胡雪凱張 乾胡文平王卓然

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司,河北 石家莊 050070)

0 引言

隨著新能源發(fā)電的迅猛發(fā)展,分布式光伏電源高滲透接入配電網(wǎng),給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的挑戰(zhàn)[1-4]。由于其出力的隨機(jī)性、波動性等特點(diǎn),在對含分布式光伏電源的電網(wǎng)進(jìn)行計算分析時,如何建立合理精確的模型成為首要問題[5-6]。

作為光伏發(fā)電單元的核心環(huán)節(jié),DC/AC 變換電路及其控制策略決定了逆變器的性能優(yōu)劣[7-8]。對此,文獻(xiàn)[9]給出一種比例——諧振(PR)控制策略,在兩相靜止坐標(biāo)下,為實(shí)現(xiàn)電流控制器對輸出的電流直接進(jìn)行調(diào)節(jié),將無窮大增益加到了諧振頻率上的交流分量上,從而能夠調(diào)節(jié)輸出電流的正、負(fù)序分量而不再需要進(jìn)行正、負(fù)序分解。文獻(xiàn)[10-12]闡述了幾種光伏微型逆變器中的功率解耦控制方法。文獻(xiàn)[13]為減小正、負(fù)序分解對光伏發(fā)電單元性能的影響,給出了一種基于電流預(yù)測的控制策略。這些控制策略為開展含分布式光伏電源的電網(wǎng)計算分析,奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

針對兩級式光伏電源,從其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā),搭建了abc坐標(biāo)系下的逆變器數(shù)學(xué)模型。然后通過dq坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和引入了前饋補(bǔ)償,建立了基于雙閉環(huán)控制的兩級式光伏電源模型。最后RTDS進(jìn)行正常及故障工況下的仿真驗(yàn)證了所提模型的適用性。

1 兩級式光伏電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1為兩級光伏電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用兩級功率變換光伏并網(wǎng)三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全控器件開關(guān)可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行控制。

圖1 兩級式光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中C表示直流母線穩(wěn)壓電容,u dc表示直流母線電壓,L表示網(wǎng)側(cè)濾波電感,R表示開關(guān)損耗電阻和濾波電感內(nèi)阻之和;e a,e b,e c和u a,u b,u c分別表示電網(wǎng)電動勢與逆變器交流側(cè)出口電壓;i a,i b,i c表示逆變器交流側(cè)三相并網(wǎng)電流;S1-S6表示全控器件開關(guān)的脈沖信號輸入端口。

當(dāng)光伏陣列規(guī)模較小、直流電壓無法滿足直交變換要求時,可以在逆變器的直流側(cè)加裝Boost斬波電路先進(jìn)行直流側(cè)升壓,為光伏陣列提供更加寬裕的運(yùn)行電壓區(qū)間,使得直流側(cè)光伏陣列的電壓配置更加靈活[14]。同時,Boost電路實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最大功率跟蹤功能,通過適當(dāng)?shù)目刂品桨缚梢越档蛿夭娐返妮斎腚妷翰▌?從而提高最大功率點(diǎn)跟蹤的準(zhǔn)確性。此時,整個逆變器電路由兩級即DC/DC(前級)、DC/AC(后級)組成,控制方案分散到2個功率環(huán)節(jié)中,有利于簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計。其中,DC/AC 變換電路的控制設(shè)計是整個逆變器的核心環(huán)節(jié)。

2 兩級式光伏電源建模

2.1 abc 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型

為深入分析DC/AC變換電路,有必要對其建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,為控制系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。任何時刻,每相有且只有一個開關(guān)器件處于導(dǎo)通狀態(tài),可對開關(guān)函數(shù)s k定義如下:

對圖1 所示結(jié)構(gòu)運(yùn)用基爾霍夫電壓定律可得:

由圖1結(jié)合式(1)的開關(guān)函數(shù)可得:

根據(jù)電壓電流平衡關(guān)系,可得:

因此,將式(2)中各式相加得:

綜合式(1)-(5)可得三相并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型:

