郭培健，伍豐林，田凱，張超

（天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300180）

1 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能隨太陽(yáng)光照強(qiáng)度變化而變化，一般不能提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。隨著近年來(lái)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，尤其是大規(guī)模光伏并網(wǎng)電站的大量投入使用，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性構(gòu)成一定問題，特別是在電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓跌落情況下如果許多這類電源出現(xiàn)集體瞬間脫網(wǎng)，將加劇電網(wǎng)振蕩，甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰的重大事故[1]。 因此許多國(guó)家對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越（LVRT）能力提出強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。LVRT 是指在電網(wǎng)電壓跌落處于一定范圍內(nèi)，并網(wǎng)逆變器必須保持和電網(wǎng)的連接，并盡可能向電網(wǎng)提供超前無(wú)功功率支持[2]。

電網(wǎng)電壓的跌落包括單相跌落、 兩相跌落、三相對(duì)稱和不對(duì)稱跌落，其中三相對(duì)稱電壓跌落出現(xiàn)的概率很小。 非對(duì)稱電壓跌落（即除三相對(duì)稱電壓跌落之外的其他電壓跌落）使得電網(wǎng)電壓中出現(xiàn)較大負(fù)序分量。

目前，針對(duì)電網(wǎng)電壓多數(shù)跌落過(guò)程含有負(fù)序分量的情況，通常采用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制[3-5]，即采用結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的正、 負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，對(duì)正、負(fù)序電流獨(dú)立進(jìn)行控制，并分別對(duì)正、負(fù)序電流進(jìn)行前饋解耦控制[6-8]。 但是該控制方法在數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行運(yùn)算的過(guò)程中，由于采樣及運(yùn)算帶來(lái)控制延遲，通過(guò)角度補(bǔ)償?shù)霓k法可以在穩(wěn)態(tài)較好跟蹤電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓前饋解耦控制；而在電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生快速變化（例如跌落）時(shí)，上述延遲使得前饋電壓的幅值在動(dòng)態(tài)滯后于實(shí)際電壓幅值，電流調(diào)節(jié)器可以在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落起到一定調(diào)節(jié)作用，但一般情況下按負(fù)載模型設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)器比例比較小，主要依靠電壓前饋解耦控制。 此外，由于電網(wǎng)電壓跌落多為三相非對(duì)稱，電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號(hào)（包括正序和負(fù)序分量）中存在二次諧波分量，一方面產(chǎn)生的二次諧波難于徹底濾除，另一方面濾波（包括一階慣性濾波、二階陷波濾波、移相濾波等）均使前饋電壓信號(hào)產(chǎn)生滯后，不僅使初始響應(yīng)滯后，且即使在電網(wǎng)電壓處于跌落的穩(wěn)態(tài)時(shí)三相電流幅值仍可能有較大脈動(dòng)。 因此，僅采用雙旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系的解耦控制方法，只能解決電網(wǎng)電壓跌落后的穩(wěn)態(tài)（即電壓幅值變化率相對(duì)小一些的區(qū)域）的電流控制，在較大電壓跌落情況下逆變器仍可能因初始較大過(guò)電流而脫網(wǎng)。

在電網(wǎng)正常情況下過(guò)多超前無(wú)功使得電網(wǎng)電壓升高，特別在LVRT 結(jié)束時(shí)如果并網(wǎng)的逆變器響應(yīng)滯后，仍然維持?jǐn)?shù)個(gè)采樣周期輸出超前無(wú)功，可能導(dǎo)致電網(wǎng)過(guò)電壓，也可能使逆變器輸出過(guò)流和脫網(wǎng)。

因此必須研究有效的控制方法，防止逆變器在電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程過(guò)流，才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器LVRT。

2 常規(guī)并網(wǎng)三相光伏逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT 能力

2.1 常規(guī)光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT 能力

常規(guī)光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)如圖1所示，其中PV 為光伏電池陣列，PB 為三相逆變器，L1為三相輸出濾波電抗器，C1為三相輸出濾波電容。 光伏逆變器將光伏電池陣列的直流電能變換為三相交流電能，并輸向電網(wǎng)。

