采用非線性控制的光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越

馬 亮，李旭陽，盧遠(yuǎn)宏，孫琳琳，袁中正

（1.北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

采用非線性控制的光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越

馬 亮1，李旭陽1，盧遠(yuǎn)宏2，孫琳琳1，袁中正1

（1.北京京儀綠能電力系統(tǒng)工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044）

為了改善傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時，會出現(xiàn)并網(wǎng)電流較大超調(diào)的現(xiàn)象，本文提出了一種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越策略，即非線性控制的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越策略，本策略直接基于主電路數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制。通過搭建光伏逆變器模擬測試平臺，在一臺100 kW并網(wǎng)逆變器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本策略能夠有效地抑制電網(wǎng)電壓跌落時的逆變器過電流，從而驗(yàn)證了本策略的可行性和有效性。

非線性控制；光伏并網(wǎng)；低電壓穿越

隨著光伏并網(wǎng)發(fā)電對電網(wǎng)的滲透率增大,在電網(wǎng)發(fā)生跌落故障時，光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響也不容忽視。很多國家陸續(xù)制定了光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn),要求光伏并網(wǎng)逆變器能在電網(wǎng)電壓、頻率等在一定范圍內(nèi)變化時不能脫離電網(wǎng),還可提供相應(yīng)的無功功率支撐。

電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時，由于并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電感的存在以及對輸出電流幅值的限制，并網(wǎng)電流不能發(fā)生瞬變，因此系統(tǒng)會出現(xiàn)瞬間的功率不平衡，此時多余的能量將導(dǎo)致直流電容電壓上升［1］。傳統(tǒng)低電壓穿越策略是對并網(wǎng)電流進(jìn)行限幅來達(dá)到保護(hù)并網(wǎng)逆變器的目的［2,3］。在雙環(huán)控制的基礎(chǔ)上，將電網(wǎng)電壓以及負(fù)載電流的前饋引入電流環(huán)，能加快電流環(huán)對擾動的反應(yīng)，抑制跌落時的逆變器過電流［4-5］。為了在電網(wǎng)電壓跌落期間提供無功支撐，文獻(xiàn)［6］采用將逆變器運(yùn)行在靜止無功發(fā)生模式下的系統(tǒng)控制策略，通過快速提供無功電流來穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越功能。

在低電壓穿越過程中進(jìn)行無功控制時，快速識別電網(wǎng)電壓跌落深度、正確地切換系統(tǒng)運(yùn)行模式十分重要。非線性控制在PWM變流控制、風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越已有相關(guān)研究［7］，它能加快系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)節(jié)速度，及時有效地抑制系統(tǒng)在快速變化情況下出現(xiàn)的超調(diào)。為了對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，本文提出了非線性控制光伏低電壓穿越策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的正確性。

1　非線性低電壓穿越策略

三相電壓型光伏并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)淙鐖D1所示。ex為電網(wǎng)電壓，ix為逆變側(cè)輸出電流，ux為逆變橋臂輸出電壓（x= a,b,c），Udc是直流母線電壓，isp是光伏陣列PV的輸出電流。交流側(cè)電感L，回路等效電阻R，直流側(cè)濾波電容C。

圖1　三相光伏逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1，根據(jù)電路基爾霍夫定律，可得光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：

其中，ω是電網(wǎng)角頻率，zd，zq分別是相關(guān)變量在d軸、q軸上的分量（z=e，u，i）。

考慮系統(tǒng)的有功能量守恒，dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的瞬時有功功率為：

由于系統(tǒng)控制是基于電網(wǎng)電壓定向，電網(wǎng)電壓q軸分量為0，因此式（2）可簡化為:

式（3）表明并網(wǎng)逆變器的直流電壓的控制可通過有功電流id的控制來實(shí)現(xiàn)。

聯(lián)立式（1）、式（3）可得

逆變器的有功電流與直流電壓控制有關(guān)，而低電壓穿越時，需要控制逆變器的無功電流，因此，可選擇非線性控制的兩個輸出變量分別直流電壓udc和無功電流iq。

根據(jù)式（4），有

因?yàn)椴⒕W(wǎng)電流的控制是最終都是通過改變逆變橋側(cè)輸出電壓矢量來實(shí)現(xiàn)的，所以非線性控制的輸入矢量可選擇ud和uq。因而，系統(tǒng)非線性控制的矩陣形式可表示為：

