RT-LAB的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)零電壓穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)

王秀蓮,崔云龍,胡 廣,張大權(quán)

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽110159)

RT-LAB的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)零電壓穿越技術(shù)實(shí)現(xiàn)

王秀蓮,崔云龍,胡 廣,張大權(quán)

(沈陽理工大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，沈陽110159)

為保證光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在電壓跌落為零的特殊工況下能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行,光伏發(fā)電站應(yīng)具有零電壓穿越(ZVRT)能力。針對故障期間網(wǎng)側(cè)電壓相位、頻率等信息，難以獲取的關(guān)鍵性問題，提出了一種采用歷史周期值作為鎖相輸出的方法。通過對PCC點(diǎn)電壓幅值的檢測，實(shí)時(shí)切換控制策略，以實(shí)現(xiàn)故障期間對逆變器輸出電流及有功功率、無功功率的協(xié)調(diào)控制。利用RT-LAB及DSP-F2812搭建并網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真平臺，結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

光伏并網(wǎng)發(fā)電;零電壓穿越;鎖相環(huán);逆變器

光伏發(fā)電站的大規(guī)模并入電網(wǎng)，勢必會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響[1-3]，因此光伏逆變器須具備低電壓穿越能力，確保電網(wǎng)在故障期間不會受到二次傷害。同時(shí)，國標(biāo)GB/T19964-2012《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求低電壓穿越期間，光伏電站應(yīng)向電網(wǎng)注入一定量無功電流，用以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于電網(wǎng)電壓基波鎖相技術(shù)與三環(huán)控制方法的控制策略,有效減少電壓定向偏差,提高了逆變輸出精度,但在網(wǎng)側(cè)電壓跌落為零時(shí)的特殊工況下,無法向逆變單元提供相應(yīng)的相位信息。文獻(xiàn)[5]采用迭代法進(jìn)行鎖相，既有濾波作用又能在電網(wǎng)電壓為零時(shí)獲取基波相位，然而其動態(tài)響應(yīng)速度與鎖相精度不可兼得。文獻(xiàn)[6]提出了一種通過設(shè)置合適的一階低通濾波器時(shí)間常數(shù),對電網(wǎng)電壓進(jìn)行正負(fù)序分離,故障期間切換鎖相模式用以實(shí)現(xiàn)零電壓穿越。

本文針對零電壓故障期間網(wǎng)側(cè)電壓相位、頻率難以獲取的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種采用歷史周期值作為鎖相輸出的方法。通過對PCC點(diǎn)電壓幅值的檢測，實(shí)時(shí)切換控制策略實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)零電壓穿越，并且向故障電網(wǎng)注入一定量的無功電流支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。利用RT-LAB及DSP-F2812搭建光伏零電壓穿越系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真平臺，結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的有效性。

1 零電壓穿越要求

新的并網(wǎng)接入規(guī)則要求光伏電站應(yīng)具備ZVRT能力，即在電網(wǎng)故障期間光伏電站保持并網(wǎng)運(yùn)行且向故障電網(wǎng)注入無功,用以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。如圖1所示，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在輪廓線以上部分時(shí)，光伏電站必須保證不脫網(wǎng)持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)電網(wǎng)電壓在輪廓線以下部分時(shí)，光伏電站可以從并網(wǎng)點(diǎn)切出。尤其是在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至零時(shí)，光伏發(fā)電站應(yīng)不間斷并網(wǎng)運(yùn)行0.15s，且需提供響應(yīng)時(shí)間小于30ms的動態(tài)無功支撐。

圖1 零電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)

2 控制策略

2.1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略

光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽能電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)要求的交流電輸入電網(wǎng)的設(shè)備，因此逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心[7-8]。逆變器按照與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行輸出的控制模式可以分為電流型逆變器與電壓型逆變器。在工程中為實(shí)現(xiàn)精確控制，電壓型逆變器應(yīng)用較為廣泛，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖中：e為網(wǎng)側(cè)電壓；μ1a、μ1b、μ1c為逆變器輸出電壓；i1a、i2a、i3a為三相交流電流。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于大電網(wǎng)電壓的鉗位作用，通常采用基于電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制策略，即電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán),實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出電流的精確控制。同時(shí)，為了減少控制環(huán)節(jié)的計(jì)算量，可將采集到的三相電壓與電流進(jìn)行PARK變換，即將三相靜止坐標(biāo)系下的交流量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量。

