顧浩瀚，蔡 旭，李 征

（上海交通大學 風力發(fā)電研究中心，上海 200240）

0 引言

傳統(tǒng)化石能源的日益枯竭及其造成的環(huán)境污染使得新能源發(fā)電成為近幾年的研究熱點。無論是光伏發(fā)電還是風力發(fā)電，由于其本身的間歇性、不確定性等特點，可能會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成影響，并且影響的程度會隨著其并網(wǎng)規(guī)模的增大而加深。因此，電網(wǎng)對大中型光伏電站的低電壓耐受能力提出了要求，要求其具備一定的低電壓穿越（LVRT）能力，避免在電網(wǎng)電壓跌落時脫離，從而造成不良影響。

目前，關于光伏電站LVRT控制策略的研究主要分為2類。第一類是采用電流限幅措施，使電網(wǎng)電壓跌落期間光伏電站的并網(wǎng)電流不過流。這種限幅通常是通過設定LVRT期間有功和無功電流的參考值來實現(xiàn)，文獻［1-3］即采用此種方法；或者單純依靠逆變器的輸出限幅作用，對逆變器的過流抑制和耐受能力進行不斷改進優(yōu)化，這是目前光伏工程中常采用的LVRT控制策略，如文獻［4］采用模仿風機Crowbar電路［5-6］的方法來限制直流母線電壓在穿越期間增大的幅度，而逆變器輸出電流則依靠其本身的限幅作用。設定有功、無功電流的參考值對于瞬態(tài)過電流的抑制效果不佳，并且由于功率平衡的原則，有功電流的限制有一定范圍，不一定能完全跟蹤給定的參考指令；而利用逆變器本身的限幅作用或者加裝其他限幅環(huán)節(jié)則可能造成過多的軟硬件資源投入，導致成本顯著提升。第二類是采用電壓前饋的控制策略。文獻［7］提出一種電壓不平衡條件下的快速軟件鎖相技術(shù)，但其采用的前饋策略是直接將電網(wǎng)電壓前饋到內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器之后，與正常狀態(tài)下的系統(tǒng)前饋解耦控制方法相近，并且電壓跌落深度僅設定為20%，其實際效果及可靠性有待進一步研究；文獻［8］采用的前饋策略是在電壓前饋回路中加入比例環(huán)節(jié)，電網(wǎng)的擾動對電流的影響仍比較明顯，包括會在LVRT期間產(chǎn)生諧波等；文獻［9］將電網(wǎng)電壓擾動通過傳遞函數(shù)反饋到母線電壓調(diào)節(jié)器的輸出上，更好地抑制了母線電壓的升高，但其未將關注點放在并網(wǎng)電流上。

除此之外，文獻［10］提出的基于超級電容儲能的方案硬件投入比較大，工程實現(xiàn)也有難度；文獻［11］采用的基于模型電流預測的方案主要關注的是穿越期間光伏電站對并網(wǎng)點電壓的支撐，對于電流問題仍然依靠逆變器的輸出限幅作用。

文獻［12-14］針對LCL型并網(wǎng)逆變器的控制問題提出了一種全電壓前饋的方案，其能有效抑制電網(wǎng)電壓變化可能會對并網(wǎng)電流造成的不良影響。應用這種思想，本文提出一種基于改進型電網(wǎng)電壓前饋的三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT控制策略，該方案能有效改善穿越期間的過電流問題，同時抑制電網(wǎng)諧波對并網(wǎng)電流的影響，保證電流的波形質(zhì)量，并且不影響光伏電站對電網(wǎng)進行無功支撐。此方案只需在控制算法上進行相應改進，不需要增加額外的硬件設備，對傳統(tǒng)限幅策略和電壓前饋策略實現(xiàn)了優(yōu)化，且易于工程實施，對逆變器本身的過流抑制與耐受性能未提出額外的要求。

1 光伏電站LVRT技術(shù)標準

關于大中型光伏電站的LVRT能力的要求，國家電網(wǎng)公司出臺的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中有明確的闡釋，其曲線如圖1所示。圖中，光伏電站并網(wǎng)點電壓為標幺值。

圖1 大中型光伏電站低電壓穿越能力要求Fig.1 Required LVRT capability of large-or mid-sized PV station

LVRT具體要求為：光伏電站并網(wǎng)點電壓全部在圖1輪廓線及其以上的區(qū)域內(nèi)時，光伏電站應能保持不間斷并網(wǎng)運行，否則可以從電網(wǎng)切出；并網(wǎng)點電壓跌落至標稱電壓的20%時，光伏電站能保持不間斷并網(wǎng)運行1 s；并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能恢復到標稱值的90%時，光伏電站應能保持不間斷并網(wǎng)運行。

