光伏并網(wǎng)逆變器電壓跌落模型電流預(yù)測控制方法研究

楊 帆 ，尚姝鈺 ，陶 濤 ，劉建山 ，金 楠

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002；2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，平頂山476001；3.國網(wǎng)許昌供電公司，許昌 461000；4.索凌電氣有限公司，鄭州 450000）

光伏并網(wǎng)逆變器電壓跌落模型電流預(yù)測控制方法研究

楊 帆1，尚姝鈺2，陶 濤3，劉建山4，金 楠1

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002；2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，平頂山476001；3.國網(wǎng)許昌供電公司，許昌 461000；4.索凌電氣有限公司，鄭州 450000）

針對傳統(tǒng)光伏逆變器低電壓穿越技術(shù)存在的不足，提出一種基于模型電流預(yù)測控制的低電壓穿越控制方法，能夠有效提高光伏逆變器的輸出特性及響應(yīng)速度。該策略通過逆變器預(yù)測模型得到預(yù)測電流，將有功、無功電流分量預(yù)測電流與給定電流誤差之和作為價值函數(shù)進行最佳電壓矢量的選取。針對系統(tǒng)不同運行狀態(tài)自動平滑切換優(yōu)先有功和優(yōu)先無功兩種控制模式，提出一種低壓穿越輸出電流控制方法，有效提高了光伏逆變器低壓穿越能力。最后，通過Matlab/Simulink仿真及實驗，驗證了所提控制策略的正確性及有效性。

光伏并網(wǎng)逆變器；電壓矢量；電流預(yù)測；低電壓穿越

隨著光伏發(fā)電機容量及規(guī)模的不斷擴大，光伏并網(wǎng)技術(shù)已成為研究的焦點[1]。世界各國在大型新能源發(fā)電站的并網(wǎng)技術(shù)條件中，都規(guī)定了低電壓穿越 LVRT（low voltage ride through）的條款，即在電網(wǎng)故障期間光伏逆變器能夠快速并網(wǎng)恢復(fù)供電[2-3]。文獻[4]采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)矢量控制策略時，控制電路中含有多個比例-積分 PI（proportional integral）控制器，因此，在實際工程中調(diào)節(jié)PI控制參數(shù)較為困難；文獻[5]采用PR電流控制器只針對基波頻率進行控制，無功功率控制方法不清晰；文獻[6]提出在電網(wǎng)發(fā)生故障時，通過動態(tài)無功補償設(shè)備向電網(wǎng)注入所需的無功功率，但是SVC提供的無功功率較小，動態(tài)性能略差；文獻[7]提出了基于儲能設(shè)備的解決低電壓穿越的方案，可以解決電網(wǎng)的功率波動問題，但是成本偏高。

本文對單級式光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)進行了全面深入地研究，提出了光伏并網(wǎng)逆變器電壓跌落模型電流預(yù)測控制MCPC（model current predictive control）方法。根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落情況注入無功電流進行合理的補償，保證逆變器能夠繼續(xù)維持并網(wǎng)。然后通過電流預(yù)測模型直接對有功電流id和無功電流iq進行預(yù)測，選擇最優(yōu)空間電壓矢量，使價值函數(shù)最小。該控制方法中避免了傳統(tǒng)控制方法中的外加無功補償設(shè)備和不同頻率的電流控制器，不僅降低了系統(tǒng)成本，使系統(tǒng)更為簡單，而且運用了逆變器系統(tǒng)自身的低電壓穿越能力，工程上易于實施。

1 低壓穿越的要求

低電壓穿越LVRT指在電網(wǎng)故障或擾動引起的并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定電壓跌落范圍及其規(guī)定的對應(yīng)時間內(nèi)，機組能夠不間斷并網(wǎng)運行[8]。

2011年，國家電網(wǎng)公司頒布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[9]中明確指出：“大中型光伏電站應(yīng)具備一定的低電壓穿越能力并在低電壓穿越過程中宜提供動態(tài)無功支撐?！钡碗妷捍┰侥芰σ笕鐖D1所示。電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障時，若光伏電站并網(wǎng)點電壓跌落范圍在圖1中所示電壓曲線以上區(qū)域時，光伏電站應(yīng)保證不脫離電網(wǎng)；當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌落至圖中輪廓線以下范圍時，允許光伏電站脫離電網(wǎng)。

