不平衡故障下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略研究

王慧，馮小萍，王曉飛，南東亮，王密娜，高明明

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002）

不平衡故障下光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制策略研究

王慧1，馮小萍2，王曉飛2，南東亮2，王密娜2，高明明2

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830002）

電網(wǎng)不平衡故障下，兩級式光伏逆變器的直流母線電壓及并網(wǎng)電流會不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致光伏逆變器由于過壓或者過流而脫網(wǎng)，而光伏逆變器的脫網(wǎng)又會惡化電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，從而造成更為嚴(yán)重的事故。針對這一問題，首先在分析三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制的基礎(chǔ)上，提出電網(wǎng)故障下保持系統(tǒng)直流母線電壓及并網(wǎng)電流穩(wěn)定的控制策略，并且采用所提控制策略下的光伏并網(wǎng)逆變器能夠在電網(wǎng)故障期間對其提供一定的無功支持。最后，搭建了三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的數(shù)字仿真及物理實驗平臺，結(jié)果驗證了所提控制策略在電網(wǎng)不平衡故障下的有效性與優(yōu)越性。

光伏逆變系統(tǒng)；不平衡故障；直流電壓；并網(wǎng)電流

隨著光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例的逐步增加，其對電網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了新的影響與挑戰(zhàn)［1-2］。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏并網(wǎng)逆變器具有一定的故障穿越能力，且在適當(dāng)條件下可以對電網(wǎng)提供一定的無功功率支持，以促進(jìn)電網(wǎng)跌落故障的恢復(fù)［3］。

在電力系統(tǒng)的故障類型中，不平衡跌落是主要的故障類型。相對于平衡故障，不平衡故障的分析和處理也更為復(fù)雜［4］。不平衡故障下同樣會引起直流電壓過壓及交流并網(wǎng)電流過流等問題，且不平衡故障下系統(tǒng)的功率會產(chǎn)生較為明顯的二倍頻波動，從而加劇光伏并網(wǎng)逆變器脫網(wǎng)的風(fēng)險［5］。因此，通過適當(dāng)方法和措施降低光伏并網(wǎng)逆變器故障期間的直流電壓及并網(wǎng)電流波動，使其順利渡過短暫的電網(wǎng)不平衡故障，對于促進(jìn)電網(wǎng)的故障恢復(fù)具有非常重要的作用和意義。

本文首先分析了三相光伏逆變器的整體結(jié)構(gòu)，介紹了傳統(tǒng)的控制策略，在此基礎(chǔ)上，提出了能夠在不平衡故障期間保證直流母線電壓和并網(wǎng)電流穩(wěn)定運行的控制策略。最后，通過數(shù)字仿真及物理實驗平臺對所提控制策略進(jìn)行分析與驗證。

1 三相光伏整體結(jié)構(gòu)及控制

1.1 三相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)組成

常見的針對中小功率的三相光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示［6］，該并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主要包括前級的Boost升壓電路及后級的全橋逆變電路。其中，C1，C2為直流濾波電容；L1，D1分別為Boost升壓電路電感及二極管；S1～S7為IGBT開關(guān)管；L，C分別為交流側(cè)濾波電感及濾波電容；ea，eb，ec為三相交流電壓；Udc為直流母線電壓；ia，ib，ic為三相交流電流。

圖1 三相光伏逆變并網(wǎng)框圖Fig.1 The diagram of three-phase photovoltaic grid-connected inverter

1.2 傳統(tǒng)控制策略

從上面的分析中可以看出，在兩級式的三相光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中［7］，其控制策略主要可以從前后兩級來說明，前級Boost升壓電路主要實現(xiàn)的是最大功率跟蹤控制，后級則采用定直流電壓控制方法，其控制框圖如圖2所示。需要說明的是，為了便于描述逆變側(cè)的控制算法，圖中將逆變側(cè)的控制放到了圖的左側(cè)。

