光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學(xué)院

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光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)低電壓穿越控制研究

作者/陳建明 ，中山市技師學(xué)院

文章摘要：當(dāng)針對(duì)常規(guī)并網(wǎng)逆變器電路結(jié)構(gòu)，提出了MW級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)拓?fù)浞绞?，并建立其低電壓穿越仿真模型。在低電壓穿越過(guò)程中為解決電壓跌落過(guò)程逆變母線電壓過(guò)高而導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)無(wú)法穿越問(wèn)題引入了逆變母線過(guò)壓保護(hù)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(guò)壓?jiǎn)栴}。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性 。

關(guān)鍵詞：MW級(jí)光伏；逆變器；兩級(jí)系統(tǒng)；低電壓穿越；過(guò)壓保護(hù)環(huán)

1.引言

近年來(lái)，隨著光伏電站數(shù)量和容量的不斷增加 ，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行 產(chǎn)生的威脅逐漸增大。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，光伏電站的突然脫網(wǎng)會(huì)進(jìn)一 步惡化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在此期間引起的功率缺額可能導(dǎo)致相鄰的電站跳閘。從而 引起更大面積的停電，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。因此，對(duì)保障光伏電站 接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行而言，研究LVRT技術(shù)十分必要。

《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》指出大中型光伏電站應(yīng)具備一定的LVRT能力。說(shuō)明現(xiàn)階段中國(guó)對(duì)光伏電站的LVR能力的重視。

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。

方案中首先將低電壓的直流電壓通過(guò)BOOST電路升壓到960V，使逆變母線電壓穩(wěn)定在960V，后級(jí)采用常規(guī)的三相全橋逆變方式，620V并網(wǎng)輸出。方案既把并網(wǎng)電流減小將近一半，使IGBT功率器件滿足要求，同時(shí)由于逆變母線電壓經(jīng)前級(jí)升壓后高達(dá)960V使逆變器在低電壓情況下也滿足并網(wǎng)要求，解決了上述提到的兩大問(wèn)題。

圖1　MW級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器電路原理圖

圖2　Matlab／Simulink仿真原理圖

2.MW級(jí)光伏并網(wǎng)逆變器兩級(jí)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

如圖1所示，直流側(cè)分兩路進(jìn)入前級(jí)系統(tǒng)，先經(jīng)過(guò)前級(jí)BOOST升壓電路，使較低的直流電壓升壓至960V，通過(guò)后級(jí)逆變系統(tǒng)使母線電壓持續(xù)穩(wěn)定在960V，再通過(guò)后級(jí)三相全橋逆變電路，經(jīng)LC濾波后620V交流電壓并網(wǎng)。

3.系統(tǒng)Matlab／Simulin仿真及控制策略

方案在Matlab／Simulink仿真原理圖如圖2所示，仿真系統(tǒng)包含PV模擬電源、前級(jí)BOOST升壓電路、后級(jí)全橋逆變電路、LC濾波回路及交流電網(wǎng)。

系統(tǒng)整體控制框圖如圖3所示：

電壓跌落過(guò)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(guò)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(guò)壓情況，PI_Portect限壓PI環(huán)在母線電壓超過(guò)1000V（正常并網(wǎng)穩(wěn)定在960V）之后調(diào)用此PI環(huán)以減小占空比，防止母線過(guò)壓的出現(xiàn)。

圖3　系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電壓跌落后，此時(shí)使電壓環(huán)的指令值與實(shí)際值相同，即誤差e始終為0，維持Idref電流指令值不變，電壓環(huán)處于“切斷”的狀態(tài)，同樣前級(jí)的升壓環(huán)也是采取同樣的處理方案，指令值與實(shí)際值相等，占空比由積分累加構(gòu)成，升壓環(huán)處于“切斷”狀態(tài)。

方案在Matlab／Simulink中的仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4　電壓跌落過(guò)程中逆變母線電壓變化情況

由圖4可見(jiàn)，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(guò)壓情況。仿真的結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用某公司研發(fā)的單機(jī)1MW光伏并網(wǎng)逆變器在國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽(yáng)能研發(fā)實(shí)現(xiàn)中心進(jìn)行的低電壓穿越實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證策略的可行性。

在重載860KW并網(wǎng)情況下，三相電壓對(duì)稱(chēng)跌落至20%時(shí)的電壓波形、直流電壓波形及并網(wǎng)電流波形如下圖5所示。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)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(guò)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(guò)程。逆變母線電壓的變化情況與圖4仿真的情況一樣。

圖5　三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱(chēng)跌

5.結(jié)束

本文的控制策略于2013年4月17在國(guó)家電網(wǎng)電力科學(xué)研究院太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)研發(fā)中心得到驗(yàn)證。1MW逆變器電路拓?fù)渑c常規(guī)拓?fù)浞绞讲煌?，技術(shù)難度更大，要求更高。因此，該測(cè)試的通過(guò)充分展示了本文所提方案的可行性。

綜上，對(duì)于兩級(jí)控制系統(tǒng)中低電壓穿越過(guò)程中引起的母線電壓過(guò)壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了分析和說(shuō)明，同時(shí)得到了仿真和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，為解決光伏低電壓穿越問(wèn)題提供了新的思路。

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