基于直接電流控制的ZVRT控制方法

李子然 王永博

【摘?要】ZVRT是由我國率先提出的光伏并網要求，本論文在充分了解光伏發電原理和并網控制的基礎上，對單級式并網逆變器在電網側不同故障下的響應特性進行全面深入的分析。根據并網規定要求，提出一種基于直接電流控制的ZVRT方法。

【關鍵詞】光伏電站;ZVRT技術要求;ZVRT控制方法

1 光伏電站ZVRT技術要求

ZVRT是指當電網發生故障導致并網點電壓出現跌落乃至為0時，光伏電站依然能夠保持并網運行一段時間，并向電網提供一定的無功支撐以幫助跌落電壓恢復。國家電網公司出臺的《光伏發電站接入電力系統技術規定》中要求光伏電站的ZVRT能力應滿足：

（1）并網電壓跌至0時，光伏發電站應能不脫網連續運行0.15s;

（2）并網點電壓跌至曲線1下方時才可以從電網切出。

并對有功功率的恢復速度有具體要求為：自故障清除時刻算起，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前水平。同時根據ZVRT要求，當電網故障導致并網點電壓跌落時，光伏電站注入電網的動態無功電流應滿足：

（1）自電壓跌落時刻起，的響應時間不大于30ms;

（2）自響應時刻起直到電壓恢復至0.9pu期間，注入電網的應實時跟蹤并網點電壓變化，并滿足：

其中，為光伏電站并網點電壓標幺值，為并網側額定輸出電流。

ZVRT要求當電網電壓跌落至0時光伏電站仍并網運行0.15s。而之前的LVRT則要求電網電壓跌落時允許光伏電站并網運行的最低電壓為0.15倍的額定電壓，當并網電壓低于該值時，光伏電站須從電網切除。因此相比于LVRT，ZVRT對光伏電站的穩定運行提出了更高的要求。

2 基于直接電流控制的ZVRT方法

2.1 直接電流控制原理

逆變器的電流控制方式有直接控制和間接控制。間接電流控制就是把逆變器當作交流電壓源看待，通過對逆變器輸出側交流電壓相位和幅值的間接控制來改變并網電流。而直接電流控制是在dq坐標系中采用跟蹤型PWM技術直接實現對并網電流瞬時值的反饋控制。跟蹤型PWM技術通過實時計算實際電流與給定電流的偏差并將其與高頻三角載波進行比較，從而輸出對應的PWM信號，以便控制逆變器得到所需要的電流波形。直接電流控制的響應速度快，控制精度高，由于引入了實時負反饋，其能對交流側電網電壓和直流側電壓的波動迅速做出反應，由此來保持并網電流對參考值的及時跟蹤。而間接電流控制雖控制原理簡單、易于實現，但響應速度慢，但對外界干擾較為敏感，且控制精度低。因此在逆變器控制中，直接電流控制的應用較為廣泛。

2.2 電流給定值的計算

在電網電壓跌落期間，導致逆變器脫網的主要原因是逆變器并網電流過流，而非直流側電壓的上升。因此在直接電流控制ZVRT的方法中，不考慮逆變器直流側電壓，只考慮并網電流。并且由于電網發生非對稱故障時，傳統dq變換中有二倍頻交流量，因此在輸出電流的給定及控制中，應該在正負序旋轉坐標系中進行。

根據國家電網對輸出電流的要求，在ZVRT期間，為滿足分段不等式（公式1），將故障期間注入的無功電表示為：

為確保并網電流在電網電壓跌落期間對稱不過流，令其負序電流分量的指令值、為0，即

為確保并網電流按《光伏發電站接入電力系統技術規定》要求向電網注入無功電流，無功電流的指令值可給定為：

同時，為確保并網電流不過流，有功電流的指令值可給定為：

綜上，ZVRT期間并網電流的指令值可如下表示：

2.3 控制參數的整定

在直接電流控制的ZVRT過程中，為了使實際電流較快地跟隨給定值，需對電流環進行設計。由于光伏系統中的SPWM模塊存在數據采樣延遲環節及控制延遲環節，所以可將逆變器的傳遞函數等效成一個高增益的慣性環節，即

其中，為橋路PWM的等效增益;為開關周期（采樣周期）。

根據基爾霍夫定律，濾波電路的傳遞函數為：

為簡化分析，將PI控制器的傳遞函數寫成零極點的形式，即

從而得到ZVRT中電流環的控制框圖如圖1所示。

在設計電流環時，要讓其具有較快電流響應速度，在此按照典型型系統進行設計。由圖3可以看出，只需用PI控制器的零點抵消控制對象傳遞函數中的極點即可，即。經校正后電流環的開環傳遞函數為：

公式2為直接電流控制的ZVRT中PI控制器參數的計算公式。

2.4 直接電流控制的ZVRT方法

為確保光伏電站在電網故障期間滿足ZVRT規定要求，同時保證并網電流對稱、及時向電網注入無功功率，需對并網電流的正、負序分量分別進行控制。首先，正負序分離模塊分解出逆變器并網電壓和輸出電流的正負序dq分量;其次，電壓跌落深度檢測模塊根據故障電壓的跌落程度來確定逆變器在ZVRT期間的輸出電流，并將其作為輸出電流的參考值;最后經前饋解耦抵消前饋量和耦合量，通過PI控制器得到SPWM發生器的脈沖信號，將其作用逆變器，使得輸出電流跟隨參考電流變化，從而實現光伏并網逆變器的ZVRT。

3 小結

本章詳細介紹了光伏電站ZVRT的相關要求，提出了直流電流控制的ZVRT方法。該方法根據規定要求和跌落深度給定指令電流，通過雙閉環控制實現對正、負序電流有功無功分量的解耦和對指令值的快速跟蹤，從而抑制負序電流并向電網提供一定的無功電流，保證并網電流不過流，確保光伏電站在電壓跌落期間繼續并網運行。

參考文獻：

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（作者單位：中鐵第五勘察設計院集團有限公司）