基于光儲協同的改進型低壓穿越控制策略

摘 要：

針對光伏發電系統低壓穿越過程中傳統控制策略引起的逆變器直流電壓泵升，以及儲能裝置參與協調過程中存在的調節被動和響應滯后問題，提出一種基于光儲協同的改進型低壓穿越控制策略。首先，揭示不平衡功率在逆變器直流側堆積是電壓泵升的關鍵原因；其次，以并網點電壓支撐與不平衡功率抑制為雙重目標，構建逆變器參考電流自適應生成模塊，通過優化逆變器低壓穿越期間的電流指令抑制不平衡功率的產生。在此基礎上，設置直接功率控制的超級電容儲能，使其依據光伏與逆變器輸出的實時功率差值主動協同消納超出抑制能力的不平衡功率。仿真結果表明，改進型低壓穿越控制策略在保證并網點電壓支撐的前提下，通過分級調控獲得更快的響應和調節速度，有效解決了逆變器直流側電壓升高問題。

關鍵詞：低壓穿越；光儲協同；不平衡功率；直流側電壓；超級電容

DOI：10.15938/j.emc.2024.08.005

中圖分類號：TM771

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2024）08-0041-09

Improved low-voltage ride-through control strategy based on photo-storage synergy

DAI Zhihui1， WANG Wenzhuo1， ZHANG Yuanbo2， LIU Meiyuan1

（1.Hebei Key Laboratory of Distributed Energy Storage and Microgrid， North China Electric Power University， Baoding 071003， China; 2.State Grid Baoding Electric Power Supply Company， Baoding 071003， China）

Abstract：

To address issues of the DC-side voltage pumping of the converter caused by the traditional control strategy in the process of the low-voltage ride-through （LVRT） of photovoltaic system， as well as the problem of passive regulation and hysteretic response in the coordination process of energy storage devices， an improved LVRT control strategy based on photo-storage synergy was proposed. Initially， the key reason for the voltage pumping was revealed， that is， the accumulation of unbalanced power on the DC-side of the converter. Subsequently， an adaptive generation module of reference current was constructed in converter with the dual goals of voltage support at the grid-connected point and unbalanced power suppression to suppress the generation of unbalanced power by optimizing the reference current of the converter during LVRT. Based on these， a super-capacitor with direct power control based on the real-time power difference between the photovoltaic and converter outputs was set up to actively and cooperatively absorb unbalanced power beyond the suppression capacity of converter. The simulation results show that on the premise of ensuring the voltage support of the grid-connected point， the improved LVRT control strategy effectively solves the issue of DC-side voltage increasing of the converter with a faster response and adjust speed through hierarchical control.

Keywords：low-voltage ride-through；photo-storage synergy； unbalanced power；DC side voltage；super-capacitors

0 引 言

我國光伏產業在“碳達峰、碳中和”戰略目標下迅猛發展。高光伏（photovoltaic， PV）滲透率背景下，為避免網側故障觸發直流過電壓保護或逆變器電流保護導致PV脫網、提升含PV配電網運行的穩定性，《光伏發電并網逆變器技術要求標準》［1］和《光伏發電系統接入配電網技術規定》［2］（下文簡稱技術規定）提出光伏發電系統（photovoltaic system，PVS）應具備低電壓穿越（low voltage ride through，LVRT）能力。對于兩級式PVS，后級三相電壓源型逆變器（voltage source converter，VSC）的傳統低壓穿越控制通常遵循技術規定的要求優先注入更多的無功功率［3］，由于其輸出有功功率減少，PV與VSC輸出功率的不平衡會導致大量有功功率堆積在VSC直流側，最終引起直流側過電壓［4-5］。

針對PVS LVRT過程中VSC直流側不平衡功率堆積會導致直流過電壓的問題，文獻［6-7］對Boost變換器分別采用固定占空比模式的非MPPT控制和恒壓控制來限制PV輸出。然而上述改變前級變換器控制的方法降低了太陽能利用率，且部分非MPPT控制只能處理預先確定電壓跌落程度的故障，在實際電網中不具備普適性。文獻［8］在VSC直流側并入撬棒電路，通過電阻的耗能作用抑制了直流側電壓升高。該方法雖使得PV具有最大發電能力，但將直流側多余電能以熱能形式消耗反而不具有經濟性。隨著儲能在配電網中運用程度的提高，文獻［9-10］利用儲能裝置對不平衡功率的儲存作用彌補了撬棒電路損失電能的不足。但儲能變換器不能感知故障發生，當以直流側電壓變化作為故障期間儲能變換器的控制信號時，在故障發生的短暫時間內，直流側電壓的變化滯后導致儲能控制環節存在一定的響應延遲，進而影響其對不平衡功率和直流電壓的調節速度。

