葛路明, 曲立楠,2, 陳 寧,2, 朱凌志,2, 張 磊

(1. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司(南京), 江蘇省南京市 210003;2. 新能源與儲(chǔ)能運(yùn)行控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司)(南京), 江蘇省南京市 210003)

0 引言

中國(guó)光伏發(fā)電發(fā)展迅速,截至2016年底,光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量77 420 MW[1]。隨著光伏電站在電網(wǎng)中的容量越來(lái)越大,掌握逆變器的低電壓穿越特性對(duì)于分析光伏電站對(duì)電網(wǎng)的影響具有重要的意義。

逆變器低電壓穿越特性分析是個(gè)典型的“灰箱”問(wèn)題。各品牌逆變器通常采用典型的電路拓?fù)浜涂刂平Y(jié)構(gòu),但具體控制策略及參數(shù)各異,各種新技術(shù)更新?lián)Q代頻繁,導(dǎo)致不同型號(hào)之間的逆變器差異顯著。出于商業(yè)考慮,各逆變器廠商都不對(duì)外公開(kāi)控制策略及參數(shù)[2]。在這種情況下,如何開(kāi)展特性分析是個(gè)值得研究的問(wèn)題。若采用機(jī)理分析法缺乏控制策略和參數(shù),若采用外特性測(cè)試法又缺乏必要的理論支撐[3]。逆變器涉及電路拓?fù)洹㈡i相環(huán)、最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、低電壓穿越等技術(shù),核心技術(shù)多且復(fù)雜。在分析時(shí)如果不加選擇全部考慮,可能面臨策略缺失、主次難分、工作量巨大的難題。

光伏逆變器主要有集中式逆變器和組串式逆變器。在集中式逆變器方面,文獻(xiàn)[4-6]研究了逆變器的低電壓穿越控制策略,控制策略在不同階段實(shí)時(shí)切換,在故障期間限制有功電流并注入無(wú)功電流。文獻(xiàn)[7]根據(jù)功率控制目標(biāo)推導(dǎo)了逆變器的穩(wěn)態(tài)短路電流計(jì)算公式;文獻(xiàn)[8]分析了用穩(wěn)態(tài)故障電流模型等效替代光伏電源的前提和適用性。這些文獻(xiàn)都是在控制策略或控制目標(biāo)已知的情況下開(kāi)展研究。在組串式逆變器方面,文獻(xiàn)[9-12]分析了組串式逆變器的轉(zhuǎn)換效率、成本、可靠性和諧波抑制等因素,對(duì)低電壓穿越特性的研究較少。

國(guó)內(nèi)外已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣特性檢測(cè)、模型驗(yàn)證及參數(shù)測(cè)試的技術(shù)要求[13-15]。在德國(guó),FGW TG3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了發(fā)電單元在有功功率、無(wú)功功率、電能質(zhì)量和暫態(tài)穩(wěn)定等電氣特性方面的測(cè)量和測(cè)試要求[13],FGW TG4標(biāo)準(zhǔn)在TG3測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,規(guī)范了發(fā)電單元的建模和模型驗(yàn)證要求[14]。在國(guó)內(nèi),國(guó)標(biāo)GB/T 32892—2016規(guī)定了參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試步驟和模型驗(yàn)證的要求,其中逆變器參數(shù)測(cè)試包括測(cè)試試驗(yàn)和參數(shù)辨識(shí)兩部分,但標(biāo)準(zhǔn)中未給出具體的參數(shù)辨識(shí)方法,僅給出了一般原則[15]。文獻(xiàn)[16-17]針對(duì)逆變器的典型雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),研究了逆變器電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)辨識(shí)方法,但未考慮低電壓穿越期間逆變器切換至低電壓穿越控制策略這一重要因素。

本文首先總結(jié)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略,在此基礎(chǔ)上研究低電壓穿越的物理過(guò)程,基于時(shí)域仿真方法分析低電壓穿越特性的主導(dǎo)關(guān)鍵環(huán)節(jié);然后研究主導(dǎo)環(huán)節(jié)的參數(shù)測(cè)試方法;最后對(duì)主導(dǎo)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析結(jié)論進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,并驗(yàn)證參數(shù)測(cè)試方法對(duì)組串式逆變器和集中式逆變器的適應(yīng)性和有效性。

