光伏并網低壓穿越控制策略的研究

崔艷偉， 李雙雙， 孫玉濤， 張迎春

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

光伏并網低壓穿越控制策略的研究

崔艷偉， 李雙雙， 孫玉濤， 張迎春

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

隨著并網型光伏電站接入電網容量越來越大，與公用電網并網運行的光伏發電系統已顯示出越來越大的競爭力。當電力系統由于短路故障而發生電壓跌落時，針對并網端電壓跌落問題，提出了低壓穿越技術來提高電力系統的穩定性。在對光伏并網逆變器控制策略研究的基礎上，建立了逆變器輸出正序無功功率、負序無功功率和電壓跌落深度三者之間的關系，采用正序無功功率抬升正序電壓，負序無功功率降低負序電壓的方法來抬升電網電壓，增強了并網系統的穩定性，有效提高了光伏逆變器低壓穿越的能力。MATLAB/Simulink仿真驗證該低壓穿越技術的有效性。

光伏并網； 逆變器； 電壓跌落； 低壓穿越

0 引言

近年來，隨著一系列利于分布式發電發展政策的相繼推出，分布式發電在并網發電領域受到了極大的重視，光伏并網發電正迎來前所未有的發展機遇，但也應該看到，隨著并網型光伏電站接入電網的規模越來越大，其對電網的影響也越來越大[1-3]。傳統上，當電網發生故障造成電網電壓明顯波動時，要求光伏并網系統立即從電網中切除，減小其對電網的影響。然而，在電網發生故障時大量光伏系統同時脫網，容易給電網造成沖擊，使故障擴大，恢復時間延遲。因此，國家電網公司規定大中型光伏電站必須具備低壓穿越能力[4-6]。對于光伏電站，低電壓穿越(LVRT)是指當電力系統發生故障或擾動時，在并網端產生電壓跌落時，在一定的時間間隔和電壓跌落范圍內，光伏發電站能夠保證不脫網并連續運行[7]。

光伏并網發電已經成為國內外新能源發電領域研究的熱點。國內外學者對低壓穿越提出了不同的方法，其中文獻[8]通過協調控制逆變器輸出有功電流和無功電流來實現LVRT，但該方法采用雙閉環控制，多個比例——積分(PI)控制器使得參數調節較為困難。文獻[9]提出了一種電網不平衡情況下，三相并網逆變器的快速鎖相法，并基于該鎖相技術及正負序分離的方法設計了光伏逆變器的LVRT。文獻[10]提出了一種在電網發生故障時，光伏并網系統中超級電容有功調節和逆變器無功調節相協調的功率控制策略來實現低電壓穿越控制并限制并網電流的LVRT方法。文獻[11]提出了提高光伏逆變器低電壓穿越過程響應速度低壓穿越控制方法。文獻[12]在電網發生故障時，提出了一種基于雙電流坐標系的LVRT控制方案。文獻[13]提出了一種在電網發生不對稱故障時，基于靜止無功補償器的完全控制策略。

本文針對電網電壓不平衡情況下，建立了并網型光伏逆變器模型。在此基礎上引入“逆變器通過輸出正序無功功率可以增加正序電壓，輸出負序無功功率降低負序電壓”來實現LVRT。并對該方法進行Simulink仿真驗證。

1 光伏逆變器建模

光伏發電并網系統中光伏電池陣列及最大功率點跟蹤、升壓環節等效為恒壓源，逆變器拓撲結構如圖1所示。光伏逆變器采用三相電壓型逆變器拓撲結構。

圖1 光伏逆變器拓撲結構

圖1中PV為直流等效電壓；ua、ub、uc為逆變器輸出電壓；ia、ib、ic逆變器輸出電流；R為線路和濾波電感的內阻；Lf、Cf分別為濾波電感、濾波電容；ea、eb、ec分別為電網電壓；Lg為電網電感。

根據KVL可得：

V=Vg+ωLgI

(1)

式中：V為逆變器輸出電壓，kV；Vg為電網電壓，kV；I為電網側電流，A。對式(1)進行正負序分離。

(2)

其中

(3)

當電網發生不平衡故障時，常規做法是加裝無功補償裝置，但是其忽略了逆變器本身無功功率輸出能力，造成使用效率降低。本文通過注入負序電流對無功功率進行合理補償，保證光伏并網逆變器在電網電壓跌落期間能夠維持并網，即實現低壓穿越控制。

