光伏電站不對稱故障LVRT控制策略研究

王進，周春生，王宏亮，李圖強，范榮奇

（山東電力調(diào)度控制中心，濟南250001）

光伏電站不對稱故障LVRT控制策略研究

王進，周春生，王宏亮，李圖強，范榮奇

（山東電力調(diào)度控制中心，濟南250001）

基于PSCAD／EMTDC平臺建立光伏發(fā)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，分析電網(wǎng)不對稱故障時光伏電站輸出功率和光伏陣列工作點兩倍頻波動的產(chǎn)生機理。為濾除負序電流，提出正負序分離改進控制策略使光伏電站輸出電流不含負序分量，輸出標準正弦電流。為消除直流電壓的波動，提出了直流電壓波動抑制改進控制策略，使光伏陣列工作點穩(wěn)定。最后在PSCAD／EMTDC平臺進行了仿真驗證。

光伏電站；LVRT；不對稱故障；正負序分離控制；直流電壓波動抑制控制

0 引言

傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源污染嚴重且不可再生，終將趨于枯竭。開發(fā)、利用太陽能等新能源已成為解決人類社會目前不斷增長的能源消費需求與能源緊缺、能源消費與環(huán)境保護之間矛盾的必然選擇。中國幅員遼闊，有著非常豐富的太陽能資源，光伏發(fā)電發(fā)展前景潛力巨大［1-2］。截至2015年，我國累計光伏裝機容量已達16.6 GW，同比增長近30%。

隨著光伏裝機規(guī)模的不斷增長，為確保大容量光伏并網(wǎng)后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，要求光伏發(fā)電系統(tǒng)具備低電壓穿越（LVRT）能力。因此，光伏電站LVRT控制策略是當前光伏發(fā)電的研究熱點，對保證光伏電站及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重要的理論與工程意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型

1.1 光伏發(fā)電單元模型

光伏發(fā)電單元模型主要包括光伏電池陣列、并網(wǎng)逆變器、逆變器控制器、動態(tài)無功補償SVG等［3-5］，光伏發(fā)電單元模型如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電單元模型

1.2 逆變器控制器數(shù)學(xué)模型

逆變器是光伏發(fā)電單元最核心的元件。逆變器的控制策略決定了光伏電站穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性。假設(shè)逆變器通過阻抗為R+jωL的濾波電抗器并入電網(wǎng)，如圖1所示，則電壓方程

式中：usa、usb、usc為逆變器電壓；ia、ib、ic為逆變器電流；ua、ub、uc為電網(wǎng)電壓。

對式（1）做旋轉(zhuǎn)變換，可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的DC／AC逆變電路的數(shù)學(xué)模型

逆變器并網(wǎng)輸出功率為

采取電網(wǎng)電壓定向策略，即將同步坐標系下的d坐標軸定向于電網(wǎng)電壓向量方向，此時有

式中：ed為電網(wǎng)電壓正序分量。

將式（4）代入式（2）～（3）可得到電網(wǎng)電壓定向下的旋轉(zhuǎn)坐標系逆變電路數(shù)學(xué)模型

由式（6）知，系統(tǒng)輸出有功、無功功率實現(xiàn)了解耦控制，即有功、無功功率分別只受id、iq的影響，獨立調(diào)節(jié)id、iq可以控制輸出的有功和無功。將式（5）中的一階動態(tài)環(huán)節(jié)用PI控制器代替，并選取合適的控制參數(shù)，就可以得到調(diào)制參考電壓信號，使得在該參考電壓信號下逆變器的輸出電流跟蹤給定的id、iq。逆變器控制器數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 逆變器控制器數(shù)學(xué)模型

逆變器控制器由電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制構(gòu)成。電壓外環(huán)控制的輸入是直流電容電壓Udc和由MPPT模塊計算得到的的差值，其輸出作為電流內(nèi)環(huán)控制d軸分量的參考值。其控制目標有兩點，一是使光伏陣列工作在最大功率點，二是維持直流電容電壓的穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)控制器輸入有：電網(wǎng)同步信號、逆變器輸出電流以及其參考值，輸出信號為PWM調(diào)制信號。電流內(nèi)環(huán)控制使得逆變器輸出電流快速準確地跟蹤其參考值。電流內(nèi)環(huán)控制的q軸分量參考值設(shè)為零，即逆變器輸出無功為零。

