兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

隨著中功率兩級(jí)式光伏逆變器在大中型發(fā)電系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用，基于兩級(jí)式光伏逆變器的低電壓穿越控制技術(shù)得到越來(lái)越多的研究。與單級(jí)式光伏逆變器相比，兩級(jí)式光伏逆變器存在前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)DC/AC逆變器，控制更復(fù)雜，低電壓穿越難度更大。文中首先進(jìn)行了系統(tǒng)建模，然后提出了一種基于控制模式無(wú)縫切換的低電壓穿越控制策略，DC/DC變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)作為MPPT控制器進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，DC/AC逆變器作為恒壓源穩(wěn)定直流母線電壓。在低電壓穿越時(shí)，DC/DC變換器以恒直流母線電壓方式運(yùn)行，DC/AC變換器以有功無(wú)功模式運(yùn)行。此方法可以解決低電壓穿越過(guò)程中有功不匹配而導(dǎo)致的直流母線過(guò)壓的問(wèn)題。最后，通過(guò)在一臺(tái)40 kW的兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的正確性及可行性。

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)；低電壓穿越；控制模式無(wú)縫切換

0 引言

在大中型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，越來(lái)越多的光伏電站采用中功率兩級(jí)式光伏逆變器實(shí)現(xiàn)光伏的并網(wǎng)發(fā)電，其優(yōu)點(diǎn)是多路MPPT、寬范圍直流輸入、交流側(cè)并網(wǎng)電壓靈活、效率高，前級(jí)Boost電路完成最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)及升壓，后級(jí)T型三電平逆變電路完成PLL鎖相以及并網(wǎng)逆變功能。單臺(tái)兩級(jí)式光伏逆變器功率范圍在40～80 kW，在大中型光伏電站中每1 MW發(fā)電單元組成的光伏方陣中通常有12至30臺(tái)兩級(jí)式光伏逆變器。當(dāng)光伏電站滲透率較高或出力加大時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生故障引起電網(wǎng)電壓大幅度跌落，光伏電站的故障脫網(wǎng)會(huì)惡化整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964—2012中要求光伏電站須具備低電壓及零電壓穿越功能(LVRT/ZVRT)[1]。

兩級(jí)式光伏逆變器MPPT范圍寬，前級(jí)DC/DC變換器工作在MPPT模式或者旁路模式，在低電壓穿越發(fā)生或者恢復(fù)時(shí)，由于電網(wǎng)電壓的突變極易引起前后級(jí)變換器之間有功的不匹配，導(dǎo)致直流母線電壓升高而觸發(fā)過(guò)電壓保護(hù)引起脫網(wǎng)問(wèn)題。因而以?xún)杉?jí)式光伏逆變器構(gòu)成的光伏電站的低電壓穿越技術(shù)成為光伏逆變器的一個(gè)研究課題。

目前針對(duì)電網(wǎng)跌落，文獻(xiàn)[2]引入風(fēng)電技術(shù)的卸荷電阻的方法消耗不平衡功率，文獻(xiàn)[3]針對(duì)兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了一種基于有功平衡的開(kāi)環(huán)控制減小直流母線電壓波動(dòng)的LVRT控制策略，但該策略沒(méi)有在本質(zhì)上維持母線電壓的平穩(wěn)。文獻(xiàn)[4]針對(duì)兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)提出了一種LVRT控制策略，該策略采用功率閉環(huán)方法維持前后級(jí)之間的功率平衡，但本質(zhì)上仍然為開(kāi)環(huán)控制方法，其功率測(cè)量的準(zhǔn)確度以及兩級(jí)間的附加功耗決定了算法的有效性，而且該控制策略沒(méi)有考慮不平衡跌落的工況。文獻(xiàn)[5]也采用功率閉環(huán)維持前后級(jí)之間功率平衡的方法進(jìn)行低電壓穿越，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制僅做了仿真分析。文獻(xiàn)[6]在兩級(jí)式光伏逆變器LVRT時(shí)降低光伏陣列的輸出電壓，使光伏陣列工作在其PV曲線的左半平面，以降低LVRT恢復(fù)時(shí)升高的母線電壓，由于逆變器低電壓穿越期間工作在光伏電池PV曲線的左半平面，可能引起系統(tǒng)直流母線電壓崩潰，引發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象[7]。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中提出一種兩級(jí)式光伏逆變器低電壓穿越控制方法。前級(jí)DC/DC變換器采用一個(gè)公用的電流環(huán)，2個(gè)分時(shí)作用的電壓環(huán)，通過(guò)設(shè)計(jì)電流環(huán)的穩(wěn)定性，來(lái)增強(qiáng)低電壓穿越過(guò)程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)大范圍變動(dòng)的情況下，通過(guò)限制占空比(減小超調(diào)量)使逆變器工作在光伏P-V曲線的右半平面，防止系統(tǒng)出現(xiàn)母線電壓崩潰的穩(wěn)定性問(wèn)題；通過(guò)控制前級(jí)DC/DC2個(gè)分時(shí)作用的電壓環(huán)的無(wú)縫切換，以及后級(jí)逆變器控制模式，解決現(xiàn)有采用常規(guī)控制策略在電壓跌落過(guò)程中前后級(jí)變換器之間有功不匹配導(dǎo)致直流母線電壓升高而脫網(wǎng)的問(wèn)題，并且能夠保證逆變器在故障清除后以一個(gè)可調(diào)速率將有功功率恢復(fù)至跌落前的功率水平。