2 改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略

采用電網(wǎng)電壓前饋控制能補償電網(wǎng)電壓變化對系統(tǒng)可能造成的影響，但是在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)大幅度跌落時采用傳統(tǒng)的直接前饋方式不能較好地抑制過電流沖擊以及電流諧波，所以需要針對具體系統(tǒng)的數(shù)學模型來分析電壓前饋的改進方法。本節(jié)從并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，推導出系統(tǒng)的數(shù)學模型，并給出改進型前饋控制策略的控制框圖以及前饋項的傳遞函數(shù)。

2.1 三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型

三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很多種，本文采用較常見的一種，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Configuration of grid-connected three-phase PV power generation system

由圖2可知，系統(tǒng)采用的是兩級式隔離型結(jié)構(gòu)，光伏陣列輸出的直流先經(jīng)過Boost升壓變換器再進入第二級逆變器轉(zhuǎn)化為交流，最后通過LC濾波環(huán)節(jié)和變壓器并入電網(wǎng)。Boost電路實現(xiàn)升高電壓和MPPT的功能，逆變器則實現(xiàn)并網(wǎng)電流的控制。

下面分析推導這種結(jié)構(gòu)下光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，由于本文研究集中在并網(wǎng)逆變器上，所以給出如圖3所示的并網(wǎng)逆變器主電路。

圖3 并網(wǎng)逆變器主電路Fig.3 Main circuit of grid-connected inverter

由圖3可知，并網(wǎng)逆變器采用三相兩電平拓撲結(jié)構(gòu)，其簡化了變壓器部分，并用電阻R表征并網(wǎng)線路的阻抗。

首先，推導abc三相靜止坐標系下光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，其應用基爾霍夫電壓電流定律，并將電感電容等元件用s域中的形式表達，可得如下3個方程組：

其中，uinva、uinvb、uinvc為逆變器橋臂中點電壓；uCa、uCb、uCc為濾波電容電壓；uga、ugb、ugc為三相電網(wǎng)（逆變器并網(wǎng)點）電壓；iinva、iinvb、iinvc為逆變器輸出的三相電流；iga、igb、igc為輸入電網(wǎng)電流；L和C分別為逆變器輸出濾波環(huán)節(jié)的電感和電容值。上述所有的電壓和電流量均為瞬時值。

一般地，在abc靜止坐標系下研究三相并網(wǎng)系統(tǒng)的控制是不太方便的，通常需要在dq旋轉(zhuǎn)坐標系下展開討論。將旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸按電網(wǎng)電壓矢量定向，且d軸滯后q軸90°，則得到2個坐標系之間的轉(zhuǎn)換關系如式（4）所示。

其中，X代指電壓或者電流量；θ＝ωt為d軸與a軸之間的夾角；ω為d軸旋轉(zhuǎn)的角速度，即三相電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)的角速度。根據(jù)式（4）對方程組（1）—（3）進行變換得到dq坐標系下的三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型如下：

對方程組（5）—（7）進行化簡，得到光伏發(fā)電系統(tǒng)最終的數(shù)學模型如下：

由式（8）所示的數(shù)學模型可知，旋轉(zhuǎn)坐標系下電壓和電流的方程式中都存在d軸和q軸物理量，故其是相互影響的。

2.2 前饋控制策略的推導

光伏發(fā)電系統(tǒng)在正常工作的情況下，采用逆變器雙環(huán)控制的策略。外環(huán)控制直流母線電壓；給定電流內(nèi)環(huán)的參考值，即內(nèi)環(huán)對并網(wǎng)電流進行控制。

針對LVRT，其期望的結(jié)果是并網(wǎng)電流盡可能不受電網(wǎng)電壓跌落的影響，因此本文引入電網(wǎng)電壓前饋控制。將電網(wǎng)電壓通過傳遞函數(shù)TF1、TF3和TF2、TF4分別引入到內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器之前和之后，通過推導出2個傳遞函數(shù)的具體表達式以期望消除電網(wǎng)電壓擾動對并網(wǎng)電流的影響，實現(xiàn)優(yōu)化LVRT期間過電流問題以及電流質(zhì)量的目的。根據(jù)上文推導出的系統(tǒng)數(shù)學模型，得到其控制框圖如圖4所示，圖中只給出了電流內(nèi)環(huán)的部分。

