0 引言

    隨著光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比例日漸升高，其對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的影響與挑戰(zhàn)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏逆變器具有一定的低電壓穿越能力^[1]。

    目前，國內(nèi)對(duì)于光伏逆變器的低電壓穿越研究正處于發(fā)展中。常用光伏逆變器可劃分為單極式和雙極式兩類。其中，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系下抑制逆變側(cè)輸出有功功率波動(dòng)的LVRT控制策略；文獻(xiàn)[3]提出了抑制對(duì)稱故障的直接功率控制策略和抑制不對(duì)稱故障的基于正序、負(fù)序電流的雙閉環(huán)矢量控制策略；文獻(xiàn)[4]和[5]以抑制并網(wǎng)負(fù)序電流為控制目標(biāo)，提出了基于前饋解耦的正負(fù)序雙電流閉環(huán)控制的LVRT策略；文獻(xiàn)[2]～[5]所提出的方法雖能取得較好的效果，但均是針對(duì)單級(jí)式光伏逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并不適用于兩級(jí)式光伏逆變器。為實(shí)現(xiàn)兩級(jí)式光伏逆變器的低電壓穿越，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于電網(wǎng)正序電壓定向的矢量控制策略，結(jié)合直流側(cè)卸荷電路，保證電網(wǎng)發(fā)生各種不對(duì)稱故障時(shí)光伏逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]通過控制超級(jí)電容吸收有功功率，穩(wěn)定直流母線電壓，減少光伏陣列注入逆變器的功率，來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[9]均是通過附加的硬件輔助電路來實(shí)現(xiàn)兩級(jí)式光伏逆變器的LVRT。

    綜上，本文從改進(jìn)策略的層面上，研究了不對(duì)稱電壓故障下基于Boost升壓電路的兩級(jí)式光伏逆變器的低電壓穿越控制策略，在LVRT期間，通過引入一個(gè)基于故障前最大功率點(diǎn)電壓前饋的母線電壓控制外環(huán)改變Boost部分的電壓控制模式，由其負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率，以消除逆變器交、直流側(cè)功率差異，從而達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓和防止逆變器過流的目的；設(shè)計(jì)了以抑制負(fù)序電流為目標(biāo)的基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的電流控制策略，結(jié)合給定有功、無功電流指令的方式控制輸出電流，在故障期間為電網(wǎng)提供無功功率支撐，幫助系統(tǒng)恢復(fù)。利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗(yàn)證了本文理論研究的正確性。并利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗(yàn)證了本文理論研究的正確性。

1 兩級(jí)式光伏逆變器

1.1 低電壓穿越要求

    根據(jù)國家電網(wǎng)公司2011年頒布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至圖1所示的曲線1以下時(shí)，光伏逆變器可以從電網(wǎng)切出。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所研究的兩級(jí)式光伏逆變器由前級(jí)Boost升壓電路和后級(jí)DC/AC逆變電路構(gòu)成，其電路拓?fù)淙鐖D2所示^[10]。

1.3 常規(guī)電流控制策略

    據(jù)圖2建立光伏逆變器理想電網(wǎng)下同步坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型：

2 不對(duì)稱故障下的LVRT控制策略

2.1 不對(duì)稱故障下的直流側(cè)電壓控制策略設(shè)計(jì)

    根據(jù)前文分析，對(duì)于兩級(jí)式光伏逆變器而言，實(shí)現(xiàn)LVRT的關(guān)鍵在于電壓跌落時(shí)應(yīng)快速消除交、直流側(cè)功率差異。為此，引入一個(gè)基于故障前最大功率點(diǎn)電壓前饋的母線電壓控制外環(huán)，改變Boost部分的電壓控制模式，將穩(wěn)定直流母線電壓作為控制目標(biāo)，此時(shí)，Boost控制框圖如圖4所示。

    圖中，U_dc為直流母線電壓，U_max為故障發(fā)生之前采用MPPT算法所獲得的光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓參考值。分析上圖有：

    (1)在電壓跌落時(shí)，直流母線電壓U_dc將會(huì)上升，從而圖4中虛線框內(nèi)的外環(huán)電壓PI控制器會(huì)輸出正的控制量，疊加到U_max上將會(huì)使得光伏陣列的工作點(diǎn)偏移到最大功率點(diǎn)右側(cè)；

    (2)對(duì)于光伏陣列，當(dāng)實(shí)際工作電壓分別向左、向右偏離最大功率點(diǎn)電壓時(shí)的功率變化如圖 5所示。

    根據(jù)光伏陣列的P-U特性，其最大功率點(diǎn)電壓U_max一般處在其開路電壓的0.8倍位置處^[10]，因此，光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓右側(cè)的輸出功率對(duì)電壓的平均變化率較左側(cè)要大，當(dāng)圖5中的ΔU₁=ΔU₂時(shí)，存在關(guān)系P_left>P_right。

