兩級式光伏發電系統低電壓穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

兩級式光伏發電系統低電壓穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 劉為群

(南京南瑞繼保電氣有限公司, 江蘇 南京 211102)

隨著中功率兩級式光伏逆變器在大中型發電系統中的大規模應用，基于兩級式光伏逆變器的低電壓穿越控制技術得到越來越多的研究。與單級式光伏逆變器相比，兩級式光伏逆變器存在前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器，控制更復雜，低電壓穿越難度更大。文中首先進行了系統建模，然后提出了一種基于控制模式無縫切換的低電壓穿越控制策略，DC/DC變換器在穩態時作為MPPT控制器進行最大功率點跟蹤，DC/AC逆變器作為恒壓源穩定直流母線電壓。在低電壓穿越時，DC/DC變換器以恒直流母線電壓方式運行，DC/AC變換器以有功無功模式運行。此方法可以解決低電壓穿越過程中有功不匹配而導致的直流母線過壓的問題。最后，通過在一臺40 kW的兩級式光伏并網逆變器樣機上進行實驗，驗證了理論分析的正確性及可行性。

兩級式光伏發電系統；低電壓穿越；控制模式無縫切換

0 引言

在大中型光伏并網發電系統中，越來越多的光伏電站采用中功率兩級式光伏逆變器實現光伏的并網發電，其優點是多路MPPT、寬范圍直流輸入、交流側并網電壓靈活、效率高，前級Boost電路完成最大功率點跟蹤(MPPT)及升壓，后級T型三電平逆變電路完成PLL鎖相以及并網逆變功能。單臺兩級式光伏逆變器功率范圍在40～80 kW，在大中型光伏電站中每1 MW發電單元組成的光伏方陣中通常有12至30臺兩級式光伏逆變器。當光伏電站滲透率較高或出力加大時，電網發生故障引起電網電壓大幅度跌落，光伏電站的故障脫網會惡化整個電網的運行狀態，影響電網的安全穩定運行，現行標準GB/T 19964—2012中要求光伏電站須具備低電壓及零電壓穿越功能(LVRT/ZVRT)[1]。

兩級式光伏逆變器MPPT范圍寬，前級DC/DC變換器工作在MPPT模式或者旁路模式，在低電壓穿越發生或者恢復時，由于電網電壓的突變極易引起前后級變換器之間有功的不匹配，導致直流母線電壓升高而觸發過電壓保護引起脫網問題。因而以兩級式光伏逆變器構成的光伏電站的低電壓穿越技術成為光伏逆變器的一個研究課題。

目前針對電網跌落，文獻[2]引入風電技術的卸荷電阻的方法消耗不平衡功率，文獻[3]針對兩級式光伏發電系統提出了一種基于有功平衡的開環控制減小直流母線電壓波動的LVRT控制策略，但該策略沒有在本質上維持母線電壓的平穩。文獻[4]針對兩級式光伏發電系統提出了一種LVRT控制策略，該策略采用功率閉環方法維持前后級之間的功率平衡，但本質上仍然為開環控制方法，其功率測量的準確度以及兩級間的附加功耗決定了算法的有效性，而且該控制策略沒有考慮不平衡跌落的工況。文獻[5]也采用功率閉環維持前后級之間功率平衡的方法進行低電壓穿越，由于實驗條件的限制僅做了仿真分析。文獻[6]在兩級式光伏逆變器LVRT時降低光伏陣列的輸出電壓，使光伏陣列工作在其PV曲線的左半平面，以降低LVRT恢復時升高的母線電壓，由于逆變器低電壓穿越期間工作在光伏電池PV曲線的左半平面，可能引起系統直流母線電壓崩潰，引發不穩定現象[7]。

針對上述問題，文中提出一種兩級式光伏逆變器低電壓穿越控制方法。前級DC/DC變換器采用一個公用的電流環，2個分時作用的電壓環，通過設計電流環的穩定性，來增強低電壓穿越過程中系統的穩定性，在穩態工作點大范圍變動的情況下，通過限制占空比(減小超調量)使逆變器工作在光伏P-V曲線的右半平面，防止系統出現母線電壓崩潰的穩定性問題；通過控制前級DC/DC2個分時作用的電壓環的無縫切換，以及后級逆變器控制模式，解決現有采用常規控制策略在電壓跌落過程中前后級變換器之間有功不匹配導致直流母線電壓升高而脫網的問題，并且能夠保證逆變器在故障清除后以一個可調速率將有功功率恢復至跌落前的功率水平。

