基于超級電容儲能的光伏并網低電壓穿越研究

舒大松+黃摯雄+康倫+陳世明

收稿日期：20140226

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61203031）

作者簡介：舒大松（1962-），男，湖南長沙人，湖南廣播電視大學副教授，中南大學碩士生導師

通訊聯系人，Email：zxhuang@csu.edu.cn

摘要：采用超級電容儲能配合光伏并網系統實現其低電壓穿越功能，在電網電壓跌落時，并網逆變器直接功率控制（DPC）的有功參考根據電網電壓跌落程度進行給定，同時通過控制雙向DC/DC變換器將直流母線側多余能量存儲于超級電容，以平衡逆變器兩側的功率，維持直流母線電壓穩定.最后通過仿真驗證了采用超級電容儲能的協調控制方案的有效性和可行性.

關鍵詞：光伏發電系統；超級電容；雙向DC/DC變換器；直接功率控制（DPC）；低電壓穿越（LVRT）

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A

Research on the Low Voltage Ridethrough of Gridconnected

Photovoltaic System Based on Supercapacitor Energy Storage

SHU Dasong1.2， HUANG Zhixiong1， KANG Lun1， CHEN Shiming1

（1.School of Information Science and Engineering， Central South Univ， Changsha，Hunan410075，China；

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Radio & TV Univ， Changsha，Hunan410004，China）

Abstract：In order to realize the LVRT of the PV power system by using supercapacitor energy storage during the grid voltage drop， the active power reference of the DPC according to the grid voltage sags are given， at the same time by controlling the bidirectional DC/DC converter with voltage and current dual loop， the DC side of excess energy stores in supercapacitors， in order to balance the power on both sides of the inverter and to maintain the DC bus voltage. The proposed scheme is proved to be feasible and effective in MATLAB/Simulink.

Key words：photovoltaic power systems； supercapacitors； DC/DC converters； direct power control； low voltage ridethrough（LVRT）

隨著光伏發電并網系統滲透率不斷加大，對局部電網安全穩定運行的影響也越大，這就給光伏發電的并網運行帶來了更大的挑戰[1-3]；當電網發生短時故障時，如果大量的光伏發電系統脫離電網會影響到電網的穩定運行，嚴重的還可能使局部電網崩潰，造成較大面積供電中斷，由此電網規定了光伏發電系統并網要具備一定的低電壓穿越（LVRT）能力[4].目前借鑒于風力發電低電壓穿越標準，許多新能源發電技術較發達的國家針對光伏并網系統也提出了相應的低電壓穿越準則，定量地規定了電網電壓跌落時光伏發電系統脫網的條件，以及電壓恢復后有功功率的恢復速率，同時在電網電壓跌落過程中需提供一定的無功功率以支撐電壓恢復.介于中國光伏發電容量逐年增大，國家電網公司制定了光伏并網系統低電壓穿越的標準，要求并網點電壓跌落至20%額定電壓時光伏發電系統保持并網運行625 ms不脫網.本文針對實現光伏并網系統的低電壓穿越能力，通過借鑒風力發電中的低電壓穿越技術，提出了一種基于超級電容儲能的光伏發電系統低電壓穿越技術方案，同時光伏并網逆變器采用直接功率控制，保證控制的快速性；當電網電壓發生跌落時，通過控制雙向DC/DC投入超級電容平衡逆變器兩端功率[5-11]，同時與并網逆變器的控制相協調，穩定住直流母線電壓，使得并網輸出電流不過流，并且改進并網控制策略，根據電壓跌落深度發出一定無功功率以有助于電網電壓恢復，最后通過仿真分析可知，與常規控制策略相比，采用改進控制策略能夠實現光伏并網系統的低電壓穿越功能.

1系統拓撲與數學建模

1.1光伏并網系統結構

如圖1所示，兩級式光伏并網發電系統包括光伏陣列、Boost電路、并網逆變器、L型濾波器以及隔離變壓器，同時超級電容通過雙向DC/DC變換器與系統的直流側母線并聯.

1.2L型并網逆變器數學模型

L型并網逆變器如圖2所示，在三相平衡情況下列出A，B，C三相狀態方程為：

ua

ub

uc=-r1ia

ib

ic-L1ddtia

ib

ic+ula

ulb

ulc.（1）

在dq兩相旋轉坐標系下可表示為：

ugd=-r1igd-L1digddt+ωnL1igd+ugd1，

ugq=-r1igq-L1digqdt-ωnL1igq+ugq1.（2）

式中：下標g表示并網側量；r1和L1分別為進線電阻和電感；ωn為與電網頻率同步的角速度；ugq的值為零.