綜上所述，利用儲能裝置協調PVS LVRT期間的不平衡功率以抑制直流側電壓泵升的方法，雖然在實現PVS的低壓穿越上具有較高能源利用率和經濟性，但儲能變換器的電壓控制依賴于故障期間直流側電壓的變化情況，使其控制響應具有被動性和滯后性。

針對上述問題，本文提出一種基于光儲協同的改進型低壓穿越控制策略。首先，分析PVS低壓穿越過程中VSC直流側電壓泵升的原因；其次，以提升并網點電壓支撐能力以及消除VSC直流側不平衡功率為主要目標，優化低壓穿越控制策略；最后，對所提策略的有效性進行仿真驗證。

1 光伏發電系統結構及傳統LVRT控制策略分析

1.1 光伏發電系統結構

采用兩級式結構的含SC的PVS拓撲結構如圖1所示。后級VSC執行逆變和并網功能，輸出大小為380 V的交流電［2］并通過升壓變壓器接入10 kV配電網；SC采用經典串聯RC模型［11］并通過執行圖示電壓外環控制策略的DC/DC變換器并聯于VSC直流側。

自適應生成原則為：當功率平衡目標下計算的有功電流大于或等于電壓支撐優化問題的最優解，即id≥Id_opt時，首先考慮VSC的電壓支撐要求。令其輸出的有功與無功電流參考值等于式（8）所示的最優電流Idref=Id_opt和Iqref=Iq_opt。該情況下，因VSC交流側最終輸出的有功功率Pg≤Pref=Pdc.ref，而在直流側產生的ΔP將由SC主動協同消納（對SC的控制在下一節詳細說明）；當功率平衡目標下計算的有功電流小于電壓支撐優化問題的最優解，即idlt;Id_opt時，首先考慮維持VSC兩側功率平衡的目標。令其輸出的有功電流參考值為Idref=id。該情況下，VSC剩余的電流容量可全部以無功分量形式輸出，即Iqref=iq。

因式（8）所示電壓支撐最優解的計算可提前離線完成，式（9）～式（12）中的電壓檢測與相關計算在電力電子元件控制環節的毫秒級響應下可認為是同時進行的，故式（13）自適應生成的電流參考值是瞬時性電流，VSC可以實現對不平衡功率的快速抑制和對直流電壓變化的實時性主動響應。

綜上所述，基于雙重目標的VSC控制策略如圖3所示。該策略內置了交流電壓控制模塊、最優電流分配模塊以及參考電流自適應生成模塊以實現對不平衡功率和直流電壓的一級調節。

2.2 SC變換器的直接功率控制策略

基于上節VSC的控制原理，在VSC按照Idref=Id_opt和Iqref=Iq_opt輸出的情況下，結合式（5）和式（10）～式（12）可知，VSC交流側最終輸出的有功功率Pg=32Id_optEd小于理想情況下應輸出的有功功率Pref=32idEd=Pdc.ref。根據式（3），此時VSC直流側存在ΔP=Pdc.ref－Pggt;0，可見VSC選取電壓支撐目標下的電流參考值時仍會導致其直流側存在不平衡功率。因此需要SC介入，通過SC變換器跟蹤功率指令PSC.ref來實時調節SC的充/放電運行狀態，協同消納不平衡功率，最終實現對不平衡功率和直流電壓的二級調節。

SC直接功率控制的功率指令為

PSC.ref=sgn（Pg－PMPP）。（14）

式中：Pg為VSC交流側的實際輸出功率，該值可根據PCC處采集到的電氣量本地計算；PMPP為不計外界環境變化的PV輸出功率，其值恒定為MPPT控制下的最大功率。當電網調度控制系統監視到故障發生后，該時刻下PV輸出的最大功率可由電網調度機構傳送［19-20］；sgn為符號函數，在（Pg－PMPP）lt;0和（Pg－PMPP）gt;0時分別取1和-1，代表充電和放電狀態，（Pg－PMPP）=0時則取0，SC閉鎖。