1 兩級式光伏逆變器系統模型

光伏發電系統原理如圖1所示。兩級式光伏系統包括光伏陣列、前級Boost變換器、后級逆變橋和控制系統4部分。Boost變換器作為MPPT控制器控制光伏組件運行在最大功率點上并且將光伏陣列輸出電壓升高，后級逆變器通過調節入網電流的大小保持直流母線電壓恒定，前后級變換器共用一個控制器。

圖1 光伏發電系統原理Fig.1 Principle of photovoltaic power generation system

1.1 MPPT控制器分析

根據不同的反饋變量，Boost型MPPT控制器的控制方法可分為4類：(1)功率反饋控制型[8]；(2)電流反饋控制型；(3)電壓反饋控制型[9]；(4)電流電壓反饋控制型[10-12]。文中采用加校正環節的雙閉環控制系統進行建模分析。

在正常工作時，Boost變換器通過光伏輸出電壓環將光伏輸出電壓穩定在最大功率點電壓上，當LVRT/ZVRT故障時，Boost變換器通過直流母線電壓環調節Boost電感電流控制直流母線電壓保持恒定，2個電壓環的輸出通過切換開關作為同一個電流環的給定，如圖2所示。

圖2 Boost變換器控制框圖Fig.2 The control scheme of the Boost converter

在低電壓穿越期間光伏輸出電壓環積分值保持不變，以便故障恢復后光伏陣列能迅速追蹤到最大功率點，后級逆變器減少有功，輸出無功支持電網恢復，低電壓穿越結束后延時Tdelay時間保持故障控制模式不變，后級逆變器有功負荷以一定速率恢復至低電壓穿越前的值，無功給定減小至0。最后，所有控制方式切換到發生低電壓穿越前的正常工作模式，MPPT重新投入恢復到之前的狀態。由于在正常MPPT模式以及低電壓穿越時始終進行電流閉環調節，通過相應的校正環節將電流內環設計成近似一階慣性環節，這樣不但很容易實現系統穩定性要求，而且可以采用小信號模型。由于小信號模型是線性的，所以可方便地考慮系統的動態響應特性[13]。

在進行Boost控制系統設計時，必須建立控制對象的數學模型，為了設計電壓環及電流環控制器，文中利用小信號平均的方法，建立Boost電路的狀態空間平均模型[12]，當電流環控制器采用PI調節器時，簡化的Boost電流環結構框圖如圖3所示。

圖3 簡化的Boost電流環結構框圖Fig.3 Simplified block diagram of the Boost based current feedback control

考慮電流內環需獲得較快的電流跟隨性能時，可按典型Ⅰ型系統設計電流調節器，從開環傳遞函數可看出，只需以PI調節器零點抵消電流控制對象傳遞函數的極點即可，即Ti=L/R。校正后，電流內環的開環傳遞函數為：

(1)

兩級式光伏發電系統屬于變流器級聯系統，在低電壓穿越時系統的穩態工作點發生劇烈變化，級聯系統的大信號穩定性與小信號穩定性不同：級聯系統在一個穩態工作點下的小信號穩定性不能保證系統在大信號擾動下的穩定性。這是因為系統本身在大信號擾動下不具備傳統小信號意義上的穩態工作點，傳統的線性化狀態空間法不再適用，基于小信號模型的阻抗分析方法或傳遞函數勞斯判據不再適用。大信號條件下的穩定性對系統在啟動、負載突變以及非線性負載等工況下十分重要。根據Boost變流器的大信號模型可以得到[12]：

(2)

可采用下述2種方法使系統避免系統失去穩定[13]：(1)縮小變流器的占空比區間[DminDmax]；(2)增大W，并且增大kI，是斜線l1左移，落到閉環控制區域。方法1意義明確且容易實現，在低電壓穿越場合MPPT控制器的動態響應特性也滿足標準要求，文中采用方法1。

1.2 三電平逆變器建模分析

與兩電平類似，定義開關函數如下：假設Si(i=a,b,c)為第i相的開關函數，則：

(3)