由此可知，流過并網逆變器的有功功率和無功功率可以表示為：

Pg=32ugdigd，

Qg=-32ugdigq. （3）

1.3直流母線側數學模型

對于光伏并網逆變器的直流側，其直流側電容存儲的能量可表示為：

Wdc=12CdcU2dc.（4）

忽略發電系統轉換功率的損失，設兩級式光伏并網系統由Boost變換器流向直流側的功率為PPV，從直流側流向并網側的功率為Pg，同時直流側流向超級電容的功率為Psc，則流向直流側電容的功率有：

dWdcdt=CdcUdcdUdcdt=PPV-Pg-Psc. （5）

1.4超級電容器等效數學模型

超級電容突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長以及工作溫度范圍寬，比較適合短時充放電，基于上述優點可以很好地滿足當電網發生故障時對功率平衡控制的要求.由于受分布參數的影響，超級電容的精確模型較復雜，由一個理想電容和一等效串聯電阻組成.

超級電容一般單體電壓較低（2.5～2.7 V），因此儲能單元由多個超級電容單體串并聯組成以滿足容量需求，本文由一個理想大電容代替；考慮到存儲能量和功率傳輸兩方面要求，儲能總容量可表示為[9]：

E=N2Cunit（V2max -V2min ）≥Esc.（6）

式中：N為超級電容單體個數；Cunit為單體容量大小；Vmax 為超級電容耐壓最大值；Vmin 為其允許的最低電壓值；Esc為電網電壓跌落時所需吸收的能量.

大放電流情況時由于超級電容串聯等效電阻影響，根據最大功率傳輸定律可得到其最大吸收功率為：

Pmax =NV24Rsc≥Psc. （7）

超級電容充電到最大電壓Vmax 時，仍能保持額定功率充電，Vmax 則需要滿足：

Vmax ≥2RscPsc/N. （8）

將式（8）代入式（6）可得N的限制條件為：

N≥2Esc/Csc+4PscRscV2max .（9）

2 基于超級電容的雙向DC/DC變換器與逆變器的協調控制

為解決直流母線電壓過壓與并網輸出電流過流的矛盾，滿足在電網電壓發生跌落時，能夠同時達到符合要求的性能指標，則需在光伏并網發電系統的直流母線側并聯一個儲能裝置，以便在電網電壓跌落時平衡并網逆變器兩側的功率，使得直流母線電壓穩定且并網輸出電流不超過限定值，從而有利于光伏并網低電壓穿越功能的實現.

本文主要研究在低電壓穿越過程中直流母線電壓過壓、系統動態無功支撐和并網輸出電流過流的問題，當系統工作在額定功率狀態時，電網電壓發生較嚴重的三相對稱跌落，為使并網輸出電流不過流，根據電網電壓跌落程度相應減小并網輸出功率Pinv，若忽略變流器的功率損耗，直流母線電壓的動態方程為：

PPV-Pinv-Ps=12CdV2dcdt.（10）

在故障過程中，由超級電容儲能系統代替并網逆變器對直流母線電壓進行控制，為平衡并網逆變器2側功率，吸收直流側剩余功率Ps，保持直流母線電壓穩定；而并網逆變器通過直接功率控制（DPC）可以更加快速準確地控制并網輸出功率，其并網逆變器的控制包括常規控制器和故障控制器2種，根據電壓跌落來進行切換.圖2為雙向DC/DC變換器與網側變換器協調控制框圖.

2.1雙向DC/DC變換器控制

在故障過程中，并網逆變器控制很難有效控制直流側母線電壓，嚴重時會使直流母線電壓過壓，擊穿直流側母線電容；而超級電容不會受電網電壓變化的影響，通過雙向DC/DC變換器對超級電容充放電的控制能有效地穩定直流母線側電壓.本文雙向DC/DC變換器采用電壓電流雙環控制，由于電壓跌落引起并網逆變器兩端功率不平衡，從而使直流母線電壓升壓，當電壓值超過參考值時，變換器工作在Buck模式下，對超級電容進行充電，功率由直流側流向超級電容，從而穩定住直流母線側電壓.圖3為變換器雙環控制框圖.