控制回路通常采用鎖相環(huán)PLL 檢測(cè)電網(wǎng)電壓（正序）矢量。用PLL 計(jì)算出的電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)角度φs將逆變器輸出交流電流經(jīng)過(guò)矢量變換，分解為有功（d 軸）和無(wú)功（q 軸）的直流分量，以便對(duì)有功和無(wú)功功率分別進(jìn)行控制。

圖1 常規(guī)光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.1 PV inverter control system block diagram

控制系統(tǒng)采用MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）計(jì)算逆變器直流電壓給定Ud*c，經(jīng)直流電壓調(diào)節(jié)器計(jì)算出有功電流給定I*d，d 軸電流調(diào)節(jié)器計(jì)算出d軸電壓調(diào)節(jié)量△Ud。電網(wǎng)電壓正序幅值Ud和逆變器輸出無(wú)功電流在q 軸的電抗壓降作為電壓給定的前饋解耦分量，用于提高逆變器輸出響應(yīng)。

大功率光伏逆變器通常具有無(wú)功調(diào)節(jié)能力，外環(huán)為無(wú)功功率調(diào)節(jié)器，用于控制輸出的無(wú)功功率，其輸出為無(wú)功電流給定I*q，通過(guò)q 軸電流調(diào)節(jié)器計(jì)算出q 軸電壓調(diào)節(jié)量△Uq。 逆變器輸出有功電流在q 軸的電抗壓降作為q 軸電壓給定的前饋解耦分量。

圖1所示系統(tǒng)適用于三相電壓對(duì)稱跌落情況下的LVRT，存在控制響應(yīng)之后問題，在較大電壓跌落情況下逆變器會(huì)在初始產(chǎn)生過(guò)電流。 而對(duì)于三相電壓不對(duì)稱跌落，則因負(fù)序分量失于控制而產(chǎn)生較大過(guò)電流以致脫網(wǎng)。

2.2 雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制的光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT 能力

為解決三相電壓不對(duì)稱跌落下的LVRT，通常采用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制，即采用結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱的正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，對(duì)正、負(fù)序電流獨(dú)立進(jìn)行控制，分別對(duì)正、負(fù)序電流進(jìn)行前饋解耦控制。 參見圖2。

圖2 具有雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Double rotating coordinate control of PV inverter control system block diagram

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相、兩相、或三相非對(duì)稱電壓跌落時(shí)，伴隨著電網(wǎng)電壓的不對(duì)稱，電網(wǎng)電壓中不僅存在正序分量，同時(shí)還存在負(fù)序分量和零序分量。 本文只考慮三相三線制系統(tǒng)，忽略零序分量[9]，則不平衡三相電壓可以表示成以下形式：

式中：ω 為電網(wǎng)電壓角頻率；V+m為電網(wǎng)電壓正序分量幅值；V-m為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量幅值；φ+為電網(wǎng)電壓正序分量的初始相角；φ-為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的初始相角。

經(jīng)坐標(biāo)變換，可得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量為

其中

式中：下標(biāo)d 和q 分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d，q 軸分量；上標(biāo)+和-分別為正序和負(fù)序分量。

當(dāng)負(fù)序分量出現(xiàn)時(shí)，按常規(guī)矢量分解方法得到的正序和負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q 軸分量中存在2倍頻交變成分，需采用適當(dāng)?shù)臑V波后才可用于調(diào)節(jié)器反饋或前饋，否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和過(guò)電流。

圖2所示系統(tǒng)可用于所有電壓跌落情況下的LVRT，但響應(yīng)滯后采樣周期，在較大電壓跌落情況下逆變器可能在初始以及電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生過(guò)電流。

