陳亞愛，劉勁東，周京華，張新強(qiáng)

（1.北方工業(yè)大學(xué) 北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100144；2.天津瑞能電氣有限公司，天津 300381）

隨著光伏電站裝機(jī)容量的增加，越來越多的光伏電能將并入電網(wǎng)。光伏電站大規(guī)模集中并網(wǎng)也給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，并網(wǎng)電流可能會(huì)有瞬時(shí)尖峰，這會(huì)對變流器件造成沖擊。若仍采取被動(dòng)保護(hù)式的解列措施將導(dǎo)致光伏電站有功輸出大量減少，增加整個(gè)電力系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至可能加劇故障，引起其他電站解列，導(dǎo)致大規(guī)模停電。因此新的并網(wǎng)接入規(guī)則要求光伏電站應(yīng)具備低電壓穿越(low voltage ride through，LVRT)能力，即在電網(wǎng)故障期間保持光伏電站不間斷并網(wǎng)運(yùn)行?；诒Ｗo(hù)穿越期間光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全，需對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行研究。論文將結(jié)合光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)論述目前光伏電站的低電壓穿越技術(shù)。

1 低電壓穿越要求

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障，光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至曲線1以下時(shí)，光伏電站可從電網(wǎng)切出。對故障期間沒有切出的逆變器，自故障清除時(shí)刻開始，以至少10%額定功率/s的變化率恢復(fù)至故障前的值。同時(shí)，低電壓穿越過程中逆變器宜提供動(dòng)態(tài)無功支撐。圖1為光伏電站的低電壓穿越能力要求。

圖1 光伏電站的低電壓穿越能力要求

新的并網(wǎng)規(guī)則中甚至要求光伏電站能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓穿越，穿越要求如曲線2所示，即能夠在電網(wǎng)電壓跌落至0時(shí)保持并網(wǎng)運(yùn)行150ms，并對跌落期間的無功支撐做出詳細(xì)規(guī)定要求。在工程中，實(shí)際的限定值需考慮保護(hù)和重合閘動(dòng)作時(shí)間等實(shí)際情況，應(yīng)按照接入電網(wǎng)主管部門的相應(yīng)技術(shù)規(guī)范要求設(shè)定。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，低電壓穿越需結(jié)合并網(wǎng)控制選取最優(yōu)的控制策略。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)有無隔離變壓器分為隔離型和非隔離型，隔離型根據(jù)隔離變壓器的工作頻率又可分為工頻隔離型和高頻隔離型；非隔離型按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單級式和多級式兩類[1]。目前光伏低電壓穿越的研究大多基于工頻隔離型或非隔離型光伏逆變器，并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多級式拓?fù)渲邪珼C/DC變換環(huán)節(jié)，如圖2虛線部分所示，其作用為提升直流側(cè)輸出電壓和實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。逆變器將直流電變換為交流電，實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的控制。單級式結(jié)構(gòu)中沒有DC/DC環(huán)節(jié)，直接通過電壓外環(huán)調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制。論文將結(jié)合并網(wǎng)逆變器論述光伏電站的低電壓穿越技術(shù)。

3 低電壓穿越技術(shù)

大功率光伏電站大多采用集中式逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，與直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)相似，因此，論文對直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越研究都有一定的意義。

采用逆變器并網(wǎng)結(jié)構(gòu)使得電站與電網(wǎng)隔離，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的變化不會(huì)直接影響到光伏電站，較之雙饋式風(fēng)電系統(tǒng)直接作用于發(fā)電機(jī)，具有易于控制的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近，直流母線電壓的升高或降低都會(huì)導(dǎo)致光伏陣列輸出功率減小，直至開路電壓或最低并網(wǎng)電壓。這一特性利于故障時(shí)逆變器側(cè)的能量平衡及直流母線的保護(hù)，因此光伏電站在低電壓穿越上具有優(yōu)勢。

為實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越，需維持電壓跌落前后系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)，并抑制跌落瞬間的電流沖擊。目前，采用的控制有兩種，為基于控制策略實(shí)現(xiàn)和基于增加硬件保護(hù)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 低電壓穿越技術(shù)的分類