2.2并網逆變器控制

并網逆變器控制采用直接功率控制策略[12-13]，能夠在電網電壓發生跌落時，快速有效地對功率進行控制，且控制策略結構簡單易行.圖4為并網逆變器的控制流程圖，根據電網電壓的變化，進行常規控制器和故障控制器的切換.

當電網電壓發生三相對稱跌落時，需要光伏發電系統向電網提供動態無功功率補償，以有利于電網電壓恢復，此時，并網逆變器切換到故障控制方式，同時直流母線電壓由如圖3所示儲能系統控制，不僅根據電網電壓跌落深度發出相應的有功功率，同時考慮到并網逆變器可工作于1.1倍的視在功率[14]，由此可計算出所能提供的無功功率[15].

在電壓跌落檢測中，本文采用的方法是dq分解法[16]，將三相靜止坐標系中的a，b，c三相電壓轉換到dq軸坐標系中，其表達式為：

ud，uqT=Cua，ub，ucT. （11）

經dq變換后的電壓表達式為：

ud=U，

uq=0.（12）

具體算法由圖5所示模塊實現.

由式（11）可知：

Vm=u2d+u2q=U. （13）

若設正常電網電壓幅值為Ug，則電壓跌落深度可表示為：

K=U/Ug. （14）

式（14）中的K表示跌落電壓幅值U與正常電壓幅值Ug之比，由此可得出故障狀態時并網逆變器有功功率給定值為P′PV，其表達式為：

P′PV=K PPV.（15）

在提供有功支撐的同時，還需為系統提供無功補償，以有利于電網電壓恢復，而提供的無功功率又受到逆變器容量限制，可工作于1.1倍視在功率下，則由下式可計算出提供的無功功率：

QPV=1.1P′PV2-P′PV2=

1.1KPPV2-KPPV2=2110KPPV.（16）

由式（14）可知，電壓跌落時K值小于1，又根據電網關于低電壓穿越的規定，K值應大于0.2，所以K值的取值為0.2≤K≤1.再由式（15）可知此時給定功率P′PV小于跌落前給定值PPV，那么由式（16）可知剩余的功率通過雙向變換器的控制流入超級電容，以維持逆變器兩端功率平衡，實現其低電壓穿越功能.

3仿真分析

為驗證本文提出的基于超級電容儲能的光伏并網系統能有效地提高低電壓穿越能力的可行性，在Matlab/Simulink仿真軟件平臺搭建容量為1.5 kW帶超級電容的光伏并網發電系統模型，其MPPT采用擾動觀察法，設定直流母線電壓400 V，限制電壓700 V，直流支撐電容90 μF，濾波電感為35 mH，超級電容為3.5 F，并網輸出的限定電流1.1 pu.本文主要研究了對電壓危害最大的三相短路故障情況，設置在t=0.3 s時發生電壓跌落故障.圖6為帶超級電容儲能系統的仿真結果.

由圖6可知，圖6（a）中電網電壓跌落時，其并網電壓也發生相應跌落，而并網輸出電流在此階段有所上升但未超出限定電流1.1 pu，因此不會因為過流損壞逆變器或使斷路器關斷.圖6（b）中反映在剛進入此階段和恢復正常狀態時有少許波動，而在整個故障過程中直流電壓保持在參考電壓附近.圖6（c）可看出在電壓跌落期間系統發出有功無功的變化，發出的有功功率相應減小，同時發出了一定的無功功率.由圖6（d）可發現，在此階段，并聯于直流母線的超級電容端電壓變化情況，其端電壓一直升高，直流側對超級電容充電.由圖6（e）可知，在電壓跌落期間，單相并網電壓與并網電流的關系，它們之間存在一定的相位差，由此可知不僅發出有功而且發出了一定的無功功率.

4結論

本文針對光伏并網系統在電網電壓發生三相對稱跌落時的低電壓穿越過程進行研究，對其主電路光伏并網逆變器采用直接功率控制，快速有效地控制其功率的輸出，對并聯于直流母線上的雙向DC/DC變換器采用雙環控制，準確有效地抑制直流母線電壓升高，穩定住直流母線電壓.在系統完成低電壓穿越過程中，通過對并網逆變器和雙向DC/DC變換器的協同控制，使并網輸出電流不越限，直流母線電壓不過壓，同時不僅為電網提供有功功率支撐，并且還會發出一定的無功，給電網提供無功補償，有助于電網電壓恢復，從而最終實現光伏并網系統的低電壓穿越功能.

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