2 正負序分離控制策略

研究表明［6-8］，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，基于傳統(tǒng)控制策略的光伏陣列工作點及輸出電壓、電流、功率將以100 Hz的頻率擺動嚴重危及逆變器的穩(wěn)定運行，其原因主要與故障期間負序分量電壓有關(guān)。針對該問題，基于序分量分離的控制原理，對傳統(tǒng)的基于正序的雙環(huán)PI控制加以改進以實現(xiàn)電網(wǎng)電壓不對稱跌落時的LVRT控制。

電網(wǎng)不對稱故障時，光伏電站并網(wǎng)點的電壓電流可以分別分解為正負序分量（通常光伏電站不存在零序回路，故不考慮零序分量），此時有

式（1）所示的光伏逆變器數(shù)學(xué)模型在電網(wǎng)電壓三相對稱即只含正序分量旋轉(zhuǎn)坐標軸模型如式（5）所示。當電網(wǎng)電壓不對稱時，利用疊加原理可知其模型為正序和負序在各自旋轉(zhuǎn)參考系下的旋轉(zhuǎn)坐標軸模型的疊加。負序分量的旋轉(zhuǎn)坐標軸模型如下

式中：usdN、usqN為逆變器側(cè)負序電壓在負序旋轉(zhuǎn)變換下的dq軸分量；udN、uqN為電網(wǎng)側(cè)負序電壓在負序旋轉(zhuǎn)變換下的dq軸分量；idN、iqN為逆變器輸出負序電流在負序旋轉(zhuǎn)變換下的dq軸分量。負序旋轉(zhuǎn)變換系數(shù)為

由上分析，可以得到正負序分離控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 正負序分離逆變器控制器數(shù)學(xué)模型

3 直流電壓波動抑制控制策略

電網(wǎng)電壓不平衡時，采取電網(wǎng)正序電壓定向，將電壓、電流進行對稱分量分解，將電壓電流變換到正序旋轉(zhuǎn)坐標系下，則逆變器輸出電壓表示為

式中：umP為正序相電壓幅值；umN為負序相電壓幅值；φ為兩倍頻波動初始角。

濾除負序電流控制或者傳統(tǒng)控制中忽略電流的負序分量，電網(wǎng)不對稱故障期間光伏電站輸出電流可表示為

可得光伏電站輸出功率為

由式（12）看出，不對稱故障時光伏電站輸出的有功無功均有兩倍頻的波動，其中有功的波動必然導(dǎo)致直流電容電壓的相應(yīng)波動，進而影響光伏陣列的工作點，破壞光伏逆變器的穩(wěn)定運行和直流電容的使用壽命。

通過正負序分離控制可實現(xiàn)正序電流與負序電流的獨立控制，若不對稱故障期間光伏電站輸出電流為

則光伏電站輸出功率為

由式（14）看出，此時光伏電站輸出有功沒有波動量，其大小與正序電流幅值成正比。濾除有功功率的波動量可以從根本上抑制直流電容電壓的波動。根據(jù)式（13）可得到抑制直流電壓波動控制的負序電流參考值，即圖3中的分別為

式中：udN為電網(wǎng)電壓負序分量在負序旋轉(zhuǎn)變換下的d軸分量；uqN為電網(wǎng)電壓負序分量在負序旋轉(zhuǎn)變換下的q軸分量。

4 仿真驗證

在PSCAD／EMTDC平臺分別建立基于以上3種控制策略的5MW光伏電站模型，并網(wǎng)點電壓35 kV，經(jīng)110／35 kV升壓變壓器（Yn／d接線）接入無窮大系統(tǒng)。在光伏電站110 kV母線進行AB兩相接地故障仿真試驗。