SC變換器的直接功率控制策略如圖4所示。

考慮到SC在正常工況下對光伏出力的平抑和消納作用，為保證故障后其有足夠容量來協同VSC調節不平衡功率，在設計SC的容量配置時，令SC額定充/放電功率為PSCN=ηPPVSN。其中，η≥1為考慮一定裕度的容量冗余系數，可根據實際情況自行設定；PPVSN為PVS額定功率，當其以“自發自用、余量上網”典型模式運營時，PPVSN與本地負荷日最大需求Pload_max的關系滿足PPVSN≥Pload_max，不同類型的負荷其用電高峰期和用電峰值各不相同［21］。從經濟性方面考慮，本文取PPVSN=Pload_max。此時，SC容值可表示為CSC=2ESCmaxV2SCmax－V2SCmin=2PSCNTV2SCmax－V2SCmin。其中ESCmax為SC最大存儲能量；VSCmax、VSCmin為SC端電壓的最大與最小值，滿足udc.ref≥VSCmax=2VSCmin［11］；T為充電時間。

與1.2節中SC的控制方法相比，本節在LVRT期間對SC采用的直接功率控制可直接根據PV和VSC的輸出功率實時調整SC工作狀態，化被動調節為主動協同，不僅縮短SC變換器接收udc信號的等待時間，加快響應速度，降低直流側變流設備的過壓應力，而且其與VSC協同的分級調控方式可維持PV以最大功率輸出，提高太陽能利用率。此外，該控制策略在系統正常運行時同樣適用，避免了正常與故障工況下SC控制策略的切換，增強了運行穩定性。

2.3 光儲協同機理及整體流程

與傳統LVRT控制中，VSC只考慮自身限流因素的有功輸出及SC根據電壓變化被動調整工作狀態的穩壓控制相比，本文提出的基于光儲協同的改進型LVRT控制策略結合了VSC和SC的主動控制能力，通過分級調控和兩者的協同作用抑制與消納PVS LVRT過程中VSC直流側產生的不平衡功率。光儲協同機理及整體流程如圖5所示。

步驟一：VSC交流電壓控制模塊檢測PCC電壓。若電壓跌落程度高于90%，則維持正常工況下的定直流電壓控制策略并以單位功率因數運行；否則，執行LVRT控制策略，進入步驟二。

步驟二：根據式（8）和式（12）分別計算最佳電壓支撐目標下的電流Id_opt、Iq_opt以及功率平衡目標下的瞬時電流id、iq，執行步驟三。

步驟三：將步驟二的兩組電流指令輸入參考電流自適應生成模塊，按照式（13）生成VSC最終的有功與無功參考電流Idref和Iqref，并進入步驟四。

步驟四：通過電網調度機構獲取當前PVS輸出功率，代入式（14）生成SC功率指令PSC.ref。進入步驟五。

步驟五：PVS結束LVRT運行狀態。

3 仿真驗證

為了驗證所提策略的有效性，基于MATLAB/Simulink搭建了如圖1所示的含SC的兩級式PVS仿真模型。在該模型中采用單片額定容量為230.128 8 W的20串10并光伏發電單元，并始終運行于T=25 ℃、I=1 000 W/m2的標準環境下。主要參數見表1。

本文設置SC冗余功率系數η=1.5。結合2.2節中對SC容值的分析說明，當VSCmax=400 V時，由2.2節中的PSCN和CSC計算公式可知PSCN=75 kW、CSC=2.5 F。根據技術規定中要求PVS維持并網運行的最長時間，設置仿真運行至1 s時刻，f1處發生三相短路故障，故障持續時間均為0.625 s，仿真總時長3 s。

通過改變三相電壓跌落程度，針對VSC的2個控制目標，設計2種工況以驗證策略的有效性，并與1.2節中傳統LVRT控制策略的算例進行對比分析。

1）工況一：并網點電壓跌落至15%。

設置1 s時刻，網側發生三相短路故障使系統并網點電壓跌落至15%，以A相為例其電壓波形如圖6（a）所示。此時由圖6（b）可見，并網點電壓跌落較為嚴重，電壓幅值跌落至2.11 kV（0.15 pu）。

以VSC額定電流為基準，在對比算例的傳統LVRT控制策略下，VSC按1.2節式（1）輸出1.2 pu的無功電流，此時PCC電壓抬升至5.9 kV（0.42 pu），如圖6（b）所示。而在本文所提控制策略下，此時電壓支撐目標下的電流指令更小，故VSC以電壓支撐目標下的電流指令為輸出電流參考值，如圖6（c）所示，分別為Idref=0.78 pu和Iqref=0.91 pu，此時VSC將PCC電壓抬升至8.5 kV（0.6 pu）。由圖6（b）、圖6（c）可見，2.1.1節VSC的電壓支撐策略在中壓配網中具有更佳的電壓支撐效果。