其中：

由于矩陣E（t）的行列式不為0，因此，式（6）可寫成：

為了實(shí)現(xiàn)對直流電壓udc和無功電流iq的跟蹤控制，引入各自的指令值udc*、iq*及誤差eudc（=udc*-udc）、eiq（=iq*-iq），對式（7）的輸入進(jìn)行重新選值，新的控制輸入可表示為［7］：

則光伏并網(wǎng)逆變器采用非線性控制時的控制框圖如圖2所示。

圖2　非線性控制系統(tǒng)原理圖

無功電流指令iq*由國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964-2012（光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定）中所要求的實(shí)時跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化的動態(tài)無功電流來確定。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

逆變器的輸入電源采用 Chroma的具有光伏陣列模擬功能的可編程模擬電源。電網(wǎng)跌落模擬電源采用艾普斯模擬電網(wǎng)電源ACST-N-33300T，功率250 kW，可實(shí)現(xiàn)三相、單相、兩相跌落。

表1　系統(tǒng)參數(shù)

圖3是三相對稱跌落20%的三相電網(wǎng)電壓和三相并網(wǎng)電流的波形，圖4是單相不對稱跌落20%的波形。

圖3　三相對稱跌落20%波形

圖4　單相跌落20%波形

由圖3、圖4可知,采用非線性控制在電網(wǎng)跌落時能迅速有效地限制交流電流增長,并網(wǎng)電流能快速恢復(fù)穩(wěn)定,注入與跌落深度對應(yīng)的無功電流,并能在很短的調(diào)節(jié)時間內(nèi)就達(dá)到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓逐漸上升時，逆變器輸出的無功電流相應(yīng)地減小，當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常值后，逆變器輸出的有功電流值交流電流在2 s內(nèi)也恢復(fù)至跌落之前的值。

3　結(jié)論

本文所采用的非線性控制是直接基于主電路數(shù)學(xué)模型控制，沒有傳統(tǒng)雙環(huán)控制調(diào)節(jié)器的積分作用，因而當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落較深時,可以有效避免雙環(huán)控制中由于調(diào)節(jié)器參數(shù)的影響而導(dǎo)致較大超調(diào)的現(xiàn)象；電網(wǎng)正常后，電流恢復(fù)時間也比采用前饋控制低電壓穿越策略［4］要快。

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［5］張雅靜,鄭瓊林,盧遠(yuǎn)宏.光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.太陽能學(xué)報(bào),2013,34（6）:136-141.

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［7］Alan Mullane.Wind-turbine fault ride-through enhancement ［J］.IEEE Transactions on Power Systems,2005,20（4）: 1929-1937.

LVRT of photovoltaic grid-connected inverter adopting non-linear control

MA Liang1,LI Xu-yang1,LU Yuan-hong2,SUN Lin-lin1,YUAN Zhong-zheng1
（1.Beijing Jingyi Renewable Energy Engineering Co.，Ltd.Beijing 100009，China；2.Electrical Engineering of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to improve the appearance that the traditional photovoltaic grid connected inverter will generate a large grid current overshoot under the grid voltage dip,this paper proposes a photovoltaic grid system LVRT strategy,which uses nonlinear control.This policy is realized directly on the main circuit mathematical model control.By building photovoltaic inverter simulation test platform,we experiment on a 100 kW grid-connected inverter.The experiment results show that the strategy can effectively suppress grid current overshoot when the grid voltage is dipping,proved that this strategy is feasible and effective.

non-linear control；photovoltaic grid-connected；low voltage ride through

TN712

A

1674－6236（2016）13-0082-03

2015-07-03稿件編號：201507029

馬 亮（1983—），男，山西太原人，博士。研究方向：電力電子及新能源。