3.1 基于控制策略的低電壓穿越技術(shù)

逆變器并網(wǎng)常采用定向矢量控制和直接功率控制，目前研究多基于定向矢量控制，控制原理為根據(jù)坐標(biāo)變換和解耦實(shí)現(xiàn)有功無功分量的獨(dú)立控制。根據(jù)低電壓穿越要求，需要對控制算法進(jìn)行改進(jìn)?；谒惴ǜ倪M(jìn)方式分為基于直流分量的PI調(diào)節(jié)器控制和基于交流分量的PR調(diào)節(jié)器控制。

3.1.1 基于PI調(diào)節(jié)器的控制算法

基于PI調(diào)節(jié)器的改進(jìn)算法是在定向矢量控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合參考值與反饋值的調(diào)節(jié)關(guān)系，對參考值進(jìn)行限制的一種改進(jìn)方式。文獻(xiàn)[2]采用所謂的STATCOM控制模式，電流內(nèi)環(huán)采取q軸電流給定，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功輸出，同時(shí)加入限幅環(huán)節(jié)以保護(hù)逆變器輸出最大電流。如圖4所示為定向矢量控制框圖，虛線所示為改進(jìn)部分。

圖4 工作在STATCOM模式下的逆變器控制框圖

對于多級式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用DC/DC控制配合逆變器控制，當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，切除MPPT控制以減小PV陣列的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)逆變器側(cè)輸入輸出功率的平衡；也可在逆變器側(cè)直流母線上加入crowbar保護(hù)電路或儲能電路，以保護(hù)母線安全。但上述方式均基于電壓三相平衡跌落條件進(jìn)行分析，實(shí)際中需采用更為有效的控制以解決不平衡跌落時(shí)的穿越問題。

對于三相不平衡跌落情況，根據(jù)對稱分量法可將不對稱的量分解為對稱的正序分量、負(fù)序分量和零序分量。負(fù)序分量的存在導(dǎo)致饋入電網(wǎng)的有功、無功功率中均存在2倍頻振蕩分量，且并網(wǎng)電流將出現(xiàn)高度不平衡，從而影響并網(wǎng)的電能質(zhì)量。

因此可引入負(fù)序電流控制環(huán)，對電流正序和負(fù)序分量分開控制，以實(shí)現(xiàn)靈活的控制目標(biāo)，控制框圖如圖5所示。根據(jù)選取的控制目標(biāo)，采用不同的參考值計(jì)算方式，不平衡下并網(wǎng)控制可實(shí)現(xiàn)：控制網(wǎng)側(cè)有功功率恒定；控制無功功率恒定；抑制直流母線波動(dòng)和抑制負(fù)序電流以實(shí)現(xiàn)三相平衡輸出。另外采用瞬時(shí)值或平均值來計(jì)算，也會(huì)影響到控制的目標(biāo)[3]。

圖5 正負(fù)序雙電流環(huán)的控制框圖

上述的控制基于理想條件，未考慮濾波電感中能量波動(dòng)的影響。實(shí)際系統(tǒng)中，采用的L型濾波器有阻抗，存在能量損耗，若以并網(wǎng)點(diǎn)作為控制目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)近似的控制效果，例如以抑制母線波動(dòng)作為目標(biāo)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)輸出的有功控制為恒定時(shí)，此時(shí)電感和等效電阻的存在使得母線上的波動(dòng)無法完全消除，控制效果并不理想。基于消除這部分波動(dòng)量，提出在參考電流計(jì)算中引入逆變器輸出側(cè)的電壓值，即以SVPWM模塊的調(diào)制信號作為2倍頻波動(dòng)量的系數(shù)，與并網(wǎng)點(diǎn)有功、無功功率方程聯(lián)立，求出參考電流的給定值。并仿真驗(yàn)證該算法的可行性，但線性方程組求解計(jì)算量較大，不利于工程實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]通過能量平衡分析，考慮電感中的能量波動(dòng)，并列出新的功率方程，簡化求解得出參考電流值，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了能有效抑制母線電壓波動(dòng)，同時(shí)可提高并網(wǎng)的功率因數(shù)，降低并網(wǎng)電流的諧波含量[5]。