這樣可以得到簡化電路模型，如圖4所示。為了方便分析，將開關函數Si分解為Sip，Sio，Sin3個單刀開關：

圖4 三電平逆變橋主電路簡化模型Fig.4 Simplified main circuit of the three level inverter bridge

在dq坐標系下建立三相電壓型PWM整流器(VSR)有利于實現無功電流和有功電流的解耦。三相VSRdq模型建立后，對三相交流對稱系統，若只考慮交流基波分量，則穩態時dq模型dq分量均為直流。另一方面，適當選擇同步旋轉坐標系(dq)初始參考軸如d軸與電網電動勢矢量Eq重合，則d軸為有功分量參考軸，q軸為無功分量參考軸，從而有利于三相VSR網側有無功分量的解耦控制。由三相VSR在dq同步旋轉坐標系下的數學模型得：

(4)

式中：

(5)

圖5 并網逆變器經典控制方法Fig.5 Classical control method of grid-tied inverter

2 低電壓零電壓穿越控制

本文提出了一種兩級式光伏并網逆變器低電壓零電壓穿越(LVRT/ZVRT)控制系統結構圖，如圖6所示。

圖6 光伏系統低電壓穿越控制策略Fig.6 Control scheme of the PV system during grid voltage dips

兩級式光伏發電系統拓撲如圖1所示，結合圖6闡述控制過程如下：

(3) 低電壓穿越檢測需要迅速確定電網是否觸發低電壓穿越，通過電網電壓的滑動連續窗口的有效值，以及電網電壓瞬時值經過abc/dq坐標變換得到的幅值來進行綜合判斷，以保證其檢測的快速性及有效性。

(6)

以零電壓穿越即三相電網電壓跌落至0%為例，零電壓發生前，即在電網電壓正常時，逆變器運行在光伏陣列的最大功率點上，零電壓穿越發生時，由于電網電壓為0 V，導致逆變器輸出功率為0 kW，而此時最大功率點跟蹤控制器仍然控制DC/DC變換器讓光伏陣列輸出最大功率，如不采取措施，DC/DC變換器與后級DC/AC逆變器造成的有功不匹配會導致直流母線電壓過壓造成逆變器保護而脫網，甚至損壞光伏逆變器。

Udq_all=(Uαβ+++Uαβ-)e-jωt=Udq++Udq-e-j2ωt

(7)

電網電壓前饋中未經分解的dq分量包含了電網負序電壓的前饋控制，是一兩倍頻于電網頻率的脈動量，同樣可抑制電網負序電壓擾動對并網逆變器三相電流的影響。

當電網不平衡時，三相網側的視在復功率S為：

(8)

解得：

(9)

式中：p0，pc2，ps2，q0，qc2，qs2為常數，當入網電流為正序時，式(8)常數由推導可得：

(10)

由式(9)、(10)表明，當三相不對稱故障時，有功功率存在著2倍頻波動，直流母線電容電壓因有功的波動存在著二次諧波分量，當對直流母線電壓的控制性能要求不高時，可以不用對pc2，ps2抑制。

3 仿真驗證

3.1 算法參數說明

文中基于Matlab仿真平臺對光伏電站并網點三相對稱短路故障、單相短路故障進行了仿真研究，對所提出的LVRT/ZVRT策略的可行性與正確性進行驗證，如圖7所示。被測機器容量為40 kW，通過0.48 kV/10 kV變壓器并入10 kV電網，光伏陣列MPPT點電壓600 V。

圖7 光伏并網系統仿真結構Fig.7 Simulation topology of the PV system

3.2 對稱故障

在0.5 s時10 kV母線發生三相對稱短路至0 p.u.故障，短路故障時間持續0.15 s，在0.65 s時故障切除，系統恢復正常運行。光伏逆變器在故障前以額定功率運行，功率因數為1。

在電壓發生跌落后，Boost控制器檢測到低電壓穿越發生，退出正常MPPT工作模式，切換為故障穿越模式，控制直流母線電壓恒定；后級逆變器轉為PQ控制模式，向電網注入無功功率來支撐電網電壓，使電壓與電流的相位差發生了顯著變化，如圖8所示。

