適用于光伏逆變器的低壓穿越控制策略

聶雄，謝運(yùn)祥，陳兵

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

適用于光伏逆變器的低壓穿越控制策略

聶雄1，謝運(yùn)祥1，陳兵2

（1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211100）

在電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，三相光伏并網(wǎng)逆變器的電能質(zhì)量將急劇惡化。逆變器輸出電流將發(fā)生嚴(yán)重畸變，甚至?xí)蜻^(guò)流而脫網(wǎng)，這給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。提出了一種適用于光伏逆變器的低壓穿越控制策略，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，采用的控制策略可以限制有功電流的增加，消除有功功率的波動(dòng)，降低PCC點(diǎn)電壓不平衡度。同時(shí)，還可以注入一定的無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制方法的可行性。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；低壓穿越；電壓暫降；功率控制

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的逐步擴(kuò)大，電壓暫降對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的影響不可低估［1］。大多數(shù)情況下，電壓暫降是由雷擊、大型異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和輸電線(xiàn)路短路故障引起的。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)將急劇惡化。低壓穿越能力也被認(rèn)為是研究光伏并網(wǎng)控制技術(shù)最大的挑戰(zhàn)之一，與光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用直接相關(guān)［2-4］。目前，光伏發(fā)電技術(shù)的主要研究方向由正常情況下光伏逆變器的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行向電力網(wǎng)絡(luò)故障情況下低電壓穿越運(yùn)行轉(zhuǎn)變。

本文提出了一種低壓穿越控制策略，保證了光伏逆變器的輸出電流不會(huì)超過(guò)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大額定電流，充分利用了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電容量。當(dāng)電壓跌落時(shí)，通過(guò)使用本文提出的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo):1）可以避免有功功率振蕩；2）可以向電網(wǎng)注入最大額定電流；3）可以減小電網(wǎng)電壓不平衡度。

1 三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

典型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由光伏陣列、三相并網(wǎng)逆變器、控制器組成。

圖1 三相光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of three phase photovoltaic power generation system

本文采用LCL型濾波器，可以有效減少高頻諧波。相比于L型濾波器，LCL濾波器具有三階低通濾波特性，因此，在相同的諧波標(biāo)準(zhǔn)和較低的開(kāi)關(guān)頻率情況下，可以采用相對(duì)較小的濾波電感，這樣可以有效地減小系統(tǒng)的體積和降低損耗［5］。

2 控制策略

如果三相電網(wǎng)電壓不平衡，當(dāng)只考慮基波電動(dòng)勢(shì)時(shí)，公共連接點(diǎn)的電壓可以被描述為正序電動(dòng)勢(shì)、負(fù)序電動(dòng)勢(shì)和零序電動(dòng)勢(shì)三者的合成。在三相三線(xiàn)制電壓源整流器中，由于不存在零序電流通道，零序電動(dòng)勢(shì)對(duì)功率不產(chǎn)生影響，所以對(duì)零序電動(dòng)勢(shì)的影響不考慮，則電網(wǎng)電壓可以表示為

式中:ua，ub，uc分別為三相電網(wǎng)電壓；u+，u-分別為正負(fù)序電網(wǎng)電壓幅值；φ+，φ-分別為正負(fù)序電壓初始相位角。

定義電網(wǎng)電壓不平衡度ε，可以描述為

為了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，本文采用如下控制策略:

進(jìn)一步，由式（1）～式（8），逆變器輸出電流峰值可以表述為

在電壓暫降時(shí)，為了避免光伏逆變器因過(guò)流保護(hù)而斷開(kāi)，輸出電流必須限制在一定范圍內(nèi)，即要滿(mǎn)足下式:

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的功率Ppv比較大時(shí)，在電壓跌落期間，逆變器的輸出電流會(huì)比較大。此時(shí)有Imax＞Irated，逆變器可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而脫網(wǎng)運(yùn)行。此時(shí)，不可能將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的所有功率都注入并網(wǎng)逆變器，需要減小有功功率來(lái)保證逆變器正常運(yùn)行。令I(lǐng)max=Irated，P*=Pmax，Q*=0，由式（12）、式（13），注入的最大有功功率Pmax可以描述為