從圖6（d）、（e）可以看出，故障發生后的短暫時間內，ΔP增大、udc在此作用下也有所抬升。相比于對比算例中ΔP持續升高的變化，因本策略下的VSC能輸出有功，ΔP更快得到抑制，相應地udc下降。然而VSC有功參考電流小于抑制不平衡功率目標下的電流指令，VSC不能使ΔP被完全抑制為0。

由圖6（e）、（f）可見，SC在獲取VSC的實時輸出功率后直接啟動并開始消納剩余的功率，其響應速度快于對比算例（Δt3=98 ms，Δt4=125 ms），且與無儲能的傳統LVRT算例對比，SC的調節作用可避免udc過電壓。在VSC和SC的協同作用下，不平衡功率ΔP的調節速度相比于對比算例中SC穩壓控制的調節速度大大加快（Δt1=173 ms，Δt2=280 ms），最終ΔP被完全消納且udc恢復到給定值并穩定。

2）工況二：并網點電壓跌落至50%。

設置1 s時刻，網側發生三相短路故障使系統并網點電壓跌落至50%，以A相為例其電壓波形如圖7（a）所示。此時由圖7（b）可見，并網點電壓幅值跌落至7.2 kV（0.5 pu）。

由圖7（b）～（e）可見，在對比算例的傳統LVRT控制策略下，當以VSC額定電流為基準時，VSC按1.2節中式（1）和式（2）計算所得有功與無功電流參考值與2.1.1節電壓支撐目標下的電流指令相近，分別為0.89 pu和0.8 pu，此時PCC電壓抬升至13 kV（0.92 pu）。而在本文所提控制策略下，因VSC功率平衡目標下的電流指令0.69 pu小于電壓支撐目標下的電流指令0.78 pu，VSC最終以抑制不平衡功率的電流輸出，電流參考值分別為Idref=0.69 pu和Iqref=0.98 pu。此時，VSC以功率平衡的目標輸出，不僅使其直流側不平衡功率的堆積程度降低，而且將PCC電壓抬升至12.4 kV（0.88 pu），同樣具有較好的電壓支撐效果。隨著ΔP被VSC完全抑制，udc也快速穩定下來。從圖7（e）、（f）可看出，該過程不需要SC協同消納，可僅依靠VSC快速抑制ΔP堆積和udc泵升（Δt1=133 ms，Δt2=253 ms）。

可見，在中壓配網中，VSC按2.1.1節電壓支撐策略輸出時具有最佳PCC電壓支撐效果，此過程中VSC可靠地輸出有功功率對ΔP有一定抑制作用；超出VSC抑制能力的ΔP可在SC的主動協同下實現完全消納。相比于對比算例中單純依靠SC調節的傳統LVRT控制，本文所提策略具有更快的響應速度。當VSC以2.1.2節功率平衡的目標輸出時，盡管VSC不能提供最佳的PCC電壓支撐效果，但其電壓支撐結果與對比算例的電壓支撐結果基本一致，能實現PVS的低壓穿越，且該過程中VSC自身即可有效且快速地抑制ΔP和udc持續升高。

綜上所述，本文提出的基于光儲協同的改進型LVRT控制策略在PCC電壓支撐和抑制不平衡功率的雙重目標下都能達到理想效果，VSC和SC的分級調控與協同作用提高了PVS LVRT過程中對直流側電壓泵升現象的抑制速度。

4 結 論

針對光伏發電系統低壓穿越時傳統控制策略引起的逆變器直流側電壓泵升，以及儲能參與協調過程中存在的調節被動和響應滯后問題，本文提出一種基于光儲協同的改進型低壓穿越控制策略，所得結論如下：

1）策略設計基于雙重目標的VSC控制策略，其參考電流自適應生成模塊對VSC輸出電流的合理分配，使VSC在LVRT過程中具有可靠的有功輸出能力，在有效且快速地抑制不平衡功率產生的同時具有理想的PCC電壓支撐效果；

2）策略設計SC實時響應VSC輸出功率的直接功率控制策略，提高了SC協調不平衡功率的響應速度；

3）策略通過分級調控，加快了至少一倍的響應和調節速度，實現了對不平衡功率地抑制與消納，解決了直流側電壓泵升問題。

參 考 文 獻：

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（編輯：劉琳琳）

收稿日期： 2024-03-05

基金項目：國家自然科學基金（51877084）

作者簡介：戴志輝（1980—），男，博士，教授，研究方向為電力系統保護與控制；

王文卓（1999—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統保護與控制；

張元波（1984—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統及其自動化；

柳梅元（1999—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統保護與控制。

通信作者：戴志輝