圖4 改進型電網(wǎng)電壓前饋控制框圖Fig.4 Block diagram of improved grid-voltage feed-forward control

圖 4中分別為 d、q軸電流的參考值。當開關頻率足夠高時，逆變器的放大特性可由比例增益KPWM近似表示［15］。對于使用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法的逆變器通常取KPWM=UDC／Utri，其中UDC為直流母線電壓值，Utri為三角載波的幅值。圖中的CF1、CF2為前饋項的修正因子，對由于物理量的參考方向和KPWM的近似性等原因造成的不確定性和誤差進行修正，以達到更好的結(jié)果。

根據(jù)控制框圖，對于圖4中的d軸分支可列出如下方程組：

對方程組（9）進行化簡，得到并網(wǎng)電流d軸分量關于電網(wǎng)電壓的表達式。為了表述方便，并使結(jié)果表達式更清晰，令：

最終化簡結(jié)果如下：

分析式（13），e 可以視為常量，f、g 與 iinvq和 uCq有關，所以影響 igd的物理量共有 4 個，是 i*invd、ugd、iinvq和uCq。要保證igd不受電網(wǎng)電壓跌落的影響，即需要滿足ugd的系數(shù)為0。其中iinvq需向電網(wǎng)提供無功支撐且在q軸分支中會抑制電網(wǎng)電壓對其的影響，可以不考慮；uCq與ugq有關，按照d軸與電網(wǎng)電壓矢量重合的定向方法，ugq應保持為0，當然在電壓跌落過程中ugq肯定會有波動，其變化的幅度受鎖相環(huán)技術(shù)的影響，不在本文的討論范圍內(nèi)，可以忽略，并且不會明顯影響控制策略的效果。令：

推導可得：

最終可得：

式（16）中，可將TF2CF1視為一個整體，再具體修正CF1的值即可。通過這種前饋控制策略，可以明顯抑制電網(wǎng)電壓波動對并網(wǎng)電流的影響，使其僅與給定的參考值有關，從而實現(xiàn)LVRT。同樣的推導過程應用于q軸分支得到的結(jié)果是一樣的。即：

需要指出的是，當采用改進型前饋控制方法時，并網(wǎng)電流不會受到電網(wǎng)電壓的影響，但仍然要受到參考值的影響。如果在LVRT期間仍沿用上文提到的雙環(huán)控制策略，則在電壓跌落期間直流母線電壓會波動，從而造成內(nèi)環(huán)電流的給定值波動，同樣無法保證過電流的抑制和電流的波形質(zhì)量。在實際應用中，當檢測到電網(wǎng)電壓跌落時，首先要斷開電壓外環(huán)，并給定內(nèi)環(huán)電流的參考值，從而變成單環(huán)控制。這一點和常用的給定有功電流參考值的方法相同，但由于其受到電網(wǎng)電壓的影響，傳統(tǒng)的方法不能達到很好的控制效果。

LVRT期間，逆變器輸出的電流應限制其不能超過額定電流的 1.1 倍［11］，即：

LVRT期間無功電流的參考值需根據(jù)無功支撐的相關要求給定，而有功電流的參考值按正常工作狀態(tài)的有功電流值給定，或者比常態(tài)值略微小一點，如常態(tài)值的80%～90%。

3 硬件在環(huán)平臺實時仿真驗證

為了驗證上述改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略的有效性，基于實時數(shù)字仿真儀RTDS（Real-Time Digital Simulator）搭建了硬件在環(huán)（HIL）仿真平臺，并對提出的控制策略進行了純數(shù)字仿真以及基于HIL平臺的仿真。光伏電站采用集中式并網(wǎng)方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及變壓器變比如圖2所示。

3.1 HIL實時仿真平臺概述

基于RTDS的HIL實時仿真平臺架構(gòu)如圖5所示。將并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主電路模型搭建于RTDS的配套軟件RSCAD中，RTDS通過GTAO板卡輸出電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)電流等模擬信號至主控制器，再由主控制器執(zhí)行相關算法生成PWM脈沖驅(qū)動信號并通過GTDI板卡送回至主電路從而能夠完成對逆變器的控制。主控制器是基于TMS320F28335 DSP芯片搭建而成的。

圖5 基于RTDS的HIL仿真平臺架構(gòu)Fig.5 Structure of HIL simulation platform based on RTDS

上述HIL平臺包含實際的控制器，并且兼具RTDS仿真的實時性［16］，故其仿真結(jié)果比較貼合實際情況，有較高的參考價值。

3.2 RTDS數(shù)字仿真結(jié)果

首先進行RTDS純數(shù)字仿真，設定系統(tǒng)在0.2 s時發(fā)生三相短路故障，三相電網(wǎng)電壓對稱跌落至約25%額定電壓，即跌落深度為75%額定電壓，0.7 s時切除系統(tǒng)故障，電網(wǎng)電壓恢復正常，整個LVRT過程歷時0.5 s。