圖2 傳統(tǒng)控制框圖Fig.2 The conventional control diagram

2 直流母線電壓控制方法

2.1 直流母線電壓響應(yīng)特性分析

據(jù)圖1可知，光伏系統(tǒng)前后級的功率存在如下關(guān)系：

式中：PPV為光板吸收的功率；PBus為直流母線上的功率；Pg為逆變器注入電網(wǎng)的功率。

穩(wěn)態(tài)情況下，直流母線電壓恒定，光板吸收的功率與逆變器注入電網(wǎng)的功率相等，即

式中：UN,IN分別為電網(wǎng)的相電壓、相電流。

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時，逆變器側(cè)注入電網(wǎng)的功率會減小，假設(shè)減小到Pg1，而此時前級直流側(cè)依然是最大功率跟蹤控制，光板吸收的功率與逆變器注入電網(wǎng)的功率產(chǎn)生不平衡，直流母線電壓會發(fā)生波動，假設(shè)變化后的值為Udc1,持續(xù)的時間為Δt,則可得：

則故障下直流電壓的有效值為

式中：k為電壓的跌落深度，k=（UN-US）/UN, US為電壓跌落后數(shù)值。

因此，從式（4）可以看出，直流母線電壓在故障情況的變化大小主要取決于電網(wǎng)電壓的跌落深度及持續(xù)時間，當(dāng)故障發(fā)生時，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硐拗浦绷髂妇€電壓的上升。

2.2 故障下直流電壓控制方法

造成直流母線電壓過壓的主要原因是能量的不平衡，前級直流升壓電路的控制策略是最大功率跟蹤控制，可以考慮在檢測到電網(wǎng)故障的情況下改變此控制策略，即將其切換為定直流電壓控制模式，如圖3所示。

圖3 直流母線電壓控制策略Fig.3 The control strategy of DC-bus voltage

圖3中，F(xiàn)det表示故障檢測信號，S為切換開關(guān)。正常工作模式下，Boost電路采用最大功率跟蹤控制模式，當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障時，將其控制模式切換為定直流電壓控制方式以保證直流母線電壓穩(wěn)定。

3 故障下并網(wǎng)電流控制方法

3.1 有功無功參考值計算

從上面的分析中可以看出，傳統(tǒng)控制算法下光伏逆變并網(wǎng)系統(tǒng)運行在最大功率點，不需要對其有功功率值進(jìn)行設(shè)定，且無功功率通常設(shè)置為零，使其工作在功率因數(shù)為1的狀態(tài)。而當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，為了不使逆變器的并網(wǎng)電流過流，對其有功功率參考值進(jìn)行設(shè)定。此外，根據(jù)國家電網(wǎng)及國外相關(guān)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)故障下，要求光伏逆變器在不脫網(wǎng)的同時，還應(yīng)在一定時間內(nèi)給系統(tǒng)提供一定的無功功率支持，以減小電網(wǎng)故障帶來的危害［3］。因此，可以設(shè)定光伏逆變器的有功及無功電流參考值為

需要說明的是，在計算IN時可參考式（2），根據(jù)故障前一刻的功率值得出IN的近似值。在不平衡故障下，系統(tǒng)中存在相應(yīng)的正序分量和負(fù)序分量，光伏逆變器輸出的有功功率和無功功率均會存在振蕩，在不考慮振蕩的情況下，可以得到有功功率和無功功率的參考值為

當(dāng)控制并網(wǎng)電流中僅含有正序分量時，便可對式（7）進(jìn)行相應(yīng)的簡化，即

3.2 參考電流生成控制算法

在系統(tǒng)不平衡故障發(fā)生時，并網(wǎng)點的三相電壓和電流可以用其相應(yīng)的正序和負(fù)序分量之和來表示，也即

將其轉(zhuǎn)換在dq坐標(biāo)系下，可得

又因

根據(jù)瞬時無功理論可得［8］

可得

其中

式中：P0,Q0分別為有功無功的平均值；Pcos,Psin分別為二次有功余弦、正弦諧波峰值；Qcos,Qsin分別為二次無功余弦、正弦諧波峰值。

可以看出，在不平衡故障下，由于電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的存在，致使逆變器輸出的有功功率和無功功率含有二倍頻的諧波分量。

通過選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，可以使得q軸分量為零，即e+q=e-q=0。而直流母線電壓的二倍頻波動是由于有功功率的波動而產(chǎn)生的，因此在控制時要以有功功率的波動作為優(yōu)先控制變量，因此可以選擇P0,Pcos,Psin,Q0為控制量，可以得到

則參考電流的表達(dá)式為

在上面得到的參考電流的表達(dá)式中，為了盡可能地減小功率二倍頻波動對直流電壓造成的影響，簡化電流參考值的計算，實際應(yīng)用中通?？梢詫⒂泄Φ恼?、余弦二次諧波值設(shè)定為0。