1 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略分析

1.1 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

集中式逆變器主要有單級(jí)式和和雙級(jí)式兩種結(jié)構(gòu),單級(jí)式逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)MPPT和逆變功能,而雙級(jí)式逆變器有獨(dú)立的直流變換電路實(shí)現(xiàn)MPPT功能。組串式逆變器可以分為單組串式和多組串式,區(qū)別在于光伏組串的連接數(shù)量不同。

附錄A圖A1給出了集中式和組串式逆變器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從圖A1中可以發(fā)現(xiàn),集中式和組串式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常相似,主要差異體現(xiàn)在直流電路和功率等級(jí)上。集中式逆變器連接大功率光伏方陣,整個(gè)方陣只有1路MPPT結(jié)構(gòu);組串式逆變器連接小功率光伏組串,每路組串都有獨(dú)立的MPPT結(jié)構(gòu)。

1.2 光伏逆變器的控制策略

集中式和組串式逆變器的控制策略有相似之處,下面先分析組串式逆變器,再分析集中式逆變器。圖1以三組串式逆變器為例說(shuō)明組串式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制示意圖。逆變器采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu),前級(jí)由3個(gè)獨(dú)立的Boost直流升壓電路并聯(lián)至直流母線,后級(jí)為1個(gè)DC-AC逆變電路。各直流變換電路分別連接不同的光伏組串,采用獨(dú)立的控制策略實(shí)現(xiàn)MPPT功能,避免了組串之間的功率失配問(wèn)題。

圖1 逆變器的電路拓?fù)浜涂刂剖疽鈭DFig.1 Circuit topology and control block diagram of inverter

電網(wǎng)無(wú)故障時(shí),逆變器工作在正?？刂撇呗韵?1號(hào)直流控制器的MPPT以1號(hào)組串的電壓UPV1和電流IPV1為輸入,計(jì)算得到組串參考電壓UPV1ref,經(jīng)過(guò)比例—積分(PI)控制器后輸出占空比d1,從而調(diào)節(jié)輸入電壓UPV1。同理,2號(hào)和3號(hào)直流控制器類似。后級(jí)逆變電路通過(guò)穩(wěn)定直流母線電壓Udc實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的功率平衡,并基于電網(wǎng)電壓矢量定向的dq軸前饋解耦策略實(shí)現(xiàn)直接電流控制,逆變器呈受控電流源特性。

發(fā)生故障時(shí),電網(wǎng)電壓跌落,逆變器閉鎖MPPT,并切換至故障控制策略,引入直流電壓Udc反饋量[18],抑制直流過(guò)電壓。故障期間直流電路占空比d的計(jì)算公式為:

d=d0-KUdc(Udc-Udcmax)

(1)

式中:d0為故障前一時(shí)刻的占空比;KUdc為比例控制系數(shù);Udcmax為直流電壓上限。

后級(jí)逆變器電路閉鎖正?？刂撇呗?根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19964—2012要求向電網(wǎng)注入動(dòng)態(tài)無(wú)功電流[19]。電壓跌落期間的dq軸電流指令計(jì)算公式為:

(2)

式中:Id,LVRT為有功電流設(shè)定值;Kq,LV為無(wú)功電流支撐系數(shù);Uterm為交流側(cè)端電壓;Imax為逆變器電流上限。

故障清除且電壓恢復(fù)后,q軸無(wú)功電流指令iqref立即恢復(fù)至故障前的值iq0,d軸有功電流指令idref以Kidref的斜率逐漸恢復(fù)。當(dāng)有功電流恢復(fù)后,逆變器切回至正?？刂撇呗浴?/p>

需要指出的是,不同品牌逆變器的控制實(shí)現(xiàn)方式各異,但控制策略和控制目標(biāo)大體相似,上述控制策略是一種典型策略。將逆變器的子模塊進(jìn)行整合,分別合并為三個(gè)環(huán)節(jié):直流電壓變換環(huán)節(jié)、交流電流指令環(huán)節(jié)和交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)。其中,直流電壓變換環(huán)節(jié)的目標(biāo)是控制組串電壓,交流電流指令環(huán)節(jié)的目標(biāo)是生成dq軸電流指令idref和iqref,交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的目標(biāo)是使輸出電流響應(yīng)交流電流指令。

