(懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，湖南 懷化 418000)

隨著近年來分布式發(fā)電在我國電網(wǎng)供電中所占的比例越來越高[1-3]，分布式電源對(duì)電網(wǎng)的影響愈發(fā)明顯，對(duì)分布式電源故障穿越能力、有功輸出及無功補(bǔ)償控制能力的要求日益增高，而作為分布式電源與電網(wǎng)間常用的連接裝置，并網(wǎng)逆變器不僅隔離分布式電源與電網(wǎng)，起到保護(hù)分布式電源的作用，而且還能夠把電網(wǎng)暫態(tài)故障的影響最大程度地限制在電網(wǎng)側(cè)，因此，對(duì)并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)的研究十分必要。

目前對(duì)穿越技術(shù)的研究主要集中在風(fēng)力發(fā)電的低電壓穿越(LVRT)[4-6]，而對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電的故障穿越技術(shù)研究尚不多。對(duì)風(fēng)電而言，目前發(fā)展最為迅速的同步直驅(qū)式風(fēng)機(jī)(PMSG)[7, 8]采用AC/DC、DC/AC(并網(wǎng)逆變器)變流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電；對(duì)光電而言，光伏電池陣列則必須通過并網(wǎng)逆變器才能與電網(wǎng)連接。

本文對(duì)并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)進(jìn)行了研究，通過直接對(duì)電網(wǎng)電壓跟蹤實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)的穿越。該策略不僅可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的電壓穿越，對(duì)電網(wǎng)“孤島”現(xiàn)象也能進(jìn)行瞬時(shí)跟蹤，而且還可以動(dòng)態(tài)調(diào)整并網(wǎng)逆變器的有功及無功輸出。

本文首先闡述了并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)的控制原理，介紹了電網(wǎng)電壓的檢測(cè)方法，分析了并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)間的連接電感的參數(shù)選取，然后對(duì)電網(wǎng)正常工作狀態(tài)、電網(wǎng)暫態(tài)故障及“孤島”現(xiàn)象時(shí)并網(wǎng)逆變器電壓穿越條件下的并網(wǎng)逆變器輸出有功及無功的控制思想進(jìn)行了闡述，最后給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并予以分析，驗(yàn)證了策略的可行性和有效性。

1 并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)控制原理

并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)的控制原理如圖1所示，利用電壓型SPWM跟蹤控制調(diào)整電網(wǎng)電壓，控制并網(wǎng)逆變器輸出電壓，對(duì)分布式電源直流側(cè)的電壓電流進(jìn)行雙重檢測(cè)，對(duì)并網(wǎng)逆變器的輸出電壓及電網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)，同時(shí)對(duì)Crowbar電路進(jìn)行開關(guān)控制。

圖1 并網(wǎng)逆變器控制原理

為防止電網(wǎng)故障時(shí)分布式電源與電網(wǎng)間功率不平衡帶來的直流側(cè)母線電壓升高問題，該策略加入直流側(cè)過壓保護(hù)電路[9](Crowbar)，并對(duì)直流側(cè)電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過DSC芯片對(duì)Crowbar電路中開關(guān)器件的控制對(duì)其進(jìn)行連接或斷開操作。

目前常用的Crowbar電路主要有：?通過Buck電路連接卸荷電阻；?增加儲(chǔ)能裝置；?增加輔助變換器建立新通道。

1.1 對(duì)電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)跟蹤，該策略對(duì)電網(wǎng)電壓相位與幅值進(jìn)行相互獨(dú)立的采樣檢測(cè)，并以之作為被跟蹤量。

本文利用DSC芯片的信號(hào)高速采集處理能力[10]，以載波周期為單位對(duì)電網(wǎng)電壓幅值進(jìn)行采樣。

取載波比

(1)

則有載波周期Tc=78.125μs，即在一個(gè)工頻周期內(nèi)，對(duì)電網(wǎng)電壓幅值取256個(gè)采樣值。

設(shè)t時(shí)刻電網(wǎng)電壓的采樣值為Us(t)，又通過查表可得t時(shí)刻電網(wǎng)電壓的額定值為Ub(t)，則有

E=Ub(t)-Us(t)

(2)

以式(2)中E作為是否改變并網(wǎng)逆變器控制策略的判定標(biāo)準(zhǔn)。

若取晶體振蕩器頻率Usptr=80MHz，則理論上計(jì)數(shù)器分辨率為12.5ns，測(cè)量精度達(dá)0.000225°，本文實(shí)際采用精度為0.0045°，為提高計(jì)算速度，cos/sin采用查表加插值法求得。

由上述討論可知，該策略對(duì)電網(wǎng)電壓的檢測(cè)可以控制在一個(gè)載波周期內(nèi)，為并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)電壓的SPWM跟蹤控制做好準(zhǔn)備。

1.2 連接電感的選取

圖2為分布式電源通過并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)相連接的等效電路圖，其中L為并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)間的連接電感，R為分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的等效內(nèi)阻。

圖2 分布式發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)等效電路

若忽略內(nèi)阻R，則有圖2的等效方程：

(3)

