王京保，李 輝，張 娟

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司四電設(shè)計(jì)院，北京 102600；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051；3.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176）

電網(wǎng)電壓不平衡時光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越技術(shù)

王京保1，李 輝2，張 娟3

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司四電設(shè)計(jì)院，北京 102600；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051；3.北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司，北京 100176）

為提高光伏逆變器所并電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，研究了電網(wǎng)電壓不平衡時光伏逆變器的運(yùn)行特性以及提高其低電壓穿越運(yùn)行能力，采用了在正、負(fù)序同步坐標(biāo)變換下，電網(wǎng)正、負(fù)序電壓分別定向的矢量控制策略。考慮濾波電感上的瞬時功率不為零，需按照橋臂側(cè)瞬時功率計(jì)算來消除有功功率傳輸中的波動分量，以穩(wěn)定直流母線電壓；考慮逆變器電流安全限值等問題，給出額定功率運(yùn)行時電網(wǎng)電壓不平衡的低電壓穿越控制方案。在Mat?lab/Simulink中建立了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，所提出的控制方案無需增加硬件保護(hù)裝置，在電網(wǎng)電壓不平衡時可實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越運(yùn)行。

光伏并網(wǎng)逆變器；電網(wǎng)電壓不平衡；正、負(fù)序電流；瞬時功率；低電壓穿越

隨著光伏發(fā)電在電力能源中所占比重的增加，其對電網(wǎng)的影響日趨顯著。提高光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)故障響應(yīng)能力，成為光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的迫切需要。為適應(yīng)新的電網(wǎng)導(dǎo)則對光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越LVRT（low voltage ride-through）能力的要求[1]，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始關(guān)注光伏發(fā)電系統(tǒng)的LVRT控制。

在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，以電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)的光伏逆變器就會呈現(xiàn)不正常運(yùn)行狀態(tài)，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果[2-4]。一方面逆變器交流側(cè)電流中存在大量3、5、7等奇次諧波，污染電網(wǎng)，降低電能質(zhì)量，影響其他用電設(shè)備的運(yùn)行，逆變器輸出電流增大，可能導(dǎo)致逆變器過流保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)；另一方面逆變器輸出功率含有2倍工頻波動，導(dǎo)致逆變器直流側(cè)產(chǎn)生2、4、6等偶次非特征諧波，該電壓波動會影響逆變器的正常工作。

文獻(xiàn)[5-6]中提出了采用正、負(fù)序兩套同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的獨(dú)立電流跟蹤控制方案，正、負(fù)序電流在正、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中均表現(xiàn)為直流量，采用PI調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)對正、負(fù)序電流的無靜差跟蹤控制，提出的雙電流內(nèi)環(huán)控制方法可以很好地改善輸出直流電壓波形；文獻(xiàn)[7-10]指出，濾波電感上的瞬時功率不為0，使得網(wǎng)側(cè)瞬時有功功率和橋臂側(cè)瞬時有功功率并不相等，若按照網(wǎng)側(cè)瞬時功率計(jì)算則會出現(xiàn)偏差，使得抑制效果不明顯，因此需按照橋臂側(cè)瞬時功率計(jì)算。

本文在文獻(xiàn)[5-10]的基礎(chǔ)上，提出了基于橋臂側(cè)瞬時功率計(jì)算，以光伏并網(wǎng)逆變器直流側(cè)瞬時功率平衡為目的的不平衡電流控制算法，消除了電網(wǎng)電壓不平衡時逆變器直流電壓中的2次諧波。另外，引入了結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)對正、負(fù)序電流的獨(dú)立控制。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用單級式拓?fù)?，逆變器采用三相橋式無中線電壓型PWM（pulse width modulation）逆變器。

圖1 單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structrue of single-stage grid-connected PV systems

2 傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略

兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下基于PI調(diào)節(jié)器的電壓電流雙閉環(huán)控制方式目前應(yīng)用最為廣泛，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。電壓外環(huán)輸出作為內(nèi)環(huán)有功電流指令值，電流內(nèi)環(huán)控制并網(wǎng)電流[11]。

圖2 逆變器雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Double closed-loop control structure of inverter

圖2中：id*、iq*為dq坐標(biāo)系下的電流給定值；id、iq為dq坐標(biāo)系下的電流實(shí)際值；ed、eq分別為電網(wǎng)電壓E在dq軸上的分量；ud、uq分別為電網(wǎng)電壓在dq軸上的分量；Vdc*、Vdc分別為逆變器直流側(cè)電壓指令值和實(shí)際值。

3 不對稱電壓下的控制策略

電網(wǎng)電壓不平衡時，并網(wǎng)有功功率中含有2倍工頻的波動分量，該功率波動會在直流側(cè)母線上產(chǎn)生2倍工頻的波動。直流電壓的波動，將會增加電容的充放電次數(shù)，減少電容使用壽命，嚴(yán)重影響逆變器的正常工作，電壓波動比較大時導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[12]。當(dāng)對逆變器直流電壓控制性能要求較高時，必須對該諧波電壓進(jìn)行抑制。當(dāng)前控制目標(biāo)為電網(wǎng)電壓跌落和恢復(fù)時光伏變流器不會因過流保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)，并消除直流母線電壓2倍工頻紋波。

