基于DC-Chopper保護(hù)的光伏LVRT分析

唐彬偉，袁鐵江，晁 勤，吐爾遜·伊不拉音

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008）

基于DC-Chopper保護(hù)的光伏LVRT分析

唐彬偉，袁鐵江，晁 勤，吐爾遜·伊不拉音

（新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830008）

光伏發(fā)電不同于傳統(tǒng)電源，其大容量并網(wǎng)發(fā)電會(huì)對光伏電站及其接入系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行帶來新的挑戰(zhàn)。在國網(wǎng)公司的光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中，針對光伏發(fā)電低電壓穿越能力也提出了要求。針對光伏變流器在低電壓穿越時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，提出了直流側(cè)DC-Chopper保護(hù)電路的控制策略。并在PS C A D／EM TDC仿真軟件中搭建了雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，針對電網(wǎng)三相對稱短路故障下直流側(cè)保護(hù)電路的投切策略進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略能有效地實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；MPP T；PS C A D；LVRT

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與人口的不斷增加，人們對能源的需求日益增加。然而，目前世界各國的主要能源仍是以石油、天然氣和煤炭等不可再生的化石能源為主。對這些不可再生化石能源的過度開采和利用，將導(dǎo)致一次能源的枯竭、能源危機(jī)的爆發(fā)以及環(huán)境污染。光伏發(fā)電作為一種重要的可再生能源具有：無污染、可再生、機(jī)動(dòng)靈活、可存儲(chǔ)性、分布式電力系統(tǒng)、發(fā)電用電同一地區(qū)、光伏建筑集成等特點(diǎn)[1]。

與常規(guī)的發(fā)電方式相比較，光伏發(fā)電系統(tǒng)易受光照、溫度等外界環(huán)境因素的影響。因此只能被動(dòng)跟蹤當(dāng)時(shí)光照條件下的最大功率點(diǎn)，以爭取實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的最大輸出；且需將直流電優(yōu)質(zhì)地逆變?yōu)楣ゎl交流才能帶負(fù)荷。目前光伏發(fā)電并網(wǎng)研究的問題側(cè)重于以逆變器為核心的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。而并網(wǎng)光伏電站均是采用多個(gè)小容量逆變器并網(wǎng)[2]，大大減弱了其抵御系統(tǒng)電壓跌落的能力。這使得大容量光伏并網(wǎng)發(fā)電及其計(jì)入電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行面臨新的挑戰(zhàn)。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)程的新要求，大型和中型光伏電站必須具備一定耐受電壓異常的能力。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落在一定范圍內(nèi)時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)必須保持和電網(wǎng)相連，即低電壓穿越能力。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越(LVRT)能力是現(xiàn)在急需研究的課題。

本文首先介紹了國內(nèi)最新光伏發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)對低電壓穿越能力的要求，建立了光伏陣列及MPPT控制器模型。介紹了直流DC-Chopper保護(hù)電路原理，分析了電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)直流DC-Chopper保護(hù)對故障的影響。最后利用EMTDC/PSCAD軟件建立了雙極型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，針對電網(wǎng)三相對稱短路故障下直流側(cè)DC-Chopper保護(hù)電路的投切策略進(jìn)行了仿真研究。

1 光伏發(fā)電的低電壓穿越能力要求

在國網(wǎng)公司的光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中，針對光伏發(fā)電低電壓穿越能力，提出了低電壓運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)，見圖1。

圖1中，UL0為正常運(yùn)行的最低電壓限值，一般取0.9倍額定電壓。UL1為需要耐受的電壓下限，T1為電壓跌落到UL1時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間，T2為電壓跌落到UL0時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間。UL1、T1、T2數(shù)值的確定需考慮保護(hù)和重合閘動(dòng)作時(shí)間等實(shí)際情況。規(guī)定中推薦UL1設(shè)定為0.2倍額定電壓，T1設(shè)定為1 s、T2設(shè)定為3 s。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，光伏電站必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖1中電壓輪廓線以下時(shí)，允許光伏電站停止向電網(wǎng)線路送電。

圖1 中國光伏電站低電壓穿越能力標(biāo)準(zhǔn)

2 光伏陣列仿及MPP T控制器建模

2.1 光伏陣列建模[3]

太陽電池可等效由電流源與反并聯(lián)二極管分流電阻Rsh，串聯(lián)電阻Rsr組成。圖中I為太陽電池輸出電流，V為太陽電池輸出電壓，Isc為光電流，Id為二極管電流和Ish為分流電阻電流。

由基爾霍夫定律可得：

替換二極管電流Id和分流電阻電流Ish可得：

式中：Isc光電流，由照射于太陽電池表面的光照強(qiáng)度G與太陽電池表面溫度Tc所決定，可由式（3）表達(dá)：

式中：IscR為在額定光照GR與額定溫度TcR下 (GR=1 kW/m2，TcR=25℃)光伏電池的短路電流，參數(shù)αT為在參考日照下的電流變化溫度系數(shù)（A/℃）。而式（2）中Io為太陽電池二極管飽和電流，可由式（4）表示：