德國公司還規(guī)定了無功電流和電壓跌落深度的關(guān)系[10]，如圖2所示。從圖2中可以看出，電壓波動在-10%～+10%范圍內(nèi)時低電壓穿越控制不動作；在電壓跌落10%時，對應(yīng)無功電流需求為額定電流的20%；在電壓跌落達到50%時，對應(yīng)無功電流需求為額定電流的100%；超過50%電壓跌落時，無功電流需求限制為額定電流。

圖1 大中型光伏電站的低電壓穿越能力要求Fig.1 LVRT requirements of the large and mediumsized PV power stations

圖2 用于支撐電壓所需的無功電流要求（德國）Fig.2 Required reactive current to support voltage（Germany）

2 低電壓穿越控制技術(shù)

2.1 光伏并網(wǎng)逆變器電流預(yù)測模型

圖3為單級式三相光伏并網(wǎng)逆變器，逆變器通過濾波電感L、線路電阻R與電網(wǎng)相連。根據(jù)基爾霍夫定律，得到系統(tǒng)在三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程，即

式中：ea、eb、ec為電網(wǎng)的三相電壓；ia、ib、ic為并網(wǎng)逆變器輸出電流；uan、ubn、ucn為三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓。

對式（1）進行Park變換，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的狀態(tài)方程，即

圖3 單級式三相光伏并網(wǎng)逆變器Fig.3 Single-stage three phases grid-connected photovoltaic inverter

式中：ed、eq、id、iq為并網(wǎng)電壓、電流在 dq 坐標(biāo)系下的d、q軸分量；ud和uq為逆變器輸出電壓在dq坐標(biāo)系下的d、q軸分量。

定義三相光伏并網(wǎng)逆變器的開關(guān)狀態(tài)Si（i=a,b,c）為

圖3的三相光伏并網(wǎng)逆變器存在7個不同的電壓矢量，其產(chǎn)生的電壓空間矢量如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)逆變器空間電壓矢量Fig.4 Space vectors of grid-connected inverter voltage

則并網(wǎng)逆變器的輸出電壓Ui（i=d,q）為

式中：Udc為直流母線電壓；θ為電網(wǎng)的空間角度。

由于電阻R較小，可忽略其影響。將式（2）離散化，整理得光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測直接電流控制預(yù)測函數(shù)，即數(shù)g，通過價值函數(shù)將預(yù)測的所有電流進行比較，挑選出使價值函數(shù)最小的電壓矢量應(yīng)用到下一時刻。選用預(yù)測電流與給定電流誤差的絕對值之和作為價值函數(shù)，表示為

2.2 預(yù)測電流控制原理

光伏逆變器控制結(jié)構(gòu)[11-13]如圖5所示。使價值函數(shù)最小的電壓矢量將會應(yīng)用到下一個采樣周期，由此在開關(guān)狀態(tài)尋優(yōu)環(huán)節(jié)得到該電壓矢量對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài) Sa、Sb、Sc，從而控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷。

為了挑選出最佳的電壓矢量需要建立價值函

圖5 光伏逆變器控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Control structure of photovoltaic inverter

3 LVRT控制策略

基于并網(wǎng)電流控制的LVRT技術(shù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，根據(jù)電壓跌落的深度，可以控制逆變器輸出的無功電流的大小，從而向電網(wǎng)注入一定的無功功率，提高并網(wǎng)點電壓[14]，支撐光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)工作，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。

電網(wǎng)未發(fā)生故障時，優(yōu)先滿足有功電流。逆變器通過最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）算法得到電壓參考值Udc_ref，該參考值與直流側(cè)電壓Udc之間的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到i*d；無功電流的參考值由用戶直接給定。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，則逆變器采用無功優(yōu)先控制。無功優(yōu)先控制中，電壓跌落在區(qū)間10%～50%時，可得無功電流的參考值為

