三相光伏低電壓穿越的正負(fù)序分離優(yōu)化控制

鞏兆偉

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021)

三相光伏低電壓穿越的正負(fù)序分離優(yōu)化控制

鞏兆偉

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,西安 710021)

為提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越能力，基于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.采用瞬時(shí)對(duì)稱分量法將不對(duì)稱故障轉(zhuǎn)化成對(duì)稱故障，確定出電壓跌落深度和正序電流參考值.通過(guò)對(duì)不對(duì)稱故障和對(duì)稱故障情況下的各電氣量進(jìn)行比較分析，建立了低電壓穿越的正負(fù)序分離優(yōu)化控制.結(jié)果表明:該控制策略在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，并網(wǎng)逆變器的輸出無(wú)功功率隨著電網(wǎng)電壓跌落深度增加而增大，有利于恢復(fù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓.

低電壓穿越；正負(fù)序分離；光伏并網(wǎng)；無(wú)功功率

太陽(yáng)能作為新型綠色能源，其發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展迅猛，光伏并網(wǎng)技術(shù)已成為研究的焦點(diǎn)[1].在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，若光伏電站脫網(wǎng)運(yùn)行將加劇系統(tǒng)故障，甚至引起大規(guī)模停電事故[2].因此，光伏的低電壓穿越能力成為衡量并網(wǎng)逆變器的一項(xiàng)重要的指標(biāo).國(guó)內(nèi)外專家從不同角度出發(fā)，提出各種措施以提高光伏低電壓穿越能力.文獻(xiàn)[3-4]提出基于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的低電壓穿越解決方案：當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)本身不提供瞬間的電壓支撐，而是使用容性動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求，但是在工程中需要增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備.文獻(xiàn)[5-6]提出電壓定向矢量控制，在電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障期間，利用卸荷電路實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，同時(shí)補(bǔ)償一定的無(wú)功功率，但會(huì)造成效率降低.目前多數(shù)研究主要集中在對(duì)稱性故障的分析， 而電力系統(tǒng)中不對(duì)稱電壓故障最為常見(jiàn)，約占電力系統(tǒng)所有電壓故障的90%左右，然有關(guān)研究少有報(bào)道.針對(duì)電力系統(tǒng)中該類故障，文中建立光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基于正負(fù)序分離的低電壓穿越優(yōu)化控制策略，以期實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)低電壓穿越優(yōu)化控制.

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

文中的三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括光伏板、三相并網(wǎng)逆變器、L濾波器和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示.其中，PV是光伏陣列；Udc是直流母線電壓；Uabc、Ua、Ub、Uc是逆變器輸出電壓；iabc、ia、ib、ic是并網(wǎng)電流；eabc、ea、eb、ec是電網(wǎng)電壓；L是濾波電感；R是逆變器輸出阻抗;a、b、c為三相交流電相序.

圖1 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1所示的拓?fù)?，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：ex、Ux、ix分別為電網(wǎng)電壓、逆變器輸出電壓和電流；t為開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間；x=a,b,c.

在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障時(shí)，通過(guò)瞬時(shí)對(duì)稱分量法可將不對(duì)稱電網(wǎng)電壓變換成三相對(duì)稱的正序分量、負(fù)序分量和零序分量.將式(1)經(jīng)三相靜止坐標(biāo)到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，并進(jìn)行正負(fù)序分離可得

(2)

電流d軸分量和q軸分量存在耦合，若忽略電路內(nèi)阻R，電流內(nèi)環(huán)采用比例-積分-微分控制(Proportional Integral Differential，PID)調(diào)節(jié)，采用前饋解耦控制實(shí)現(xiàn)解耦，可得

(3)

2 低電壓穿越的控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)，所需的正序無(wú)功電流給定值為

(4)

式中：IN為電網(wǎng)的額定電流;UN為電網(wǎng)額定電壓；ΔU為電網(wǎng)電壓跌落深度.

(5)

圖2 系統(tǒng)整體控制框圖

3 仿真分析

采用仿真軟件Psim建立2.5kW的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1.

光伏陣列由兩組14塊串聯(lián)電池并聯(lián)而成，光伏陣列的參數(shù)為短路電流17.16A，最大功率電流15.88A，為了減少諧波對(duì)輸出電壓的影響，引入濾波器并根據(jù)阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)折角頻率對(duì)濾波輸出進(jìn)行調(diào)節(jié).

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

系統(tǒng)在0.2s時(shí)發(fā)生電壓跌落故障，在0.4s時(shí)清除電網(wǎng)故障.采取正負(fù)序分離的低電壓穿越優(yōu)化控制，其電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流和功率輸出的波形如圖3～4所示，其中圖3為三相對(duì)稱短路故障模擬仿真，圖4為單相不對(duì)稱短路故障模擬仿真.

通過(guò)圖3可得，并網(wǎng)系統(tǒng)在0.2～0.4s發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，電網(wǎng)電壓的跌路深度70%，正序有功電流的大小為2.0A，正序無(wú)功電流值為7.5A，使其控制在1.1倍的額定電流之內(nèi)，有功電流減小以滿足無(wú)功電流的增大.同時(shí)并網(wǎng)電流在故障期間，負(fù)序電流分量得到了很好地抑制，并網(wǎng)電流正弦度良好.

圖3 三相對(duì)稱短路故障模擬仿真

圖4 單相不對(duì)稱短路故障模擬仿真

4 結(jié) 論

文中在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，采用瞬時(shí)對(duì)稱分量法將不對(duì)稱故障轉(zhuǎn)化成對(duì)稱故障進(jìn)行控制，建立了基于正負(fù)序分離的低電壓穿越優(yōu)化控制策略，得到結(jié)論為

1) 該控制策略可快速檢測(cè)電網(wǎng)電壓跌落深度和準(zhǔn)確計(jì)算正序電流的參考值；有效抑制了負(fù)序電流，保證了并網(wǎng)電流的質(zhì)量.

2) 該控制策略在不同的電壓跌落深度下可快速地抑制光伏逆變器輸出的電流增大，保持逆變器并網(wǎng)運(yùn)行.在電網(wǎng)電壓跌落70%時(shí)，正序無(wú)功電流值為7.5A，保證了并網(wǎng)電流不超過(guò)1.1倍的額定電流.

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(責(zé)任編輯、校對(duì) 張 超)

第36卷 卷終

Vol.36 The End

Optimal Control of Positive and Negative Sequence Separation for Three Phase Photovoltaic Low Voltage Ride Through Capability

GONGZhaowei

(School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to improve low voltage ride through capability of grid connected photovoltaic power generation system,the topology structure of the grid connected photovoltaic system is established based on the mathematical model of PV grid connected system.The instantaneous symmetrical component method turns asymmetric fault into symmetrical fault,and determines the voltage drop depth and positive sequence current reference value.Through the electrical parameters of comparative analysis of the asymmetric and symmetric fault,the optimal control strategy of positive sequence and negative sequence separation of low voltage ride is gotten.The results show:While the grid appears asymmetric voltage fault,the control strategy leads the output power increase with the increase of grid voltage drop depths,which is conducive to restore the voltage of grid connection.

voltage ride through capability;positive and negative sequence separation;photovoltaic grid connection;low reactive power

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.012

2016-10-13

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2014JM2-6093)

鞏兆偉(1987-)，男，西安工業(yè)大學(xué)助教，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電.E-mail:gzw0725@foxmail.com.

TM464

A

1673-9965(2016)12-1013-05