張澤斌，王金梅，2，杜家寧（.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川75002；2.寧夏沙漠信息智能感知自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川75002）

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光伏并網(wǎng)逆變器LVRT技術(shù)仿真研究

張澤斌1，王金梅1，2，杜家寧1
（1.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川750021；2.寧夏沙漠信息智能感知自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川750021）

摘要：針對(duì)電網(wǎng)電壓跌落造成的電網(wǎng)不穩(wěn)定運(yùn)行，以抑制光伏并網(wǎng)逆變器輸出過電流為控制目標(biāo)，提出了基于無(wú)功支撐的LVRT技術(shù)。在對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器建模和分析雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，建立了逆變器輸出無(wú)功電流和電壓跌落深度的關(guān)系，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過對(duì)有功、無(wú)功電流的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)LVRT，輸出無(wú)功支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，增強(qiáng)了并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Simulink仿真研究驗(yàn)證了該LVRT技術(shù)的有效性和可行性。

關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng)逆變器；電壓跌落；低電壓穿越；Simulink仿真

隨著光伏穿透能力的不斷增大，大型光伏電站必須具備低電壓穿越能力。低電壓穿越是指并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，并網(wǎng)逆變器不脫網(wǎng)、不過流正常運(yùn)行，甚至向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率支撐電網(wǎng)恢復(fù)［1］。并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，光伏逆變器輸出功率突然減小，輸出電流瞬間增大［2］，達(dá)到過流保護(hù)值后逆變器會(huì)脫網(wǎng)，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的LVRT實(shí)現(xiàn)方式是在并網(wǎng)點(diǎn)加入動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償裝置即輸出一個(gè)幅值和相位均可控的電壓來(lái)補(bǔ)償?shù)潆妷海瑴p小電網(wǎng)電壓跌落對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的沖擊［3］?；陟o止同步補(bǔ)償器的無(wú)功補(bǔ)償方式可提高電能質(zhì)量，支撐電網(wǎng)電壓，但同時(shí)增加了硬件成本，且支撐程度取決于電網(wǎng)容量。本文所采用的基于無(wú)功支撐的LVRT技術(shù)是通過改變逆變器的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)光伏逆變器的解耦控制，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)光伏電站的無(wú)功輸出能力幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)，并抑制了逆變器輸出過電流［4］。與其他LVRT方法（如功率限制的方法）相比，該方法響應(yīng)速度快，無(wú)需改動(dòng)或增加硬件設(shè)備，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)。

1　光伏并網(wǎng)逆變器建模

光伏陣列及直流側(cè)升壓環(huán)節(jié)等效為恒壓源，逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器選用三相橋式電壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［5］，采用SVPWM［6］調(diào)制方式。

圖1　光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of PV grid-connected inverter

圖1中，Udc為直流等效電壓；ua,ub,uc為逆變器輸出電壓；C為穩(wěn)壓電容；ia,ib,ic為逆變器輸出電流；L為濾波電感；R為開關(guān)管等效內(nèi)阻；ea,eb,ec為電網(wǎng)電壓。

dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型為

2　逆變器雙閉環(huán)控制策略

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由逆變器直流電壓外環(huán)和交流有功、無(wú)功電流內(nèi)環(huán)組成，如圖2所示。電壓外環(huán)控制直流電壓Udc，引入直流電壓負(fù)反饋并通過PI調(diào)節(jié)器控制直流電壓，其輸出作為內(nèi)環(huán)有功電流參考值id*。光伏逆變器并網(wǎng)時(shí)，要求其只向電網(wǎng)輸送有功功率，故內(nèi)環(huán)無(wú)功電流參考值iq*為0。

圖2　雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Double closed-loop control structure diagram

由式（1）知，id,iq相互耦合，不利于控制器的設(shè)計(jì)，電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制策略，對(duì)于PI電流調(diào)節(jié)器，dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓指令［1］：

結(jié)合式（1）和式（2）可得：

由式（3）知，id,iq實(shí)現(xiàn)了解耦和獨(dú)立控制［7］。

在雙閉環(huán)控制策略下，若要使系統(tǒng)能具有LVRT保護(hù)能力，通常對(duì)逆變器輸出電流值限幅，以保證逆變器在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)不因發(fā)生過電流而脫離電網(wǎng)。