4.1 傳統(tǒng)控制策略

光伏電站在LVRT期間采用定電流控制策略，在110 kV母線發(fā)生AB兩相接地短路時，光伏電站故障響應(yīng)如圖4所示。

如圖4（b）所示，110 kV母線發(fā)生AB兩相接地短路時，35 kV并網(wǎng)點A、C兩相電壓跌落至0.57 pu，B相電壓跌落到0.39 pu。由于采用定電流控制策略，故障期間光伏電站輸出電流基本保持不變，但出現(xiàn)較大負序分量（約為正序分量的10%），使得輸出電流波形畸變率明顯增大。由上文分析可知光伏電站在不對稱故障時輸出的有功無功功率均存在100 Hz波動的分量。光伏電站輸出有功的波動導(dǎo)致了光伏陣列工作點在新的平衡點以相同的頻率來回擺動，如圖4（a）所示。由圖4（c）的內(nèi)部控制信號看出，因為在控制過程中功率反饋和解耦電壓補償量會將負序分量以及功率波動引入控制環(huán)節(jié)，所以故障期間電流dq軸分量同樣會含有100 Hz的波動。

圖4 定電流控制下的不對稱故障響應(yīng)

4.2 正負序分離控制策略

光伏電站在LVRT期間采用定電流控制策略，并采用濾除負序電流控制，在110 kV母線發(fā)生AB兩相接地短路時，光伏電站輸出電壓、電流波形如圖5所示。

圖5 濾除負序電流控制下不對稱故障響應(yīng)

由圖5輸出電流波形可以看出，采取正負序分離控制策略濾除負序分離電流后，故障前后光伏電站輸出電流基本不變，均為三相對稱的標準正弦波。

4.3 直流電壓波動抑制控制策略

光伏電站在LVRT期間采用定電流控制策略，并采用直流電壓波動抑制控制，在110 kV母線發(fā)生AB兩相接地短路時，光伏電站輸出電壓電流波形如圖6所示。

圖6 直流電壓波動抑制控制下不對稱故障響應(yīng)

與圖4相比，采用直流電壓波動抑制控制后，光伏電站在電網(wǎng)不對稱故障下輸出電流包含了負序分量，在正序旋轉(zhuǎn)變換下表現(xiàn)為dq軸分量的兩倍率波動，如圖6（c）所示。考慮到控制誤差，輸出有功功率的波動已得到明顯的消除，直流電壓也基本穩(wěn)定，100 Hz的波動已經(jīng)得到有效抑制，如圖6（a）、6（b）所示。

5 結(jié)語

光伏電站在電網(wǎng)不對稱故障時輸出功率和光伏陣列工作點存在兩倍頻波動問題，分析其產(chǎn)生機理，并提出了正負序分離控制和直流電壓波動抑制控制兩種控制策略。正負序分離控制策略可以濾除負序電流，使得系統(tǒng)不對稱故障時光伏電站輸出電流不含負序分量，輸出標準正弦電流波形；直流電壓波動抑制控制可以消除直流電壓的波動使光伏陣列工作點穩(wěn)定。仿真結(jié)果驗證了兩種控制策略的有效性。

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Research on Photovoltaic Power LVRT Control Strategy in Case of Asymmetric Fault

WANG Jin，ZHOU Chunsheng，WANG Hongliang，LI Tuqiang，F(xiàn)AN Rongqi
（Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China）

The electromagnetic transient model of photovoltaic power generation system is established based on PSCAD／EMTDC platform.The PV output power and the mechanism of photovoltaic array operating point 100 Hz fluctuations during asymmetric fault are analyzed.To filter the negative sequence current，positive and negative sequence separation control strategy is proposed，which can make the photovoltaic power station output standard sinusoidal current without negative sequence component.To eliminate the DC voltage fluctuations，DC voltage fluctuation suppression control strategy，which can making the PV array operating point stable is proposed.Finally，simulation verification is made on PSCAD／EMTDC platform.

photovoltaic power；LVRT；asymmetric fault；positive and negative sequence separation control；DC voltage fluctuation suppression control

TM615

A

1007－9904（2016）11－0011－04

2016-05-16

王進（1988），男，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運行及新能源發(fā)電研究工作。