1 兩級(jí)式光伏逆變器系統(tǒng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)原理如圖1所示。兩級(jí)式光伏系統(tǒng)包括光伏陣列、前級(jí)Boost變換器、后級(jí)逆變橋和控制系統(tǒng)4部分。Boost變換器作為MPPT控制器控制光伏組件運(yùn)行在最大功率點(diǎn)上并且將光伏陣列輸出電壓升高，后級(jí)逆變器通過(guò)調(diào)節(jié)入網(wǎng)電流的大小保持直流母線電壓恒定，前后級(jí)變換器共用一個(gè)控制器。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of photovoltaic power generation system

1.1 MPPT控制器分析

根據(jù)不同的反饋?zhàn)兞?，Boost型MPPT控制器的控制方法可分為4類(lèi)：(1)功率反饋控制型[8]；(2)電流反饋控制型；(3)電壓反饋控制型[9]；(4)電流電壓反饋控制型[10-12]。文中采用加校正環(huán)節(jié)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析。

在正常工作時(shí)，Boost變換器通過(guò)光伏輸出電壓環(huán)將光伏輸出電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)電壓上，當(dāng)LVRT/ZVRT故障時(shí)，Boost變換器通過(guò)直流母線電壓環(huán)調(diào)節(jié)Boost電感電流控制直流母線電壓保持恒定，2個(gè)電壓環(huán)的輸出通過(guò)切換開(kāi)關(guān)作為同一個(gè)電流環(huán)的給定，如圖2所示。

圖2 Boost變換器控制框圖Fig.2 The control scheme of the Boost converter

在低電壓穿越期間光伏輸出電壓環(huán)積分值保持不變，以便故障恢復(fù)后光伏陣列能迅速追蹤到最大功率點(diǎn)，后級(jí)逆變器減少有功，輸出無(wú)功支持電網(wǎng)恢復(fù)，低電壓穿越結(jié)束后延時(shí)Tdelay時(shí)間保持故障控制模式不變，后級(jí)逆變器有功負(fù)荷以一定速率恢復(fù)至低電壓穿越前的值，無(wú)功給定減小至0。最后，所有控制方式切換到發(fā)生低電壓穿越前的正常工作模式，MPPT重新投入恢復(fù)到之前的狀態(tài)。由于在正常MPPT模式以及低電壓穿越時(shí)始終進(jìn)行電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過(guò)相應(yīng)的校正環(huán)節(jié)將電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)成近似一階慣性環(huán)節(jié)，這樣不但很容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，而且可以采用小信號(hào)模型。由于小信號(hào)模型是線性的，所以可方便地考慮系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[13]。

在進(jìn)行Boost控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為了設(shè)計(jì)電壓環(huán)及電流環(huán)控制器，文中利用小信號(hào)平均的方法，建立Boost電路的狀態(tài)空間平均模型[12]，當(dāng)電流環(huán)控制器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，簡(jiǎn)化的Boost電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)化的Boost電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Simplified block diagram of the Boost based current feedback control

考慮電流內(nèi)環(huán)需獲得較快的電流跟隨性能時(shí)，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，從開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可看出，只需以PI調(diào)節(jié)器零點(diǎn)抵消電流控制對(duì)象傳遞函數(shù)的極點(diǎn)即可，即Ti=L/R。校正后，電流內(nèi)環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