3 電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程初始過(guò)電流分析

逆變器所輸出的電壓矢量與電網(wǎng)電壓矢量的差等于加在交流電抗上的電壓矢量，逆變器輸出電流與加在交流電抗上的電壓關(guān)系為

因此，如果交流電感基本不變，逆變器輸出電流與加在交流電抗上的電壓幅值成正比。

導(dǎo)致逆變器在LVRT 初始瞬間過(guò)電流的主要原因是系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)時(shí)間滯后，在此時(shí)間內(nèi)逆變器給定電壓基本仍按原電壓矢量幅值輸出，使得交流電抗上的電壓瞬間異常增大，導(dǎo)致逆變器輸出電流異?？焖偕仙@是LVRT 過(guò)程初始過(guò)電流的主要原因。因此，解決電網(wǎng)電壓前饋滯后問題是保證實(shí)現(xiàn)LVRT 安全性的關(guān)鍵。

4 電網(wǎng)電壓直接前饋控制策略

本節(jié)詳細(xì)敘述基于電網(wǎng)電壓直接前饋的LVRT 控制策略，鑒于篇幅，其中涉及光伏逆變器的一些其他技術(shù)問題這里不作過(guò)多敘述。

4.1 控制器硬件組成

光伏逆變器控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和大規(guī)模門陣列（FPGA）為核心的硬件結(jié)構(gòu)。通過(guò)電壓和電流傳感器、以及模擬量采集芯片對(duì)電網(wǎng)電壓、 電流以及直流電壓和電流進(jìn)行采樣。

對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)采集平均值和瞬時(shí)值，其中平均值采樣周期與PWM 控制周期同步，用于正常情況下的系統(tǒng)控制； 瞬時(shí)值采樣為數(shù)μs 級(jí)平均值，用于LVRT 時(shí)的控制。

4.2 系統(tǒng)控制方案

基于前兩節(jié)中對(duì)電網(wǎng)電壓跌落故障矢量分析、以及逆變器過(guò)流原因分析，改進(jìn)的系統(tǒng)控制方案如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)電壓直接前饋的三相并網(wǎng)光伏逆變器系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Voltage directly feed-forward PV inverter control system block diagram

DSP 主要執(zhí)行控制運(yùn)算功能，F(xiàn)PGA 主要完成邏輯控制和脈沖形成等功能。

4.3 電網(wǎng)電壓跌落判斷

通過(guò)對(duì)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值幅值的檢測(cè)，可及時(shí)判斷電網(wǎng)電壓的跌落。 通過(guò)檢測(cè)負(fù)序電壓分量的幅值判斷是否發(fā)生電網(wǎng)電壓不對(duì)稱運(yùn)行。

4.4 負(fù)序電流分量控制

4.5 電壓直接前饋控制策略

為解決電網(wǎng)電壓跌落的初始瞬間電壓前饋滯后的問題，本文提出了一種電網(wǎng)電壓直接前饋控制策略：策略一是將電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值信號(hào)經(jīng)滯后補(bǔ)償后直接作為電壓給定前饋；策略二是在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障時(shí)，采用電網(wǎng)電壓的采樣值作為前饋進(jìn)行控制。 前者解決LVRT 穩(wěn)態(tài)控制，并提高逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；后者解決LVRT 開始瞬間的過(guò)流控制。

由于電網(wǎng)電壓跌落多為三相非對(duì)稱，電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號(hào)中存在二次諧波分量，一方面產(chǎn)生的二次諧波難于徹底濾除，另一方面濾波（包括一階慣性濾波、二階陷波濾波、移相濾波等）均使前饋電壓信號(hào)產(chǎn)生滯后，不僅使初始響應(yīng)滯后，還使得即使在電網(wǎng)電壓處于跌落的穩(wěn)態(tài)時(shí)三相電流幅值仍可能有較大脈動(dòng)。

常規(guī)的電壓給定前饋分解出的直流分量，與電流調(diào)節(jié)器輸出及交流電抗壓降疊加后，經(jīng)矢量變換后作為給定電壓輸出（參見圖1、圖2），這需要進(jìn)行滯后補(bǔ)償。 電網(wǎng)正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有問題，而一旦電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)或負(fù)序，由于前饋電壓的滯后以及偶次諧波濾波的滯后，電流就會(huì)產(chǎn)生較大動(dòng)態(tài)脈動(dòng)。