4 仿真研究

為了驗證上面理論分析及針對電網(wǎng)發(fā)生不平衡故障下所提控制策略的有效性，本文根據(jù)圖1所示的三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，搭建了基于Matlab/ Simulink的仿真模型，具體的仿真參數(shù)為：額定功率10 kW，額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，開關(guān)頻率10 kHz，直流電壓500 V，濾波電感L=4.5 mH，濾波電容C=20 μF，Boost電感L1=2.0 mH，Boost電容C1=6 000 μF，Boost頻率2.0 kHz。

本次仿真算例中，主要對比電網(wǎng)發(fā)生單相跌落及兩相跌落的不平衡故障下，針對三相光伏并網(wǎng)逆變器分別采用傳統(tǒng)控制與所提控制算法時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。仿真過程設(shè)置如下：1 s之前，三相光伏逆變器工作在最大功率并網(wǎng)模式，其輸出功率為9.2 kW左右，接近于額定功率，1 s時設(shè)置電網(wǎng)發(fā)生不平衡故障，觀測不同控制算法下系統(tǒng)中主要變量的動態(tài)變化過程。

圖4、圖5分別為電網(wǎng)發(fā)生單相跌落故障時，采用傳統(tǒng)控制及所提控制算法下三相光伏并網(wǎng)逆變器主要變量的動態(tài)響應(yīng)特性。

圖4 單相跌落故障時傳統(tǒng)控制算法下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性Fig.4 Dynamic responses during single-phase fault when adopting the conventional control

仿真時，設(shè)置單相電壓跌落的深度為額定值的50%，從圖4中可以看出，傳統(tǒng)控制算法下，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相跌落時，并網(wǎng)電流增加較為明顯。此時的有功輸出功率變化不大，但具有明顯的二倍頻波動，這是由于上面理論分析中提到的二倍頻諧波分量造成的，無功功率也基本為零。但此時直流母線電壓的上升幅值較大，且隨著故障時間的持續(xù)，其上升幅值也逐漸增加，驗證了其直流母線電壓升高的大小與持續(xù)時間有關(guān)的分析。1.2 s故障結(jié)束時，直流母線電壓達(dá)到了630 V左右，嚴(yán)重超過了其額定值。因此從上面的分析及仿真波形可以看出，傳統(tǒng)控制算法下，當(dāng)發(fā)生不平衡故障時，光伏逆變器會因交流側(cè)的過流或者直流母線的過壓保護(hù)而脫網(wǎng)，這對電網(wǎng)恢復(fù)正常運行非常不利。

圖5 單相跌落故障時所提控制算法下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性Fig.5 Dynamic responses during single-phase fault when adopting the proposed control

當(dāng)采用所提控制算法后，如圖5所示，逆變器的并網(wǎng)電流并沒有出現(xiàn)突增，而是按照設(shè)定的要求來輸出，且直流母線電壓波動較小，最高上升到510 V左右，且在逐漸的向額定值調(diào)整。而且通過對有功無功參考值的設(shè)定，使得三相光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓跌落期間對系統(tǒng)提供一定的無功支持，從而利于電網(wǎng)系統(tǒng)的故障恢復(fù)。因此，可以看出所提控制算法下三相光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)主要分量的動態(tài)響應(yīng)得到了明顯改善。

設(shè)置電網(wǎng)發(fā)生兩相跌落的不平衡故障，其動態(tài)響應(yīng)特性如圖6所示?？梢钥闯觯夥孀兤鞯牟⒕W(wǎng)電流及直流母線電壓均得到了較好的控制，且故障期間能夠?qū)﹄娋W(wǎng)系統(tǒng)提供一定的無功支持，具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。

圖6 兩相跌落故障時所提控制算法下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性Fig.6 Dynamic responses during two-phase fault when adopting the proposed control

5 實驗結(jié)果

為了更加充分驗證所提控制策略的優(yōu)越性及實用性，本文在實驗室中利用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了物理實驗驗證。需要說明的是，本實驗室的電網(wǎng)故障模擬器采用的是背靠背的2個電壓源換流器，實驗拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，其中電阻R的阻值是10 Ω，整流器用來穩(wěn)定直流電壓，逆變側(cè)模擬電網(wǎng)故障。光伏逆變器的相關(guān)參數(shù)與仿真參數(shù)一致，逆變器核心控制板采用的DSP是TMS320F28335，波形記錄采用橫河的DL850錄波儀。

