基于下垂控制的光伏系統低電壓穿越研究

于孟然

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

隨著環境危機的加重和能源的發展，光伏并網系統在新能源發電技術中的優勢越來越大。由于分布式光伏發電單元數量的增多，人們對輸出的控制要求越來越高，需要光伏逆變系統具備低電壓穿越（LVRT）能力。因此，本文重點研究了光伏逆變器的低電壓穿越控制策略。

通過對單級式光伏并網逆變器的分析，提出了抑制電網的負序電流，從而實現了低電壓穿越[1]。針對光伏并網逆變器的雙閉環控制，本文重點研究了電壓環和電流環的參數識別方法[2-3]。通過優化輸出電流的三相對稱性，減小了電網的負序電流[4]。通過實時數字仿真器技術控制光伏并網逆變器，增加了卸荷電路，降低了直流測電壓[5]。

通過對光伏并網逆變系統低電壓穿越問題的分析，在DQ雙閉環的基礎上增加Droop環節，采用下垂控制向逆變器注入無功功率的LVRT控制策略，并通過仿真進行了驗證。

1 光伏逆變器建模和低電壓穿越分析

系統光伏逆變器的拓撲結構，如圖1所示。

圖1中，Udc為直流側電壓，C為直流側電容，Ux（x=a，b，c）為逆變器輸出相電壓；ix為逆變器接入并網點的電流，L為濾波電感，R為線路等值電阻，ex（x=a，b，c）為逆變器經濾波后輸出的并網相電壓。

逆變器工作中，任意時刻都會出現一個橋臂的一個開關管導通，而另一個開關管關斷的情況，組成了多種開關運行狀態。因此，定義逆變器函數為：

圖1 光伏逆變器拓撲結構圖

其中，k=a，b，c。

逆變器由二極管的8個狀態決定，如表1所示。

表1 逆變器開關狀態表

不同的開關狀態，逆變器有不同的輸出。因此，通過控制逆變器開關狀態的組合，控制逆變器的輸出電流。

《光伏電站接入電力系統技術規定》GB/T 19964-2012中，分別對光伏電站并入電網的低電壓穿越、無功及電壓調節等方面提出了要求。如圖2所示，當在曲線以下時，可切除并網逆變器；當在曲線以上時，必須在保證逆變器安全的前提下，不間斷地并網運行。

2 低電壓穿越控制策略

三相并網逆變系統的控制中，基于電網電壓定向矢量的雙閉環控制策略具有穩態無誤差跟蹤、動態響應快及獨立解耦控制等優點[2]。一般控制方法采用電壓外環加電流內環的方式。分析時，需將三相坐標下的電壓方程變為兩相旋轉坐標系下的電壓方程。經派

圖2 低電壓穿越要求

克變換后，得到方程：

其中，ed、eq為電網電壓的DQ分量；ud、uq為逆變器輸出電壓的DQ分量；id、iq為逆變器輸出并網電流的分量；ω為電網側的角頻率。

電壓矢量控制d軸與電網電壓合成矢量E同軸，q軸與E垂直，在DQ坐標軸下的數學模型為：

通過瞬時無功理論可得，輸出的有功功率P、無功功率Q與id、iq的關系為：

3 Droop控制算法

傳統的控制算法中增加Droop環節，有利于逆變器工作時分配有功功率和無功功率，并準確分配電壓和無功功率[6]。低電壓穿越時，需逆變器輸出無功，以支撐過電壓跌落[7]。

圖3為下垂控制特性圖，逆變器的有功功率輸出通過調節頻率控制，逆變器的無功功率輸出通過調節電壓的幅值控制。

圖3 下垂控制特性圖

下垂控制的特性表達式為：

其中，ω*為頻率設定點，u*為電壓設定點，m和n為下垂系數，控制結構如圖4所示。

在電壓環和電流環之間增加Droop控制算法，得到控制原理框圖，如圖5所示。

圖4 下垂控制結構圖

圖5 系統控制原理圖

4 仿真驗證

采用MATLAB/simulink仿真模塊對光伏逆變器低電壓穿越進行仿真驗證。設置電壓在0.7～0.9 s中出現三相電壓跌落，則逆變器輸出的電壓和功率的波形如圖6和圖7所示。

通過仿真波形觀察可知，故障期間，逆變器向電網提供無功功率，并持續到故障結束，符合低電壓穿越要求。

5 結 論

本文分析了光伏并網逆變器的拓撲結構原理，建立了數學模型，提出了在傳統電壓外環和電流內環中增加Droop環節的方法，并通過MATLAB軟件仿真驗證了其可行性。

圖6 逆變器輸出電壓波形

圖7 逆變器輸出無功功率波形