式中，iN為電網(wǎng)額定電流。

電壓跌落超過50%時，無功電流的參考值為

實際上，考慮逆變器自身1.1倍[15]的過載能力，即允許逆變器最大持續(xù)輸出電流為1.1iN，則逆變器輸出的有功電流為

逆變器三相輸出電流和三相電網(wǎng)電壓以同步旋轉(zhuǎn)角進行abc/dq旋轉(zhuǎn)變換，指令電流負責(zé)電壓跌落檢測以及參考有功電流和無功電流計算。電網(wǎng)正常時，選用預(yù)測電流與給定電流誤差的絕對值之和作為價值函數(shù)，在開關(guān)狀態(tài)尋優(yōu)環(huán)節(jié)控制開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷；電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，無功優(yōu)先控制限制有功電流，以保證逆變器發(fā)出無功，支持電壓恢復(fù)。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的LVRT控制流程如圖6所示。 圖6中，S（n）為目標(biāo)開關(guān)狀態(tài)，m、i為變量參數(shù)，i=0～7分別對應(yīng)逆變器輸出的8個電壓矢量，gi為第i個開關(guān)狀態(tài)的評估函數(shù)。

圖6 LVRT控制流程Fig.6 Flow chart of LVRT control

4 仿真驗證

利用Matlab/Simulink搭建圖3的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對光伏電站并網(wǎng)點三相對稱故障進行仿真對比分析研究。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在0.08 s時發(fā)生三相對稱故障，電網(wǎng)電壓跌落到0.6 p.u.，0.14 s時故障清除。

4.1 LVRT控制投入前后的對比分析

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

圖7 LVRT控制前后功率對比Fig.7 Comparison of power beforeamp;after LVRT control

具體的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。LVRT控制前后的功率對比如圖7所示。圖7（a）可見，采取LVRT控制后，逆變器輸出電流在故障期間保持平穩(wěn)，而在電壓發(fā)生跌落后采取的無功優(yōu)先控制使并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)注入無功電流，則電壓與電流的相位差發(fā)生了顯著變化；從圖 7（b）、圖 7（c）中可見，在電壓跌落時逆變器輸出的有功功率減小，采用LVRT控制策略后，在電壓跌落期間輸出的無功功率增大。此時光伏電站優(yōu)先向電網(wǎng)提供無功功率，成為無功補償設(shè)備，而當(dāng)電壓恢復(fù)正常以后，有功和無功功率又可以快速地恢復(fù)至故障前的穩(wěn)態(tài)值。

4.2 與傳統(tǒng)控制器的對比分析

在0.08 s時改變有功電流參考值，對模型預(yù)測電流控制器和傳統(tǒng)的PI控制器在系統(tǒng)響應(yīng)速度進行對比分析，仿真結(jié)果如圖8所示。圖中：Id1為PI控制下逆變器輸出電流的有功分量，Id2為電流預(yù)測控制下逆變器輸出電流的有功分量，Idref為參考電流值。

由圖8仿真結(jié)果表明，當(dāng)參考電流產(chǎn)生動態(tài)變化時，電流預(yù)測控制和PI控制都可以按照電流動態(tài)指令變化。但是，采用電流預(yù)測控制響應(yīng)速度較PI控制器要快，模型電流預(yù)測控制的響應(yīng)速度受采樣頻率和共模電壓的影響，而PI控制出現(xiàn)超調(diào)且需要設(shè)置PI參數(shù)，這將使系統(tǒng)控制復(fù)雜度和計算量大幅增加。

圖8 參考指令變化時的輸出對比Fig.8 Comparison of outputs when the reference instructions changed

4.3 不同跌落深度的對比分析

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在0.04 s時電網(wǎng)電壓跌落0.02 p.u.， 在 0.08 s時電網(wǎng)電壓跌落 0.4 p.u.，在0.012 s時電網(wǎng)電壓跌落0.7 p.u.，在0.16 s時故障清除，不同電壓跌落深度的輸出對比如圖9所示。

從圖9可以看出，電壓跌落期間光伏發(fā)電系統(tǒng)必須提供無功電流，當(dāng)電壓跌落深度為0.4 p.u.時，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有線性輸出的無功電流;當(dāng)電網(wǎng)的電壓跌落深度為0.7 p.u.時，提供100%的無功電流。由此表明，逆變器輸出的無功電流能按照圖2所示的曲線規(guī)律變化。