集中式逆變器控制結(jié)構(gòu)與組串式逆變器類似,其中雙級(jí)集中式逆變器控制也包含上述三個(gè)環(huán)節(jié),而單級(jí)集中式逆變器不包含直流電壓變換環(huán)節(jié)。集中式逆變器各環(huán)節(jié)的控制策略參考組串式逆變器的分析,不再贅述。

2 光伏逆變器的低電壓穿越特性分析

2.1 低電壓穿越的物理過(guò)程

在整個(gè)低電壓穿越過(guò)程中,逆變器先后經(jīng)歷了“正常控制策略—故障穿越控制策略—正?？刂撇呗浴钡那袚Q過(guò)程,運(yùn)行工作點(diǎn)大范圍波動(dòng)。故障發(fā)生后,交流電流指令環(huán)節(jié)輸出有功和無(wú)功電流指令,交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)能夠迅速響應(yīng)指令,響應(yīng)時(shí)間大約為10 ms[4-5]。在大電網(wǎng)分析中,可以簡(jiǎn)化交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的響應(yīng)過(guò)程[2],認(rèn)為

(3)

式中:P和Q分別為有功功率和無(wú)功功率;ud為d軸電壓;id和iq分別為有功電流和無(wú)功電流。

對(duì)于直流母線電容C有:

(4)

式中:PPV為光伏組串的輸出功率。

電壓跌落,P隨之突降,直流母線電容兩側(cè)出現(xiàn)功率不平衡,直流母線電壓Udc突升。對(duì)于Boost直流升壓電路,有

UPV=(1-d)Udc

(5)

由于d的調(diào)節(jié)存在滯后,組串側(cè)電壓UPV也隨著Udc突升。忽略輻照度變化,則光伏組串的輸出功率PPV由光伏組串固有的功率—電壓曲線決定,有

PPV=f(UPV)

(6)

UPV突升并越過(guò)最大功率點(diǎn)a,PPV突降至新的平衡點(diǎn)b,如附錄A圖A2所示。在直流控制器的作用下,逆變器調(diào)整直流母線電壓,隨后進(jìn)入低電壓穿越過(guò)程中的穩(wěn)態(tài)階段。

故障清除后,控制器切換回正?？刂撇呗?逆變器逐漸恢復(fù)故障前狀態(tài)。綜上所述,可以發(fā)現(xiàn):①交流電流指令環(huán)節(jié)為主導(dǎo)環(huán)節(jié),其直接決定了交流側(cè)的電流和功率輸出,而交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)迅速響應(yīng)指令;②PPV和P通過(guò)直流母線電容耦合,直流電壓變換環(huán)節(jié)會(huì)跟隨交流側(cè)功率調(diào)整運(yùn)行工作點(diǎn);③Q與直流電壓變換環(huán)節(jié)的耦合關(guān)系較弱。

2.2 各環(huán)節(jié)對(duì)低電壓穿越特性的影響

低電壓穿越特性呈現(xiàn)非線性離散化的特征,采用線性化建?；蝾l域分析方法的難度較大。由于電磁暫態(tài)模型能夠反映開(kāi)關(guān)器件的高頻開(kāi)通關(guān)斷狀態(tài),非常貼近逆變器實(shí)際物理過(guò)程,因此下面采用時(shí)域仿真方法研究各環(huán)節(jié)對(duì)逆變器暫態(tài)特性的影響。通過(guò)修改各環(huán)節(jié)的參數(shù)或電路結(jié)構(gòu),分析修改前后的響應(yīng)特性差異,差異越大,則表明響應(yīng)特性對(duì)該環(huán)節(jié)越敏感,該環(huán)節(jié)的影響也越大。

以三組串式逆變器和單級(jí)集中式逆變器為例,在MATLAB/Simulink軟件中搭建了兩種逆變器的電磁暫態(tài)模型,逆變器的主要參數(shù)如附錄A表A1和表A2所示。MPPT在故障期間被閉鎖,對(duì)特性影響較小。為了簡(jiǎn)化分析,MPPT參考電壓始終設(shè)為固定值。

2.2.1直流電壓變換環(huán)節(jié)的影響

由于單級(jí)集中式逆變器無(wú)直流電壓變換環(huán)節(jié),本節(jié)僅對(duì)組串式逆變器開(kāi)展分析。設(shè)定4組不同的直流電壓變換環(huán)節(jié)參數(shù),如附錄A表A3所示,通過(guò)比較不同參數(shù)下逆變器響應(yīng)的差異性,分析直流電壓變換環(huán)節(jié)的影響。

