制策略運行，而逆變器輸出的P和Q與正常時并沒有很大區別，所以當電網電壓跌落10%時對逆變系統影響很小，工作波形如圖7、圖8所示。

圖7 電壓跌落10%并網點電壓電流Fig.7 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 10%

圖8 電壓跌落10%逆變器輸出有功和無功功率Fig.8 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 10%

當電網電壓跌落60%時，得到如圖9、圖10所示仿真結果。根據電網電壓跌落60%的仿真波形圖可以看出，此時電壓跌落較為嚴重,但是逆變器的輸出并網電流依然被限制在1.1倍的額定電流之內，且在電壓跌落60%的情況下，呈現輸出無功功率升高，而輸出的有功功率下降的趨勢。只不過電壓跌落60%的情況會出現較大的抖動，這是因為此時電壓跌落較大，暫態過程相對較為劇烈，很小的電流變化就會引起較大的功率的波動。此時依然能夠采取基于無功支撐的低電壓穿越控制策略而達到目的。

圖9 電壓跌落60%并網點電壓電流Fig.9 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 60%

圖10 電壓跌落60%逆變器輸出有功、無功功率Fig.10 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 60%

5 結 語

采用基于雙二階廣義積分器的鎖相環實現了跌落電壓的檢測，二階廣義積分器檢測的電壓d軸有功分量，在發生電壓跌落之后可以迅速穩定下來，保證了檢測效果，運用的低電壓穿越無功支撐控制策略能夠在電壓跌落時保證系統不脫網運行，使系統的穩定性能提高，具有更好的抗干擾能力。通過仿真分析，驗證了電壓跌落時，基于二階廣義積分器的不對稱電壓跌落檢測的準確性和低電壓穿越無功支撐控制策略的可行性。