(1)

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)屬于變流器級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，在低電壓穿越時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)發(fā)生劇烈變化，級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的大信號(hào)穩(wěn)定性與小信號(hào)穩(wěn)定性不同：級(jí)聯(lián)系統(tǒng)在一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)下的小信號(hào)穩(wěn)定性不能保證系統(tǒng)在大信號(hào)擾動(dòng)下的穩(wěn)定性。這是因?yàn)橄到y(tǒng)本身在大信號(hào)擾動(dòng)下不具備傳統(tǒng)小信號(hào)意義上的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，傳統(tǒng)的線性化狀態(tài)空間法不再適用，基于小信號(hào)模型的阻抗分析方法或傳遞函數(shù)勞斯判據(jù)不再適用。大信號(hào)條件下的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)在啟動(dòng)、負(fù)載突變以及非線性負(fù)載等工況下十分重要。根據(jù)Boost變流器的大信號(hào)模型可以得到[12]：

(2)

可采用下述2種方法使系統(tǒng)避免系統(tǒng)失去穩(wěn)定[13]：(1)縮小變流器的占空比區(qū)間[DminDmax]；(2)增大W，并且增大kI，是斜線l1左移，落到閉環(huán)控制區(qū)域。方法1意義明確且容易實(shí)現(xiàn)，在低電壓穿越場(chǎng)合MPPT控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性也滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，文中采用方法1。

1.2 三電平逆變器建模分析

與兩電平類(lèi)似，定義開(kāi)關(guān)函數(shù)如下：假設(shè)Si(i=a,b,c)為第i相的開(kāi)關(guān)函數(shù)，則：

(3)

這樣可以得到簡(jiǎn)化電路模型，如圖4所示。為了方便分析，將開(kāi)關(guān)函數(shù)Si分解為Sip，Sio，Sin3個(gè)單刀開(kāi)關(guān)：

圖4 三電平逆變橋主電路簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified main circuit of the three level inverter bridge

在dq坐標(biāo)系下建立三相電壓型PWM整流器(VSR)有利于實(shí)現(xiàn)無(wú)功電流和有功電流的解耦。三相VSRdq模型建立后，對(duì)三相交流對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，若只考慮交流基波分量，則穩(wěn)態(tài)時(shí)dq模型dq分量均為直流。另一方面，適當(dāng)選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)初始參考軸如d軸與電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量Eq重合，則d軸為有功分量參考軸，q軸為無(wú)功分量參考軸，從而有利于三相VSR網(wǎng)側(cè)有無(wú)功分量的解耦控制。由三相VSR在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型得：

(4)

式中：

(5)

圖5 并網(wǎng)逆變器經(jīng)典控制方法Fig.5 Classical control method of grid-tied inverter

2 低電壓零電壓穿越控制

本文提出了一種兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器低電壓零電壓穿越(LVRT/ZVRT)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

圖6 光伏系統(tǒng)低電壓穿越控制策略Fig.6 Control scheme of the PV system during grid voltage dips

兩級(jí)式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，結(jié)合圖6闡述控制過(guò)程如下：

(3) 低電壓穿越檢測(cè)需要迅速確定電網(wǎng)是否觸發(fā)低電壓穿越，通過(guò)電網(wǎng)電壓的滑動(dòng)連續(xù)窗口的有效值，以及電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值經(jīng)過(guò)abc/dq坐標(biāo)變換得到的幅值來(lái)進(jìn)行綜合判斷，以保證其檢測(cè)的快速性及有效性。

(6)

以零電壓穿越即三相電網(wǎng)電壓跌落至0%為例，零電壓發(fā)生前，即在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，逆變器運(yùn)行在光伏陣列的最大功率點(diǎn)上，零電壓穿越發(fā)生時(shí)，由于電網(wǎng)電壓為0 V，導(dǎo)致逆變器輸出功率為0 kW，而此時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器仍然控制DC/DC變換器讓光伏陣列輸出最大功率，如不采取措施，DC/DC變換器與后級(jí)DC/AC逆變器造成的有功不匹配會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓過(guò)壓造成逆變器保護(hù)而脫網(wǎng)，甚至損壞光伏逆變器。

Udq_all=(Uαβ+++Uαβ-)e-jωt=Udq++Udq-e-j2ωt

(7)