圖2給出了組串式逆變器的響應(yīng)曲線,交流側(cè)電氣量均處理為基波正序分量。故障發(fā)生后,逆變器切換至故障控制策略,有功功率迅速下降,導(dǎo)致輸入功率大于輸出功率,直流電容充電,組串電壓UPV1和Udc均升高。同時(shí),逆變器輸出無(wú)功功率Q支撐電網(wǎng)電壓。故障清除后,無(wú)功功率迅速恢復(fù)至0,有功功率P以一定的斜率上升,逐漸恢復(fù)至故障前的值,直流電壓緩緩下降。當(dāng)有功功率恢復(fù)后,逆變器切回正?？刂撇呗?。

圖2 直流電壓變換環(huán)節(jié)的影響Fig.2 Impact of convert part for DC voltage

分析仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

1)直流電壓變換環(huán)節(jié)對(duì)直流電壓Udc的影響非常大。Udcmax參數(shù)越小,且比例系數(shù)KUdc越大,則Udc的過(guò)壓現(xiàn)象越弱。其中參數(shù)組A4在故障期間的Udc值最小,被限制在1 030 V以下。

2)直流電壓變換環(huán)節(jié)對(duì)交流側(cè)輸出功率P,Q和組串輸入電壓UPV1的影響較小。由于逆變器的交直隔離作用,P和Q的響應(yīng)曲線在4組參數(shù)下基本重合。

3)直流電壓變換環(huán)節(jié)會(huì)影響策略切換過(guò)程中的超調(diào)量。參數(shù)組A1的有功功率超調(diào)量最大,而參數(shù)組A4則剛好相反。

2.2.2交流電流指令環(huán)節(jié)的影響

設(shè)定三組不同的交流電流指令環(huán)節(jié)參數(shù),如附錄A表A4所示,分析交流電流指令環(huán)節(jié)對(duì)逆變器暫態(tài)特性的影響,仿真結(jié)果如圖3所示。

分析仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

1)交流電流指令環(huán)節(jié)對(duì)交流側(cè)輸出功率有決定性的影響,同時(shí)對(duì)直流側(cè)的影響也非常顯著,這是因?yàn)榻涣鱾?cè)有功功率會(huì)直接影響直流側(cè)功率,進(jìn)而影響直流電壓。

圖3 交流電流指令環(huán)節(jié)的影響Fig.3 Impact of command part for AC current

2)有功電流設(shè)定值Id,LVRT越大,逆變器故障期間的有功輸出越大,故障恢復(fù)時(shí)間越短。

3)無(wú)功電流支撐系數(shù)Kq,LV越大,逆變器故障期間的無(wú)功輸出越大,對(duì)電網(wǎng)電壓Ug的支撐越強(qiáng),但需要注意逆變器過(guò)流保護(hù)。

4)有功電流恢復(fù)斜率Kidref越大,故障恢復(fù)時(shí)間越短。

2.2.3交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的影響

針對(duì)兩電平半橋拓?fù)?、二極管鉗位型三電平拓?fù)浜蚑形三電平拓?fù)淙N常見(jiàn)的逆變電路拓?fù)?分析交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)對(duì)逆變器暫態(tài)特性的影響,仿真結(jié)果如圖4所示。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種拓?fù)涞哪孀兤髦绷鱾?cè)和交流側(cè)響應(yīng)基本一致,差異主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)。

1)電壓跌落期間,由于二極管鉗位型拓?fù)浜蚑形三電平拓?fù)涑霈F(xiàn)了中點(diǎn)電壓不平衡現(xiàn)象,控制性能下降,直流電壓小幅振蕩,半橋拓?fù)洳淮嬖谥悬c(diǎn)不平衡問(wèn)題,曲線較為平滑。

2)逆變器切回正?？刂撇呗詴r(shí),電壓和功率的超調(diào)量略有差異。

2.3 交流電流指令環(huán)節(jié)參數(shù)測(cè)試方法

由于逆變器的交流側(cè)特性直接影響電網(wǎng),下面重點(diǎn)關(guān)注交流側(cè)特性。從仿真結(jié)果可以看出,交流電流指令環(huán)節(jié)對(duì)交流特性的影響最大,其次是直流電壓變換環(huán)節(jié),而交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的影響較小。在分析交流暫態(tài)特性時(shí),可以認(rèn)為交流電流指令環(huán)節(jié)是其關(guān)鍵主導(dǎo)環(huán)節(jié),暫態(tài)特性分析的關(guān)鍵就在于尋找交流電流指令環(huán)節(jié)規(guī)律。