    綜上，在電壓跌落時(shí)，通過圖4中所示的故障前最大功率點(diǎn)電壓前饋的控制方式，配以適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)可快速抬升光伏輸出電壓U_pv來減小其輸出功率，從而控制直流母線電壓處在安全范圍內(nèi)。

2.2 不對(duì)稱電壓的正負(fù)序分離鎖相

    對(duì)于三相不對(duì)稱電壓，根據(jù)對(duì)稱分量法可得：

    基于上圖推知SOGI的傳遞函數(shù)為：

    據(jù)圖可知，當(dāng)SOGI的中心頻率與輸入信號(hào)的頻率相同時(shí)，則輸出信號(hào)v′與v具有相同的幅值和相位，qv′與v幅值相同，但是相位滯后90°。因此，SOGI可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的正交處理，從而利用其可實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分離。

2.3 不對(duì)稱故障下的電流控制策略設(shè)計(jì)

    電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí)，根據(jù)對(duì)稱分量法可建立光伏逆變器的交流側(cè)數(shù)學(xué)模型：

    根據(jù)式(7)，做出系統(tǒng)等效電路圖如圖8所示。

    根據(jù)前述分析，為抑制負(fù)序電流，本文采取電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制策略。

    定義K=U_{d_fault}^P/U_N(其中U_{d_fault}^P為故障時(shí)正序電壓，U_N為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓)為電壓跌落深度。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的無功支撐，本文所采取的方法為根據(jù)電壓跌落深度給定電流指令i_{d_fault}^*(本文取i_max=I_N)的方式，具體如圖9所示。

    圖中t₀為檢測到電壓故障(即K<0.9)時(shí)刻，t₁到t₂為電流調(diào)整過程，t₃為故障開始恢復(fù)的時(shí)刻；其中，i_{d_fault}^*保持為i_max的時(shí)間設(shè)定為5 ms。在不過流的前提下，輸出最大的無功電流。兩者的計(jì)算公式具體如下：

    按照上式所示關(guān)系，最終將有功電流調(diào)至Ki_max。綜上，本文所設(shè)計(jì)LVRT策略的總體控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3 仿真驗(yàn)證及分析

    利用PSCAD/EMTDC搭建100 kW兩級(jí)式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型，具體仿真參數(shù)如表1所示。

    分析仿真結(jié)果可知：

(1)圖11(a)顯示出，采用常規(guī)控制策略的光伏逆變器，在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，由于電網(wǎng)負(fù)序電壓存在，導(dǎo)致逆變器的輸出電流三相不對(duì)稱，且諧波含量增大；通過圖11(b)可知，由于常規(guī)控制策略下，在電網(wǎng)低電壓故障時(shí)，Boost部分仍進(jìn)行MPPT算法，致使P_pv>P_out，在外環(huán)電壓控制器的作用下，使得逆變器輸出電流大增，最大值達(dá)482 A，遠(yuǎn)超出安全范圍；圖11(c)表明由于負(fù)序分量的存在，導(dǎo)致并網(wǎng)功率產(chǎn)生二倍頻波動(dòng)，因此，直流母線電壓也存在二次諧波分量，與式(3)相符，此時(shí)母線電壓最大值達(dá)880 V，波動(dòng)分量幅值為70 V左右。

    (2)圖12(a)和圖12(b)表明采用本文所設(shè)計(jì)的LVRT策略在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，逆變器的輸出電流仍保持三相對(duì)稱，且未出現(xiàn)過流現(xiàn)象；在電網(wǎng)低壓故障期間，逆變器輸出220 A左右的無功電流，為電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐；由于本文采用電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制手段，抑制了并網(wǎng)電流的負(fù)序分量，有效抑制了并網(wǎng)功率的二倍頻波動(dòng)，從而使得直流母線電壓的波動(dòng)減小，由圖12(c)可知此時(shí)波動(dòng)幅值僅為30 V左右；圖12(c)顯示出，在故障發(fā)生5 ms后，直流母線電壓的升高即被抑制，最大為865 V，隨后減小穩(wěn)定在785 V到820 V之間，充分說明了圖4所示控制結(jié)構(gòu)能有效調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率，控制直流母線電壓在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)基于Boost電路的兩級(jí)式光伏逆變器提出了不對(duì)稱電壓故障下的LVRT策略：設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓前饋的電流控制策略，結(jié)合給定有功、無功電流參考值的方式，在保證故障期間電流品質(zhì)的同時(shí)能為電網(wǎng)提供無功功率支撐；設(shè)計(jì)了基于故障前最大功率點(diǎn)電壓前饋的Boost母線電壓控制環(huán)，可在LVRT期間將直流母線電壓控制在安全范圍內(nèi)；本文所設(shè)計(jì)控制策略不改動(dòng)現(xiàn)有兩級(jí)式逆變器硬件結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)良的適應(yīng)性。

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作者信息：

甘德樹1，裴星宇1，柯清派2，吳海雄1，林桂輝1，程  旭1

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海519000；2.蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州215000）