采用正負(fù)序雙電流環(huán)控制方式在實(shí)際應(yīng)用中程序計(jì)算量較大，且正負(fù)序分量提取過程中存在一定的延時(shí)，因此，精確的控制條件下動(dòng)態(tài)性能受影響。為簡化計(jì)算，文獻(xiàn)[6]通過功率分析得出，在正序控制環(huán)路的偏差信號中加入負(fù)序交流分量的補(bǔ)償量以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。該方式省去了負(fù)序控制環(huán)，簡化了控制，也能實(shí)現(xiàn)對有功和無功的解耦控制。但用PI調(diào)節(jié)器來控制交流分量，無法實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，雖然仿真進(jìn)行了驗(yàn)證，但缺乏工程實(shí)踐。為進(jìn)一步簡化控制，目前還對基于比例諧振（PR）調(diào)節(jié)器的控制方法進(jìn)行了研究。

3.1.2 基于PR調(diào)節(jié)器的控制算法

因PR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)在基波頻率處增益無窮大，可實(shí)現(xiàn)對基波正弦電流的無靜差控制；同時(shí)，PR調(diào)節(jié)器只與輸入信號的頻率有關(guān)，不平衡條件下的正序分量與負(fù)序分量相位不同而頻率一致，因此可采用一個(gè)PR調(diào)節(jié)器來同時(shí)控制正序和負(fù)序分量。進(jìn)一步研究表明采用PR調(diào)節(jié)器還可以有效抑制電網(wǎng)基波電壓的擾動(dòng)[1]。

采用PR調(diào)節(jié)器的典型框圖如圖6所示，其參考值計(jì)算與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的求解類似，較之于基于PI調(diào)節(jié)器的控制方式，該方式省略了電網(wǎng)電壓信號同步環(huán)節(jié)和負(fù)序電流環(huán)路，簡化了控制過程，具備快速穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能?？紤]到電壓跌落瞬間的電流沖擊，可通過模型計(jì)算，在圖6所示的參考值計(jì)算環(huán)節(jié)中加入功率限定，以抑制暫態(tài)過程中網(wǎng)側(cè)過電流，同時(shí)確保輸出電流的正弦度[7]。

圖6 基于PR調(diào)節(jié)器的不平衡控制框圖

對于大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，考慮到效率和成本，通常選取LCL型濾波器。但LCL型濾波器在電網(wǎng)不平衡條件下模型較為復(fù)雜，傳統(tǒng)有源阻尼算法與雙序電流環(huán)控制存在匹配問題，因此在抑制母線電壓波動(dòng)和控制LCL的諧振時(shí)存在難點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]通過引入電網(wǎng)電流反饋，采取多環(huán)控制方式，通過對逆變器側(cè)電壓和網(wǎng)側(cè)電壓的分開控制實(shí)現(xiàn)對諧振點(diǎn)的抑制，并仿真驗(yàn)證了算法的有效性?？刂瓶驁D如圖7所示。

因PR調(diào)節(jié)器可實(shí)現(xiàn)對交流量的無靜差控制，因此采用三相電流直接反饋的方式實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，實(shí)質(zhì)上原理相同。其他類型不平衡控制算法還包括：基于重復(fù)控制器的控制方式，基于模糊控制器的控制方式，建立非線性控制模型的非線性電壓跌落控制方式，這些方法的控制原理類似，只是實(shí)現(xiàn)的方式不同。針對PR調(diào)節(jié)器的控制精度受限制，在非基頻處的增益小，導(dǎo)致當(dāng)頻率變化時(shí)不能有效抑制電網(wǎng)引起的諧波等問題，分析了準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法來保持諧振控制器的高增益，進(jìn)一步完善了控制。

圖7 基于LCL濾波器電壓不平衡控制算法

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，基于控制算法的低電壓穿越技術(shù)方案不需要增加額外的硬件成本，但對數(shù)據(jù)采集的精度要求較高，同時(shí)對算法中參數(shù)選取也較為敏感。