圖4 交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的影響Fig.4 Impact of response part for AC current

在對(duì)多個(gè)品牌型號(hào)逆變器特性分析的工程實(shí)踐中,本文給出了一種通用化交流電流指令環(huán)節(jié)參數(shù)測(cè)試方法。首先搭建試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)[15],主要包括模擬直流源、逆變器和電網(wǎng)擾動(dòng)發(fā)生裝置,如附錄A圖A3所示。通過(guò)引入低電壓故障,辨識(shí)交流電流指令公式的參數(shù),最后搭建模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖5給出了參數(shù)測(cè)試的基本流程。

圖5 參數(shù)測(cè)試流程Fig.5 Flow chart of parameter test

1)設(shè)定逆變器運(yùn)行工況,使逆變器有功功率(以下采用標(biāo)幺值表示)分別運(yùn)行在大功率(0.7～1)、中等功率(0.4～0.6)和小功率(0.1～0.3)工況下,無(wú)功功率分別運(yùn)行在零無(wú)功輸出、感性無(wú)功功率(QL≥0.5Qmax)、容性無(wú)功功率(QC≥0.5Qmax)工況下,Qmax為逆變器最大無(wú)功出力。

2)設(shè)置低電壓故障,使逆變器交流側(cè)電壓(以下采用標(biāo)幺值表示)分別跌落至0～0.2,0.2～0.3,0.5～0.6,0.7～0.9區(qū)間,必要時(shí)可增加故障測(cè)試點(diǎn)。

3)計(jì)算電壓故障前和故障期間的有功電流和無(wú)功電流穩(wěn)態(tài)值,穩(wěn)態(tài)值計(jì)算方法可參考標(biāo)準(zhǔn)[15],同時(shí)計(jì)算故障恢復(fù)期間的電流恢復(fù)速率。

4)相同的試驗(yàn)至少兩次,并校驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性,試驗(yàn)需要可重復(fù)。

5)區(qū)分工況,考慮過(guò)流保護(hù)作為邊界條件,辨識(shí)交流電流指令公式的參數(shù)。有功/無(wú)功電流穩(wěn)態(tài)值與指令值相等,無(wú)功電流指令公式為:

Iq=Iqref=min(Kq,LV(ULV-Uterm)+

KIq0,flagIq0+Iq0,LV,Iqmax,LV)

(7)

式中:Iq為低電壓穿越期間的無(wú)功電流;Kq,LV為無(wú)功電流支撐系數(shù);ULV為進(jìn)入低電壓穿越控制的電壓閾值;KIq0,flag為無(wú)功電流疊加標(biāo)志系數(shù);Iq0為進(jìn)入低電壓穿越控制前的無(wú)功電流;Iq0,LV為低電壓穿越的無(wú)功電流起始值;Iqmax,LV為低電壓穿越控制期間的最大無(wú)功電流。已知量包括Iq,Iq0,Uterm;待辨識(shí)參數(shù)包括Kq,LV,ULV,KIq0,flag,Iq0,LV,Iqmax,LV。

對(duì)不同次試驗(yàn)中逆變器提供的無(wú)功電流值Iq按照大小進(jìn)行排序,取其最大值為Iqmax,LV。在相同電壓跌落深度試驗(yàn)中,若不同的無(wú)功初始工況下逆變器發(fā)出的無(wú)功電流相同,表明無(wú)功電流輸出與Iq0無(wú)關(guān),取KIq0,flag為0;反之,取KIq0,flag為1。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19964—2012的低電壓穿越要求,取ULV為典型值0.9。剔除逆變器達(dá)到限值Iqmax,LV的測(cè)試數(shù)據(jù),則式(7)滿足:

Iq=Kq,LV(ULV-Uterm)+KIq0,flagIq0+Iq0,LV

(8)

此時(shí)未知量?jī)H剩下Kq,LV和Iq0,LV,其余均為已知量。公式簡(jiǎn)化為一個(gè)一元線性方程,利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析即可辨識(shí)Kq,LV和Iq0,LV,具體方法可參閱文獻(xiàn)[20]。

有功電流指令公式為:

Id=Idref=

(9)