3.1 不對稱電壓下逆變器交流側(cè)瞬時功率計(jì)算

電網(wǎng)電壓不平衡時網(wǎng)側(cè)瞬時有功功率P和無功功率Q表達(dá)式分別為

式中：P0、Q0為有功、無功功率平均值；Pc2、Ps2為二次有功余弦、正弦項(xiàng)諧波峰值；Qc2、Qs2為二次無功余弦、正弦項(xiàng)諧波峰值；edP、eqP、edN、eqN為電網(wǎng)電動勢矢量在正、負(fù)序坐標(biāo)系dq軸上的投影，idP、iqP、idN、iqN為電網(wǎng)電流矢量在正、負(fù)序坐標(biāo)系dq軸上的投影。

平均有功功率指令P0*由電壓外環(huán)計(jì)算得出，即

式中：kvp、kvi為電壓外環(huán)的PI參數(shù)。

本文采用在正、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中電網(wǎng)正、負(fù)序電壓分別定向的矢量控制策略[13]，即在正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，將dP軸定向于正序電壓合成矢量方向；在負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，將dN軸定向于負(fù)序電壓合成矢量方向；則可將正、負(fù)序分量分開并進(jìn)行獨(dú)立控制，簡化控制和計(jì)算。

3.2 抑制并網(wǎng)功率2次諧波的控制策略

抑制直流側(cè)電壓中的2次脈動關(guān)鍵在于消除瞬時有功功率脈動。令Pc2=0，Ps2=0；同時為實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，令網(wǎng)側(cè)無功功率平均值為0，即Q0=0。由此得到網(wǎng)側(cè)功率與電流給定的關(guān)系為

3.3 抑制橋臂側(cè)功率二次諧波的控制策略

文獻(xiàn)[7-10]指出濾波電感上的瞬時功率不為0，網(wǎng)側(cè)和橋臂側(cè)功率不相等。因此在抑制直流側(cè)電壓中的2次諧波時，需要按照橋臂側(cè)瞬時功率計(jì)算。這時計(jì)算電流指令需滿足的條件如下：

（1）控制網(wǎng)側(cè)有功功率平均值P0；

（2）控制網(wǎng)側(cè)無功功率平均值Q0，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)；

式中：udP、uqP、udN、uqN分別為橋臂側(cè)的輸出電壓矢量在正、負(fù)序坐標(biāo)系dq軸上的投影。

式中：kP、ki為電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)。

根據(jù)以上各式，得到光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡時抑制直流電壓2次諧波的雙電流內(nèi)環(huán)控制框圖，如圖3所示。

由圖3可知，電網(wǎng)電壓不平衡時抑制直流電壓2次諧波的LVRT控制策略可簡單概括為：逆變器外環(huán)采用中間直流電壓控制，內(nèi)環(huán)采用正、負(fù)序雙電流環(huán)控制的閉環(huán)控制策略。直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出作為逆變器輸出平均有功功率參考值。并網(wǎng)電流的正、負(fù)序分量分別經(jīng)過正、反向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直流量，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，對正、負(fù)序參考電流分別進(jìn)行有效跟蹤[14-15]。為防止變流器過流保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)，須對變流器輸出電流進(jìn)行限制，而正負(fù)序電流的限制可以通過設(shè)置合適的網(wǎng)側(cè)平均有功功率參考值來統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)[16]。為此，引入電網(wǎng)電壓前饋控制環(huán)節(jié)，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度U成比例地降低饋入電網(wǎng)的平均有功功率參考值，設(shè)定合適的網(wǎng)側(cè)平均有功功率系數(shù)k，令k=f(U)，則修正后的饋入電網(wǎng)的平均有功功率指令為

按照修正后的網(wǎng)側(cè)平均有功功率參考值進(jìn)行控制，變流器輸出的任何一相電流不會超出電流安全限值，從而保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

圖3 電網(wǎng)電壓不平衡時逆變器橋臂側(cè)瞬時功率控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Control structure of the instantaneous power in the bridge arm side under unbalanced grid voltage conditions

4 仿真分析

在Matlab/Simulink中建立了圖1中容量為220kW的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。PV模擬電源參數(shù)：開路電壓735.6 V，短路電流461.44 A，最大功率點(diǎn)電壓578.4 V，最大功率點(diǎn)電流381.21 A。逆變器主要參數(shù)見表1。光伏逆變器直流側(cè)連接PV模擬電源，直流電壓給定采用恒壓法，調(diào)制方法為空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM（space vector pulse width modulation）。

表1 逆變器參數(shù)Tab.1 Parameters of inverter

限于篇幅，本文只對單相接地故障進(jìn)行仿真分析。仿真條件為0.6 s時并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生A相電壓跌落，電壓跌落80%，0.7 s時故障解除。發(fā)生故障前系統(tǒng)運(yùn)行于額定功率下，最大電流限幅為1.2 p.u.。作為對比，本文分別給出了逆變器采用傳統(tǒng)控制策略、抑制網(wǎng)側(cè)有功2倍頻波動策略和抑制橋臂側(cè)有功2倍頻波動策略的仿真結(jié)果，如圖4～圖6所示。