電網(wǎng)電壓前饋中未經(jīng)分解的dq分量包含了電網(wǎng)負(fù)序電壓的前饋控制，是一兩倍頻于電網(wǎng)頻率的脈動(dòng)量，同樣可抑制電網(wǎng)負(fù)序電壓擾動(dòng)對(duì)并網(wǎng)逆變器三相電流的影響。

當(dāng)電網(wǎng)不平衡時(shí)，三相網(wǎng)側(cè)的視在復(fù)功率S為：

(8)

解得：

(9)

式中：p0，pc2，ps2，q0，qc2，qs2為常數(shù)，當(dāng)入網(wǎng)電流為正序時(shí)，式(8)常數(shù)由推導(dǎo)可得：

(10)

由式(9)、(10)表明，當(dāng)三相不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，有功功率存在著2倍頻波動(dòng)，直流母線電容電壓因有功的波動(dòng)存在著二次諧波分量，當(dāng)對(duì)直流母線電壓的控制性能要求不高時(shí)，可以不用對(duì)pc2，ps2抑制。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 算法參數(shù)說(shuō)明

文中基于Matlab仿真平臺(tái)對(duì)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)三相對(duì)稱(chēng)短路故障、單相短路故障進(jìn)行了仿真研究，對(duì)所提出的LVRT/ZVRT策略的可行性與正確性進(jìn)行驗(yàn)證，如圖7所示。被測(cè)機(jī)器容量為40 kW，通過(guò)0.48 kV/10 kV變壓器并入10 kV電網(wǎng)，光伏陣列MPPT點(diǎn)電壓600 V。

圖7 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)Fig.7 Simulation topology of the PV system

3.2 對(duì)稱(chēng)故障

在0.5 s時(shí)10 kV母線發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)短路至0 p.u.故障，短路故障時(shí)間持續(xù)0.15 s，在0.65 s時(shí)故障切除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。光伏逆變器在故障前以額定功率運(yùn)行，功率因數(shù)為1。

在電壓發(fā)生跌落后，Boost控制器檢測(cè)到低電壓穿越發(fā)生，退出正常MPPT工作模式，切換為故障穿越模式，控制直流母線電壓恒定；后級(jí)逆變器轉(zhuǎn)為PQ控制模式，向電網(wǎng)注入無(wú)功功率來(lái)支撐電網(wǎng)電壓，使電壓與電流的相位差發(fā)生了顯著變化，如圖8所示。

圖8 三相對(duì)稱(chēng)跌落零電壓穿越仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

3.3 不對(duì)稱(chēng)故障

在電壓發(fā)生跌落后，不對(duì)稱(chēng)故障包括單相短路接地故障、兩相短路接地故障和兩相短路故障。以?xún)上喽搪饭收蠟槔M(jìn)行分析。

在0.5 s時(shí)10 kV母線發(fā)生A、B兩相短路故障，短路故障持續(xù)時(shí)間為0.15 s。低壓側(cè)b相跌至0 p.u.， a相、c相電壓幅值略有下降。為了維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓，需要光伏逆變器根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)正序分量值輸出一定的無(wú)功功率，此時(shí)逆變器的輸出電壓與電流出現(xiàn)相位差，發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障，注入電網(wǎng)的電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量，通過(guò)相關(guān)控制消除負(fù)序分量，使得三相并網(wǎng)電流在故障期間仍保持平衡，如圖9所示。由于后級(jí)逆變器存在著有功功率的2倍頻波動(dòng)，因此相應(yīng)的Boost輸出電壓與輸出電流也存在著2倍頻波動(dòng)。由于Boost處于大信號(hào)穩(wěn)定域內(nèi)且電感電流受控，因此系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的。

圖9 三相不對(duì)稱(chēng)跌落零電壓穿越仿真波形Fig.9 The simulation waveform of three-phase asymmet

4 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證所提出的兩級(jí)式光伏逆變器低電壓零電壓穿越控制策略，設(shè)計(jì)了一套40 kW光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。直流側(cè)采用PV模擬器模擬光伏電池，交流側(cè)采用電網(wǎng)模擬器進(jìn)行電網(wǎng)電壓跌落，變壓器原邊A/B/C三相電壓同時(shí)跌落對(duì)應(yīng)于副邊a/b/c電壓同時(shí)跌落，變壓器原邊兩相電壓同時(shí)跌落對(duì)應(yīng)于副邊單相電壓跌落，逆變器主要參數(shù)如表1所示。

圖10 光伏低電壓穿越實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experiment platform of the PV system for LVRT