圖7 實驗系統(tǒng)框圖Fig.7 Experimental system diagram

圖8、圖9所示分別為光伏逆變器在兩相跌落故障下采用傳統(tǒng)控制及所提控制下的實驗波形。其中，udc為直流母線電壓，Vabc為模擬電網(wǎng)電壓，Iabc為并網(wǎng)電流。在該試驗中，為了避免損壞光伏并網(wǎng)逆變器，傳統(tǒng)控制算法下光照強(qiáng)度較弱，輸出功率較小。但即使小功率情況下，采用傳統(tǒng)控制算法下逆變器的直流母線電壓及并網(wǎng)電流均有較大幅度的升高。

從上面的實驗中可以看出，所提控制算法均有很好的實用性，能夠在不平衡故障期間很好地控制光伏逆變系統(tǒng)的直流母線電壓及并網(wǎng)電流。對于單相跌落故障，所提控制算法下更能取得較為良好的控制效果，限于篇幅，不再給出。

圖8 傳統(tǒng)控制下的實驗波形Fig.8 Experimental waveforms when adopting the conventional control

圖9 所提控制下的實驗波形Fig.9 Experimental waveforms when adopting the proposed control

6 結(jié)論

本文通過對前級Boost電路進(jìn)行相應(yīng)的控制方法切換，可以有效地減小電網(wǎng)故障情況下直流母線電壓的波動。所提參考電流的生成方法有效地改善了故障情況下的并網(wǎng)電流大小，并且能夠在此期間對電網(wǎng)系統(tǒng)提供一定的無功支持，有利于系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

［1］Mirhassani SeyedMohsen，0ng Hwai Chyuan，Chong W T，et al.Advances and Challenges in Grid Tied Photovoltaic Systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，49（9）：121-131.

［2］Zhang Peng，Li Wenyuan，Li Sherwin，et al.Reliability Assessment of Photovoltaic Power Systems：Review of Current Status and Future Perspectives［J］.Applied Energy，2013，（4）：822-833.

［3］國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 617—2011光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.北京：中國電力出版社，2011.

［4］Almajali Z S，Spencer J W，Jones G R.Asymmetrical Fault Classifier for a Parallel Transmission Line Using Chromatic Processing［C］//Proceedings of the Power Electronics，Machines and Drives（PEMD 2014），7th IET International Conference on.2014：1-6.

［5］王萌，夏長亮，宋戰(zhàn)鋒，等.不平衡電網(wǎng)電壓條件下PWM整流器功率諧振補(bǔ)償控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（21）：46-53.

［6］Nanou Sotirios I，Papathanassiou Stavros A.Modeling of a PV System with Grid Code Compatibility［J］.Electric Power Systems Research，2014，（11）：301-310.

［7］石新春，孟建輝.基于無差拍控制的單相H6拓?fù)淠孀兤餮芯浚跩］.電氣傳動，2014，44（2）：39-42.

［8］赤木泰文，埃德森，毛立賽.瞬時功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Research on Control Strategy of Photovoltaic Grid-connected System under Unbalanced Faults

WANG Hui1，F(xiàn)ENG Xiaoping2，WANG Xiaofei2，NAN Dongliang2，WANG Mina2，GA0 Mingming2
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China；2.State Grid Xinjiang Electric Power Corporation，Wulumuqi 830002，Xinjiang，China）

DC bus voltage and grid-connected current of the traditional two-stage PV inverter will be unstable under power grid′s unbalanced fault，which causes the PV inverter′s outage due to overvoltage or overcurrent.0utage of the PV inverter can worsen the secure operation of power grid and cause more serious accidents.To solve this problem，a control strategy was presented based on analysis of the three-phase PV grid-connected inverter system′s topology and control method.During the fault of power grid，the proposed strategy could not only ensure the stability of DC bus voltage and grid-connected current，but also make the PV inverter to provide a certain reactive power support to the grid.An experimental system and digital simulation platform of the three-phase PV grid-connected inverter system were built，and the validity and superiority of the proposed control strategy under the power grid′s unbalanced fault are verified by simulation results.

photovoltaic inverter system；unbalanced faults；DC-voltage；grid-connected current

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161010

2015-08-31

修改稿日期：2016-04-19

王慧（1982-），男，碩士，工程師，Email：121782291@qq.com