式中：IoR為額定溫度下的太陽電池二極管飽和電流。其余參數(shù)，q為充電電荷量，通常為1.60 e－19；k為波茲曼常數(shù)，通常為1.38 e－23；n為二極管理想常數(shù)，如果為晶體硅太陽電池可設(shè)為1.3；eg為光伏電池禁帶寬度。

2.2 MPP T控制器建模

光伏陣列在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓時(shí)光伏陣列的輸出功率才能達(dá)到最大值。因此，光伏陣列必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。本文采用電導(dǎo)增量法，當(dāng)光伏電池上的日照強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，其輸出電壓能平穩(wěn)追蹤其變化，且與太陽電池組件的特性及參數(shù)無關(guān)。其算法控制流程如圖2所示。圖中：I(t)和V(t)分別為第t個(gè)采樣點(diǎn)的光伏電池輸出電流和電壓；I(t－1)和V(t－1)分別為前一個(gè)采樣點(diǎn)的光伏電池輸出電壓和電流；Vref和ΔV分別為參考電壓和電壓增量步長。

圖2 電導(dǎo)增量法控制流程圖

3 雙極型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與逆變器控制策略

圖3所示為雙極型光伏并網(wǎng)發(fā)電仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其光伏陣列通過直流濾波器、DC/DC變流器、DC/AC變流器、變壓器連接電網(wǎng)。

圖3 雙級(jí)型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

如圖3所示光伏陣列連接DC/DC升壓電路向負(fù)載供電。MPPT控制器實(shí)時(shí)采樣光伏陣列輸出電壓I與電流V，通過控制升壓電路IGBT動(dòng)作，以達(dá)到調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓，使其工作在最大功率點(diǎn)[1]。而DC/AC逆變器采用電壓源型SVPWM逆變器，逆變器控制策略一般采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的同步坐標(biāo)系下雙環(huán)控制策略[3]。

4 直流側(cè)保護(hù)原理與控制策略

直流側(cè)保護(hù)電路如圖4所示，由卸荷電阻組成，IGBT用來控制保護(hù)電路的開通或關(guān)斷，將卸荷電阻R接入或切出直流側(cè)回路中。

圖4 直流側(cè)保護(hù)電路及控制策略

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)并網(wǎng)逆變器輸出功率受到限制，能量在直流側(cè)積累會(huì)造成直流側(cè)電壓升高，當(dāng)直流側(cè)電壓Eout升高到一定程度時(shí)會(huì)損壞直流側(cè)電容和功率器件。因此為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)直流側(cè)電壓Eout升高到一定程度超過設(shè)定值Edcref，投入直流側(cè)保護(hù)電路，消耗直流側(cè)多余的能量，使電容電壓穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。由此可以避免直流側(cè)電壓升高損壞直流側(cè)電容和功率器件。當(dāng)直流側(cè)電壓恢復(fù)至Edcref以下時(shí)，關(guān)斷直流側(cè)保護(hù)電路，直至直流側(cè)電壓再次升高至Edcref以上。

5 仿真分析

為全面深入研究直流側(cè)保護(hù)在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)的運(yùn)行特性，本文利用PSCAD軟件搭建了雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，針對電網(wǎng)對稱短路故障對比仿真了未加裝直流側(cè)保護(hù)電路（虛線部分）和加裝直流側(cè)保護(hù)電路（實(shí)線部分）情況下的雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。

具體的仿真參數(shù)如下：

雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)：額定功率為250 kW，并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓為0.69 kV，額定頻率為50 Hz，光照強(qiáng)度G=900 kW/m2，環(huán)境溫度Tc=25℃，直流側(cè)卸荷電阻R=0.4Ω，Edcref= 0.5 kV。光伏陣列參數(shù)：光伏組件中并聯(lián)光伏電池?cái)?shù)為4，串聯(lián)數(shù)為108。光伏陣列中光伏組件并聯(lián)數(shù)為20，串聯(lián)數(shù)為20。光伏電池：串聯(lián)電阻Rsr=0.02Ω，分流電阻Rsh=1 000Ω，二極管理想常數(shù)n=1.5，禁帶寬度eg=1.103 eV，短路電流IscR=2.5 A，飽和電流IoR=1×10－9A，電流變化溫度系數(shù)ΔT=0.001 A/℃。

在7 s時(shí)故障發(fā)生，在8 s時(shí)故障清除，故障持續(xù)時(shí)間為1 s，故障時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落至20%，且光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度保持恒定。