逆變器參數(shù)參數(shù)值額定輸出功率/kW40額定網(wǎng)側(cè)電壓/Vac480MPPT電壓范圍/V200～850MPPT路數(shù)/個(gè)3直流母線電壓/V730功率器件開(kāi)關(guān)頻率/kHz16

4.1 三相對(duì)稱(chēng)故障

為了研究LVRT控制策略效果，選取如下最嚴(yán)酷的工況條件：光伏逆變器滿(mǎn)載，光伏模擬器開(kāi)路電壓711 V，在t1時(shí)刻發(fā)生三相短路故障，電網(wǎng)電壓跌落到0 p.u.，故障時(shí)間持續(xù)150 ms，t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)后恢復(fù)到正常值，實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示。圖11顯示了直流母線電壓和Boost開(kāi)關(guān)管兩端電壓、電網(wǎng)A相相電壓和A相電流。

圖11 三相對(duì)稱(chēng)跌落零電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 The experimental waveform of three-phase symmetrical zero voltage ride through

當(dāng)三相電網(wǎng)電壓跌落接近0附近時(shí)，由于采樣精度與誤差等原因，鎖相環(huán)輸出會(huì)在故障時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大偏移，文中基于雙同步坐標(biāo)系的解耦鎖相環(huán)算法，根據(jù)電壓跌落深度設(shè)置一個(gè)可變參數(shù)的濾波器環(huán)節(jié)，當(dāng)?shù)渲亮愀浇鼤r(shí)采用較大濾波器保持輸出頻率基本不變，當(dāng)故障消除后采用較小濾波器使鎖相環(huán)迅速跟蹤電網(wǎng)相位。

在t1時(shí)刻發(fā)生三相短路0電壓故障時(shí)，前級(jí)Boost 退出最大功率點(diǎn)追蹤，控制目標(biāo)切換為控制直流母線電壓恒定；同時(shí)后級(jí)逆變器控制目標(biāo)由控制直流母線電壓恒定切換為PQ控制，有功給定為0，無(wú)功電流給定為1.05倍的額定電流。t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)后，無(wú)功電流給定為0，有功電流給定從0以設(shè)置速率恢復(fù)到低電壓穿越前的值。由圖11可以看出，直流母線電壓Udc在電網(wǎng)電壓Us跌落和恢復(fù)瞬間略有波動(dòng)，當(dāng)直流母線電壓大于780 V時(shí)Boost關(guān)閉，當(dāng)直流母線電壓小于730 V時(shí)Boost開(kāi)通并將直流母線電壓穩(wěn)定在730 V。并網(wǎng)電流Is暫態(tài)過(guò)程無(wú)超調(diào)，且穿越期間提供無(wú)功電流(并網(wǎng)電流超前電網(wǎng)電壓相位90°)用以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。故障消除后一段時(shí)間內(nèi)控制模式保持不變，有功電流從0以設(shè)置速率恢復(fù)至低電壓穿越前的水平，在有功功率增加過(guò)程中，光伏輸出電壓逐漸從開(kāi)路電壓降低至MPP點(diǎn)電壓，當(dāng)直流母線電壓低于730 V時(shí)Boost重新投入并將直流母線電壓穩(wěn)定至730 V。最后，控制模式切換為正常工作模式，MPPT功能重新投入，低電壓穿越結(jié)束。

4.2 三相不對(duì)稱(chēng)故障

為研究不對(duì)稱(chēng)故障下LVRT控制策略的效果，選取故障最為極端的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究：光伏逆變器滿(mǎn)載，光伏模擬源開(kāi)路電壓(711 V)小于直流母線電壓，在t1時(shí)刻發(fā)生三相不對(duì)稱(chēng)故障，電網(wǎng)電壓跌落到0 p.u.，故障時(shí)間持續(xù)150 ms，t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)后電網(wǎng)電壓直接恢復(fù)到正常值。實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。圖12顯示了直流母線電壓Udc和Boost開(kāi)關(guān)管兩端電壓Uce、電網(wǎng)A相相電壓和A相電流。

圖12 三相不對(duì)稱(chēng)跌落零電壓穿越實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 The experimental waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