采用改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略時，按照上文闡述的單環(huán)控制方法，穿越期間給定有功、無功電流參考值給定修正因子CF1＝CF2＝-0.9。關于物理量中出現(xiàn)的負號，是由于RTDS模型對方向的一些限制，若電流由逆變器流向電網(wǎng)電流方向則為負，所以有功電流和修正因子均為負值。

為了說明本文所提控制策略的有效性，將其與傳統(tǒng)限幅控制策略作對比，此處采用的限幅策略是上文提到的給定有功、無功電流參考值的方法，不利用硬件上的限幅功能，目的是從控制策略本身展示出采用改進型電壓前饋方法的優(yōu)勢。

圖6 對稱故障下的并網(wǎng)點電壓波形Fig.6 Voltage waveforms of grid-connection point with symmetrical fault

圖6為電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱跌落時的波形，其中圖6（a）是對稱故障下變壓器逆變器側(cè)的單相并網(wǎng)點電壓波形，圖6（b）是對稱故障下變壓器網(wǎng)側(cè)的三相電壓有功分量的波形。

圖7為2種控制策略下并網(wǎng)電流波形的對比，為了達到較好的控制效果，將傳統(tǒng)限幅策略的有功電流參考值設定為-0.55 kA，比改進型前饋策略的參考值小，即理想狀況下其過電流抑制效果應該更好。但從圖7（a）和（b）中可以看出，改進型前饋策略下并網(wǎng)電流在LVRT期間幾乎和故障前保持一致，在電網(wǎng)電壓跌落的瞬間達到幅值最大值0.629 kA，正常工作狀態(tài)下的幅值為0.595 kA，故其滿足不超過額定值1.1倍的要求，然后跟隨參考值逐漸變小趨近額定值；而傳統(tǒng)限幅策略下并網(wǎng)電流幅值最大值達到0.836 kA，在整個LVRT期間電流幅值明顯大于額定值，所以在實際應用中常將電流參考值設定在更小的范圍內(nèi)，或者通過逆變器的限幅作用處理過電流問題。圖7（c）展示的是2種控制策略下有功電流幅值變化的對比情況。在故障發(fā)生瞬間，從圖中圓圈標注的地方可看出傳統(tǒng)限幅策略下有功電流存在比較明顯的過沖現(xiàn)象，受功率平衡原則的約束單純地給定電流參考值進行限制過電流并不能達到較為理想的效果；而改進型前饋策略下的有功電流變化則比較平緩，對整個發(fā)電系統(tǒng)以及電網(wǎng)的沖擊更小，滿足預期要求。

圖7 對稱故障下2種控制策略的并網(wǎng)電流對比Fig.7 Comparison of grid-connecting current between two control strategies under symmetrical fault

對2種策略下并網(wǎng)電流a相的諧波情況進行監(jiān)測，主要針對2、3次諧波。得到的結(jié)果是，改進型前饋策略下電流在故障發(fā)生瞬間的2、3次諧波幅值達到峰值，分別為0.0305 kA和0.0176 kA；傳統(tǒng)限幅策略下相對應的值為0.0821 kA和0.0433 kA。無論是從絕對值還是諧波所占的比例來看，改進型前饋策略對諧波的抑制效果更加明顯。綜上所述，相比于傳統(tǒng)限幅策略，改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略在電網(wǎng)電壓發(fā)生三相對稱故障的情況下能順利使系統(tǒng)實現(xiàn)LVRT，且在過電流以及諧波抑制問題上展示出更優(yōu)良的性能。

需要指出的是，由功率平衡原則可知，并網(wǎng)電流的減小必然會引起直流母線電壓的升高［17-18］，所以在實際應用中，無論是采用本文提出的改進型前饋策略還是傳統(tǒng)限幅策略，均可采用給直流母線電容并聯(lián)卸荷電阻［18-19］的方法目的是防止直流母線電壓過度升高。所以對于過電流的抑制并不能使其無限小，而需要在抑制過電流和直流母線電壓升高之間找到平衡點。