圖8 三相對稱跌落零電壓穿越仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

3.3 不對稱故障

在電壓發生跌落后，不對稱故障包括單相短路接地故障、兩相短路接地故障和兩相短路故障。以兩相短路故障為例進行分析。

在0.5 s時10 kV母線發生A、B兩相短路故障，短路故障持續時間為0.15 s。低壓側b相跌至0 p.u.， a相、c相電壓幅值略有下降。為了維持并網點電壓，需要光伏逆變器根據并網點正序分量值輸出一定的無功功率，此時逆變器的輸出電壓與電流出現相位差，發生不對稱故障，注入電網的電流會出現負序分量，通過相關控制消除負序分量，使得三相并網電流在故障期間仍保持平衡，如圖9所示。由于后級逆變器存在著有功功率的2倍頻波動，因此相應的Boost輸出電壓與輸出電流也存在著2倍頻波動。由于Boost處于大信號穩定域內且電感電流受控，因此系統始終是穩定的。

圖9 三相不對稱跌落零電壓穿越仿真波形Fig.9 The simulation waveform of three-phase asymmet

4 試驗研究

為驗證所提出的兩級式光伏逆變器低電壓零電壓穿越控制策略，設計了一套40 kW光伏并網逆變系統，實驗平臺如圖10所示。直流側采用PV模擬器模擬光伏電池，交流側采用電網模擬器進行電網電壓跌落，變壓器原邊A/B/C三相電壓同時跌落對應于副邊a/b/c電壓同時跌落，變壓器原邊兩相電壓同時跌落對應于副邊單相電壓跌落，逆變器主要參數如表1所示。

圖10 光伏低電壓穿越實驗平臺Fig.10 Experiment platform of the PV system for LVRT

逆變器參數參數值額定輸出功率/kW40額定網側電壓/Vac480MPPT電壓范圍/V200～850MPPT路數/個3直流母線電壓/V730功率器件開關頻率/kHz16

4.1 三相對稱故障

為了研究LVRT控制策略效果，選取如下最嚴酷的工況條件：光伏逆變器滿載，光伏模擬器開路電壓711 V，在t1時刻發生三相短路故障，電網電壓跌落到0 p.u.，故障時間持續150 ms，t2時刻電網恢復后恢復到正常值，實驗波形如圖11所示。圖11顯示了直流母線電壓和Boost開關管兩端電壓、電網A相相電壓和A相電流。

圖11 三相對稱跌落零電壓穿越實驗波形Fig.11 The experimental waveform of three-phase symmetrical zero voltage ride through

當三相電網電壓跌落接近0附近時，由于采樣精度與誤差等原因，鎖相環輸出會在故障時間內發生較大偏移，文中基于雙同步坐標系的解耦鎖相環算法，根據電壓跌落深度設置一個可變參數的濾波器環節，當跌落至零附近時采用較大濾波器保持輸出頻率基本不變，當故障消除后采用較小濾波器使鎖相環迅速跟蹤電網相位。

在t1時刻發生三相短路0電壓故障時，前級Boost 退出最大功率點追蹤，控制目標切換為控制直流母線電壓恒定；同時后級逆變器控制目標由控制直流母線電壓恒定切換為PQ控制，有功給定為0，無功電流給定為1.05倍的額定電流。t2時刻電網恢復后，無功電流給定為0，有功電流給定從0以設置速率恢復到低電壓穿越前的值。由圖11可以看出，直流母線電壓Udc在電網電壓Us跌落和恢復瞬間略有波動，當直流母線電壓大于780 V時Boost關閉，當直流母線電壓小于730 V時Boost開通并將直流母線電壓穩定在730 V。并網電流Is暫態過程無超調，且穿越期間提供無功電流(并網電流超前電網電壓相位90°)用以支撐電網電壓恢復。故障消除后一段時間內控制模式保持不變，有功電流從0以設置速率恢復至低電壓穿越前的水平，在有功功率增加過程中，光伏輸出電壓逐漸從開路電壓降低至MPP點電壓，當直流母線電壓低于730 V時Boost重新投入并將直流母線電壓穩定至730 V。最后，控制模式切換為正常工作模式，MPPT功能重新投入，低電壓穿越結束。

4.2 三相不對稱故障

為研究不對稱故障下LVRT控制策略的效果，選取故障最為極端的情況進行實驗研究：光伏逆變器滿載，光伏模擬源開路電壓(711 V)小于直流母線電壓，在t1時刻發生三相不對稱故障，電網電壓跌落到0 p.u.，故障時間持續150 ms，t2時刻電網恢復后電網電壓直接恢復到正常值。實驗波形如圖12所示。圖12顯示了直流母線電壓Udc和Boost開關管兩端電壓Uce、電網A相相電壓和A相電流。

