王曉蘭，董振華，梁琛

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050）

不對稱故障下光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定控制策略

王曉蘭1，董振華1，梁琛2

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.甘肅電力科學(xué)研究院，甘肅蘭州730050）

隨著接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的逐漸增大，在電網(wǎng)故障下光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。建立了不對稱電網(wǎng)電壓條件下的光伏逆變器數(shù)學(xué)模型，分析了直流側(cè)電壓波動機(jī)理。結(jié)合陷波器的諧振特性，提出了直流電壓帶陷波器的正負(fù)序雙電流環(huán)控制策略，并在直流側(cè)加裝直流過壓保護(hù)電路。利用Matlab平臺建立光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，對提出的控制策略進(jìn)行仿真實驗，驗證了控制策略的正確性和有效性。

光伏發(fā)電；不對稱故障；電壓穩(wěn)定；陷波器；過壓保護(hù)

1 引言

隨著并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的相互影響日益凸現(xiàn)。電網(wǎng)發(fā)生故障，尤其是出現(xiàn)不對稱故障時，會導(dǎo)致并網(wǎng)電流的不平衡，造成饋入電網(wǎng)的功率發(fā)生振蕩，甚至危及逆變器，影響光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行［1］。

文獻(xiàn)［2］提出了一種電網(wǎng)不平衡條件下的快速軟件鎖相技術(shù)，在電壓跌落期間，使逆變器輸出電流穩(wěn)定。文獻(xiàn)［3］提出了通過對無功、有功電流的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRΤ，同時保持較高的并網(wǎng)電流質(zhì)量。文獻(xiàn)［4］提出一種電網(wǎng)電壓直接前饋的控制方法，可有效抑制電網(wǎng)電壓跌落過程中的逆變器輸出過流，并盡可能向電網(wǎng)提供無功支撐。文獻(xiàn)［3-4］提出的LVRΤ控制策略的控制目標(biāo)都是并網(wǎng)電流。文獻(xiàn)［5］分析了對稱和不對稱電網(wǎng)故障時光伏逆變器的動態(tài)特性，并深入分析了負(fù)序分量以及直流側(cè)電壓波動對逆變器的影響。文獻(xiàn)［6］提出了在正負(fù)序同步坐標(biāo)系下電網(wǎng)正序負(fù)序電壓定向的PI矢量控制策略，以消除直流母線電壓波動分量，但對參考直流電壓的跟蹤性能較差。

本文討論了電網(wǎng)不對稱故障時，光伏逆變器正序、負(fù)序兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型；分析了電網(wǎng)不對稱故障時，光伏并網(wǎng)逆變器直流電壓波動的機(jī)理；提出了直流反饋電壓帶陷波器的正負(fù)序雙電流環(huán)控制策略，用陷波器的諧振特性消除直流母線電壓的2倍頻波動，并結(jié)合直流側(cè)過壓保護(hù)電路來限制電網(wǎng)故障時的瞬時過電壓，實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障時的電壓穩(wěn)定控制；利用Matlab/Simulink平臺，對本文提出的控制策略進(jìn)行了仿真，驗證了控制策略的有效性。

2 光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型

典型的兩級式三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由光伏陣列、電容、Boost電路、三相光伏并網(wǎng)逆變器、濾波器、電網(wǎng)等構(gòu)成。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 The photovoltaic system diagram

在電網(wǎng)三相電壓平衡且穩(wěn)定情況下，光伏逆變器在dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型可表示為［7］

式中：ugd，ugq分別為電網(wǎng)電壓的d，q軸分量；id，iq分別為電網(wǎng)電流的d，q軸分量；ud，uq分別為逆變橋輸出電壓的d，q軸分量；ω為電網(wǎng)基波角頻率。

逆變器輸出功率方程為［7］

式中：P，Q分別為有功和無功功率。

將式（1）經(jīng)兩相dq/兩相αβ變換得到光伏逆變器在αβ坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障時，對于三相光伏并網(wǎng)發(fā)電無中線系統(tǒng)，可以認(rèn)為零序分量不存在［7］，因此可以僅考慮系統(tǒng)中的正序分量和負(fù)序分量。如果僅考慮電網(wǎng)電壓、電流基波分量，根據(jù)對稱分量法理論可知：