2 基于無功功率支撐的低壓穿越控制

當電網電壓發生跌落時，由于逆變器的限流要求，從光伏并網逆變器輸出的有功功率必然降低這將導致直流側電壓上升；電網側以2倍工頻的有功功率振蕩進而使直流側電壓以2倍工頻振蕩。如果繼續使用傳統基于電網平衡的控制策略，傳統的控制器無法實現對正弦量的無誤差跟蹤，本文的逆變器控制通過注入正序無功功率可以增加正序電壓，輸出負序無功功率降低負序電壓,并且抑制逆變器過電流來達到并網要求并實現無功功率支撐的低壓穿越控制，提高電力系統的穩定性。逆變器控制框圖如圖2。

圖2 低壓穿越控制框圖

2.1低壓穿越控制參考電流計算

當電網發生故障時(三相并網系統采用無中線系統)，則此時電網電壓含有正序分量、負序分量、零序分量(可以忽略不計)。為了分析簡單，忽略高次諧波分量，只考慮基波分量，則三相電壓為：

(4)

其中上標+、-、0分別表示電壓正序分量、負序分量、零序分量(忽略不計)，同樣電流可以表示為：

(5)

其中上標+、-、0分別表示電流正序分量、負序分量、零序分量(忽略不計)，同樣電流可以表示為：

對式(4)式(5)進行Clark變換得到：

(6)

由瞬時功率理論得：

(7)

(8)

式中：p+為正序時的有功功率；p-為負序時的有功功率，kW；p2ω為正負序分量產生的2倍頻有功功率，kW。

由瞬時功率理論得：

(9)

式中：q+、q-、q2ω分別為正序無功功率、負序無功功率、2倍頻無功功率，Var。

由上式p+、q+、q-我們可以得到在電壓不平衡時參考電流的計算方法為：

(10)

2.2低壓穿越控制負序無功電流計算

本文通過二階廣義積分器鎖頻環(SOGI-FLL)來實現不平衡電壓、電流的正負序分離。

其中：

(11)

(12)

式中：V+、V-表示電網電壓的幅值；I+、I-表示逆變器輸出電流的幅值；φv+、φv-分別表示正、負序電壓的相位角；φi+、φi-分別表示正、負序電流的相位角。電壓電流的幅值可以表示為：

(13)

(14)

[7]提出的限制并網電流不過流的計算方法不同的是本文提出的負序電流的幅值計算無需計算電壓、電流的相位角。A、B、C三相電流的幅值為：

(15)

(16)

(17)

由公式(12)可以得到：

(18)

(19)

其中Ia(peak)、Ib(peak)、Ic(peak)是三相電流的幅值，當φI+-φI-值確定，Ia(peak)、Ib(peak)、Ic(peak)中總有一個最大，只要保證這個最大值等于逆變器所允許的最大值，就能保證并網電流不過流。

Imax=max(Ia,Ib,Ic)

(20)

式中：Imax為逆變器所允許的最大值。

當A相電流幅值最大時，計算出的負序電流幅值為：

(21)

同時，當B相電流最大時有：

(22)

當C相電流最大時有：

(23)

結合式(14)～(20)可以確定I-值，由I-可以得到負序無功功率參考值：

(24)

2.3正序無功電流計算

由于我國目前對無功電流與電壓跌落之間的關系還沒有具體的標準，因此，本文參考德國的相關標準[6]。正序無功電流的參考值通過圖3給定。

圖3 德國關于無功電流與電壓跌落程度的關系曲線

從圖3中可以看出：當△U/UN>10%，光伏并網逆變器必須向電網注入無功電流來支撐并網電壓，當△U/UN>50%，注入的電流為無功電流。正序無功電流為：

(25)

3 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺對光伏并網電站并網點處不同程度的電壓跌落進行仿真研究，對單相接地故障、兩相接地故障進行仿真分析并驗證所提出的通過逆變器輸出正序無功功率可以增加正序電壓，輸出負序無功功率降低負序電壓控制策略的可行性與正確性。