考慮到電壓型逆變器的內(nèi)阻很小可以忽略不計(jì)，根據(jù)Kirchhof定律得到三相靜止坐標(biāo)系下基爾霍夫電流定律：

(1)

(2)

dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)電壓合成矢量相重合，q軸與合成矢量相垂直。根據(jù)abc坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系的變換公式(3),可以得到dq坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程式(4)、(5)。

(3)

(4)

(5)

式中ω為鎖相環(huán)輸出相位角。

基于電網(wǎng)電壓定向的逆變器雙閉環(huán)控制框圖如圖3所示，逆變器通過最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)得到電壓參考值Udc-ref,將該參考值與實(shí)測直流側(cè)電壓Udc的誤差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到電流內(nèi)環(huán)參考值idref,再將idref與實(shí)測直流側(cè)電流idc的誤差信號進(jìn)行PI調(diào)節(jié),得到調(diào)制波電壓Ud，再以相同的原理通過無功給定量Qref(取值為零)得到調(diào)制波電壓Uq。最后，將Ud和Uq傳輸給SVPWM調(diào)制器，用以逆變器輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電流。

圖3 雙閉環(huán)控制策略框圖

2.2 LVRT控制策略

光伏電站在電網(wǎng)電壓跌落期間，由于沒有轉(zhuǎn)動慣量，逆變器直流側(cè)母線電壓最大只能達(dá)到開路電壓Uoc，因此逆變器輸出的交流電流是制約光伏電站低電壓穿越能力的主要因素[7-9]?？紤]到逆變器在保持并網(wǎng)的同時(shí)還須發(fā)出一定量的無功電流，用以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，若繼續(xù)執(zhí)行如圖3所示的有功優(yōu)先控制，在PI限幅(本文限幅值為1.05IN)狀態(tài)下，逆變器沒有足夠裕度向系統(tǒng)提供無功，因此須采用無功優(yōu)先控制，即在保證不超限的前提下,優(yōu)先提供無功出力。控制框圖如圖4所示。

圖4 LVRT控制框圖

當(dāng)檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，斷開直流側(cè)電壓外環(huán)，根據(jù)公式(6)與電壓跌落深度計(jì)算出相應(yīng)的無功電流參考值Iqref，再根據(jù)公式(7)計(jì)算出有功電流參考值Idref，作為電流內(nèi)環(huán)的給定值。

新的并網(wǎng)要求明確規(guī)定了電網(wǎng)電壓跌落期間無功補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)：自動態(tài)無功電流響應(yīng)起直到電壓恢復(fù)至0.9pu(pu為電壓標(biāo)幺值)期間，光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流IT應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，應(yīng)滿足:

UT為實(shí)測并網(wǎng)點(diǎn)電壓，在1.05IN的限幅狀態(tài)下，有功、無功電流的關(guān)系式為

(7)

2.3 鎖相環(huán)控制

為實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測,鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)(SSRF-SPLL)是基于跟蹤電網(wǎng)電壓正序分量而提出的鎖相方法，能夠在電網(wǎng)電壓平衡時(shí)快速有效地檢測電壓相位、頻率和幅值[11-13]。為實(shí)現(xiàn)精確鎖相及變量控制，鎖相環(huán)首先將abc坐標(biāo)系下的交流電壓量轉(zhuǎn)化為dq坐標(biāo)系下的直流量。如圖5所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，dq解耦生成的直流分量Uq值不再恒定且為一個(gè)交流分量，因此鎖相環(huán)的工作目標(biāo)就是通過PI調(diào)節(jié)器的不斷調(diào)節(jié)，使得Uq的取值無限接近于零，以確保其輸出的相位同步于電網(wǎng)電壓的相位。