式中：F為廣義電壓、電流矢量；p，n分別為廣義矢量的正序、負(fù)序分量；ω為電網(wǎng)基波角頻率。

將式（3）和式（4）聯(lián)立可得在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，三相光伏逆變器在正序、負(fù)序兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

3 直流電壓的波動機(jī)理

光伏并網(wǎng)逆變器正常運(yùn)行時，直流側(cè)電壓在一定的范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，逆變器若繼續(xù)運(yùn)行于傳統(tǒng)的有功無功功率解耦控制，由于電網(wǎng)負(fù)序電壓的出現(xiàn)，逆變橋的輸出功率會以2倍的電網(wǎng)頻率波動，進(jìn)而使直流側(cè)電壓出現(xiàn)2倍頻分量，威脅并網(wǎng)逆變器的安全運(yùn)行，影響發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，電網(wǎng)電壓不對稱故障時，如何消除直流電壓的2倍頻波動分量是光伏逆變器安全運(yùn)行的一個重要問題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流向圖如圖2所示Ppv為光伏陣列輸出功率；Pg為直流側(cè)饋入電網(wǎng)的功率，C為直流側(cè)電容；udc為直流母線電壓。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率流向圖Fig.2 Power flow of the photovoltaic system

電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，光伏逆變器輸出的功率為［8］

式中：Pg0，Qg0分別為有功功率、無功功率的直流分量；Pc2，Qc2分別為有功功率、無功功率的余弦項幅值；Ps2，Qs2分別為有功功率、無功功率的正弦項幅值。

不考慮光伏逆變器的損耗，則直流側(cè)功率平衡方程為

由式（6）、式（7）聯(lián)立可得：

由上式可知，電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，網(wǎng)側(cè)的2倍頻有功功率、無功功率波動將會影響逆變器直流電容電壓，使直流側(cè)電容頻繁充放電，造成直流母線電壓出現(xiàn)2倍頻波動，影響逆變器的使用壽命以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 光伏逆變器的電壓穩(wěn)定控制策略

4.1 直流反饋母線電壓帶陷波器的雙電流環(huán)控制策略

在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障時，為使光伏并網(wǎng)逆變器能夠不脫網(wǎng)并繼續(xù)運(yùn)行，消除功率傳輸中的2倍頻分量，維持直流母線電壓穩(wěn)定，提出直流反饋電壓帶陷波器的雙環(huán)電流控制策略，運(yùn)用陷波器的諧振特性來消除2倍頻電壓波動分量。

由式（6），饋入電網(wǎng)功率的2倍頻分量為

其中

根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，要保證光伏逆變器在電網(wǎng)不對稱故障時，向電網(wǎng)輸出穩(wěn)定的有功功率，并以單位功率因數(shù)繼續(xù)運(yùn)行。可令Pc2=Ps2=Q0=0，Pg0不變，則有［9］：

則雙dq正序與負(fù)序電流內(nèi)環(huán)控制電壓給定分別表示為

式中：Kp，Ki分別為PI控制器的比例、積分系數(shù)。

圖3 反饋電壓帶陷波器的雙電流環(huán)控制系統(tǒng)框圖Fig.3 DC feedback voltage with notch filter of dual current control strategy

根據(jù)式（11）、式（12）設(shè)計的控制系統(tǒng)框圖見圖3。由直流母線電壓波動機(jī)理可知，網(wǎng)側(cè)2倍頻有功功率波動在直流側(cè)電容上產(chǎn)生2倍頻電壓波動，傳統(tǒng)的PI控制器不能對給定的參考直流電壓進(jìn)行無靜差跟蹤，將實際測量的直流電壓經(jīng)過2倍頻陷波器來消除2倍頻擾動分量。圖3中，Pg0為經(jīng)過陷波器消除2倍頻波動分量的直流電壓udc與經(jīng)過PI控制器得到的直流電流的乘積。

