基于雙閉環控制的兩級式光伏電源建模與仿真

胡雪凱張 乾胡文平王卓然

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司檢修分公司,河北 石家莊 050070)

0 引言

隨著新能源發電的迅猛發展,分布式光伏電源高滲透接入配電網,給電力系統的安全穩定運行帶來了新的挑戰[1-4]。由于其出力的隨機性、波動性等特點,在對含分布式光伏電源的電網進行計算分析時,如何建立合理精確的模型成為首要問題[5-6]。

作為光伏發電單元的核心環節,DC/AC 變換電路及其控制策略決定了逆變器的性能優劣[7-8]。對此,文獻[9]給出一種比例——諧振(PR)控制策略,在兩相靜止坐標下,為實現電流控制器對輸出的電流直接進行調節,將無窮大增益加到了諧振頻率上的交流分量上,從而能夠調節輸出電流的正、負序分量而不再需要進行正、負序分解。文獻[10-12]闡述了幾種光伏微型逆變器中的功率解耦控制方法。文獻[13]為減小正、負序分解對光伏發電單元性能的影響,給出了一種基于電流預測的控制策略。這些控制策略為開展含分布式光伏電源的電網計算分析,奠定了重要的理論基礎。

針對兩級式光伏電源,從其拓撲結構出發,搭建了abc坐標系下的逆變器數學模型。然后通過dq坐標系轉換和引入了前饋補償,建立了基于雙閉環控制的兩級式光伏電源模型。最后RTDS進行正常及故障工況下的仿真驗證了所提模型的適用性。

1 兩級式光伏電源拓撲結構

圖1為兩級光伏電源的拓撲結構,采用兩級功率變換光伏并網三相逆變器拓撲結構。此拓撲結構采用全控器件開關可實現四象限運行控制。

圖1 兩級式光伏并網逆變器拓撲結構

圖1中C表示直流母線穩壓電容,u dc表示直流母線電壓,L表示網側濾波電感,R表示開關損耗電阻和濾波電感內阻之和;e a,e b,e c和u a,u b,u c分別表示電網電動勢與逆變器交流側出口電壓;i a,i b,i c表示逆變器交流側三相并網電流;S1-S6表示全控器件開關的脈沖信號輸入端口。

當光伏陣列規模較小、直流電壓無法滿足直交變換要求時,可以在逆變器的直流側加裝Boost斬波電路先進行直流側升壓,為光伏陣列提供更加寬裕的運行電壓區間,使得直流側光伏陣列的電壓配置更加靈活[14]。同時,Boost電路實現了光伏并網系統的最大功率跟蹤功能,通過適當的控制方案可以降低斬波電路的輸入電壓波動,從而提高最大功率點跟蹤的準確性。此時,整個逆變器電路由兩級即DC/DC(前級)、DC/AC(后級)組成,控制方案分散到2個功率環節中,有利于簡化控制系統的設計。其中,DC/AC 變換電路的控制設計是整個逆變器的核心環節。

2 兩級式光伏電源建模

2.1 abc 坐標下的數學模型

為深入分析DC/AC變換電路,有必要對其建立準確的數學模型,為控制系統設計打下基礎。任何時刻,每相有且只有一個開關器件處于導通狀態,可對開關函數s k定義如下:

對圖1 所示結構運用基爾霍夫電壓定律可得:

由圖1結合式(1)的開關函數可得:

根據電壓電流平衡關系,可得:

因此,將式(2)中各式相加得:

綜合式(1)-(5)可得三相并網逆變系統的數學模型:

2.2 復頻域下的數學模型

abc坐標系下的逆變器數學模型物理意義明確,但是各相電壓、電流均與另外兩相相互耦合,且各變量均為工頻交流量,給逆變器控制系統設計帶來困難。而三相對稱的電網電壓、電流變換到dq旋轉坐標系下均為恒定的直流量,可以實現系統的解耦控制,從而幫助簡化逆變器控制系統的設計。

逆變器交流側輸出電壓u a,u b,u c,根據式(6)中數學模型可得:

為方便表述,將式(7)寫成向量形式:

式中:u=[u a,u b,u c]T,e=[e a,e b,e c]T,i=[i a,i b,i c]T。

由派克變換可知:

式中:C32為派克變換矩陣。

將式(9)代入(8)可得逆變器在dq同步旋轉坐標系下的數學模型:

對式(10)兩邊進行拉式變換,可得復頻域下的逆變器數學模型(假設零初始狀態):

式(11)中逆變器模型可用圖2(a)中框圖表示,d軸和q軸之間耦合關系會使控制器的設計變得困難。為實現d、q軸之間的解耦方便控制器的設計,在逆變器交流側出口電壓中分別引入了前饋量——ωLIq(s)和ωLId(s),與原有耦合量抵消。實際電網中各種擾動會導致逆變器并網點電壓發生波動,為使控制器不受電網電壓波動的影響,在逆變器交流側出口電壓中引入對應的電網電壓前饋量E d(s)和E q(s)。引入前饋補償量后的逆變器模型框圖如圖2(b)所示,虛線前為引入的補償量。

2.3 雙閉環控制模型

圖2 逆變器復頻域模型框

基于電網電壓矢量定向的雙閉環PI的控制設計具有穩態無誤差跟蹤,動態響應速度快等特點[15],在實際工程中得到了廣泛應用。逆變器控制框圖如圖3所示,直流電壓外環控制穩定電壓的同時,輸出內環有功電流指令值i d*,內環無功電流指令值i q*一般視電網電壓跌落程度給定。考慮到逆變器功率開關器件耐壓通流能力有限,電流內環引入電流限幅環節限制逆變器最大輸出電流。