由式(3)可得

(4)

本文取L=1mH，但在實(shí)際情況中，為抑制諧波電流，應(yīng)取5mH以上。

2 有功輸出與無功補(bǔ)償控制

由圖1可知，本文還對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出電壓及電網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行了監(jiān)控檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并網(wǎng)逆變器及電網(wǎng)的工作狀況，而此舉同時(shí)也是本文控制并網(wǎng)逆變器輸出有功及無功的基礎(chǔ)。

輸出有功無功閉環(huán)控制如圖3所示。

圖3 輸出有功無功閉環(huán)控制

圖3中Iref為參考電流給定，Kip為PI電流閉環(huán)的比例系數(shù)，Kif為反饋系數(shù)，M為并網(wǎng)逆變器輸出與輸入的比例系數(shù)。

若不考慮諧波影響，則并網(wǎng)逆變器對(duì)電網(wǎng)的輸出功率有表達(dá)式為

δ

(5)

(6)

對(duì)并網(wǎng)逆變器有功輸出與無功補(bǔ)償控制的程序流程見圖4。

圖4 有功無功輸出控制流程

由圖4可知，本文通過對(duì)功率角δ與電網(wǎng)側(cè)電流的閉環(huán)控制達(dá)到對(duì)有功輸出及無功補(bǔ)償進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目的，避免了解耦法必須的解耦計(jì)算過程。

如前文所述，本文以式(2)中E作為電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行閉環(huán)控制，達(dá)到電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)逆變器完全輸出有功；電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，并網(wǎng)逆變器完全發(fā)出無功或吸收無功，協(xié)助穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。

當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)控制并網(wǎng)逆變器輸出有功功率最大，即并網(wǎng)逆變器輸出電壓相位超前電網(wǎng)電壓相位δ。

此時(shí)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的矢量圖如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)

當(dāng)電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，應(yīng)控制并網(wǎng)逆變器輸出無功功率最大，即并網(wǎng)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位差為uo>us。

此時(shí)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的矢量圖如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)逆變器低電壓穿越時(shí)

當(dāng)電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，應(yīng)控制并網(wǎng)逆變器吸收無功功率最大，即并網(wǎng)逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓相位差為0°。

此時(shí)并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的矢量圖如圖7所示。

圖7 并網(wǎng)逆變器高電壓穿越時(shí)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文以單相全橋逆變器為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過控制并網(wǎng)逆變器輸出電壓直接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行跟蹤，利用空氣開關(guān)短接分壓電阻模擬電網(wǎng)電壓的暫態(tài)故障。

實(shí)驗(yàn)波形圖中時(shí)間軸比例為1∶1，幅值軸比例為80∶1。則有實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下(在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，功率角δ應(yīng)留有裕量，不能達(dá)到理想值)：

a.電網(wǎng)正常供電時(shí)，功率角δ=90°，實(shí)現(xiàn)完全有功輸出(見圖8)。

圖8 電網(wǎng)正常供電時(shí)的完全有功輸出

b.電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電壓的低電壓穿越見圖9。

圖9 電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)的低電壓穿越

若進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，則功率角δ從90°變?yōu)?°，實(shí)現(xiàn)完全無功輸出(見圖10)。

圖10 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償時(shí)的完全無功輸出

c.電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電壓的高電壓穿越見圖11。

圖11 電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)的高電壓穿越

若進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功吸收，則功率角δ從90°變?yōu)?°，實(shí)現(xiàn)完全無功輸入(見圖12)。

圖12 動(dòng)態(tài)無功吸收時(shí)的完全無功輸入

d.電網(wǎng)故障恢復(fù)時(shí)，并網(wǎng)逆變器恢復(fù)為全有功功率輸出。并網(wǎng)逆變器低電壓穿越恢復(fù)見圖13，并網(wǎng)逆變器高電壓穿越恢復(fù)見圖14。

圖13 并網(wǎng)逆變器低壓穿越恢復(fù)

圖14 并網(wǎng)逆變器高壓穿越恢復(fù)

e.電網(wǎng)發(fā)生“孤島”現(xiàn)象時(shí)，并網(wǎng)逆變器輸出電壓的瞬時(shí)跟蹤見圖15。

圖15 并網(wǎng)逆變器輸出電壓瞬時(shí)跟蹤

4 結(jié) 語

本文對(duì)并網(wǎng)逆變器穿越技術(shù)進(jìn)行了研究并予以實(shí)現(xiàn)，利用了DSC芯片的信號(hào)高速采集處理能力，對(duì)電網(wǎng)電壓的檢測(cè)可以在一個(gè)載波周期內(nèi)完成，在電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)逆變器的電壓穿越，對(duì)電網(wǎng)“孤島”現(xiàn)象也能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)跟蹤，而且還可以動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出有功及無功功率，在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)輸出有功功率最大，電網(wǎng)暫態(tài)故障時(shí)協(xié)助電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文的可行性與有效性。

[1] GB/T 19963—2011風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

[2] GB/T 19939—2005光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求[S].

[3] GB/T 19964—2012光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定[S].

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