2.2 復(fù)頻域下的數(shù)學(xué)模型

abc坐標(biāo)系下的逆變器數(shù)學(xué)模型物理意義明確,但是各相電壓、電流均與另外兩相相互耦合,且各變量均為工頻交流量,給逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計帶來困難。而三相對稱的電網(wǎng)電壓、電流變換到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下均為恒定的直流量,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制,從而幫助簡化逆變器控制系統(tǒng)的設(shè)計。

逆變器交流側(cè)輸出電壓u a,u b,u c,根據(jù)式(6)中數(shù)學(xué)模型可得:

為方便表述,將式(7)寫成向量形式:

式中:u=[u a,u b,u c]T,e=[e a,e b,e c]T,i=[i a,i b,i c]T。

由派克變換可知:

式中:C32為派克變換矩陣。

將式(9)代入(8)可得逆變器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

對式(10)兩邊進(jìn)行拉式變換,可得復(fù)頻域下的逆變器數(shù)學(xué)模型(假設(shè)零初始狀態(tài)):

式(11)中逆變器模型可用圖2(a)中框圖表示,d軸和q軸之間耦合關(guān)系會使控制器的設(shè)計變得困難。為實(shí)現(xiàn)d、q軸之間的解耦方便控制器的設(shè)計,在逆變器交流側(cè)出口電壓中分別引入了前饋量——ωLIq(s)和ωLId(s),與原有耦合量抵消。實(shí)際電網(wǎng)中各種擾動會導(dǎo)致逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生波動,為使控制器不受電網(wǎng)電壓波動的影響,在逆變器交流側(cè)出口電壓中引入對應(yīng)的電網(wǎng)電壓前饋量E d(s)和E q(s)。引入前饋補(bǔ)償量后的逆變器模型框圖如圖2(b)所示,虛線前為引入的補(bǔ)償量。

2.3 雙閉環(huán)控制模型

圖2 逆變器復(fù)頻域模型框

基于電網(wǎng)電壓矢量定向的雙閉環(huán)PI的控制設(shè)計具有穩(wěn)態(tài)無誤差跟蹤,動態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[15],在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。逆變器控制框圖如圖3所示,直流電壓外環(huán)控制穩(wěn)定電壓的同時,輸出內(nèi)環(huán)有功電流指令值i d*,內(nèi)環(huán)無功電流指令值i q*一般視電網(wǎng)電壓跌落程度給定。考慮到逆變器功率開關(guān)器件耐壓通流能力有限,電流內(nèi)環(huán)引入電流限幅環(huán)節(jié)限制逆變器最大輸出電流。

圖3 兩級式光伏并網(wǎng)逆變器控制器框

當(dāng)網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障導(dǎo)致直流母線電壓升高時,光伏陣列電源特性幫助直流母線重新恢復(fù)功率平衡,因此無需額外的卸荷措施。故障全過程中,直流母線電壓均能維持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。嚴(yán)重故障下,通過電流限幅器將光伏逆變器短路電流限制在最大允許范圍之內(nèi),使得逆變器不會因過流而脫網(wǎng)。兩級式光伏電源模型能夠?qū)⒘鬟^逆變器的電流維持在最大允許值之內(nèi),且故障后直流電容電壓工作在安全允許范圍內(nèi),滿足實(shí)際光伏電源的運(yùn)行要求。

由于圖3中雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是在三相平衡條件下設(shè)計的,僅有正序分量能得到較好的控制。在電網(wǎng)三相不平衡及電壓跌落條件下,負(fù)序電壓將在控制回路引起二倍頻的波動分量,造成逆變器輸出故障電流畸變和過流問題,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)。此時光伏逆變器采用具有無功支撐能力的故障控制策略,通常將外環(huán)控制閉鎖,對電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行直接控制。

在配網(wǎng)故障時,無功參考電流變化量與并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差呈線性關(guān)系:

式中:U P0為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓;U P.f為故障電壓標(biāo)幺值;K為無功支撐比例系數(shù),一般取2。

有功電流盡量使有功輸出達(dá)到給定參考值Pref:

考慮到逆變器短路容量的限制,逆變器允許輸出的最大短路電流為其額定電流的1.2倍。為了支撐系統(tǒng)電壓,逆變器故障控制策略以無功輸出優(yōu)先,有功電流則在逆變器允許的過流能力下使有功輸出達(dá)到給定參考值:

3 仿真驗(yàn)證

在RTDS實(shí)時數(shù)字仿真平臺搭建兩級光伏電源所采用的雙閉環(huán)控制詳細(xì)模型,這里以光伏出線AB相發(fā)生接地短路為例。為驗(yàn)證所建光伏并網(wǎng)模型的正確性,需要分別在正常運(yùn)行和故障運(yùn)行工況下,對并網(wǎng)逆變器各項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行分析。

光伏電源正常并網(wǎng)運(yùn)行,0.5 s以前MPPT 功能閉鎖,逆變器直流母線電壓追蹤給定指令值基本保持恒定,能夠保證直交變換的電壓輸出要求。并網(wǎng)運(yùn)行0.5 s后,開放MPPT 環(huán)節(jié)追蹤最大功率點(diǎn),如圖4所示,0.5～0.65 s期間Boost電路占空比D持續(xù)減小,而直流母線電壓依舊維持在原來水平,則占空比D的減小使光伏陣列兩端電壓不斷增大,期間光伏逆變器輸出有功功率不斷增加,如圖5所示?？梢?MPPT 環(huán)節(jié)開放后,Boost電路能夠有效實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制,實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)效率的最大化。同時,光伏并網(wǎng)后輸出三相電流的波形總畸變率始終低于5%,能夠滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求,驗(yàn)證了所建模型在正常運(yùn)行工況的合理性。

圖4 Boost電路開關(guān)占空比D

圖5 逆變器輸出有功功率

當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生對稱故障時,逆變器出口電壓出現(xiàn)跌落,由于并網(wǎng)電流無法突變,造成逆變器輸出有功功率降低,將導(dǎo)致逆變器直流母線電壓短時內(nèi)升高,如圖6。故障穩(wěn)態(tài)期間,逆變器輸出故障電流幅值受限,逆變器輸出有功功率無法恢復(fù)至故障前水平,造成直流母線電壓維持在較高水平?？紤]到光伏電池板自身特性,光伏陣列兩端電壓的升高將降低自身出力,直流母線電壓不會高于陣列自身的開路電壓,維持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。逆變器根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落程度進(jìn)行無功補(bǔ)償,在確保逆變器不過流的情況下,其輸出有功、無功功率如圖7所示。上述仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建模型在對稱故障下具有較好的故障輸出性能,能夠滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求。

圖6 直流母線電壓

圖7 逆變器輸出有功和無功功率

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時,逆變器并網(wǎng)點(diǎn)電壓如圖8所示。由于所建模型在故障期間閉鎖功率電壓外環(huán),根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓跌落情況直接給定內(nèi)環(huán)電流指令值,因此不對稱故障期間逆變器輸出三相電流仍保持三相對稱,僅含正序分量。故障后逆變器輸出電流無法突變,直流母線電壓短時內(nèi)升高,如圖9所示。并網(wǎng)電壓的負(fù)序分量引起功率的2倍工頻波動,如圖10所示,進(jìn)而引起逆變器直流側(cè)電壓的2倍工頻波動。同樣得益于光伏電池板的自身特殊的電源特性,故障期間直流母線電壓能夠維持在安全運(yùn)行范圍。

圖8 逆變器并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓

圖9 逆變器直流母線電壓

圖10 逆變器輸出有功功率和無功功率

4 結(jié)論

從兩級式光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā),導(dǎo)出了復(fù)頻域下的逆變器模型,進(jìn)而建立了基于雙閉環(huán)控制的兩級式光伏電源模型,并針對正常并網(wǎng)運(yùn)行、對稱故障及不對稱故障3種工況,對所建模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果證明,正常并網(wǎng)運(yùn)行時,所建兩級式光伏電源模型能滿足各項(xiàng)并網(wǎng)指標(biāo);電網(wǎng)故障條件下,所建模型能夠?qū)⒘鬟^逆變器的電流維持在最大允許值之內(nèi),且故障后直流母線電壓工作在安全運(yùn)行范圍內(nèi),滿足實(shí)際光伏電源的運(yùn)行要求,即所建模型能夠適用于實(shí)際工程項(xiàng)目應(yīng)用分析。