3.2 基于輔助硬件的低電壓穿越技術(shù)

基于降低電網(wǎng)故障對逆變器運(yùn)行造成的影響，可采取增加輔助硬件的方式以提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓。圖8所示為主電路硬件結(jié)構(gòu)，由圖8可知，為了消除暫態(tài)過程對逆變器件造成的沖擊，可從以下兩個(gè)方面選取控制實(shí)現(xiàn)LVRT：提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓，減小逆變器側(cè)受到的沖擊；提升逆變器的抗沖擊能力，使之能安全渡過低電壓穿越階段。即在逆變器輸出側(cè)加入硬件保護(hù)電路，或者在并網(wǎng)點(diǎn)處加入無功補(bǔ)償電路，如圖8虛線部分所示。

圖8 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

在逆變器輸出側(cè)串聯(lián)可變電阻，并根據(jù)電壓跌落的等級實(shí)時(shí)調(diào)整三相串聯(lián)電阻的大小，從而調(diào)整可變電阻消耗的能量，以減小逆變器受到的電流沖擊從而確保低電壓穿越狀態(tài)下逆變器的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)[9-10]在逆變器輸出側(cè)加入AC-AC斬波電路，隔離了電網(wǎng)與逆變器，通過調(diào)節(jié)AC-AC斬波電路開關(guān)占空比實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)逆變器輸出側(cè)的電壓值，起到支撐逆變器側(cè)電壓的作用，從而保護(hù)光伏電站的安全。

文獻(xiàn) [11]在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)加入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償裝置(dynam ic voltage restorer，DVR)，即通過輸出一個(gè)幅值、相位可控的電壓實(shí)現(xiàn)對并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，以減小甚至消除電網(wǎng)電壓跌落對發(fā)電系統(tǒng)的沖擊，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。該方式同樣適用于具有相似結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)?；陟o止同步補(bǔ)償器（static synchronous compensator,STATCOM）的無功補(bǔ)償措施，主要應(yīng)用于提高電能質(zhì)量，這種網(wǎng)側(cè)串聯(lián)STATCOM的方式對于電網(wǎng)電壓跌落支撐有一定的效果，但支撐程度受電網(wǎng)容量影響。同時(shí)，STATCOM也可滿足并網(wǎng)規(guī)則中的無功支撐要求，因此可應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的低電壓穿越控制。

另外，為提升逆變器的抗沖擊能力，可考慮在DC/DC變換和逆變器結(jié)構(gòu)和控制上加以改進(jìn)。文獻(xiàn)[10]基于背靠背型變流器的并網(wǎng)，采用串聯(lián)逆變器的方式。當(dāng)電壓跌落時(shí)，基于保護(hù)變流器、防止過流，可采用成本較低的SCR、GTO構(gòu)成的輔助變流器與主變流器串并聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)分壓或分流，減小主變流器受到的沖擊。缺點(diǎn)是需根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落的程度保證足夠大的電流等級；同時(shí)GTO的開關(guān)頻率較低，會(huì)注入較大的諧波。文獻(xiàn)在雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對算法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明具有較好的低電壓穿越性能，從原理上分析，這種方式也可適用于逆變器并網(wǎng)的光伏電站，但缺點(diǎn)是增加了硬件成本，且控制算法較為復(fù)雜。

4 低電壓穿越關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)光伏電站的低電壓穿越需采取精確的控制算法，這依賴于電網(wǎng)電壓同步鎖相信號和正負(fù)序分量檢測，因此快速準(zhǔn)確地獲得故障期間的鎖相信號和正負(fù)序分量，是實(shí)現(xiàn)低電壓穿越期間的關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓同步，常采用鎖相環(huán)包括過零點(diǎn)檢測方式和q軸定向的鎖相方式。過零點(diǎn)檢測原理是根據(jù)檢測判定電網(wǎng)電壓極性變化來獲取相角信號，但當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變時(shí)會(huì)導(dǎo)致檢測到多個(gè)過零點(diǎn)情況，因此需采取一些改進(jìn)措施。另一種鎖相方法為基于q軸定向的鎖相環(huán)。其基本框圖如圖9所示，該方法原理是通過調(diào)節(jié)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的q軸旋轉(zhuǎn)頻率至輸入頻率，從而獲取鎖相信號。該方式原理簡單，實(shí)現(xiàn)方便。但對于不對稱電壓跌落，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流分量中將含有2倍頻交流分量，影響了鎖相信號的準(zhǔn)確性，甚至鎖不到正弦信號。因此，基于獲取不平衡電壓條件下的鎖相信號，可采取降低鎖相環(huán)帶寬或采取輸入正序分量的鎖相方式。正序鎖相方式由正序分量提取模塊消除直流分量中的擾動(dòng)量，然后采用正交信號發(fā)生器的方式，得到低電壓穿越期間的鎖相信號[12]。

