MW級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越控制策略

徐裕勇

（京瑯智能裝備(中山)有限公司 廣東省中山市 528437）

1 引言

為了應(yīng)對(duì)氣候的變化，化石能源的逐漸枯涸，光伏發(fā)電等可再生能源原在世界各國(guó)能源系統(tǒng)中占比越來越大。隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等這種間歇式能源在電網(wǎng)中占比越來越大，它們的波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響著電網(wǎng)的波動(dòng), 有可能會(huì)引起光伏電站的大面積停止發(fā)電，導(dǎo)致局域電網(wǎng)的癱瘓，給整個(gè)電網(wǎng)及用電大戶造成巨大損失。因此為了電網(wǎng)系統(tǒng)的高效穩(wěn)定的運(yùn)行，要求光伏電站具有一定的低電壓穿越能力。低電壓穿越（LVRT）能力也被認(rèn)為是光伏并網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)制造控制技術(shù)上的最大挑戰(zhàn)之一，直接關(guān)系到光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用[1-2]。因此，為了電網(wǎng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，光伏電站十分有必要具有低電壓或零電壓穿越功能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)單機(jī)MW 級(jí)兩級(jí)拓?fù)涔夥⒕W(wǎng)逆變器低電壓穿越研究比較少。 本文提出了MW 級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)拓?fù)?，在低電壓穿越過程中為解決電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)無法穿越問題引入了逆變母線過壓保護(hù)控制環(huán)，該控制環(huán)有效解決了電壓跌落造成的兩級(jí)系統(tǒng)逆變母線過壓?jiǎn)栴}。

2 MW級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)控制策略

目前常規(guī)MW 級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器一般采用兩臺(tái)單級(jí)系統(tǒng)逆變器并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)，一方面由于在常規(guī)并網(wǎng)電壓270V/315V 并網(wǎng)條件下，輸出MW 級(jí)功率電流達(dá)2 千多安培，常規(guī)的IGBT 模塊很難達(dá)到要求，受功率器件的限制很難實(shí)現(xiàn)單機(jī)MW 級(jí)逆變器；另一方面提高并網(wǎng)電壓，使并網(wǎng)輸出電流大大減小，此時(shí)由于并網(wǎng)電壓高，則要求輸入側(cè)的直流電壓高才能滿足并網(wǎng)條件，而逆變器為了最大限度的發(fā)電，需在較低電壓時(shí)亦能并網(wǎng)發(fā)電。基于上述兩個(gè)方面，本文采取了兩級(jí)系統(tǒng)逆變方案。

如圖1所示，光伏陣列的電能分兩路交錯(cuò)進(jìn)入前級(jí)系統(tǒng)，先經(jīng)過前級(jí)Boost 升壓電路，使較低的直流電壓升壓至960V，通過后級(jí)逆變系統(tǒng)使母線電壓持續(xù)穩(wěn)定在960V，再通過后級(jí)三相全橋逆變電路，經(jīng)LC 濾波后以620V 交流電壓并網(wǎng)。

2.1 前級(jí)MPPT及Boost DC/DC控制分析

在電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境下，MPPT 功率環(huán)是通過改變功率的大小，觀察光伏電池板輸出電壓的變化, 計(jì)算出最大功率點(diǎn)后, 輸出量給定到Boost 電壓控制環(huán)，通過Boost DC/DC 升壓并把光伏電池板電壓穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)上。當(dāng)出現(xiàn)低電壓穿越故障時(shí)，Boost DC/DC 電壓環(huán)切換為對(duì)直流母線進(jìn)行控制，讓直流母線保持平穩(wěn)，環(huán)路間通過故障切換點(diǎn)進(jìn)行切換，如圖2所示。

2.2 后級(jí)DC/AC三相全橋并網(wǎng)控制分析

后級(jí)DC/AC 三相全橋并網(wǎng)拓?fù)淇驁D如圖3所示。

以并網(wǎng)逆變器Cdc1和Cdc2連接點(diǎn)為直流側(cè)的N 點(diǎn)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[5-8]給出了在abc 靜止坐標(biāo)系下，其數(shù)學(xué)模型如下式（1）：

從式（1）看出，三相電流是相互獨(dú)立的，控制起來會(huì)比較復(fù)雜。為了控制更加簡(jiǎn)單，我們對(duì)它進(jìn)行d-q 坐標(biāo)變換，變換矩陣為式（2）：

合并兩式（1）及式（2）得：

圖1：MW 級(jí)兩級(jí)交錯(cuò)光伏并網(wǎng)逆變器電路原理圖

圖2：前級(jí)Boost 控制框圖

圖3：后級(jí)DC/AC 三相全橋并網(wǎng)拓?fù)淇驁D

圖4：d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的三相系統(tǒng)控制框圖

圖5：逆變母線過壓保護(hù)PI 環(huán)控制策略

圖6：后級(jí)三相全橋逆變控制策略[4]

式中id和iq分別是三相并網(wǎng)逆變器電流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d 軸分量和q 軸分量，即有功電流和無功電流。Ud和Uq分別是電網(wǎng)電壓在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量。Sd和Sq是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù)[3-8]。