3.3 HIL平臺驗證結(jié)果

在HIL實時仿真平臺上對所提的控制策略進行驗證，系統(tǒng)參數(shù)如下：光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量為0.5 MW，交流電網(wǎng)線電壓為35 kV，交流電網(wǎng)頻率為50 Hz，濾波器電感為 1.5 mH，濾波器電容為 4.2 μF，直流母線電壓為1.5 kV，直流母線電容為8 000 μF。LVRT過程的發(fā)生時刻及持續(xù)時間、電壓跌落深度與3.2節(jié)數(shù)字仿真一致。

由于實際控制器中存在數(shù)據(jù)采樣與轉(zhuǎn)換等問題，故其與純數(shù)字仿真存在一定的偏差，HIL仿真穩(wěn)態(tài)情況下直流母線電壓最終穩(wěn)定在1.48 kV附近，并網(wǎng)電流則比數(shù)字仿真略微偏大。因此對LVRT期間的有功電流參考值進行了相應調(diào)整，設置改進型電網(wǎng)電壓前饋策略和傳統(tǒng)限幅策略的電流參考值相同，即設置改進型前饋策略的修正因子CF1=CF2=-0.9。

改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略的HIL仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8（a）—（c）可以看出，在改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略的作用下，光伏系統(tǒng)的單相和三相并網(wǎng)電流在LVRT期間幾乎和故障前保持一致，在進入LVRT過程的瞬間變化平緩，無明顯過電流情況發(fā)生，順利實現(xiàn)了LVRT。電壓跌落瞬間a相電流幅值達到最大值0.636 kA，其穩(wěn)態(tài)幅值為0.608 kA，滿足LVRT要求；而傳統(tǒng)限幅策略下a相電流幅值在電壓跌落瞬間達到最大值0.677 kA，結(jié)果表明了改進型電壓前饋策略的優(yōu)勢。圖8（d）展示了2種控制策略下有功電流幅值變化的對比，從圖中圓圈標注處可看出改進型前饋策略下的并網(wǎng)電流在電壓跌落瞬間的過沖小于傳統(tǒng)限幅策略，且在整個LVRT過程中，改進型前饋策略下有功電流均值相對后者較小。

圖8 對稱故障下HIL仿真結(jié)果Fig.8 Results of HIL simulation for symmetrical fault

同樣地，對2種策略下并網(wǎng)電流a相的諧波情況進行監(jiān)測，改進型前饋策略下電流在故障發(fā)生瞬間的2、3次諧波幅值達到峰值，分別為0.0343 kA、0.0240kA；傳統(tǒng)限幅策略下相對應的值分別為0.0434 kA、0.0257 kA。無論是從絕對值還是諧波所占的比例來看，改進型前饋策略對諧波的抑制效果更加明顯。綜上所述，采用改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略在過電流以及諧波抑制問題上的優(yōu)勢在HIL仿真平臺上得到了有效驗證。

對于常見的電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱跌落的情況，由于故障期間電網(wǎng)電壓包含負序分量［20］，單純地采用本文提出的改進型前饋策略并不足以完全消除并網(wǎng)電流存在的幅值不平衡的現(xiàn)象，此時需要結(jié)合二次陷波法將電壓和電流的正負序分量分離［21］并采用如圖4所示的改進型前饋策略分別對正負序分量進行控制。由于將正負序分量分離之后的控制策略和對稱跌落時幾乎一致，此處不再單獨將仿真和HIL驗證結(jié)果列出，其運行結(jié)果均展示出改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略良好的過電流及諧波抑制性能，能使系統(tǒng)順利實現(xiàn)電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱跌落下的LVRT。

4 結(jié)論

本文運用全電壓反饋的思想，改進傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓前饋控制策略，通過深入分析三相并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，推導出改進型電壓前饋控制策略的前饋項，并將其用于光伏系統(tǒng)的LVRT過程中，使系統(tǒng)順利實現(xiàn)LVRT并展示出了一定的優(yōu)越性，得到的相關結(jié)論如下：

a.改進型電網(wǎng)電壓前饋控制策略中，并網(wǎng)電流受電網(wǎng)電壓的影響程度大幅減小，僅受電流給定參考值的影響，為LVRT過程中的過電流和諧波問題提供了更優(yōu)良的解決方案；

b.本文所提控制策略僅需在算法上進行相應改進，不需要增加額外硬件設備，思路明確清晰，易于工程實施；

c.HIL實時仿真驗證了本文所提控制策略在對稱故障穿越期間能有效抑制過電流、減少諧波影響、保持更好的波形質(zhì)量，具有更優(yōu)越的暫態(tài)性能，與傳統(tǒng)限幅策略進行的對比分析驗證了其可行性與有效性。

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