新能源并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越技術(shù)

陳亞愛， 劉勁東， 周京華， 金雍奧

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 電力電子與電氣傳動(dòng)工程中心，北京 100144；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 06500)

0 引 言

近年來，隨著新能源的發(fā)展受到重視，風(fēng)力發(fā)電和光伏電站等新能源發(fā)電的裝機(jī)總量得到了迅速發(fā)展。大量的新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)區(qū)域，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，為保護(hù)風(fēng)電系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的安全，若仍采取被動(dòng)保護(hù)式的解列措施將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)有功輸入大量減少，增加整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至加劇故障，引起其他機(jī)組解列，導(dǎo)致大規(guī)模停電。因此，新的風(fēng)力和光伏并網(wǎng)接入規(guī)則均要求電站必須具備傳統(tǒng)發(fā)電站所具有的有功和無功調(diào)節(jié)能力，以保證電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行；并要求在電網(wǎng)故障條件下，保持一定時(shí)間的不間斷并網(wǎng)，以促進(jìn)電力系統(tǒng)恢復(fù)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上均采用變流器裝置控制，相對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電采用逆變器并網(wǎng)，即發(fā)電站與電網(wǎng)間被逆變器隔離。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)，不會(huì)直接影響到電機(jī)或者光伏電站，無雙饋式發(fā)電機(jī)中必須考慮的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等機(jī)械限制。因此，該結(jié)構(gòu)在低電壓穿越應(yīng)用中具有優(yōu)勢。本文將基于并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，研究直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)。采用MATLAB/Simulink對低電壓穿越方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該方案的可行性和有效性。

1 逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)整流器、直流母線電容、網(wǎng)側(cè)逆變器、濾波器和變壓器組成。永磁發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，整流器和逆變器將電能轉(zhuǎn)化為可接入電網(wǎng)的三相交流電。選取適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，提高并網(wǎng)電能的質(zhì)量。而光伏電站是由電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化為三相交流電。基于并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，將針對該結(jié)構(gòu)下并網(wǎng)逆變器進(jìn)行低電壓穿越控制算法設(shè)計(jì)和仿真研究[1，2]。

圖1 基于并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 并網(wǎng)接入的低電壓穿越要求

新能源并網(wǎng)接入規(guī)則對低電壓穿越要求為： 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型的故障時(shí)(主要包括三相短路、兩相短路和單相接地故障，故障在并網(wǎng)點(diǎn)處電壓表現(xiàn)為三相平衡跌落或不平衡跌落)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至一定曲線區(qū)間范圍時(shí)，風(fēng)電或光伏電站才可以從電網(wǎng)切出，風(fēng)電的穿越曲線要求如圖2中的曲線1所示，光伏電站的要求如圖2中的曲線2所示[3-4]。

圖2 風(fēng)力發(fā)電和光伏電站的低電壓穿越能力要求

對電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的并網(wǎng)逆變器，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開始，以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。根據(jù)穿越曲線的要求，選擇具有代表性的光伏電站低電壓穿越進(jìn)行描述，即對于總裝機(jī)容量在百萬千瓦級規(guī)模及以上的光伏發(fā)電站群，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時(shí)，光伏發(fā)電站在低電壓穿越過程中應(yīng)具有以下動(dòng)態(tài)無功支撐能力。

(1) 當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落時(shí)，光伏發(fā)電站應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)；自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時(shí)間≤75ms，持續(xù)時(shí)間應(yīng)≥550ms。

(2) 光伏發(fā)電站的無功電流饋入不應(yīng)使光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于1.1倍標(biāo)稱電壓。

(3) 光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功電流IT應(yīng)滿足：

式中：UT——光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；

IT——光伏發(fā)電站額定電流。

3 低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)

在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的情況下，通過逆變器控制將直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量三相交流電，且要求電流穩(wěn)定，正弦度好，諧波含量低，同時(shí)頻率和功率因數(shù)需滿足并網(wǎng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常采用直流側(cè)電壓外環(huán)、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，將引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生平衡或不平衡的跌落，由功率平衡關(guān)系可知，電壓的跌落使得并網(wǎng)電流相應(yīng)增加，超出額定值時(shí)引起過電流，危害系統(tǒng)的安全；對于電壓不平衡跌落的情況，存在鎖相信號(hào)紊亂導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)和d、q軸的電流參考值波動(dòng)等一系列問題，這將導(dǎo)致并網(wǎng)電流發(fā)生畸變，影響到發(fā)電系統(tǒng)的不間斷并網(wǎng)，因此必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器控制的低電壓穿越，需重新設(shè)計(jì)鎖相環(huán)節(jié)和引入正負(fù)序分離技術(shù)等。

