光伏并網逆變器兩級系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學院

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光伏并網逆變器兩級系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學院

文章摘要：當針對常規(guī)并網逆變器電路結構，提出了MW級光伏并網逆變器兩級系統(tǒng)拓撲方式，并建立其低電壓穿越仿真模型。在低電壓穿越過程中為解決電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導致系統(tǒng)保護無法穿越問題引入了逆變母線過壓保護環(huán)，該控制環(huán)有效解決了電壓跌落造成的兩級系統(tǒng)逆變母線過壓問題。仿真和實驗結果驗證了該控制策略的可行性 。

關鍵詞：MW級光伏；逆變器；兩級系統(tǒng)；低電壓穿越；過壓保護環(huán)

1.引言

近年來，隨著光伏電站數量和容量的不斷增加 ，對電網系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行 產生的威脅逐漸增大。當電網發(fā)生電壓跌落時，光伏電站的突然脫網會進一 步惡化電網運行狀態(tài)，在此期間引起的功率缺額可能導致相鄰的電站跳閘。從而 引起更大面積的停電，LVRT能力也被認為是光伏并網設備設計制造控制技術上的最大挑戰(zhàn)之一，直接關系到光伏發(fā)電的大規(guī)模應用。因此，對保障光伏電站 接入后電網的安全穩(wěn)定運行而言，研究LVRT技術十分必要。

《光伏電站接入電網技術規(guī)定》指出大中型光伏電站應具備一定的LVRT能力。說明現階段中國對光伏電站的LVR能力的重視。

目前常規(guī)MW級光伏并網逆變器一般采用兩臺單級系統(tǒng)逆變器并聯(lián)的方式實現，一方面由于在常規(guī)并網電壓270V/315V并網條件下，輸出MW級功率電流達2千多安培，常規(guī)的IGBT模塊很難達到要求，受功率器件的限制很難實現單機MW級逆變器；另一方面提高并網電壓，使并網輸出電流大大減小，此時由于并網電壓高，則要求輸入側的直流電壓高才能滿足并網條件，而逆變器為了最大限度的發(fā)電，需在較低電壓時亦能并網發(fā)電。基于上述兩個方面，本文采取了兩級系統(tǒng)逆變方案。

方案中首先將低電壓的直流電壓通過BOOST電路升壓到960V，使逆變母線電壓穩(wěn)定在960V，后級采用常規(guī)的三相全橋逆變方式，620V并網輸出。方案既把并網電流減小將近一半，使IGBT功率器件滿足要求，同時由于逆變母線電壓經前級升壓后高達960V使逆變器在低電壓情況下也滿足并網要求，解決了上述提到的兩大問題。

圖1　MW級光伏并網逆變器電路原理圖

圖2　Matlab／Simulink仿真原理圖

2.MW級光伏并網逆變器兩級系統(tǒng)拓撲圖

如圖1所示，直流側分兩路進入前級系統(tǒng)，先經過前級BOOST升壓電路，使較低的直流電壓升壓至960V，通過后級逆變系統(tǒng)使母線電壓持續(xù)穩(wěn)定在960V，再通過后級三相全橋逆變電路，經LC濾波后620V交流電壓并網。

3.系統(tǒng)Matlab／Simulin仿真及控制策略

方案在Matlab／Simulink仿真原理圖如圖2所示，仿真系統(tǒng)包含PV模擬電源、前級BOOST升壓電路、后級全橋逆變電路、LC濾波回路及交流電網。

系統(tǒng)整體控制框圖如圖3所示：

電壓跌落過程中，由于能量在母線電容上堆積導致逆變母線電壓迅速上升，在母線電壓超過限壓保護環(huán)閥值后調用限壓保護環(huán)PI，使母線電壓穩(wěn)定在一定的范圍內不出現過壓情況，PI_Portect限壓PI環(huán)在母線電壓超過1000V（正常并網穩(wěn)定在960V）之后調用此PI環(huán)以減小占空比，防止母線過壓的出現。

圖3　系統(tǒng)控制框圖

當系統(tǒng)檢測到電壓跌落后，此時使電壓環(huán)的指令值與實際值相同，即誤差e始終為0，維持Idref電流指令值不變，電壓環(huán)處于“切斷”的狀態(tài)，同樣前級的升壓環(huán)也是采取同樣的處理方案，指令值與實際值相等，占空比由積分累加構成，升壓環(huán)處于“切斷”狀態(tài)。

方案在Matlab／Simulink中的仿真結果如圖4所示：

圖4　電壓跌落過程中逆變母線電壓變化情況

由圖4可見，在電網電壓跌落后逆變母線電壓因能量堆積迅速上升，由于母線電容充放電的作用電壓在不停的波動以解耦前后級系統(tǒng)，但一直都維持在一定的范圍而不會出現過壓情況。仿真的結果驗證了該控制策略的可行性。

4.實驗驗證

本文采用某公司研發(fā)的單機1MW光伏并網逆變器在國家電網電力科學研究院太陽能研發(fā)實現中心進行的低電壓穿越實驗來驗證策略的可行性。

在重載860KW并網情況下，三相電壓對稱跌落至20%時的電壓波形、直流電壓波形及并網電流波形如下圖5所示。由圖5可見，當網側發(fā)生跌落時逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統(tǒng)采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩(wěn)定在一定的閥值上，逆變器能正常并網輸出，且電流波形畸變小，順利穿越低電壓過程。逆變母線電壓的變化情況與圖4仿真的情況一樣。

圖5　三相電網電壓對稱跌

5.結束

本文的控制策略于2013年4月17在國家電網電力科學研究院太陽能實驗研發(fā)中心得到驗證。1MW逆變器電路拓撲與常規(guī)拓撲方式不同，技術難度更大，要求更高。因此，該測試的通過充分展示了本文所提方案的可行性。

綜上，對于兩級控制系統(tǒng)中低電壓穿越過程中引起的母線電壓過壓問題進行了分析和說明，同時得到了仿真和實驗的驗證，為解決光伏低電壓穿越問題提供了新的思路。

【參考文獻】

＊[1] 劉文，楊慧霞，祝斌，等.智能電網技術標準體系研究綜述[J]。電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40 (10)：120—126。

＊[2] Technical guideline—generating plants connected to the medium vohage network[S].Bundesverband der Energ ie—und Wasserwiaschaft e.V.(BDEW)2008。

＊[3] 劉洋，明渝，高文祥等.新型孤島檢測技術的研究[J]。電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40：146—150。

＊[4] 丁偉，何奔騰，王慧芳，等。廣域繼電保護系統(tǒng)研究綜述[J]。電 力系統(tǒng)保護與控制，2012，40(1)：l45—155。

＊[5] 甄曉亞，尹忠東，王云飛，等.太陽能發(fā)電低電壓穿越技術綜述[J]。電網與清潔能源，2011，27(8)：65—68，73.

＊[6] Hao Tian，Feng Gao，Guo qing He，et a1.Low Voltage Ride Through of Two—stage PV Inverter With Enhanced Ope rational Performance[A].APEC[C].2012：1995—2001.

＊[7] Antonios Marinopoulos，Fabio Papandrea，Muhamad Reza，et a1.Grid Integration Aspects of Large Solar PV Ins tal— ations：LVRT Capability and Reactive Power／Voltage Support [ A ].IEEE Trondheim Power Tech[C].201 1 ：1—8.

＊[8] 操瑞發(fā)，朱武，涂祥存，等.雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術分析[J].電網技術，2009 ，33(9) ：72—77 .

＊[9] 劉飛.三相并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行控制策略[D].武漢：華中科技大學.2008.