式中:Id為低電壓穿越期間的有功電流;P0為進(jìn)入低電壓穿越控制前的有功功率;Imax,FRT為進(jìn)入低電壓穿越控制期間的最大電流;Kp1,FRT為有功電流系數(shù)1;Kp2,FRT為有功電流系數(shù)2;Id0為進(jìn)入低電壓穿越控制前的有功電流;Id0,FRT為低電壓穿越的有功電流起始值;Id,flag為低電壓穿越期間的有功電流限幅標(biāo)志位。已知量包括Id,Iq,P0,Id0,Uterm;待辨識(shí)參數(shù)包括Imax,FRT,Kp1,FRT,Kp2,FRT,Id0,FRT,Id,flag。

對(duì)不同次試驗(yàn)中逆變器電流值I按照大小進(jìn)行排序,取其最大值為Imax,FRT。假設(shè)Id,flag=0,根據(jù)式(9)得到有功電流估計(jì)值Id,est1,i,并計(jì)算估計(jì)值與實(shí)際測(cè)試值Id,i的殘差平方和RSS1。

(10)

式中:n為試驗(yàn)總次數(shù)；i為試驗(yàn)次數(shù)編號(hào)。

假設(shè)Id,flag=1,計(jì)算估計(jì)值Id,est2,i與實(shí)際測(cè)試值Id,i的殘差平方和RSS2。

(11)

假設(shè)Id,flag=2,在相同電壓跌落深度試驗(yàn)中,若不同的有功初始工況下逆變器發(fā)出的有功電流相同,表明有功電流輸出與Id0無(wú)關(guān),取Kp1,FRT為0;反之,取Kp1,FRT為1。此時(shí)未知量?jī)H剩下Kp2,FRT和Id0,FRT,其余均為已知量。式(9)簡(jiǎn)化為一個(gè)一元線性方程,利用最小二乘法進(jìn)行線性回歸分析即可辨識(shí)Kp2,FRT和Id0,FRT[20]。計(jì)算估計(jì)值Id,est3,i與實(shí)際測(cè)試值Id,i的殘差平方和RSS3。

(12)

對(duì)比RSS1,RSS2,RSS3,殘差平方和越小,表明擬合程度越好,取殘差平方和最小的假設(shè)成立。若RSS1最小,則Id,flag=0,以此類推。

6)將指令公式代入仿真模型中,將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,進(jìn)行模型驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 組串式逆變器試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)某品牌型號(hào)的三組串式逆變器進(jìn)行試驗(yàn),被測(cè)逆變器額定功率36 kW,采用T形三電平拓?fù)?內(nèi)部控制策略和參數(shù)未公開(kāi)。在不同運(yùn)行工況下對(duì)逆變器進(jìn)行了多次試驗(yàn),計(jì)算故障前和故障期間逆變器的有功電流和無(wú)功電流穩(wěn)態(tài)值,并測(cè)得有功電流恢復(fù)速率為每秒1.25。根據(jù)參數(shù)測(cè)試流程,得到交流電流指令公式為:

iqref=min(2(0.9-Uterm),1.08)

(13)

idref=0.16

(14)

將式(13)和式(14)代入電磁暫態(tài)模型中仿真。此外,模型在控制策略切換瞬間有電流變化速率限制,避免電流變化過(guò)快,變化速率具體值根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整即可。

為了驗(yàn)證2.2節(jié)中關(guān)于主導(dǎo)環(huán)節(jié)的分析結(jié)論,在仿真模型中,僅主導(dǎo)環(huán)節(jié)與實(shí)際逆變器保持一致,而在非主導(dǎo)環(huán)節(jié)與實(shí)際逆變器制造差異。其中,交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)沒(méi)有采用被測(cè)逆變器的T形三電平拓?fù)?而是選擇兩電平半橋拓?fù)?直流電壓變換環(huán)節(jié)仿真中采用典型參數(shù)設(shè)置;交流電流指令環(huán)節(jié)根據(jù)試驗(yàn)和辨識(shí)結(jié)果設(shè)置參數(shù)。在交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)和直流電壓變換環(huán)節(jié)與實(shí)際差異較大的情況下,如果仿真模型依然可以較好地模擬逆變器的低電壓穿越特性,那就表明低電壓穿越特性對(duì)這兩個(gè)環(huán)節(jié)的敏感程度確實(shí)較低,而關(guān)鍵在于交流電流指令環(huán)節(jié)。

