適用于弱互聯電網的光伏逆變器LVRT控制策略研究

徐韜 徐高晶 田新全

摘 ? 要：目前，光伏裝機在電網中占比越來越高，并網光伏逆變器也有嚴格的低電壓穿越要求?，F行低電壓穿越標準要求逆變器在低電壓穿越期間按照曲線給予電網足夠的無功電流支撐，但是沒有對期間的有功電流響應做出明確要求。弱互聯區域電網穩定不僅和無功電流相關，也在很大程度上和有功電流相關，同時低電壓穿越期間有功缺額對頻率也有較大影響。文章分析了電網電壓不平衡時鎖相環控制方法，并提出了一種基于解耦雙同步坐標系鎖相環的低電壓穿越期間有功電流無功電流協調控制策略，搭建了基于F28335+CPLD的硬件控制平臺，并最終在硬件在環仿真平臺中驗證了控制策略的有效性。

關鍵詞：光伏;低電壓穿越;鎖相環;硬件在環

近十年來，我國光伏行業呈現蓬勃發展的趨勢。據能源局統計，截至2019年年末，光伏發電累計裝機達到了2.04億千瓦，占全國裝機總容量的10.15%，光伏發電已經成為主力電源之一。因此，光伏逆變器的控制性能對電網安全、穩定的影響也變得舉足輕重。

并網標準中，光伏逆變器應該具備低電壓穿越能力，即在電網電壓跌落后，光伏逆變器應保持并網狀態，并向電網發出和跌落深度成正比的無功電流支撐，但是標準中對低電壓穿越期間的有功電流沒有做出明確要求[1]。為了保證在低電壓穿越期間能發出足夠的無功電流，加上電力電子功率器件過流能力的限制，目前的逆變器大部分在低電壓穿越期間將直流電壓直接抬升至光伏電池板的開路電壓，不向電網提供有功電流[2-4]。

目前，西北、東北、西藏等地區光伏裝機占比高，但某些地區電網網架薄弱，輸電線路較長，這類電網的線路阻抗和變壓器漏感較大，一般稱之為弱電網[5-6]。在電網故障時，尤其是電網發生不對稱故障時，電網電壓會出現嚴重的不對稱情況。此時，電網電壓中包含負序分量，基于平衡電網控制的并網逆變器由于缺乏對負序電壓的控制，將導致并網逆變器輸入電網的電流包含負序分量和諧波分量[7-10]，接入弱電網時，更有可能加劇電網不平衡，也更容易在逆變器和弱電網之間產生諧振，由于傳輸線分布電容和寄生電感的影響，諧振也有可能會出現震蕩放大問題[11-12]。

在逆變器并入弱電網后，由于低電壓控制標準對有功電流沒有做出明確要求，光伏滲透率高的弱電網發生故障時，低電壓穿越造成的有功功率損失可能會造成大幅的頻率波動，如果頻率波動超出允許值，系統會出現低頻減載等系列問題[13-15]。因此，需要改進低電壓穿越期間的有功電流和無功電流協調控制策略。

本文從光伏逆變器設計的角度出發，針對逆變器接入弱電網后的低電壓穿越問題，對不平衡電網鎖相環、低電壓穿越、諧振抑制策略做了分析，并提出了低電壓穿越期間有功電流無功電流協調控制方法，搭建了硬件控制平臺，并最終在硬件控制平臺+硬件在環仿真中驗證了策略的有效性。

1 ? ?弱電網下逆變器策略

弱電網容易出現電網不平衡和諧振問題，并入該電網的逆變器應該優化控制策略。

1.1 ?DDSRF-DLL

目前，常見的鎖相環包括：同步參考坐標系鎖相環（Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop Phase Locked Loop，SRF-PLL）、雙二階廣義積分器鎖相環（Dual Second-Order Generalized Integrator，DSOGI-PLL）和解耦雙同步參考坐標系鎖相環（Decoupled Double Synchronous Reference Rrame - Software Phase Locked Loop，DDSRF-PLL）[16]。SRF-PLL適用于理想的電網電壓條件，通過對 SRF-PLL反饋閉環設置較高的帶寬，可以實現快速而準確的電網電壓相位檢測。然而，該方法無法在電網電壓不平衡時正確提取電壓的負序分量并對其進行控制。DSOGI-FLL通過基于二階廣義積分器自適應濾波器獲得暫態對稱分量，檢測到的基本變量是電網頻率，運算較為復雜，占用DSP計算資源較大。DDSRF-PLL是針對電網正負序電壓分別建立旋轉參考坐標系。該坐標系使得負序電壓分量在正序同步速度旋轉坐標系上的作用解耦，反之亦然，使得逆變器可以在電網發生不平衡故障時依然準確、快速地獲得電網的幅值和相位。

電網電壓不平衡時，在只考慮電壓基波的情況下，電網電壓可表示為正序電壓、負序電壓、零序電壓之和，即：VS=VS+1+VS-1+VS0。

由于光伏逆變器多是并入三相三線制電網，忽略其零序分量，并將其進行Clarke和Park變換變換，可得到：

對上述分量建立兩相旋轉坐標系，如圖1所示。

其中，顯示了一個靜止的坐標系和兩個轉動的坐標系。在αβ坐標系上，電網電壓VS可分解為正序分量VS+和負序分量VS-，正序分量以+ω的角頻率旋轉，負序分量以-ω的角頻率旋轉，其旋轉過的角度分別為θ'，﹣θ'。對公式（1）進行Park變換，可得到：

鎖相成功時，即電壓正序分量VS+與d+1軸角度重合，此時由式（2—3）可推導出：

由式（4—5）得知，電網電壓不平衡下同步旋轉坐標系下電壓正序dq分量是由正序電壓變換輸出的正序直流分量與2倍電網頻率的負序分量的耦合，電壓負序dq分量是由負序電壓變換輸出的負序直流分量與2倍電網頻率的正序分量的耦合。

為了解決2倍頻諧波問題，采用交叉解耦的方式獲得正負序電壓的直流分量，就可以繼續采用PI調制無靜差獲得正序電壓的角度?？刂瓶蚣苋鐖D2所示。

1.2 ?諧振抑制策略

目前，光伏逆變器中的諧振抑制策略分為無源阻尼和有源阻尼兩種[17-18]。其中，無源阻尼存在高功耗以及低效率問題，所以目前在控制中一般選用不存在實際功耗的有源阻尼控制方式。有源阻尼從原理方面可以分為：虛擬電阻方法和諧振峰抑制方法。

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Abstract：At present， the proportion of photovoltaic installed in the grid is higher and higher， and grid connected photovoltaic inverter also has strict low-voltage ride through requirements. In the current low voltage ride through standard， the inverter is required to provide enough reactive current support to the grid according to the curve during the low voltage ride through period， but there is no clear requirement for the active current response during the low voltage ride through period. The voltage of weakly interconnected regional power grid is not only related to reactive current， but also to active current to a large extent. At the same time， the active power shortage during the low-voltage period also has a great impact on the frequency. This paper analyzes the phase-locked loop control method when the power grid voltage is unbalanced， and proposes a coordinated control strategy of active current and reactive current during the low voltage ride through based on the phase-locked loop in the decoupled double synchronous coordinate system. The hardware control platform based on F28335 + CPLD is built， and finally the validity of the control strategy is verified in hardware-in-the-loop simulation platform.

Key words：photovoltaic; low voltage ride through; phaselocked loop; hardware-in-the-loop