仿真曲線如圖5（圖中虛線為未加裝直流側(cè)保護(hù)電路時(shí)的仿真曲線，實(shí)線部分為加裝直流側(cè)保護(hù)電路時(shí)的仿真曲線）。

圖5 并網(wǎng)點(diǎn)電壓

觀察圖5，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在7 s時(shí)跌落至20%，在8 s時(shí)故障清除電壓恢復(fù)正常，根據(jù)光伏并網(wǎng)低電壓穿越能力的要求，此時(shí)不允許光伏電站脫離電網(wǎng)。

觀察圖5～10可知，在未加裝直流側(cè)保護(hù)的情況下，由于電網(wǎng)電壓跌落，逆變器無法將功率送入電網(wǎng)，光伏陣列輸出有功迅速下降，導(dǎo)致變頻器直流側(cè)母線電壓迅速上升接近穩(wěn)態(tài)時(shí)的兩倍，光伏發(fā)電系統(tǒng)需從電網(wǎng)吸收無功。觀察可知MPPT控制計(jì)算最大功率點(diǎn)電壓，在電網(wǎng)電壓跌落后下降，直至電壓恢復(fù)后才逐漸上升。導(dǎo)致光伏陣列輸出有功在電網(wǎng)電壓跌落與恢復(fù)時(shí)震蕩較大，且光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后形成較大的有功功率與無功功率沖擊，通過較長時(shí)間的調(diào)節(jié)才能恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為保護(hù)變頻器，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)必須將光伏發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)。

圖6 光伏陣列輸出電壓

圖7 光伏陣列輸出功率

圖8 光伏發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)電壓

圖9 光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率

圖10 光伏發(fā)電系統(tǒng)無功功率

但在加裝直流側(cè)保護(hù)電路的情況下，控制系統(tǒng)在檢測到直流側(cè)過電壓后，接入保護(hù)電路，短接直流側(cè)電路，通過卸荷電路消耗掉多余的能量。在直流側(cè)保護(hù)電路的作用下，明顯的抑制了變頻器直流側(cè)電容電壓的升高使其維持在允許的范圍內(nèi)。當(dāng)直流側(cè)電壓下降到一定程度后，卸荷電路自動(dòng)退出。光伏陣列輸出功率在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)迅速下降，并在很短的時(shí)間恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)輸出，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)未出現(xiàn)較大波動(dòng)。而光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)均未形成較大的有功功率與無功功率沖擊，且發(fā)電系統(tǒng)僅在0.1 s的時(shí)間內(nèi)就恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)輸出。

在整個(gè)電壓跌落期間由于直流側(cè)保護(hù)電路的作用，網(wǎng)側(cè)逆變器一直工作在允許的范圍內(nèi)。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以始終保持與電網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越。

6 結(jié)論

本文在簡介了國內(nèi)光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對光伏電站低電壓穿越能力要求。針對PSCAD/EMTDC仿真軟件環(huán)境下利用FORTRAN語言編程，建立了光伏陣列及MPPT控制器通用仿真模型。分析了直流側(cè)保護(hù)電路的原理，研究了在電網(wǎng)電壓跌落后直流側(cè)保護(hù)電路投切控制策略。并在PSCAD／EMTDC仿真軟件中搭建了雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，針對電網(wǎng)三相對稱短路故障下直流側(cè)保護(hù)電路的投切策略進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，即便在電網(wǎng)電壓跌落至20%的情況下，通過直流側(cè)保護(hù)電路的自動(dòng)投切，實(shí)現(xiàn)了雙極型光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越，證明了所提直流側(cè)保護(hù)電路控制策略的正確性，實(shí)現(xiàn)了低電壓穿越，但仍不能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

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Analysis of LVRT of grid-connected PV system based on DC-Chopper protection

TANG Bin-wei,YUAN Tie-jiang,CHAO Qin,TUERXUN Yi-bulayin
(College of Electrical Engeineering,Xinjiang University,Xinjiang Urumqi830008,China)

Photovoltaic power generation's characteristics are different from the traditional power source,the power grid and photovoltaic power plants need to face new challenges about the system's security,stability and reliability.A DC-Chopper protection control strategy was proposed based on photovoltaic power generation LVRT dynamic characteristics.By PSCAD/EMTDC,the simulation module of grid-connected photovoltaic power system was set up and the dynamic stability of grid-connected photovoltaic power system connected into power grid considering LVRT was simulated.Results show that the established DC-chopper protection circuit is in favor of achieving the LVRT of grid-connected photovoltaic power system.

photovoltaic power system;MPPT;PSCAD;LVRT

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-2016-03

2013-04-06

新疆高技術(shù)支撐計(jì)劃項(xiàng)目（201132116）

唐彬偉(1987—)，男，湖南省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍鍧嵞茉醇捌洳⒕W(wǎng)技術(shù)。