圖12 三相不對稱跌落零電壓穿越實驗波形Fig.12 The experimental waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

當t1時刻發生不對稱故障時，光伏逆變器前級Boost退出最大功率點跟蹤，控制目標切換為控制直流母線電壓恒定。故障期間，由于后級逆變器要發出正序有功電流與正序無功電流，因此直流母線電壓含有2倍頻波動。t2時刻電網恢復，無功電流給定為0，有功電流給定從0以一個設置速率恢復到低電壓穿越前的值。由圖12可以看出，直流母線電壓Udc在進入低電壓穿越瞬間升高至780 V后Boost關閉，直流母線電壓含有2倍頻的波動，反映出有功電流的2倍頻波動。并網電流Is在電網電壓跌落瞬間以及電網電壓恢復瞬間等暫態過程無超調，穿越期間提供無功電流支撐電網恢復。故障消除后一段時間內控制模式保持不變，有功電流同樣從0以一個設置速率恢復至低電壓穿越前的水平，在有功功率增加過程中，光伏輸出電壓逐漸從開路電壓降低至MPP點電壓，當直流母線電壓低于730 V時Boost重新投入并將直流母線電壓穩定至730 V。最后，控制模式切換為正常工作模式，MPPT功能重新投入，低電壓穿越結束。

5 結語

中功率兩級式光伏并網逆變器越來越多的應用于地面大型光伏電站，基于文中提出的兩級式光伏逆變器低電壓穿越控制方式能有效的進行低電壓穿越，低電壓穿越過程以及恢復過程對電網系統無沖擊，在新能源并網滲透率越來越高的背景下采用 文中提出的方法可以有效的降低電網系統風險，提高電網的穩定性，但本文還有些不足，Boost雖然在大信號擾動下保持了較好的穩定性，但是減小了系統的動態響應速度，值得進一步研究。

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郭 勇

郭 勇(1984—)，男，江蘇南京人，碩士，研究方向為電力電子變流技術、新能源及分布式發電技術(E-mail：guoy@nrec.com)；

李 勇(1981—)，男，江蘇南京人，博士，研究方向為新能源發電與電網接入、交直流微電網、新能源汽車的電力推進以及高壓變頻器技術(E-mail：liyong@nrec.com)；

皇甫星星(1989—)，男，江蘇南京人，碩士，研究方向為電力電子變流技術、新能源及分布式發電技術(E-mail：huangfxx@nrec.com)；

丁 勇(1981—)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為電力電子變流技術、柔性交流輸電技術(E-mail：dingy@nrec.com)；

石祥建(1980—)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為工業控制自動化研究、電力電子電力在系統中的應用研究(E-mail：shixj@nrec.cn)；

劉為群(1966—)，男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向為發電機勵磁及電力電子應用研究(E-mail：liuweiqun@nrec.cn)。

(編輯徐林菊)

LVRTControlStrategyofTwo-stagePVPowerSystem

GUO Yong, LI Yong, HUANGFU Xingxing, DING Yong, SHI Xiangjan, LIU Weiqun

(NR Electric Corporation, Nanjing 211102, China)

With the application of two-stage PV grid-tie inverter in the large-scale and medium power systems, it is widely researched that the LVRT control strategy of photovoltaic inverter based on the two power stages topology. Compared with single-stage PV inverter, it is a combination of the first power stage of DC/DC converter and the second power stage of DC/AC inverter for two-stage PV inverter. The control is more complex and it is more difficult in the low voltage ride through. Firstly, the system modeling is carried on and then the control strategy is proposed based on control mode seamless switching in LVRT. At the steady state the DC/DC conversion unit tracks the maximum power point and the DC/AC inverter unit works as a constant voltage source. In LVRT, the DC/DC conversion unit runs in the constant busbar voltage mode and DC/AC inverter unit runs in the p-q mode. The problem is resolved that the DC bus over-voltage caused by unbalanced energy between the DC/DC unit and DC/AC unit. The experiments in a 40 kW PV grid-tie inverter of two power stage verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis finally.

two-stage PV power generation system; LVRT；control mode seamless switching

TM464

A

2096-3203(2017)06-0007-07

2017-07-03；

2017-08-02

國家高新技術研究發展計劃(863計劃)資助項目 (2015AA050101)