圖9 q軸定向鎖相環(huán)框圖

文獻(xiàn)[13]中使用的一種鎖相方式，包括幅值變換處理、頻率變換處理、相位變換處理三部分，使幅值相位頻率變化時(shí)均能有效地鎖定相位，現(xiàn)有的仿真算法大都基于該方式。分析了傳統(tǒng)的鎖相環(huán)在低電壓穿越期間遇到的問題，并驗(yàn)證了該鎖相方式在不同條件下的快速鎖相能力。不同的正序分量提取方式會(huì)影響鎖相環(huán)的快速性。

4.2 正負(fù)序分離設(shè)計(jì)[14]

不平衡電壓跌落中，目前研究的正負(fù)序分離方式有如下幾種：（1）濾波器分離。分為100 Hz帶阻濾波器和50 Hz帶通濾波器兩種方式，原理為濾除2倍頻擾動(dòng)或提取基頻分量。缺點(diǎn)是濾波器的延時(shí)較大，不利于正負(fù)序分量的快速檢測；（2）陷波器分離。該方式基于濾除直流分量中的2倍頻分量，類似于帶阻濾波器，但是動(dòng)態(tài)性能更好，可改變調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)調(diào)節(jié)陷波器的動(dòng)態(tài)性能；（3）T/4延時(shí)法。該方式基本思路是通過理論計(jì)算出2倍頻分量之間的關(guān)系，通過延時(shí)T/4后擾動(dòng)分量疊加相抵消的方式，消除直流分量中出現(xiàn)的2倍頻。實(shí)現(xiàn)的前提是輸入信號頻率穩(wěn)定，因此抗擾動(dòng)性較差；（4）解耦法。解耦法類似于T/4延時(shí)方式，根據(jù)正負(fù)序耦合關(guān)系，解耦以提取正負(fù)序分量，并引入低通濾波器以消除低次諧波在解耦中的疊加干擾，在控制中可采用測量信號解耦或采用參考信號與誤差信號解耦兩種方式；（5）二階廣義積分器（second order generalized integrator，SOGI)。通過積分方式延時(shí)輸入信號，疊加消除存在的2倍頻擾動(dòng)?？筛淖兿禂?shù)調(diào)整控制的動(dòng)態(tài)性能，這種方式能夠獲取平滑的鎖相信號，應(yīng)用較廣。

上述幾種實(shí)現(xiàn)的方式均可從功能上實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分量的提取，有各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中需作出最優(yōu)選擇。

5 總結(jié)

目前查閱的大量資料表明，大功率光伏電站的低電壓穿越技術(shù)研究大多基于理想條件下進(jìn)行，在算法上依賴于快速精確的信號檢測和控制芯片數(shù)據(jù)處理能力，文獻(xiàn)中多基于小功率條件進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際運(yùn)行中，如何實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的最優(yōu)化控制，仍然是一個(gè)需要研究的課題。同時(shí)，并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中對低電壓穿越的要求還不夠明確，如無功支撐的幅度、有功輸出要求等。控制中在滿足并網(wǎng)規(guī)則的前提下，應(yīng)視實(shí)際的情況而定?？紤]到大功率光伏電站輸出特性，基于控制算法的低電壓穿越技術(shù)在成本上更容易實(shí)現(xiàn)，因此具有較大的潛力。

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