3.1 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)電壓的不平衡跌落或頻率變化會(huì)引起鎖相角度偏差或鎖相信號(hào)的正弦度差等問題，鎖相信號(hào)的質(zhì)量直接影響到并網(wǎng)電流的波形輸出質(zhì)量[5]。因此，可采用電網(wǎng)電壓正序分量鎖相的方式，解決電網(wǎng)不對稱故障時(shí)的鎖相問題。根據(jù)對稱分量法，可將不平衡的三相電壓分解成平衡的正序分量和負(fù)序分量，取正序分量作為過零鎖相的輸入信號(hào)，從而得到不平衡時(shí)電網(wǎng)電壓正序分量的精確相角。

3.2 正負(fù)序分離技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)抑制并網(wǎng)電流中的負(fù)序分量和獲得正確的鎖相信號(hào)，控制中需要從不平衡的電網(wǎng)電壓中提出正序分量。因不平衡的三相電壓可經(jīng)坐標(biāo)變換后得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量，變換后的表達(dá)式可表示為[2，6，7]

(1)

由式(1)可見，網(wǎng)側(cè)電壓的d、q軸分量均包含直流分量和二倍頻分量，可采用二倍頻陷波器的提取方式濾除等式右側(cè)的負(fù)序二倍頻分量，以獲取正序分量；同樣的方式適用于負(fù)序分量的提取?；诙额l陷波器的正序提取方法如圖3所示。

圖3 基于二倍頻陷波器的正序提取方法

3.3 低電壓穿越控制策略

(1) 控制原理。

低電壓穿越過程中，為了有效地保證并網(wǎng)電流的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)三相平衡，可采用抑制負(fù)序電流的控制策略。該控制算法通過控制交流側(cè)負(fù)序電流

分量為0，使得交流側(cè)只含有正序電流分量而維持三相平衡，控制框圖如圖4所示。

圖4中，電流內(nèi)環(huán)的d、q電流參考值計(jì)算表達(dá)為

(2)

式中：P0、Q0——逆變器并網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率的平均值。

有功功率參考值與直流側(cè)電壓電流有關(guān)，即電壓外環(huán)可采用圖5所示的外環(huán)給定方式。在低電壓穿越期間，為保護(hù)并網(wǎng)逆變器件的安全，須對并網(wǎng)電流的幅值作限定。當(dāng)達(dá)到限幅值以后，逆變器輸出的功率將減小，為維持功率的平衡，可適當(dāng)增加直流母線電壓參考值以直流側(cè)的輸入功率。當(dāng)并網(wǎng)逆變器的前一級為光伏電池板時(shí)，直流母線電壓的上升將會(huì)引起陣列輸出功率不會(huì)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，因此可切除MPPT算法部分。當(dāng)逆變器前一級為永磁發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，考慮背靠背結(jié)構(gòu)的配合控制，采用該控制策略并網(wǎng)逆變器輸出功率將減小，因此，因適當(dāng)修正機(jī)側(cè)整流器的控制以減小永磁發(fā)電機(jī)的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)直流母線能量平衡。

圖4 基于并網(wǎng)逆變器控制的低電壓穿越控制原理圖

圖5 無功支撐曲線

基于并網(wǎng)逆變器的控制策略研究低電壓穿越控制算法，不涉及永磁電機(jī)的控制，因此選取更為直觀的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。根據(jù)光伏電池輸出的功率電壓特性曲線，表1列出了一組針對不同并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落條件下的直流母線電壓的給定值[7]。當(dāng)電壓跌落時(shí)，參考這組參數(shù)實(shí)時(shí)更新外環(huán)的給定值，可有效地提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，快速維持功率的平衡。相對于風(fēng)電系統(tǒng)，光伏陣列直流母線電壓上升，在達(dá)到開路電壓后，光伏陣列的輸出功率為0，此時(shí)直流母線電壓不會(huì)繼續(xù)增大。

表1 直流側(cè)電壓給定值與并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的關(guān)系圖表

因此不會(huì)引起過電壓的問題，這一特性也是光伏低電壓穿越的優(yōu)勢所在。

因電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)過電流，因此可采取d軸電流直接限幅保護(hù)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏陣列的功率輸出。假定向網(wǎng)側(cè)注入一定量的無功，則有功電流給定的最大值不能超過限定值imax，其值應(yīng)滿足

(3)

(2) 無功支撐。

新的并網(wǎng)接入規(guī)則規(guī)定低電壓穿越期間必須具備動(dòng)態(tài)的無功支撐能力，且無功電流支撐與電網(wǎng)電壓跌落的幅度有關(guān)，如圖5所示。因此可通過判定電壓跌落的幅度，調(diào)節(jié)無功功率Q/iq的給定，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)注入的無功電流值。調(diào)節(jié)過程中在滿足無功支撐的前提下，通過減小有功輸出以確保輸出總電流必須滿足限幅式(3)的要求。

(3) 有功恢復(fù)。

當(dāng)電網(wǎng)故障排除，電網(wǎng)電壓恢復(fù)至0.9pu時(shí)，此時(shí)通過調(diào)節(jié)d軸電流的給定值，以實(shí)現(xiàn)有功功率的恢復(fù)。且d軸電流給定值的恢復(fù)速度為至少10%pu/s的速度恢復(fù)到故障前的值。

