基于多功能有源濾波器光伏發電系統LVRT控制策略研究

李智，謝宇哲，吳越，鄭峰

(1.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315020；2.福州大學電氣工程自動化學院，福建 福州 350116)

1 引言

光伏發電技術在我國得到了迅猛發展[1]，但隨著高滲透率光伏系統并網運行，使其與大電網系統間的聯系越發緊密。而當大電網發生短路故障引起系統電壓跌落時，若將大功率光伏發電系統瞬間切除則會對大電網穩定運行產生嚴重的負面影響[2-3]。為增強含高滲透率光伏能源電力系統的安全性能，國家電網公司在分布式電源并網接入標準中明確要求光伏電站應具備LVRT能力[4]。

目前，針對光伏發電系統LVRT方面的研究已經取得了一定的成果。文獻[5-9]利用坐標變換將電壓電流轉換到dq坐標系中來實現逆變器有功和無功的解耦控制。文獻[10-11]則在電網電壓發生不對稱性跌落時利用正負序分解對正序分量進行單獨控制，保證光伏并網系統在不對稱情況下輸出對稱故障電流。文獻[12]與文獻[11]相似，在電網電壓發生不對稱跌落時，三相并網逆變器采用PR控制實現了其輸出故障電流的對稱性。但上述策略均忽略了并網逆變器限幅作用所產生的并網逆變器交、直流兩側功率不平衡問題，以及由此引起的直流側電容過壓問題。文獻[13-14]在逆變器直流側加裝卸負荷設備，在故障期間通過卸荷電阻消耗光伏陣列發出的功率來維持逆變器兩側的功率平衡，進而維持直流母線電壓的穩定，并限制交流側并網電流的過流。文獻[15]通過在故障點與公共連接點動態地插入電阻來提升并網點的電壓，改善故障期間的有功平衡，進而阻止直流側電壓驟升。雖然上述策略通過加入硬件設備可實現光伏發電系統LVRT，但所引硬件設備只在故障情況下工作，系統正常運行時處于閑置狀態，利用率低下且成本高。文獻[16]通過將儲能系統和靜止同步補償器相結合，實現有功和無功功率的靈活控制，但是整體成本顯高且控制復雜。

本文在上述研究的基礎上提出了一種基于三相級聯H橋多功能柔性限流器的光伏發電系統LVRT控制策略。通過在光伏發電系統并網逆變器交流側并聯引入多功能級聯H橋，當系統正常運行時，級聯H橋基于模型預測控制實時補償光伏發電系統并網電流諧波，提高并網電流電能質量，當系統發生故障電壓發生跌落時，級聯H橋則依據電網電壓跌落程度向電網注入一定的無功功率來支撐電網電壓，提高提高光伏發電系統動態恢復水平，同時通過Boost變換器依據系統電壓跌落比，執行Non-MPPT，降低光伏陣列輸出功率，維持并網逆變器交、直兩側功率平衡，最終實現光伏發電系統LVRT。

2 光伏電站低電壓穿越的要求

國家電網公司《光伏發電站接入電網技術規定》明確要求光伏發電站應具備LVRT能力，并給出對應標準要求。如圖1所示，當光伏電站并網點電壓跌至0時，光伏發電站應能不脫網連續運行0.15s；當并網點電壓跌至曲線0.9以下時，光伏發電系統應具備一定的動態無功支撐能力，且光伏發電站注入電網系統的無功電流Iq應實時跟蹤并網點電壓變化[4]，并滿足:

圖1 光伏電站LVRT能力要求

式中，UT為光伏發電站并網點電壓標幺值；IN為光伏電站輸出額定電流。

3 級聯H橋拓撲結構與工作原理

圖2為級聯H橋的拓撲結構。如圖2所示，每個級聯H橋由n×m個子單元組成，并以串、并聯方式聯接。其中，級聯H橋每個子單元均為全橋結構，且通過4個高頻開關控制橋臂開斷。而子單元串、并聯亦可分別實現分壓、分流功能。根據圖2可知，串聯式級聯H橋第i個子單元的邏輯開關函數:

圖2 級聯H橋的拓撲結構

則級聯H橋的輸出電壓可以表示為:

由于三相級聯H橋的獨立控制，若假定單相并聯間的級聯H橋采用均流方式控制，則只需分析單相、單串級聯H橋接入情況，如圖3所示。圖3中，ih為級聯H橋的輸出電流，u為接入點電壓，Rh為線路電阻，Lh為濾波電感。根據基爾霍夫電壓定律，級聯H橋輸出動態微分方程為:

圖3 級聯H橋并網結構

設控制系統采樣周期為T，在(tk，tk＋1)時間內，對式(4)進行離散化處理，得到:

由式(5)可得tk＋1時刻，級聯H橋輸出電流為:

根據式(2)與式(3)可知，單串級聯H橋不同開關組合方式，就可得到不同輸出電壓u0，將不同的u0帶入式(6)，則可得到不同的輸出電流ih。若并聯級聯H橋每個串聯單元采用均分控制模式，則只需分析單個串聯單元的控制模式即可，則第i串級聯H橋輸出電流為:

串聯級聯H橋每個子單元采用均壓控制方式，則子單元第i個H橋的輸出電壓為:

將式(7)與式(8)帶入式(6)，則:

根據式(3)可知，級聯H橋每個子單元4個高頻開關，具有22種開關狀態，而每一種開關狀態分別對應于一個輸出電壓。因此，若將第i個子單元的4個不同輸出電壓值u0_i帶入式(9)，即可求得4個不同的輸出電流值ih_i。

假設以光伏發電系統輸出電流ig_ref為級聯H橋的控制目標，構建價值函數c[17]:

通過評價每個子單元H橋的邏輯開關函數，選取可使價值函數c取得最小值的開關函數值，并將該函數值所對應的開關狀態動作于下一個周期。經過不斷的重復計算，若開關頻率較高，則可使光伏發電系統輸出電流實時、快速追蹤控制目標值。若以光伏發電系統輸出標準電流為其控制目標，則可消除其輸出電流所含諧波分量；若以增強光伏發電系統動態恢復性能為其控制目標，則可根據光伏發電系統低電壓穿越中所需無功電流為級聯H橋柔性限流器的控制目標，為電力系統提供無功支撐，提高光伏發電系統并網點電壓，增強其動態恢復性能。

4 級聯H橋的參數設計

除了級聯H橋的控制策略外，多功能柔性限流器設備參數如何設置，也將對其控制效果產生影響。級聯H橋的相關設備參數設計主要分為以下幾個方面:

(1)如何確定級聯H橋兩端的最大輸出電壓Um。根據上一節的分析可知，當光伏發電系統正常運行時，級聯H橋需要向接入點注入電流消除入網電流的諧波成分，當發生低電壓穿越故障時，級聯H橋需要向接入點注入無功電流來支撐并網點電壓的恢復，同時抑制故障電流的增大。為了保證級聯H橋的注入電流能夠實時追蹤目標值，考慮到可能發生的最極端的情況，最大輸出電壓Um應大于接入點相電壓的峰值:

其中，Upeak為接入點相電壓峰值，KM為電壓裕度系數，可根據目標注入電流大小進行調整。

(2)如何確定級聯H橋中并、串聯支路數m、n。當級聯H橋并入大電網，需要考慮該設備耐壓水平，為防止級聯H橋高頻開關因為過壓而被擊穿，因此:

其中，Uwv為單個H橋子模塊耐壓水平，KO為過電壓系數。

同時，還要考慮設備的耐受電流水平，防止級聯H橋因為注入電流過大而發生過流故障，因此:

其中，Iwi為每個H橋子模塊的耐受電流水平，IN為并網點的額定電流。

由式(12)與(13)可知，級聯H橋并、串聯支路數m、n越大，H橋子單元耐壓、耐流水平越高，同時亦可減小直流側電容容量及其電壓Udc。但出于成本考慮，根據實際情況決定H橋子單元并、串聯支路數 m、n。

(3)如何確定限流電阻Rh、濾波電感Lh。限流電阻Rh主要作用是防止暫態過程中級聯H橋注入電流過大，但Rh過大會消耗大量功率，因此根據目標注入電流大小來確定Rh。濾波電感Lh主要作用是抑制級聯H橋注入的沖擊電流，一般來說，Lh越大抑制效果越好，但級聯H橋追蹤目標電流的動態性能會隨之降低。為了適應目標電流的變化率，持續追蹤目標電流，根據式(5)，注入電流ih應當滿足以下要求:

因此，可根據式(13)取電感Lh預估值，為平衡限流器動態性能與抑制沖擊電流作用效果，電感Lh則可依據限流器實際需求設置其數值大小。

5 光伏發電系統控制策略

5.1 并網器控制策略

當并網逆變器采用單dq坐標系時，若電網發生不對稱性故障，則控制系統引入的電壓正、負序分量在負、正序dq坐標中的投影將分別出現兩倍頻交流量[18]，而該兩倍頻交流量存在將使傳統控制系統失效。為順利實現控制目標，逆變器控制系統采用正負序dq坐標，則并網逆變器數學模型:

其中，ω表示坐標軸旋轉頻率。ki_P/ki_I、ki_P/ki_I分別為電流內環、電壓外環PI控制器參數。

5.2 自適應Non-MPPT算法

設定光伏陣列輸出功率:Ppv；并網逆變器直流側電壓:udc；并網逆變器輸出功率:P。根據逆變器直、交兩側能量傳函，則:

式中:C為逆變器直流側電容。依據正序、負序dq旋轉坐標系，使并網逆變器輸出三相對稱電流。則不同運行工況下，逆變器輸出功率P為:

式中:Ug為并網點額定電壓，r為電壓跌落程度。若故障期間保持光伏陣列輸出功率Ppv不變，則直流側電容C上的功率變化為:

而故障期間:

由于故障時逆變器直、交兩側不平衡能量無消耗或存儲路徑，則直流電容電壓udc升高，造成C過壓。倘若此時將Ppv調節為:，則可使直、交兩側輸出功率平衡。光伏發電系統前級Boost變換器占空比[20]:

式中，Isc為短路電流；Uoc為開路電壓；Im為最大功率輸出電流；UPV_(k-1)/UPV_(k-2)與IPV_(k-1)/IPV_(k-2)分別為k-1、k-2時刻采樣電壓、電流。根據式(21)與式(22)可知，只需根據k-1、k-2時刻采樣電壓、電流即可求得當前環境條件下的最大最大功率輸出電壓Um，進而通過PI控制實現占空比調節，使光伏陣列輸出電壓Upv接近于Um，實現光伏陣列的最大功率輸出。當外部系統發生故障時，需將光伏發電系統輸出功率Ppv調節為。 此時，光伏陣列輸出電壓Upv則需調整為:

因此，基于自適應Non-MPPT算法，可使光伏發電系統在外部發生故障時，快速、精確調節光伏陣列輸出功率，保證其輸出故障電流在控制范圍內。

6 仿真驗證

6.1 算例參數說明

依據圖4，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建光伏發電系統模型，對含多功能柔性限流器的光伏發電系統暫態特性進行定性分析。表1給出系統仿真參數。為了便于仿真分析，在此假定光伏陣列處于標準環境條件下(S＝1000W/m2，t＝25℃)。

圖4 光伏發電系統仿真模型

表1 系統仿真參數

6.2 基于級聯H橋的諧波補償

在不投入級聯H橋的情況下，光伏電站正常運行。如圖5所示，為了更好地證明級聯H橋的諧波補償功能，在光伏逆變器交流側a相加入幅值為20A的3次諧波，在b相加入幅值為40A的6次諧波，在c相加入幅值為60A的3次諧波。

圖5 光伏發電系統入網電流

在0.5s時，在接入點投入級聯H橋。級聯H投切前后各相電流諧波幅值的對比如圖6所示。a相的總諧波失真從21.20%下降為1.69%，b相的總諧波失真從28.62%下降到1.68%，c相的總諧波失真從41.79%下降到1.67%。可明顯看出，級聯H橋的投入對并網電流的諧波補償效果十分明顯，各相的諧波分量基本被消除。

圖6 級聯H橋投切前后諧波幅值對比

6.3 不同故障場景下仿真分析

假定光伏發電系統以額定功率運行，功率因數為1，0.5s時K1處發生三相短路故障，0.6s時故障消除，系統恢復正常運行。當光伏發電系統發生對稱性故障時，根據并網點電壓跌落程度，設置目標有功電流和無功電流，然后通過dq/abc坐標變換得到三相參考電流，再進一步得到級聯H橋的目標注入電流，將其帶入價值函數，得到級聯H橋的開關信號。

如圖7所示，并網點電壓在故障期間下降了50%。入網電流在跌落開始和跌落結束時有幅值和相位上的波動，其他時間基本保持不變，因此不會因為并網電流過流而損壞器件或觸動保護使斷路器關斷。當并網點電壓發生跌落后，級聯H橋根據電壓跌落程度立即向并網點注入21kW左右的無功功率，滿足了低電壓穿越的要求。并網逆變器a相輸出電流在故障發生時會短暫升高，隨后迅速跌落，故障結束后又恢復到正常水平。逆變器直流側電壓在故障期間保持額定值基本不變。從并網點電壓對比圖可以看出，采用LVRT策略之后并網點電壓得到了明顯的提升。

圖7 平衡故障下的光伏系統低電壓穿越仿真結果

非平衡故障包括單相短路接地故障，兩相短路故障以及兩相短路接地故障，這里以單相短路接地故障為例進行分析。

系統0.5s時在K1處發生單相短路接地故障，0.6s時故障消失，系統恢復正常運行。如圖8所示，發生單相接地故障時，并網點a相電壓發生跌落，其他兩相不變。由于整體電壓的跌落程度較低，入網電流在故障瞬間的波動較小，幅值始終維持在額定值。故障發生后，級聯H橋快速動作。向電網注入一定的無功功率來支撐電網電壓的恢復，但是由于電網電壓的不對稱，注入的功率產生了二次頻波動。并網逆變器交流側在故障期間沒有出現過流現象，直流側維持額定電壓不變。采用LVRT策略之后并網點電壓在故障期間得到了提升，故障結束后，系統恢復正常，較好地實現了非平衡故障下的低電壓穿越。

圖8 非平衡故障下的光伏系統低電壓穿越仿真結果

7 結論

隨著越來越多的光伏電站并網運行，新的光伏并網標準要求大容量光伏電站具有一定的低電壓穿越能力。本文提出了一種基于三相級聯H橋的光伏發電系統低電壓穿越控制策略。當光伏發電系統正常運行時，級聯H橋基于模型預測控制向并網點注入目標電流來消除并網電流中的諧波成分，為并網電流提供諧波補償，提高并網電流的質量。當大電網發生短路故障引起并網點電壓跌落時，級聯H橋根據并網點電壓的跌落狀況向大電網注入無功功率來支撐電網電壓的恢復，最終實現了光伏發電系統的低電壓穿越。在光伏并網滲透率越來越高的背景下采用文中提出的方法可以有效的降低電網系統風險，提高電網的穩定性。