從圖4可知，電網(wǎng)電壓不平衡下光伏并網(wǎng)逆變器若采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)穩(wěn)態(tài)控制方法，逆變器輸出的有功功率、無功功率中出現(xiàn)明顯的2倍頻波動，直流側(cè)電壓波動為60 V左右，網(wǎng)側(cè)電流含有負(fù)序分量引發(fā)電流不平衡，A相電壓跌落時，逆變器輸出電流瞬間增大，且跌落相電流幅值超過最大電流限幅1.2 p.u.，導(dǎo)致逆變器過流保護(hù)、停機(jī)脫網(wǎng)。

由圖5可知，采用抑制網(wǎng)側(cè)有功2倍頻波動的低電壓穿越控制策略后，電網(wǎng)電壓不平衡時發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率穩(wěn)定在115 kW，基本消除了網(wǎng)側(cè)瞬時有功2倍頻脈動，濾波電感上的瞬時功率PL不為0，呈2倍頻波動，導(dǎo)致橋臂側(cè)瞬時有功功率是脈動的，從而不能有效抑制直流側(cè)電壓中的2次脈動，直流側(cè)電壓波動為25 V，較采用傳統(tǒng)控制策略時電壓波動的幅值有所下降，但抑制效果不明顯。

圖4 電網(wǎng)電壓不平衡時采用傳統(tǒng)控制策略的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results with conventional control strategy under unbalanced grid voltage conditions

圖6可知，采用抑制橋臂側(cè)有功2倍頻波動的低電壓穿越控制策略后，電網(wǎng)電壓不平衡時發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率穩(wěn)定在140 kW，基本消除了橋臂側(cè)有功2倍頻脈動，直流側(cè)電壓中的2次諧波明顯得到了抑制。

圖5 電網(wǎng)電壓不平衡時抑制網(wǎng)側(cè)有功波動的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results with restrained active power oscillations of the grid side under unbalanced grid voltage conditions

圖6 電網(wǎng)電壓不平衡時抑制橋臂側(cè)有功波動的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results with restrained active power oscillations in the bridge arm side under unbalanced grid voltage conditions

5 結(jié)語

本文對光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡時的運(yùn)行狀況進(jìn)行了研究，提出了一種根據(jù)橋臂側(cè)瞬時有功功率和無功給定計(jì)算以抑制直流側(cè)電壓2倍頻波動為目標(biāo)的的參考電流算法，并采用結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負(fù)序雙電流內(nèi)環(huán)控制策略。仿真結(jié)果表明，本文所提出的參考電流算法和控制策略無需增加額外硬件保護(hù)裝置，只需改變光伏并網(wǎng)逆變器的控制策略，即可有效抑制電網(wǎng)電壓不平衡引起的直流母線電壓和有功功率的脈動，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，為電網(wǎng)電壓不平衡時光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越提供一種解決思路。

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Research on Low-voltage Ride-through of Grid-connected Photovoltaic Inverter Under Unbalanced Grid Voltage Conditions

WANG Jingbao1，LI Hui2，ZHANG Juan3
（1.Communications，Signaling，Electrification and Electric Power Branch，China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd，Beijing 102600，China；2.Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300051，China；3.Beijing Innopower Superconductor Cable Co.，Ltd，Beijing 100176，China）

To improve the stability of power grid with photovoltaic（PV）inverter，the operational characteristics of PV in?verter and how to improve the ability of low-voltage ride-through（LVRT）under unbalanced grid voltage conditions are studied.This paper adopts two vector-oriented control strategies，which respectively orientate positive-sequence and negative-sequence voltages under positive-sequence and negative-sequence synchronous coordinate transforms.Consid?ering that the instantaneous power of the filter inductor is not zero，the calculation of instantaneous power in the bridge arm side is adopted to eliminate the fluctuating component in the active power transmission，thus the DC bus voltage can be stabilized.Considering the inverter current safety limit，the LVRT control scheme under unbalanced grid voltage conditions is given when the inverter is operating in rated power.A simulation model of grid-connected PV systems is built in Matlab/Simulink，and the simulation results show that hardware protection apparatus is not necessary and the proposed LVRT operation can be realized under unbalanced grid voltage conditions.

grid-connected photovoltaic（PV）inverter；unbalanced grid voltage；positive and negative current；instan?taneous power；low-voltage ride-through（LVRT）

TM 464

A

1003-8930（2016）11-0111-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.019

2013-05-24；

2016-03-24

王京保（1987—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動、鐵路電氣化。Email：wjbwbq@126.com

李 輝（1987—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)楣S供配電設(shè)計(jì)和道路照明設(shè)計(jì)。Email：lihui7c@126.com

張 娟（1987—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷、新能源技術(shù)及應(yīng)用。Email：zhangjua?nok@126.com