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生零電壓故障時(shí)，常規(guī)的鎖相方法無法獲取有效的電網(wǎng)電壓信息，導(dǎo)致逆變器輸出處于不可控狀態(tài)[8]?？紤]到逆變器輸出的無功電流與電網(wǎng)電流的頻率不同步，可能引起電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的誤動作，造成供電系統(tǒng)的大規(guī)模停運(yùn)。因此在故障發(fā)生的瞬間，快速有效地鎖定故障電網(wǎng)相位，是LVRT的核心技術(shù)。本文通過檢測環(huán)節(jié)判斷并網(wǎng)點(diǎn)電壓是否跌落，一旦檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落，立即切換鎖相環(huán)控制策略，即將鎖相輸出相位角θ1切換為歷史周期值θ2，保證逆變器輸出的交流電同步于電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)精確鎖相的目的。該方法不須添加硬件設(shè)備和增加投入成本，也避免了鎖相精度與動態(tài)響應(yīng)不可兼得的缺陷。

圖5 LVRT鎖相控制框圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

利用RT-LAB及DSP-F2812，搭建如圖6所示的額定功率為1kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真平臺,對控制策略的可行性和有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。表1為光伏發(fā)電系統(tǒng)的具體參數(shù)。

圖6 實(shí)時(shí)仿真平臺

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生三相對稱跌落故障，且故障持續(xù)時(shí)間為150ms。電壓跌落期間采取ZVRT控制時(shí)，直流側(cè)電壓、電流、電網(wǎng)側(cè)a相電壓、a相電流、有功功率、無功功率的波形如圖7所示。

由圖7a和圖7b分析可知，電網(wǎng)零電壓故障期間，鎖相環(huán)通過存儲歷史周期值作為輸出的控制方式，可以有效地為逆變器提供所需相位信息；通過切換控制策略的方式，即檢測到并網(wǎng)點(diǎn)跌落至零,實(shí)時(shí)切換為ZVRT控制，使逆變輸出電流保持平穩(wěn)且不會超過額定電流的1.05倍，避免了過流對逆變器的電力電子器件造成損壞。從圖7c與7d中可知，直流側(cè)電壓在故障期間由于能量的回饋有所增大，直至達(dá)到開路電壓值之后穩(wěn)定不再上升，不需要再額外添加硬件設(shè)備進(jìn)行卸荷；逆變輸出的有功功率也會在故障期間跌落至零，為滿足對電網(wǎng)電壓恢復(fù)的支撐作用，需要逆變器根據(jù)電壓跌落的深度發(fā)出相應(yīng)量的無功，如圖7b所示，采用無功優(yōu)先控制策略，逆變器輸出的無功電流在故障期間增大到1.05IN，實(shí)現(xiàn)了有功功率與無功功率的協(xié)調(diào)控制。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖7 零電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

通過實(shí)時(shí)切換控制策略的方式，在電網(wǎng)發(fā)生零電壓故障期間,采用無功優(yōu)先的控制策略，根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落深度給予故障電網(wǎng)相應(yīng)量的無功補(bǔ)償，促進(jìn)電網(wǎng)電壓恢復(fù)。同時(shí)，對傳統(tǒng)單同步軟件鎖相環(huán)加以改進(jìn),確保了逆變器輸出電流的相位角與故障電網(wǎng)電流相位角的一致性，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的零電壓穿越，也為光伏電站的零點(diǎn)穿越技術(shù)提供重要參考。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

ZeroVoltageRide-throughTechnologyImplementationonGrid-connectedPhotovoltaicSystemonRT-LAB

WANG Xiulian,CUI Yunlong,HU Guang,ZHANG Daquan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To ensure the photovoltaic power generation system to be maintained and keep network operation with voltage dropping to zero in special condition,photovoltaic power stations could have a zero voltage ride-through (ZVRT) capability.Aiming at key issue such as obtaining the phase，frequency and other information of grid voltage with difficulty，a method is presented by using historical period value as phase-locked loop output.By detecting the voltage amplitude of the PCC to switch control strategyin real time,coordination control of active power,reactive power and current during fault are realized.Real-time simulation platform of grid-connected PV system are built on RT-LAB and DSP-F2812，which verifies the control strategy feasibility.Keywordsgrid-connected PV system；zero voltage ride-through；phase-locked loop；inverter

2015-12-06

王秀蓮(1965—)，女，博士，教授，研究方向：電力系統(tǒng)自動化、太陽能與風(fēng)力發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)等。

1003-1251(2017)04-0019-05

TM615

A