當(dāng)t1時(shí)刻發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，光伏逆變器前級(jí)Boost退出最大功率點(diǎn)跟蹤，控制目標(biāo)切換為控制直流母線電壓恒定。故障期間，由于后級(jí)逆變器要發(fā)出正序有功電流與正序無(wú)功電流，因此直流母線電壓含有2倍頻波動(dòng)。t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)，無(wú)功電流給定為0，有功電流給定從0以一個(gè)設(shè)置速率恢復(fù)到低電壓穿越前的值。由圖12可以看出，直流母線電壓Udc在進(jìn)入低電壓穿越瞬間升高至780 V后Boost關(guān)閉，直流母線電壓含有2倍頻的波動(dòng)，反映出有功電流的2倍頻波動(dòng)。并網(wǎng)電流Is在電網(wǎng)電壓跌落瞬間以及電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間等暫態(tài)過(guò)程無(wú)超調(diào)，穿越期間提供無(wú)功電流支撐電網(wǎng)恢復(fù)。故障消除后一段時(shí)間內(nèi)控制模式保持不變，有功電流同樣從0以一個(gè)設(shè)置速率恢復(fù)至低電壓穿越前的水平，在有功功率增加過(guò)程中，光伏輸出電壓逐漸從開(kāi)路電壓降低至MPP點(diǎn)電壓，當(dāng)直流母線電壓低于730 V時(shí)Boost重新投入并將直流母線電壓穩(wěn)定至730 V。最后，控制模式切換為正常工作模式，MPPT功能重新投入，低電壓穿越結(jié)束。

5 結(jié)語(yǔ)

中功率兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器越來(lái)越多的應(yīng)用于地面大型光伏電站，基于文中提出的兩級(jí)式光伏逆變器低電壓穿越控制方式能有效的進(jìn)行低電壓穿越，低電壓穿越過(guò)程以及恢復(fù)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)沖擊，在新能源并網(wǎng)滲透率越來(lái)越高的背景下采用 文中提出的方法可以有效的降低電網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，但本文還有些不足，Boost雖然在大信號(hào)擾動(dòng)下保持了較好的穩(wěn)定性，但是減小了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，值得進(jìn)一步研究。

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郭 勇

郭 勇(1984—)，男，江蘇南京人，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)、新能源及分布式發(fā)電技術(shù)(E-mail：guoy@nrec.com)；

李 勇(1981—)，男，江蘇南京人，博士，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與電網(wǎng)接入、交直流微電網(wǎng)、新能源汽車(chē)的電力推進(jìn)以及高壓變頻器技術(shù)(E-mail：liyong@nrec.com)；

皇甫星星(1989—)，男，江蘇南京人，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)、新能源及分布式發(fā)電技術(shù)(E-mail：huangfxx@nrec.com)；

丁 勇(1981—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮幼兞骷夹g(shù)、柔性交流輸電技術(shù)(E-mail：dingy@nrec.com)；

石祥建(1980—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)控制自動(dòng)化研究、電力電子電力在系統(tǒng)中的應(yīng)用研究(E-mail：shixj@nrec.cn)；

劉為群(1966—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)勵(lì)磁及電力電子應(yīng)用研究(E-mail：liuweiqun@nrec.cn)。

(編輯徐林菊)

LVRTControlStrategyofTwo-stagePVPowerSystem

GUO Yong, LI Yong, HUANGFU Xingxing, DING Yong, SHI Xiangjan, LIU Weiqun

(NR Electric Corporation, Nanjing 211102, China)

With the application of two-stage PV grid-tie inverter in the large-scale and medium power systems, it is widely researched that the LVRT control strategy of photovoltaic inverter based on the two power stages topology. Compared with single-stage PV inverter, it is a combination of the first power stage of DC/DC converter and the second power stage of DC/AC inverter for two-stage PV inverter. The control is more complex and it is more difficult in the low voltage ride through. Firstly, the system modeling is carried on and then the control strategy is proposed based on control mode seamless switching in LVRT. At the steady state the DC/DC conversion unit tracks the maximum power point and the DC/AC inverter unit works as a constant voltage source. In LVRT, the DC/DC conversion unit runs in the constant busbar voltage mode and DC/AC inverter unit runs in the p-q mode. The problem is resolved that the DC bus over-voltage caused by unbalanced energy between the DC/DC unit and DC/AC unit. The experiments in a 40 kW PV grid-tie inverter of two power stage verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis finally.

two-stage PV power generation system; LVRT；control mode seamless switching

TM464

A

2096-3203(2017)06-0007-07

2017-07-03；

2017-08-02

國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目 (2015AA050101)