此時(shí)，參考有功功率和無(wú)功功率為P*=Pmax，Q*=0。

相反，如果光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的功率Ppv比較小時(shí)，在電壓跌落期間，逆變器的輸出電流會(huì)比較小，Imax＜Irated，逆變器不會(huì)因?yàn)檫^(guò)流而脫網(wǎng)。為了對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功支撐，應(yīng)將無(wú)功功率注入電網(wǎng)。在這種情況下，令I(lǐng)max=Irated，P*=Ppv，則無(wú)功功率參考值為

由式（1）～式（12），可以計(jì)算得瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率為

從上式可以看出，有功功率震蕩被消除了，輸出電流諧波含量也減少了。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證上述方法的可行性和有效性，本文采用Matlab建立了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。系統(tǒng)參數(shù)為:電網(wǎng)電壓幅值Ug＝380 V；額定電流幅值Irated＝10 A；電網(wǎng)頻率fg=50 Hz；直流側(cè)電容Cdc＝1.9 mF；LCL逆變器側(cè)電感Li＝1.5 mH；LCL濾波電容Cf=5 μF；LCL電網(wǎng)側(cè)電感Lg=1.5mH；開(kāi)關(guān)頻率fs=10 kHz。

3.1 注入有功和無(wú)功功率

仿真條件為:在t=0.3 s，a相電網(wǎng)電壓跌落至0.2（標(biāo)幺值），在t=0.5s電網(wǎng)電壓恢復(fù)至額定值。圖2為電壓暫降期間三相電網(wǎng)電壓波形。

圖2 電壓暫降期間三相電網(wǎng)電壓波形Fig.2 Three-phase grid voltages waveforms during the sag.

圖3 為三相電網(wǎng)電壓輸出電流波形。在t= 0.3 s時(shí)，電網(wǎng)電壓開(kāi)始下降，輸出電流開(kāi)始增大。但是，由于采用了本文的控制策略，三相輸出電流幅值小于10 A，并沒(méi)有超過(guò)最大額定電流。同時(shí)，功率切換過(guò)程中，電流峰值突變也得到了很好的抑制。

圖3 當(dāng)P*=Pmax，Q*=0時(shí)，輸出電流波形Fig.3 The output currents，consideringP*=Pmax，Q*=0

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的功率Ppv=3.0 kW 時(shí)，圖4和圖5為電壓暫降期間瞬時(shí)有功和無(wú)功功率波形。當(dāng)電壓開(kāi)始跌落時(shí)，最大功率Pmax從4.65 kW減小到2.8 kW；注入電網(wǎng)的有功功率由3.0 kW減小為2.8 kW，并沒(méi)有超過(guò)Pmax,從而保證輸出電流不會(huì)超過(guò)額定電流Irated。輸出的無(wú)功功率基本為零，很好地跟隨了無(wú)功功率參考值Q*。此外，在不平衡電網(wǎng)電壓條件下，輸出功率會(huì)出現(xiàn)2倍頻震蕩。從圖5可以看出，無(wú)功功率出現(xiàn)震蕩。由于采用本文的控制策略，有功功率振蕩已被消除。

圖4 P*=Pmax，Q*=0時(shí)，瞬時(shí)有功功率波形圖Fig.4 TheinstantaneousactivepowerconsideringP*=Pmax，Q*=0.

圖5 當(dāng)P*=Pmax，Q*=0時(shí)，瞬時(shí)無(wú)功功率波形圖Fig.5 TheinstantaneousreactivepowerconsideringP*=Pmax，Q*=0

圖6為輸出電流波形。圖6說(shuō)明三相輸出電流峰值沒(méi)有超過(guò)額定電流。當(dāng)Ppv=1.5 kW 時(shí)，在電壓暫降期間，可以向電網(wǎng)注入一定的無(wú)功功率，瞬時(shí)有功和無(wú)功功率波形見(jiàn)圖7和圖8?？梢钥闯?，有功功率由3.0 kW減小至2.0 kW并且一直比最大功率Pmax小。

圖6 當(dāng)P*=Ppv時(shí)，輸出電流波形Fig.6 The output currents，consideringP*=Ppv

圖7 當(dāng)P*=Ppv時(shí)，瞬時(shí)有功功率波形圖Fig.7 The instantaneous active power consideringP*=Ppv

圖8 當(dāng)P*=Ppv時(shí)，瞬時(shí)無(wú)功功率波形圖Fig.8 The instantaneous reactive power consideringP*=Ppv