3　基于無(wú)功支撐的LVRT控制策略

常規(guī)的LVRT解決方法是在光伏電站中加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置，忽略了光伏逆變器本身的無(wú)功輸出能力，造成了一定的浪費(fèi)。逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，通過改變其控制策略使其具有無(wú)功輸出的能力，幫助完成LVRT?；跓o(wú)功支撐的LVRT控制策略是根據(jù)電壓跌落深度重新分配有功、無(wú)功電流參考值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，逆變器的控制由電壓電流雙閉環(huán)變?yōu)閱坞娏鏖]環(huán)，并增加一個(gè)電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)［8］，通過電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)計(jì)算得到無(wú)功電流參考值，光伏并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)提供無(wú)功以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，并限制了逆變器輸出過電流，完成了LVRT。LVRT控制框圖如圖3所示。

圖3　低電壓穿越控制策略流程圖Fig.3 Flow chart of LVRT control strategy

逆變器正常并網(wǎng)時(shí)，無(wú)功電流參考值iq*為0，id*由電壓外環(huán)給定，逆變器僅向電網(wǎng)提供有功功率，即逆變器以單位功率因數(shù)運(yùn)行；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生跌落時(shí)，向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率可提升電網(wǎng)電壓幅值，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)［9］。當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，斷開電壓外環(huán)，逆變器變?yōu)閱坞娏鏖]環(huán)控制，電網(wǎng)電壓前饋開始工作，根據(jù)電壓跌落深度計(jì)算無(wú)功電流參考值iq*。

并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落前，有功電流id=ie；電壓跌落后，要求并網(wǎng)電流最大限值為1.1i。根據(jù)LVRT技術(shù)要求，無(wú)功補(bǔ)償斜率為［5］

式中：UN為電網(wǎng)額定電壓；U0為跌落前電壓；U為跌落后電壓；IN為額定電流；Iq0為跌落前無(wú)功電流；Iq為跌落后無(wú)功電流。

根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度，無(wú)功電流參考值為

式中：U由電網(wǎng)電壓前饋控制得到。

為保證光伏逆變器不脫網(wǎng)需限制其輸出電流Iq≤Imax=1.1IN。根據(jù)LVRT標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于無(wú)功支撐的要求，k應(yīng)滿足k≥2，本文取k=2，電壓跌落深度超過55%時(shí)，ΔIB≥2×55%×IN，光伏并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)只輸出無(wú)功電流。

有功電流參考值為

圖4所示的電壓發(fā)生三相對(duì)稱跌落時(shí)LVRT單電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖中的i*d和i*q可由式（5）、式（6）計(jì)算得到。

圖4　LVRT單電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Single current closed-loop control structure diagram

4　仿真研究

在Simulink中搭建并網(wǎng)系統(tǒng)模型。光伏陣列工作在標(biāo)準(zhǔn)條件下，參數(shù)為：最大功率點(diǎn)功率Pm=70 kW，電壓Um=350 V，環(huán)境溫度Tref= 25°C，光照條件Rref=1 000 W/m2；電網(wǎng)采用Three-phase Source模擬理想電網(wǎng)。分別釆用雙閉環(huán)控制時(shí)交流電流限幅法和基于無(wú)功支撐的LVRT控制策略進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

1）電壓跌落25%時(shí)，仿真波形如圖5~圖7所示。

圖5　電壓跌落25%時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓ua和電流ia波形Fig.5 Waveforms of voltage and current of grid-connected point when the voltage drops 25%

由圖5a可知，當(dāng)采用交流電流限幅法時(shí)，逆變器輸出電流被限制在額定電流的1.1倍以內(nèi)，保證了逆變器不脫網(wǎng)運(yùn)行；而并網(wǎng)點(diǎn)電壓僅上升了0.02（標(biāo)幺值），且在規(guī)定的低電壓穿越時(shí)間（1.1 s內(nèi)）未上升至額定電壓的90%，沒有較好地完成LVRT。

模擬并網(wǎng)點(diǎn)電壓在0.2 s時(shí)發(fā)生三相對(duì)稱跌落，1.3 s時(shí)恢復(fù)正常。

由圖5b可知，當(dāng)采用基于無(wú)功支撐的LVRT控制策略時(shí)，逆變器輸出a相電壓在20 ms之內(nèi)開始上升，在0.8 s達(dá)到額定電壓的90%，具有很好的動(dòng)態(tài)特性，且能夠繼續(xù)支撐電壓500 ms；逆變器輸出電流被限制在額定電流的1.1倍以內(nèi)。電網(wǎng)故障切除（1.3 s）后，逆變器輸出電流可快速恢復(fù)至額定值，并保持穩(wěn)定，較好地完成了LVRT。