圖7：低電壓穿越系統(tǒng)控制策略Simulink 仿真圖

圖8：直流母線電壓仿真結(jié)果

圖9：MYsolar-1000TL 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

如圖4所示，通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后，原來系統(tǒng)的三個(gè)交變參數(shù)變成了兩個(gè)的常量參數(shù)，而且在交叉解耦后相互獨(dú)立，控制起來非常簡(jiǎn)單?？刂葡到y(tǒng)采用母線電壓外環(huán)結(jié)合并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)結(jié)合的方式進(jìn)行控制。逆變母線電壓外環(huán)把直流母線控制在960V，輸出量作為并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的給定量，通過電流內(nèi)環(huán)設(shè)定有功電流id輸出和無功電流iq輸出（電站需要發(fā)無功要求）?？刂葡到y(tǒng)通過交叉解耦的方法對(duì)它們進(jìn)行獨(dú)立控制。為了使得系統(tǒng)不受電網(wǎng)電壓瞬變影響太大，控制策略中把電網(wǎng)電壓ugd和ugq進(jìn)行前饋控制，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的魯棒性[8]。最后三者相加，輸出并網(wǎng)電壓矢量ud和uq。此方法解耦了有功電流和無功電流，非常適合在低電壓穿越（LVRT）時(shí)，系統(tǒng)要發(fā)無功電流的要求。

3 矢量法的LVRT控制策略

電壓跌落過程中，由于能量在母線電容上堆積導(dǎo)致逆變母線電壓迅速上升，在母線電壓超過限壓保護(hù)環(huán)閥值后調(diào)用限壓保護(hù)環(huán)PI，使母線電壓穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)不出現(xiàn)過壓情況，即圖5 中的限壓PI 環(huán)在母線電壓超過1000V（正常并網(wǎng)穩(wěn)定在960V）之后調(diào)用此PI 環(huán)，其輸出量給定前級(jí)Boost PI 環(huán)的輸入，以減小占空比，防止母線過壓的出現(xiàn)。

對(duì)于后級(jí)三相全橋控制，如圖6所示，正常時(shí)，逆變母線電壓PI 環(huán)把母線電壓穩(wěn)定在960V，此環(huán)路的輸出給定有功電流分量同時(shí)對(duì)無功電流分量設(shè)定為0。閉環(huán)調(diào)節(jié)后，經(jīng)dq/abc變換，電網(wǎng)電壓前饋后得到PWM 調(diào)制波對(duì)三相全橋進(jìn)行控制并網(wǎng)。

圖10：三相電壓對(duì)稱跌落至20%情況逆變母線電壓(中間橙色為逆變母線電壓波形)

4 系統(tǒng)Matlab／Simulink仿真及控制策略

控制策略在Matlab/Simulink 仿真圖如圖7所示，仿真系統(tǒng)包含光伏電池陣列、雙相交錯(cuò)DC/DC 升壓電路、后級(jí)三相全橋逆變電路、LC 濾波回路及交流電網(wǎng)。

直流母線電壓仿真結(jié)果從圖8 可見，在電網(wǎng)電壓跌落后逆變母線電壓因能量堆積迅速上升，由于母線電容充放電的作用電壓在不停的波動(dòng)以解耦前后級(jí)系統(tǒng)，但一直都維持在一定的范圍而不會(huì)出現(xiàn)過壓情況。仿真的結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文的控制策略在明陽公司研發(fā)的單機(jī)1MW 光伏并網(wǎng)逆變器上進(jìn)行驗(yàn)證，并在國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽能研發(fā)實(shí)現(xiàn)中心通過了低電壓穿越實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該控制策略的可行性。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。

運(yùn)行工況一，在重載860KW 并網(wǎng)情況下，標(biāo)準(zhǔn)要求三相電壓對(duì)稱跌落至20%時(shí)的電壓波形、逆變母線電壓波形及并網(wǎng)電流波形如圖10所示?？梢姰?dāng)網(wǎng)壓發(fā)生跌落時(shí)逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統(tǒng)采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩(wěn)定在一定的閥值上，逆變器能正常并網(wǎng)輸出，且電流波形畸變小，順利穿越低電壓過程。逆變母線電壓的變化情況與圖8 仿真的情況類似。

圖11：A 相電壓對(duì)稱跌落至20%情況逆變母線電壓（中間橙色為逆變母線電壓波形）

運(yùn)行工況二，在重載860KW 并網(wǎng)情況下，A 相電壓跌落至60%時(shí)的電壓波形、逆變母線電壓波形及并網(wǎng)電流波形如圖11所示。由圖11 可見，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時(shí)逆變母線電壓瞬間上升到一定的值，由于系統(tǒng)采取了過壓限功率控制策略，逆變母線電壓穩(wěn)定在一定的閥值上。逆變器能正常并網(wǎng)輸出，且電流波形畸變小，順利穿越低電壓過程。逆變母線電壓的變化情況與圖8 仿真的情況類似。

6 結(jié)論

本文對(duì)MW 級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)拓?fù)浣⑵涞碗妷捍┰椒抡婺Ｐ?。為解決在低電壓穿越過程中電壓跌落過程逆變母線電壓過高而導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)無法問題引入了逆變母線過壓保護(hù)控制環(huán)，該控制環(huán)有效解決了電壓跌落造成的兩級(jí)系統(tǒng)逆變母線過壓?jiǎn)栴}。該控制策略在國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽能實(shí)驗(yàn)研發(fā)中心得到驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)所用的樣機(jī)MYsolar-1000TL 順利通過了國(guó)網(wǎng)電科院的低電壓穿越認(rèn)證測(cè)試。驗(yàn)證了該控制策略的可行性，對(duì)集中式大功率光伏并網(wǎng)逆變器的研發(fā)具有一定的引導(dǎo)性作用。