光伏并網發電系統在0.25 s處發生單相接地故障和兩相接地故障。具體系統參數如表1所示。

表1 仿真系統參數

(1)單相接地故障

在0.25 s之后，A相電壓跌落的情況下仿真如圖4：

圖4 公共連接點三相電壓

從圖5得出正序電壓幅值下降到120.2 V，負序電壓幅值上升到45.3 V。

從圖6得出正序無功功率指令為2 957 Var；有功功率5 000 kW，根據電流限制，負序無功功率950 Var。

圖5 正序壓幅值、負序電壓幅值

圖6 有功功率、正序無功功率、負序無功功率

為了證明該方法具有抬升正序電壓，降低負序電壓的能力，定義電網電壓不平衡度(n=V-/V+)，表2列出了在公共連接點處的電力系統不平衡度。其中在Q++Q-情況下的V+、V-由公式(1)和公式(2)給出。

從圖5中可以看出，當不對稱電壓跌落發生時，電網電壓和并網電流產生負序分量。電網電壓正序分量幅值從175 V下降到120.2 V，負序分量幅值增加到45.3 V。

由圖6得出，當不對稱電壓跌落時，正序無功功率從零增加到2 720 Var，負序無功功率從零增加到860 Var。

從表2中可以看出在注入負序無功功率的情況下不平衡度從0.358 9降低到0.321 1，達到了負序無功功率抑制公共連接點(PCC)處的負序電壓不平衡系數小于無負序無功功率的情況。驗證了該方法具有抬升正序電壓，降低負序電壓的能力。

表2 電力系統不平衡度

(2)兩相接地故障

A、B兩相電壓跌落的情況下仿真如圖7。

圖7 公共連接點三相電壓

在0.25 s之后，A、B兩相電壓驟降后：

圖8得到正序電壓幅值降到112.5 V，負序電壓幅值上升到28 V。

圖9得出正序無功功率指令為3 415 Var。有功功率5 000 kW，根據電流限制，負序無功功率306.5 Var。

圖8 正序電壓幅值、負序電壓幅值

圖9 有功功率、正序無功功率、負序無功功率

從表3中可以看出在注入負序無功功率的情況下不平衡度從0.243降低到0.218，達到了負序無功功率抑制公共連接點(PCC)處的負序電壓不平衡系數小于無負序無功功率的情況。

表 3電力系統不平衡度

通過對上述兩種情況的仿真分析，證明了該低壓穿越控制策略可以通過注入正序無功功率可以增加正序電壓，輸出負序無功功率降低負序電壓來抬升并網點電壓。

4 結論

本文針對在電力系統發生故障或者產生擾動時，并網端產生電壓跌落的問題，研究了基于正負序無功功率支撐的低壓穿越策略。根據不同電壓跌落深度對在保證逆變器不過流的情況下對有功電流、無功電流參考值進行重新分配。在MATLAB/Simulink平臺下的仿真結果表明逆變器輸出正序無功功率可以增加正序電壓，輸出負序無功功率降低負序電壓。在電網電壓跌落時通過增加負序無功功率降低了電網不平衡度，保證電網在一定的電壓跌落范圍內能夠不脫網連續運行，證明了該低壓穿越方法的有效性，對電網的穩定運行具有重要的應用價值。

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Research of Low Voltage Ride Through Control Strategy in Photovoltaic(PV) Grids

CUI Yanwei， LI Shuangshuang， SUN Yutao， ZHANG Yingchun

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

With the growth of the capacity of the grid-connected photovoltaic power station accessed to the grid, the grid-connected operation photovoltaic power generation system demonstrates increasing competitiveness. When the voltage drop occurs due to the short circuit fault,a low-voltage ride-through technology is proposed to improve the stability of the power system. Based on the research of PV grid-connected inverter control strategy, the relationship among the positive sequence reactive power, negative sequence reactive power and voltage drop depth is figured out. The positive sequence reactive power is used to lift the positive sequence voltage, and the negative order reactive power is used to reduce the negative sequence voltage to support the power grid voltage recovery, which enhances the stability of the grid system, and effectively improves the photovoltaic inverter low pressure through the ability. Matlab/Simulink simulation is carried out to verify the effectiveness and feasibility of the low-voltage ride-through technology.

photovoltaic grid; inverter; voltage drop; low voltage ride through

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.09.004

TM615

A

1672-0792(2017)09-0023-06

2017-05-31。

崔艷偉(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統自動化。