圖6　電壓跌落25%時(shí)，并網(wǎng)電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid-connected current when the voltage drops 25%

圖7　電壓跌落25%時(shí)，逆變器輸出功率仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of inverter output power when the voltage drops 25%

由圖6和圖7可知，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，逆變器輸出有功電流減小，無(wú)功電流增大；逆變器向電網(wǎng)提供了無(wú)功功率支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成了LVRT。

2）電壓跌落75%時(shí)，仿真波形見圖8～圖10所示。

由圖8a可知，當(dāng)采用交流電流限幅法時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在LVRT規(guī)定時(shí)間（2.5 s）內(nèi)上升了約0.3（標(biāo)幺值）；逆變器輸出過電流被限制，但電流波形失真，未能較好地完成LVRT。

模擬并網(wǎng)點(diǎn)電壓在0 s發(fā)生三相對(duì)稱跌落，在0.6 s恢復(fù)正常。

由圖8b可知，電網(wǎng)電壓跌落75%，當(dāng)采用基于無(wú)功支撐的LVRT控制策略時(shí)，逆變器向電網(wǎng)完全輸送無(wú)功功率，并網(wǎng)點(diǎn)電壓在0.1 s達(dá)到額定電壓的90%且保持穩(wěn)定，能夠繼續(xù)支撐電壓500 ms（0.6 s時(shí)電壓恢復(fù)正常）；逆變器輸出電流被限制在額定電流的1.1倍以內(nèi)，滿足LVRT要求。

由圖9和圖10可知，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，逆變器輸出有功電流為零，無(wú)功電流增大；逆變器向電網(wǎng)提供了無(wú)功功率支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)，在0.1s內(nèi)完成了LVRT。

圖8　電壓跌落75%時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)電壓ua和電流ia波形Fig.8 Waveformsofvoltageandcurrentofgrid-connected point when the voltage drops 75%

圖9　電壓跌落75%時(shí)，并網(wǎng)電流仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of grid-connected current when the voltage drops 75%

圖10　電壓跌落75%時(shí)，逆變器輸出功率仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of inverter output power when the voltage drops 75%

5　結(jié)論

針對(duì)電網(wǎng)電壓跌落，研究基于無(wú)功支撐的LVRT技術(shù)。在雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)電壓跌落深度對(duì)有功電流、無(wú)功電流參考值重新分配。在Simulink下搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明，基于無(wú)功支撐的LVRT控制策略在電網(wǎng)電壓跌落深度較小和較大時(shí)，均能抑制逆變器輸出電流增大，輸出無(wú)功支撐電網(wǎng)恢復(fù)，對(duì)完成低電壓穿越，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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修改稿日期：2015-10-21

Simulation Research on LVRT of Photovoltaic Grid-connected Inverter

ZHANG Zebin1，WANG Jinmei1，2，DU Jianing1
（1. School of Physical and Electrical Information Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China；2. Ningxia Key Laboratory of Intelligent Sensing for Desert Information，Yinchuan 750021，Ningxia，China）

Abstract:Aiming at the grid′s instability causing by voltage dips，a low voltage ride through technology based on support of reactive power was proposed to restrain over-current of photovoltaic grid-connected inverters. PV inverter′s modeling was set and double closed-loop control strategy was analyzed，based on which built the relationship between inverter′s reactive current and amplitude of grid voltage dips. Coordinated reactive and active current when voltage dips occured. Thus，provided reactive power support to the grid，realized low voltage ride through of PV connected inverters and enhanced stability of the grid-connected system. Simulink simulation results show the effectiveness and feasibility of the technology.

Key words:photovoltaicgrid-connectedinverter；voltagedip；lowvoltageridethrough（LVRT）；Simulinksimulation

收稿日期：2015-04-08

作者簡(jiǎn)介：張澤斌（1991-），女，碩士研究生，Email：binno1991@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51167015）；科技部國(guó)際合作項(xiàng)目（2011DFA11780）

中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A