電壓不對稱故障下光伏逆變器低電壓穿越技術(shù)

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

1 引言

隨著光伏發(fā)電在電力能源中所占比重增加，其對電網(wǎng)的影響日趨顯著。提高光伏系統(tǒng)性能，特別是對電網(wǎng)故障響應(yīng)能力，成為光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的迫切需要。為了適應(yīng)新的電網(wǎng)導(dǎo)則對光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越（LVRT）能力的要求，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注光伏發(fā)電系統(tǒng)的LVRT控制［1］。

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究過程中，一般假設(shè)三相電網(wǎng)電壓是對稱的，但這一假設(shè)條件并不總成立［2］。在電網(wǎng)電壓不對稱情況下，以三相電網(wǎng)電壓對稱為約束條件設(shè)計的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)就會呈現(xiàn)不正常運行狀態(tài)。一方面將在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生大量諧波，污染電網(wǎng)，降低電能質(zhì)量［2-3］；另一方面光伏陣列發(fā)出功率與并網(wǎng)功率不平衡，導(dǎo)致逆變器直流側(cè)電壓上升，輸出電流增大，可能導(dǎo)致逆變器過流保護而停機脫網(wǎng)。

本文針對電網(wǎng)電壓不對稱的情況，分析了逆變器的運行特性。在此基礎(chǔ)上引入結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負序雙電流內(nèi)環(huán)控制，以實現(xiàn)對正、負序電流的獨立控制［4］。本文采用了抑制交流側(cè)負序電流的平衡電流算法，并對該算法進行仿真驗證。

2 光伏逆變器的基本結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用單級式拓撲，逆變器采用三相橋式無中線電壓型PWM逆變器。

圖1 單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Configuration of single-stage grid-connected PV systems

3 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略

兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下基于PI調(diào)節(jié)器的電壓電流雙閉環(huán)控制方式目前應(yīng)用最為廣泛，控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。電壓外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)有功電流指令值，電流內(nèi)環(huán)控制并網(wǎng)電流［4-5］。

圖2 逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Double closed-loop control structure of inverter

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方式在電網(wǎng)電壓不對稱故障下，由于負序電網(wǎng)電動勢和負序交流電流的存在，逆變器輸出功率會發(fā)生2倍工頻的正弦波動，直流側(cè)電壓含有2倍工頻紋波，輸出電流波形發(fā)生畸變［1，4］。故必須提出新的控制方案。

4 不對稱電壓下的控制策略

4.1 不對稱電壓下瞬時復(fù)功率計算

電網(wǎng)電壓不對稱故障下逆變器輸出的瞬時有功功率P和無功功率Q表達式為［3-6］

式中：P0，Q0分別為有功、無功功率平均值；Pc2，Ps2和Qc2，Qs2分別為2次有功和無功余弦、正弦項諧波峰值；edp，eqp，edN，eqN和idp，iqp，idN，iqN分別為電網(wǎng)電動勢矢量和電流矢量在正負序坐標系d，q軸上的投影。

平均有功功率指令由電壓外環(huán)計算給出：

式中：kvp，kvi為電壓外環(huán)的PI參數(shù)。

本文采用在正負序同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，電網(wǎng)正、負序電壓分別定向的矢量控制策略［2，4］。

4.2 抑制交流側(cè)負序電流的LVRT控制策略

電網(wǎng)電壓不對稱故障時，網(wǎng)側(cè)電流的限幅作用使得并網(wǎng)總功率下降，功率不平衡導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高［7］。根據(jù)光伏池板PV與IV特性曲線分析，光伏池板輸出功率減少同時向最大功率點右側(cè)移動。當前控制目標為電網(wǎng)故障前后并網(wǎng)電流實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，有效抑制電流上升；同時要求電流負序分量得到有效抑制，并網(wǎng)電流具有高平衡度。

式中：kp，ki分別為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)。

根據(jù)以上各式得到電壓不對稱故障時抑制網(wǎng)側(cè)負序電流的雙電流內(nèi)環(huán)控制框圖，如圖3所示。

圖3 抑制負序電流的雙電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.3 Control block diagram of double current inner loop with restraining negative sequence current

由圖3可知LVRT控制策略可概括為：逆變器采用外環(huán)控制中間直流電壓，內(nèi)環(huán)采用正負序雙電流環(huán)控制的閉環(huán)控制策略。直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出作為平均有功功率參考值。并網(wǎng)電流的正負序分量分別經(jīng)過正反向同步旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)化為直流量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，對正負序參考電流分別進行跟蹤［8］。引入電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)?？紤]逆變器電流安全限值，根據(jù)電壓跌落深度U計算出合適的有功電流系數(shù)K，確保逆變器不因過流保護而停機脫網(wǎng)，實現(xiàn)低電壓穿越運行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink中建立了圖4所示容量為220 kW的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。

圖4 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of grid-connected PV system

PV模擬電源參數(shù)如下：開路電壓735.6 V，短路電流461.44 A，最大功率點電壓為578.4 V，最大功率點電流為381.21 A。逆變器主要參數(shù)如表1所示。直流電壓給定采用恒壓法，調(diào)制方法為SVPWM。

表1 逆變器參數(shù)Tab.1 Power inverter parameters

本文只對單相接地故障進行仿真分析。仿真條件為0.6～0.7 s時發(fā)生A相電壓跌落，跌落到0.2（標幺值）。發(fā)生故障前系統(tǒng)運行于額定功率下，最大電流限幅為1.2（標幺值）。在故障發(fā)生時，對采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方法與本文采用的LVRT控制方法時逆變器運行情況進行分析，仿真波形如圖5、圖6所示。

圖5 傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of traditional double closed-loop control mode

圖6 低電壓穿越控制方法的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of LVRT control mode

通過上面的仿真波形可以看出：電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落80%故障時，若采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)控制方法，逆變器輸出電流瞬間增大，且跌落相電流幅值超過最大電流限幅1.2（標幺值），導(dǎo)致逆變器過流保護、停機脫網(wǎng)；并網(wǎng)電流含有負序分量引發(fā)電流不平衡，交流側(cè)電流畸變較大，3次諧波明顯，污染電網(wǎng)；不對稱電壓和電流中的負序分量導(dǎo)致逆變器輸出瞬時有功功率P、無功功率Q中含有2倍工頻的波動分量，功率波動會在直流側(cè)母線電壓上產(chǎn)生2倍工頻振蕩，有功電流呈2倍工頻振蕩。

采用抑制網(wǎng)側(cè)負序電流的LVRT控制方法時，成功抑制并入電網(wǎng)的有功電流2倍工頻振蕩，逆變器輸出電流正旋度較好且平衡，實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡；有效抑制電流上升，保證逆變器繼續(xù)并網(wǎng)運行。

2種控制方法中網(wǎng)側(cè)電流的限幅作用導(dǎo)致并網(wǎng)功率P的直流分量減小，功率不平衡導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓升高。采用抑制負序電流的LVRT控制方法時直流母線電壓和無功功率的波動較小，并網(wǎng)電流3次諧波被成功抑制且THD值明顯減小。

6 結(jié)論

本文對光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障時的運行狀況進行分析研究，采用了一種根據(jù)瞬時有功功率和無功功率給定計算正負序參考電流、以抑制交流側(cè)負序電流為目標的低電壓穿越控制策略。仿真結(jié)果表明，本文采用的控制方案無需增加額外硬件保護裝置，只需改變光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，即可實現(xiàn)電網(wǎng)電壓不對稱故障下光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越運行。

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