4 仿真試驗(yàn)

針對500kW并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真研究。參數(shù)如下： 直流母線側(cè)額定輸出功率500kW，光伏陣列開路電壓720V，直流母線電容6600F，濾波電感0.17mH，網(wǎng)側(cè)額定電流1500A，允許最大流過電流1650A。

在MATLAB環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，并分別對并網(wǎng)點(diǎn)電壓平衡和不平衡跌落的情況進(jìn)行了仿真研究。仿真試驗(yàn)中用受控電壓源替代電網(wǎng)，受控電壓源的優(yōu)點(diǎn)是可模擬三相電壓的幅值、相位、相角的變化和切換時(shí)間調(diào)節(jié)。

4.1 并網(wǎng)點(diǎn)電壓平衡跌落的仿真

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相電壓平衡跌落(電壓三相跌落至20%pu)時(shí)，如圖6(a)所示。采用上述控制算法，在故障發(fā)生時(shí)刻，并網(wǎng)電流存在短暫的上升，被限定在設(shè)定值(1650A)以內(nèi)(如圖6(b)所示)；直流母線電壓上升以維持功率的平衡(如圖6(c)所示)；對于深度電壓跌落至20%pu的情況，甚至可采取控制有功為零，全無功輸出的方式，如圖6(d)所示。

圖6 電壓對稱跌落時(shí)的并網(wǎng)波形(abc三相跌落20%pu)

4.2 并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡跌落的仿真

電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡跌落，可分為單相、兩相和三相不平衡情況。對于電壓跌落幅度較小的單相故障，如圖7(a)所示。根據(jù)正序d軸檢測判定方式檢測到額定電壓>90%pu，此時(shí)無需無功支撐。仿真結(jié)果分別如圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)所示，此時(shí)并網(wǎng)電流略微上升，但在限定值以內(nèi)。另外，直流母線電壓基本維持恒定，功率保持平衡，符合理論分析結(jié)果。

圖7 單相電壓跌落(a相85%pu)時(shí)的輸出波形

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡跌落較深時(shí)，需要輸出無功，如圖8、圖9所示。其中，圖8為單相電壓跌落 (a相跌落至50%pu)；圖9為兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)。此時(shí)，保持原有的有功輸出將導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流過流，需要采取限制措施，限定后的電流波形如圖8(b)、圖9(b)所示，維持在限定值(1650A)以內(nèi)，同時(shí)直流母線電壓上升，使得輸出有功功率減少，保證無功功率的輸出。如圖8(c)、圖8(d)、圖9(c)、圖9(d)所示，因母線電壓出現(xiàn)的二倍頻波動(dòng)幅值較小，較之于對于600V的母線額定條件可忽略，因此該條件下也滿足并網(wǎng)規(guī)定的要求。

圖8 單相電壓跌落(a相50%pu)時(shí)的輸出波形

圖9 兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)時(shí)的輸出波形

采取抑制負(fù)序電流的控制措施對于并網(wǎng)點(diǎn)電壓三相不平衡跌落，依舊能保持較好的控制效果，如圖10所示(a相10%，b相50%，c相70%)。并網(wǎng)電流(圖10(b))、直流母線電壓幅值(圖10(c))以及無功支撐、有功輸出(圖10(d))均滿足并網(wǎng)要求。

圖10 三相電壓不平衡跌落(a相10%，b相50%，c相70%)時(shí)的輸出波形

仿真結(jié)果表明： 對于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落情況，在并網(wǎng)規(guī)定曲線1以上時(shí)，該方案均能有效地控制并網(wǎng)電流并提供無功支撐。

5 結(jié) 語

在故障發(fā)生時(shí)刻，采用切換的方式，將直流母線電壓參考值由MPPT算法得到或者前級整流得到切換為參照表1直接給定，以保證逆變器輸入輸出的功率平衡。按新的逆變器并網(wǎng)接入規(guī)定要求，采用抑制負(fù)序電流的控制策略，保護(hù)系統(tǒng)在安全的前提下保持不間斷并網(wǎng)，同時(shí)維持三相電流平衡，減小并網(wǎng)電流的THD。有效地控制基波正序分量有功功率輸出的穩(wěn)定，并按照規(guī)定要求，發(fā)出無功以支撐電網(wǎng)至恢復(fù)，同時(shí)留有一定的余量提供故障期間的有功功率輸出。采用該控制方式，使得并網(wǎng)逆變器具有低電壓穿越能力，能適應(yīng)極端條件下的電網(wǎng)電壓故障時(shí)不間斷并網(wǎng)，從而滿足并網(wǎng)接入規(guī)定。在從理論上對低電壓穿越實(shí)現(xiàn)的可行性做出分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的控制策略。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案的可行性，對直驅(qū)式永磁同步發(fā)電和光伏發(fā)電的低電壓穿越的工程實(shí)現(xiàn)有參考意義。

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