圖9 電壓跌落深度變化時的輸出對比Fig.9 Comparison of outputs changing with the depth of grid voltage sags

5 實驗分析

5.1 實驗平臺

為進一步驗證所提出控制方法的可行性及有效性，搭建了基于PE-PRO的三相并網(wǎng)實驗平臺，如圖10所示?？刂葡到y(tǒng)由TI公司的TMS320F2833 5控制芯片實現(xiàn),功率器件IGBT為7MBP50RJ120，測試儀器由YOKOGAWA DLM4000系列混合信號示波器、APL-II直流電源等組成。

5.2 實驗結(jié)果

圖10 實驗平臺Fig.10 Experimental setup

三相交流電壓平衡跌落60%時，采用加補償MCDPC的實驗結(jié)果如圖11所示。由圖可見，功率P=1.1 kW 跳變?yōu)?P=0.5 kW、Q=0 var跳變?yōu)?Q=0.58 var，支撐電壓恢復(fù)，電流波形正弦度良好。a相電網(wǎng)電壓Ua和a相電網(wǎng)電流Ia有相位差，實現(xiàn)了在電壓跌落期間逆變器的無功補償，維持并網(wǎng)點的電壓穩(wěn)定。

圖11 實驗波形Fig.11 Experimental waveforms

6 結(jié)語

本文在基于模型電流預(yù)測控制實現(xiàn)光伏系統(tǒng)單位功率因數(shù)并網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過控制策略的改進，利用模型電流預(yù)測控制策略良好的動態(tài)響應(yīng)，可以快速實現(xiàn)對并網(wǎng)逆變器的控制。在Matlab/Simulink上進行了三相對稱故障仿真算例的驗證，并對模型精度進行了分析。結(jié)果表明，運用該控制策略，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度實時調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器的無功功率輸出，提高并網(wǎng)點電壓，支撐光伏發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)工作，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。

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楊帆

楊帆（1991－），女，碩士研究生，研究方向：低電壓穿越、新能源發(fā)電。電能轉(zhuǎn)換，E-mail：1050048189@qq.com。

尚姝鈺（1980－），女，碩士，講師，研究方向：新能源發(fā)電，E-mail：9210738@qq.com。

陶濤（1980－），男，碩士，工程師，研究方向： 配網(wǎng)自動化，E-mail：oceanvessel@so hu.com。

劉建山（1971－），男，本科，高級工程師，研究方向：電力裝備制造，E-mail：Lius ir02@163.com。

金楠（1982－），男，中國電源學(xué)會高級會員，通信作者，博士，副教授，研究方向：電能轉(zhuǎn)換控制研究，E-mail：Jinnan@zzuli.edu.cn。

Study on Model Current Predictive Control Method of Gridconnected Inverters for Photovoltaic System with Voltage Sag

YANG Fan1,SHANG Shuyu2,TAO Tao3,LIU Jianshan4,JIN Nan1
（1.School of Electrical and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China;2.Pingdingshan Industrial College of Technology,Pingdingshan 476001,China;3.State Grid Xuchang Power Supply Company,Xuchang 461000,China;4.Suoling Electric Co.,Ltd,Zhengzhou 450000,China）

Abstract:In order to overcome the lack of traditional photovoltaic inverter low voltage ride through（LVRT） technology,a LVRT control method based on model current predictive control（MCPC） is presented in this paper to effectively improve the photovoltaic inverter output characteristics and response speed.In this method,the predictive current is obtained from the inverter predictive model，and the sum of the predicted current and the given current error is selected as the optimal value of the voltage vector.Based on the automatic switch system of priority active or reactive power control mode according to the different operating states in photovoltaic inverter，a control method of LVRT output current is proposed to effectively improve the inverter capability of LVRT.Finally,The LVRT control method is carried out on the Matlab/Simulink，and the results verify that the proposed strategy is valid and effective.

photovoltaic grid-connected inverter;voltage vector;current predictive;low voltage ride through（LVR）

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.89

TM464

A

2016-03-16；

2016-09-20