采用上述控制策略一，在不降低電壓信號(hào)采樣精度前提下，使前饋電壓的滯后縮短，且避免了對(duì)電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號(hào)中二次諧波的濾波，解決了LVRT 穩(wěn)態(tài)控制問題，也同時(shí)提高了逆變器在正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

僅采用上述策略一，還有一定滯后，仍會(huì)造成LVRT 初始產(chǎn)生過(guò)流。 為此加入上述策略二，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落，使用電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值作為前饋電壓。 這時(shí)可能有4 種情況：1）如故障處于PWM 前半周，對(duì)于任意相，這時(shí)如果PWM 脈沖尚未發(fā)出，則可按瞬時(shí)值電壓前饋計(jì)算的電壓給定控制脈沖前沿，該相電壓給定基本適應(yīng)電網(wǎng)電壓跌落，對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)沒有滯后；2）如故障處于PWM 前半周，對(duì)于任意相，這時(shí)如果PWM 脈沖已經(jīng)發(fā)出，則可在PWM 后半周按瞬時(shí)值電壓前饋計(jì)算的電壓給定控制脈沖后沿，該相電壓給定對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)滯后約半周期；3）如故障處于PWM 后半周，對(duì)于任意相，這時(shí)如果PWM 脈沖尚未發(fā)出，則可按瞬時(shí)值電壓前饋計(jì)算的電壓給定控制脈沖后沿，該相電壓給定基本適應(yīng)電網(wǎng)電壓跌落，對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)沒有滯后；4）如故障處于PWM 后半周，對(duì)于任意相，這時(shí)如果PWM 脈沖已經(jīng)發(fā)出，則可以在下一個(gè)PWM 前半周按瞬時(shí)值電壓前饋計(jì)算的電壓給定控制脈沖前沿，該相電壓給定對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)滯后約半周期。

從上述4 種情況看，采用電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值直接前饋，其對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的最短響應(yīng)時(shí)間為數(shù)μs，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間約半個(gè)PWM 周期，因此可以有效解決LVRT 開始瞬間的過(guò)流問題。

4.6 逆變器輸出電流控制策略

為滿足電網(wǎng)需要，提出逆變器輸出電流的控制策略：在電網(wǎng)正常時(shí)，DSP 中的正序有功電流給定為MPPT 控制的、 或由電網(wǎng)調(diào)度控制的電流，由直流電壓調(diào)節(jié)器給出，正序無(wú)功電流給定為0（功率因數(shù)為1）、或在逆變器樣本規(guī)定的無(wú)功輸出范圍由電網(wǎng)調(diào)度控制；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時(shí)，限制最大有功電流給定為額定值的80%，同時(shí)令超前無(wú)功電流給定等于100%減去有功電流給定平方后的開方值，使總輸出電流維持100%額定，從而最大限度輸出超前無(wú)功電流以支撐電網(wǎng)。

在電網(wǎng)正常情況下過(guò)多超前無(wú)功使得電網(wǎng)電壓升高，特別在LVRT 結(jié)束時(shí)，如果并網(wǎng)的逆變器由于控制滯后仍維持?jǐn)?shù)個(gè)采樣周期輸出超前無(wú)功，則可能導(dǎo)致電網(wǎng)過(guò)電壓，并可能使逆變器輸出過(guò)流和脫網(wǎng)。 因此，當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓接近90%額定電網(wǎng)電壓時(shí)，提前取消超前無(wú)功電流支撐電網(wǎng)功能，避免LVRT 結(jié)束時(shí)過(guò)多無(wú)功加劇電網(wǎng)過(guò)電壓。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本文提出的基于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值前饋的LVRT 控制策略，在250 kW 光伏逆變器裝置上進(jìn)行了LVRT 功能實(shí)驗(yàn)，交流電源采用某知名品牌公司生產(chǎn)的800 kW 電網(wǎng)電源模擬裝置進(jìn)行測(cè)試，逆變器工作在額定功率向電網(wǎng)送電狀態(tài)。