圖3 兩級式光伏并網逆變器控制器框

當網側發生故障導致直流母線電壓升高時,光伏陣列電源特性幫助直流母線重新恢復功率平衡,因此無需額外的卸荷措施。故障全過程中,直流母線電壓均能維持在安全運行范圍內。嚴重故障下,通過電流限幅器將光伏逆變器短路電流限制在最大允許范圍之內,使得逆變器不會因過流而脫網。兩級式光伏電源模型能夠將流過逆變器的電流維持在最大允許值之內,且故障后直流電容電壓工作在安全允許范圍內,滿足實際光伏電源的運行要求。

由于圖3中雙閉環控制系統是在三相平衡條件下設計的,僅有正序分量能得到較好的控制。在電網三相不平衡及電壓跌落條件下,負序電壓將在控制回路引起二倍頻的波動分量,造成逆變器輸出故障電流畸變和過流問題,嚴重時可能導致逆變器脫網。此時光伏逆變器采用具有無功支撐能力的故障控制策略,通常將外環控制閉鎖,對電流內環進行直接控制。

在配網故障時,無功參考電流變化量與并網點電壓偏差呈線性關系:

式中:U P0為并網點額定電壓;U P.f為故障電壓標幺值;K為無功支撐比例系數,一般取2。

有功電流盡量使有功輸出達到給定參考值Pref:

考慮到逆變器短路容量的限制,逆變器允許輸出的最大短路電流為其額定電流的1.2倍。為了支撐系統電壓,逆變器故障控制策略以無功輸出優先,有功電流則在逆變器允許的過流能力下使有功輸出達到給定參考值:

3 仿真驗證

在RTDS實時數字仿真平臺搭建兩級光伏電源所采用的雙閉環控制詳細模型,這里以光伏出線AB相發生接地短路為例。為驗證所建光伏并網模型的正確性,需要分別在正常運行和故障運行工況下,對并網逆變器各項重要指標進行分析。

光伏電源正常并網運行,0.5 s以前MPPT 功能閉鎖,逆變器直流母線電壓追蹤給定指令值基本保持恒定,能夠保證直交變換的電壓輸出要求。并網運行0.5 s后,開放MPPT 環節追蹤最大功率點,如圖4所示,0.5～0.65 s期間Boost電路占空比D持續減小,而直流母線電壓依舊維持在原來水平,則占空比D的減小使光伏陣列兩端電壓不斷增大,期間光伏逆變器輸出有功功率不斷增加,如圖5所示。可見,MPPT 環節開放后,Boost電路能夠有效實現最大功率點跟蹤控制,實現光伏并網效率的最大化。同時,光伏并網后輸出三相電流的波形總畸變率始終低于5%,能夠滿足并網標準要求,驗證了所建模型在正常運行工況的合理性。

圖4 Boost電路開關占空比D

圖5 逆變器輸出有功功率

當電網中發生對稱故障時,逆變器出口電壓出現跌落,由于并網電流無法突變,造成逆變器輸出有功功率降低,將導致逆變器直流母線電壓短時內升高,如圖6。故障穩態期間,逆變器輸出故障電流幅值受限,逆變器輸出有功功率無法恢復至故障前水平,造成直流母線電壓維持在較高水平。考慮到光伏電池板自身特性,光伏陣列兩端電壓的升高將降低自身出力,直流母線電壓不會高于陣列自身的開路電壓,維持在安全運行范圍內。逆變器根據并網點電壓的跌落程度進行無功補償,在確保逆變器不過流的情況下,其輸出有功、無功功率如圖7所示。上述仿真結果驗證了所建模型在對稱故障下具有較好的故障輸出性能,能夠滿足并網標準中相關要求。

圖6 直流母線電壓

圖7 逆變器輸出有功和無功功率

當電網發生不對稱故障時,逆變器并網點電壓如圖8所示。由于所建模型在故障期間閉鎖功率電壓外環,根據并網點正序電壓跌落情況直接給定內環電流指令值,因此不對稱故障期間逆變器輸出三相電流仍保持三相對稱,僅含正序分量。故障后逆變器輸出電流無法突變,直流母線電壓短時內升高,如圖9所示。并網電壓的負序分量引起功率的2倍工頻波動,如圖10所示,進而引起逆變器直流側電壓的2倍工頻波動。同樣得益于光伏電池板的自身特殊的電源特性,故障期間直流母線電壓能夠維持在安全運行范圍。

圖8 逆變器并網點三相電壓

圖9 逆變器直流母線電壓

圖10 逆變器輸出有功功率和無功功率

4 結論

從兩級式光伏并網逆變器拓撲結構出發,導出了復頻域下的逆變器模型,進而建立了基于雙閉環控制的兩級式光伏電源模型,并針對正常并網運行、對稱故障及不對稱故障3種工況,對所建模型進行了仿真驗證。仿真結果證明,正常并網運行時,所建兩級式光伏電源模型能滿足各項并網指標;電網故障條件下,所建模型能夠將流過逆變器的電流維持在最大允許值之內,且故障后直流母線電壓工作在安全運行范圍內,滿足實際光伏電源的運行要求,即所建模型能夠適用于實際工程項目應用分析。