故障前保持逆變器在大功率工況下穩(wěn)定運(yùn)行10 s以上,隨后設(shè)置故障使電網(wǎng)電壓跌落至0.5～0.6區(qū)間,試驗(yàn)曲線和仿真曲線對(duì)比情況如圖6(a)所示。試驗(yàn)曲線和仿真曲線基本重合,具有很好的一致性。參照模型驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)[15],對(duì)模型的準(zhǔn)確度進(jìn)行量化評(píng)估,如附錄B表B1所示。表中單位為標(biāo)幺值,F1表示穩(wěn)態(tài)區(qū)間的平均偏差,F2表示暫態(tài)區(qū)間的平均偏差,F3表示穩(wěn)態(tài)區(qū)間的最大偏差,FG表示加權(quán)偏差。附錄B圖B1(a)和表B2給出了電網(wǎng)電壓跌落至0～0.2區(qū)間時(shí)試驗(yàn)和仿真的對(duì)比情況。模型驗(yàn)證結(jié)果表明,測(cè)量值與仿真值的偏差非常小,仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映逆變器的交流暫態(tài)特性。試驗(yàn)結(jié)果與主導(dǎo)環(huán)節(jié)分析結(jié)論是一致的,低電壓穿越特性分析需重點(diǎn)關(guān)注交流電流指令環(huán)節(jié),而交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)和直流電壓變換環(huán)節(jié)的影響相對(duì)較弱。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)測(cè)試方法對(duì)組串式逆變器的適應(yīng)性和有效性。

3.2 集中式逆變器試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)某品牌型號(hào)的集中式逆變器進(jìn)行試驗(yàn),被測(cè)逆變器額定功率500 kW,內(nèi)部控制策略和參數(shù)未公開(kāi)。根據(jù)參數(shù)測(cè)試流程,得到交流電流指令公式為式(15)和式(16),并測(cè)得有功電流恢復(fù)速率為每秒10。

圖6 故障電壓0.5～0.6時(shí)試驗(yàn)與仿真結(jié)果的對(duì)比Fig.6 Comparison between simulation and test results when fault voltage is 0.5～0.6

iqref=min(1.53(0.9-Uterm),1.05)

(15)

(16)

故障前保持逆變器在大功率工況下穩(wěn)定運(yùn)行10 s以上,隨后設(shè)置故障使電網(wǎng)電壓跌落至0.5～0.6區(qū)間,圖6(b)和附錄B表B3給出了試驗(yàn)曲線和仿真曲線對(duì)比情況。附錄B圖B1(b)和表B4給出了電網(wǎng)電壓跌落至0～0.2區(qū)間時(shí)試驗(yàn)和仿真的對(duì)比情況。試驗(yàn)曲線和仿真曲線基本重合,模型驗(yàn)證結(jié)果證明了指令公式和仿真模型的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了參數(shù)測(cè)試方法對(duì)集中式逆變器的適應(yīng)性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)逆變器的低電壓穿越特性和參數(shù)測(cè)試方法開(kāi)展了研究,得出以下結(jié)論。

1)逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與策略復(fù)雜,但可以整合為三個(gè)環(huán)節(jié):直流電壓變換環(huán)節(jié)、交流電流指令環(huán)節(jié)和交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)。

2)組串式逆變器和集中式逆變器在交流特性方面具有相似之處,交流電流指令環(huán)節(jié)是交流暫態(tài)特性的主導(dǎo)環(huán)節(jié),直流電壓變換環(huán)節(jié)和交流電流響應(yīng)環(huán)節(jié)的影響相對(duì)較弱。

3)在逆變器控制策略和參數(shù)未公開(kāi)的情況下,通過(guò)參數(shù)測(cè)試的方法,尋找交流電流指令環(huán)節(jié)規(guī)律,可以有效地掌握逆變器的低電壓穿越特性。該方法已在多個(gè)品牌型號(hào)的逆變器特性分析中得到應(yīng)用。

本文的研究是在強(qiáng)電網(wǎng)條件下分析的,逆變器接入弱電網(wǎng)時(shí),電流控制性能下降,主導(dǎo)環(huán)節(jié)的分析還值得進(jìn)一步研究。

本文受到中國(guó)電力科學(xué)研究院科技項(xiàng)目(NY-83-17-004)的資助,特此感謝!

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。