3.2 電網(wǎng)電壓支撐

考慮電網(wǎng)線(xiàn)路阻抗時(shí)，等效阻抗可表示為Z=R+jX，取Z為3+j0.5。圖9為PCC點(diǎn)電壓有效值波形。在t=0.2 s時(shí)，電壓開(kāi)始跌落。

圖9 PCC點(diǎn)電壓有效值波形Fig.9 The RMS voltages at the PCC

三相不平衡電網(wǎng)電壓波形見(jiàn)圖10，abc三相電 壓分 別 為ua=0.7∠0°，ub=0.7∠-127°，uc=1∠-225°。在0.2～0.3 s期間，采用傳統(tǒng)的控制方法，不考慮負(fù)序電壓。t=0.3 s時(shí)，采用本文的控制策略，但不注入無(wú)功功率。a相和b相電壓有效值開(kāi)始增大，c相電壓有效值減小。PCC點(diǎn)電壓趨于平衡，也就是說(shuō)，三相電壓不平衡度減小了。t=0.4 s時(shí)，向電網(wǎng)注入無(wú)功功率，可以觀(guān)察到，abc三相電壓有效值都增大了，說(shuō)明無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)電壓有很好的支撐作用。

圖11為正序和負(fù)序電壓幅值?？梢钥闯?，在0.3～0.4 s期間，正序電壓幅值增大了，并且負(fù)序電壓幅值減小了。在t=0.4 s，注入無(wú)功功率以后，對(duì)減小負(fù)序電壓有很好的效果，這表明，在所提出的控制策略下，電網(wǎng)電壓支撐的目的得到很好的實(shí)現(xiàn)。

圖11 正負(fù)序電壓幅值波形Fig.11 Thevoltageamplitudesofthepositiveandnegativesequences

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于三相光伏逆變器的低電壓穿越控制策略。它可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)目標(biāo):1）逆變器輸出電流幅值被限定在最大額定電流Irated以?xún)?nèi)，保證了逆變器不會(huì)因過(guò)流保護(hù)而脫網(wǎng)運(yùn)行；2）使用本文的控制策略可以降低電壓不平衡度，逆變器也能注入無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)，有助于恢復(fù)電網(wǎng)電壓；3）能夠有效地消除有功功率的振蕩。仿真結(jié)果證明了所提出的控制策略的有效性。

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［2］周京華，劉勁東，陳亞愛(ài)，等.大功率光伏逆變器的低電壓穿越控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013（7）:1799-1807.

［3］Abbey C，Joos G.Effect of Low Voltage Ride Through（LVRT）Characteristic on Voltage Stability［C］//Power Engineering Society General Meeting，2005:1901-1907.

［4］Guo X，Zhang X，Wang B，et al.Asymmetrical Grid Fault Ride-through Strategy of Three-phase Grid-connected Inverter Considering Network Impedance Impact in Low-voltage Grid［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（3）:1064-1068.

［5］Shen G，Xu D，Cao L，et al.An Improved Control Strategy for Grid-connected Voltage Source Inverters with an LCL Filter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（4）: 1899-1906.

Low Voltage Ride Through Control Strategy for PV Inverters

NIE Xiong1，XIE Yunxiang1，CHEN Bing2
（1.School of Electrical Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

In the actual operation of the power grid，the power quality of the three-phase grid connected photovoltaic inverter will deteriorate rapidly when the voltage sag occurs.The output current of inverter will be serious distortion，and even the inverter would disconnect due to overcurrent，the output power will fluctuate，which brings a serious security risk to the PV generation system.A low voltage ride through control strategy for photovoltaic inverters was presented.The control strategy could limit the increase of active currents，eliminate the fluctuation of active power and reduce the voltage of PCC unbalance degree when the power grid voltage was sagged.At the same time，it could also inject certain reactive power to support the grid.Simulation results verify the feasibility of the proposed control method.

PV generation system；low voltage ride through；voltage sag；power control

TM 615

A

10.19457/j.1001-2095.20170511

2016-06-02

修改稿日期：2016-09-01

江蘇省電力公司科研項(xiàng)目，電壓暫降對(duì)電力敏感用戶(hù)影響及防治措施研究（SGTYHT/14-JS-188）

聶雄（1991-），男，碩士，Email:nxchina521@163.com