4.2 直流側(cè)過壓保護(hù)方案

電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，光伏陣列輸出功率與逆變器輸出功率不平衡，會引起直流側(cè)母線瞬時過電壓。在逆變器直流側(cè)增加直流過壓保護(hù)電路，如圖4所示。

圖4 直流側(cè)過電壓保護(hù)電路Fig.4 DC overvoltage protection circuit

直流母線過電壓保護(hù)電路由電阻R和全控型開關(guān)器件Τ1串聯(lián)組成。電網(wǎng)電壓跌落時，檢測直流側(cè)電壓實際值udc與直流側(cè)最大允許電壓udcmax，兩者之差udcmax-udc經(jīng)過PI控制器輸出控制信號，并與載波調(diào)制信號經(jīng)過比較器后，輸出Τ1的開關(guān)控制信號。當(dāng)udc≥udcmax時，Τ1導(dǎo)通，電阻R消耗多余的能量，使直流母線電壓回落；當(dāng)udc＜udcmax時，Τ1關(guān)斷，保護(hù)電路不起作用。

5 仿真研究

在Matlab/Simulink中搭建圖3所示系統(tǒng)的仿真模型。在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，分析對比傳統(tǒng)控制策略與本文提出的新型控制策略作用下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況。仿真中光伏電池、逆變器和電網(wǎng)的參數(shù)為：光照強(qiáng)度1 000W/m2，溫度25℃，最大短路電壓735.6V，最大短路電流461.44A，最大電壓578.4V，最大電流381.21A，LCL濾波電感50μH，LCL濾波電容48μF，逆變器出口電感300μH，電網(wǎng)線電壓270V，電網(wǎng)頻率50Hz。

在兩種電網(wǎng)故障情況下，進(jìn)行仿真研究。

故障1：仿真時間為1s，在0.4s時，發(fā)生單相電壓跌落，并網(wǎng)點電壓跌落至0.2（標(biāo)幺值），0.6s時電壓恢復(fù)正常。

圖5為采用傳統(tǒng)PI控制策略時，并網(wǎng)點電壓、電流和直流母線電壓的仿真波形。從圖5中可以看出，故障時并網(wǎng)電流增大到故障前的2倍且三相電流不平衡。由于電網(wǎng)電壓跌落，能量聚集在直流母線上，從而導(dǎo)致逆變器直流側(cè)母線電壓上升到穩(wěn)態(tài)時的1.1倍以上，并以2倍工頻振蕩，使得直流電容頻繁充放電，從而影響光伏逆變器的使用壽命。

圖5 故障1情況下采用PI控制策略時的波形Fig.5 The waveforms of using PI control strategy under fault 1 condition

圖6為在采用本文控制策略結(jié)合直流過壓保護(hù)情況下的仿真波形，從圖6中可以看出三相電流的幅度被限制在1.1倍的正常值，三相輸出電流能保持平衡。直流母線電壓穩(wěn)定在給定電壓附近，2倍頻波動得到抑制。

圖6 故障1情況下采用本文控制策略時的波形Fig.6 The waveforms of using new control strategy under fault 1 condition

故障2：仿真時間為1 s，在0.4 s時，發(fā)生A，B兩相電壓跌落，并網(wǎng)點電壓均跌落至0.2（標(biāo)幺值）0.6 s時電壓恢復(fù)正常。

圖7為采用PI控制策略結(jié)合直流側(cè)過壓保護(hù)情況下的仿真波形。從圖7中可以看出A相的并網(wǎng)電流幅值在1.1倍與2倍額定值之間波動，由于負(fù)序電流的存在，三相電流不平衡。功率傳輸中存在2倍頻分量，直流母線電壓仍然以2倍頻波動，母線電壓在直流過壓保護(hù)電路作用下被限制在給定電壓附近。

圖7 故障2情況下采用PI控制策略時的波形Fig.7 The waveforms of using PI control strategy under fault 2 condition

圖8為采用本文新型控制策略結(jié)合直流過壓保護(hù)情況下的仿真波形。從圖8中可以看出，三相輸出電流能保持平衡。在陷波器和直流過壓保護(hù)電路的作用下，消除了直流母線電壓的2倍頻波動，直流瞬時過電壓也得到了有效抑制，被限制在給定電壓的最大波動范圍內(nèi)。