圖4、 圖5分別是電網(wǎng)發(fā)生單相跌落和兩相跌落時(shí)的LVRT 試驗(yàn)波形，通道1，2 和3 分別為三相電網(wǎng)電壓波形，通道4，5 和6 分別為逆變器三相輸出電流波形（圖4，圖5中縱坐標(biāo)1 V 對(duì)應(yīng)1 A）。 從波形上可以看出，A 相電壓發(fā)生跌落后，逆變器輸出電流在經(jīng)過(guò)短暫調(diào)整后恢復(fù)額定電流（380 A）輸出，沒有過(guò)流發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器低電壓安全穿越。

圖4 電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落時(shí)的LVRT 試驗(yàn)波形Fig.4 Grid voltage single-phase LVRT test waveforms

圖5 電網(wǎng)電壓發(fā)生兩相跌落時(shí)的LVRT 試驗(yàn)波形Fig.5 Grid voltage two phases LVRT test waveforms

6 結(jié)論

本文所提出的基于電網(wǎng)電壓直接前饋的LVRT 控制策略，具有以下若干特點(diǎn)：在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，可快速準(zhǔn)確地判斷出當(dāng)前電網(wǎng)進(jìn)入低電壓故障狀態(tài)；有效地抑制了電網(wǎng)電壓跌落過(guò)程、 特別是初始和結(jié)束時(shí)逆變器輸出過(guò)流，防止逆變器脫網(wǎng)；最大限度輸出超前無(wú)功電流支撐電網(wǎng)；在電網(wǎng)電壓跌落結(jié)束前，提前退出無(wú)功電流支撐電網(wǎng)功能，避免電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)過(guò)多超前無(wú)功對(duì)電網(wǎng)電壓造成過(guò)壓沖擊；避免了對(duì)電網(wǎng)電壓在d-q 軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電壓電流信號(hào)中二次諧波的濾波產(chǎn)生的響應(yīng)滯后問題，解決了LVRT 穩(wěn)態(tài)控制問題，同時(shí)提高了逆變器在正常運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 經(jīng)試驗(yàn)證明該策略簡(jiǎn)單可行，實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓安全穿越。

[1] 李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] FredeBlaabjerg，RemusTeodorescu，MarcoLiserre，etal.Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）：1398-1409.

[3] Etxeberria-Otadui I，Viscarret U，Caballero M，et al.New Optimized PWM VSC Control Structures and Strategies under Unbalanced Voltage Transients[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（5）：2902-2914.

[4] 宋平崗，喻沖.不對(duì)稱跌落下雙饋風(fēng)機(jī)低電壓穿越的研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（8），60-62.

[5] 王久和，楊秀媛.電網(wǎng)不平衡時(shí)電壓型PWM 整流器控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程報(bào)，2011，31（8），14-20.

[6] Xiao P，Corzine K A，Venayagamoorthy G K.Multiple Reference Frame-based Control of Three-phase PWM Boost Rectifiers under Unbalanced and Distorted Input Conditions [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（4）：2006-2017.

[7] 魏克新，汪水明.電網(wǎng)不平衡條件下PWM 整流器最優(yōu)化控制策略研究[J].現(xiàn)代電力，2009，26（5）：1-6.

[8] Roiu D，Bojoi R，Limongi L R，et al.New Stationary Frame Control Scheme for Three Phase PWM Rectifiers under Unbalanced Voltage Dips Conditions[C]∥IEEE Industry Applications Society Annual Meeting，Torino，Italy：IEEE，2008：1-7.

[9] 劉義成，張學(xué)廣，景卉，等.電網(wǎng)電壓正負(fù)序分量快速檢測(cè)算法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（9）：217-222.

[10] 何鳴明，賀益康，潘再平.不對(duì)稱電網(wǎng)故障下PWM 整流器的控制[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，19（4）：13-17.