圖8 故障2情況下采用本文控制策略時的波形Fig.8 The waveforms of using new control strategy under fault 2 condition

6 結(jié)論

本文建立了電網(wǎng)不對稱故障情況下的光伏逆變器的數(shù)學(xué)模型，并分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)直流電壓的波動機(jī)理，在此基礎(chǔ)上提出了反饋電壓帶陷波器的正負(fù)序雙電流環(huán)控制策略，且在直流側(cè)加裝直流過壓保護(hù)電路，這種控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓穩(wěn)定且波動量限制在2%以內(nèi)，從而減少了電容的充放電次數(shù)，限制直流側(cè)瞬時過電壓，同時提高了三相電流的平衡度；與傳統(tǒng)的PI控制策略相比，改善了系統(tǒng)的動態(tài)控制性能，提高了并網(wǎng)電能質(zhì)量和發(fā)電系統(tǒng)壽命。

［1］姚駿，陳西寅，廖勇.抑制負(fù)序和諧波電流的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（7）：29-35.

［2］王南，陳藝峰，吳恒亮.光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越技術(shù)研究［J］.大功率變流技術(shù)，2013，18（1）：38-42.

［3］哀曉玲，宋鵬飛，范發(fā)靖，等.光伏逆變器低電壓穿越控制策略［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（3）：67-69.

［4］郭培，健伍豐，林田凱，等.基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略［J］.電氣傳動，2013，43（2）：31-35.

［5］裴慶磊，王立果，劉麗莉，等.不同電網(wǎng)故障時并網(wǎng)型光伏逆變器的動態(tài)特性分析［J］.現(xiàn)代電力，2013，30（2）：57-63.

［6］肖磊，黃守道，黃科元.不對稱電網(wǎng)故障下直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（7）：123-129.

［7］Xu L.Coordinated Control of DFIG′s Rotor and Grid Side Converters During Network Unbalance［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（3）：1041-1049.

［8］王萌，夏長亮，宋戰(zhàn)鋒，等.不平衡電網(wǎng)電壓條件下PWM整流器功率諧振補(bǔ)償控制策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（21）：46-53.

［9］黃守道，肖磊，黃科元，等.不對稱電網(wǎng)故障下直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器的運(yùn)行與控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（2）：173-180.

［10］陳毅東，楊育林，王立喬，等.電網(wǎng)不對稱故障時全功率變流器風(fēng)電機(jī)組控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（7）：75-80.

［11］唐彬偉，袁鐵江，晁勤，等.基于直流側(cè)保護(hù)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行特性分析［J］.華東電力，2013，41（2）：328-332.

［12］朱小軍，姚駿，蔣昆，等.電網(wǎng)不對稱故障下含飛輪儲能單元的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)增強(qiáng)運(yùn)行控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（5）：1453-1463.

［13］畢天姝，劉素梅，薛安成，等.逆變型新能源電源故障暫態(tài)特性分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，33（5）：164-171.

Control Strategy of Voltage Stability of Grid-connected PV System During Asymmetrical Grid Faults

WANG Xiao-lan1，DONG Zhen-hua1，LIANG Chen2
（1.School of Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China；2.Gansu Electric Power Research Institute，Lanzhou 730050，Gansu，China）

With the large-scale photovoltaic system connected the grid，it is particularly important that photovoltaic system continues to running under abnormal grid conditions.A mathematical model of PV grid-connected inverter was established，and the mechanism of voltage fluctuation in DC bus was analyzed.Using resonance characteristics of notch filter，the positive-negative sequence dual current control strategy with notch filter in DC voltage was proposed.At the same time，the DC overvoltage protection circuit was installed on the DC bus.The control strategy for the photovoltaic system was simulated in the Matlab platform.The results prove that the proposed control strategy is correct and effective.

PV system；asymmetrical faults；voltage stability；notch filter；overvoltage protection

TM464

A

2013-12-07

修改稿日期：2014-06-12

國家自然科學(xué)基金資助（50967001）

王曉蘭（1963-），女，碩士研究生，教授，Email：wangzt@lut.cn