范麗君，黃 鑫

(1.國網(wǎng)上海市電力公司嘉定供電公司，上海 201800；2.國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122)

隨著大型光伏電站在電網(wǎng)中滲透率的不斷提高，未來更容易引發(fā)因設(shè)備故障、脫網(wǎng)而導(dǎo)致的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等問題[1-2]。對此，我國針對大型光伏電站并網(wǎng)運行制定了相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)則[3]。其中，要求光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓驟降(通常由電網(wǎng)故障引起)時需具備保持與電網(wǎng)相連并繼續(xù)維持運行，并在必要時向電網(wǎng)提供動態(tài)無功支撐以幫助電壓快速恢復(fù)的能力，即低電壓穿越(Low Voltage Ride Through, 簡稱LVRT)能力，具體要求如圖1所示。此外，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低壓故障時，光伏陣列無法向外輸送功率，導(dǎo)致能量堆積在直流側(cè)，無法有效地轉(zhuǎn)移或消耗，造成直流母線電壓短時間內(nèi)急劇升高，極易引發(fā)變流器開關(guān)器件因過流過熱而燒毀，故還需對光伏直流側(cè)電壓加以控制，以避免過電壓事件的發(fā)生。

圖1 光伏電站低電壓穿越的能力要求

針對這一目標(biāo)，現(xiàn)有研究多是將不平衡故障下的各個分量進行正負序分解，并針對不同的參考坐標(biāo)系提出電壓跌落故障下的并網(wǎng)電流參考值計算方法，進而設(shè)計相應(yīng)的電流跟蹤控制策略[4-5]。文獻[6]提出采用負序電壓前饋的方法來消除電壓跌落時并網(wǎng)電流中的負序分量，使并網(wǎng)電流三相平衡且正弦，但其無法抑制有功、無功功率產(chǎn)生的二倍頻振蕩，交流側(cè)的功率振蕩會加劇光伏直流側(cè)電壓的波動，進而造成設(shè)備運行失穩(wěn)；文獻[7]以抑制電壓跌落時的功率振蕩為目標(biāo)，設(shè)計了基于電流預(yù)測的逆變器控制方法，然而該方法是將源側(cè)簡化為理想直流源，未考慮光伏直流側(cè)的電壓控制；文獻[8]采用增加耗能Crowbar的方法來消耗電壓跌落時直流側(cè)多余的能量以防止直流母線電壓過高，但該方法增加了硬件成本。

綜上所述，本文提出一種提高單級光伏電站LVRT能力的綜合控制策略，并通過Matlab/Simulink搭建了光伏并網(wǎng)發(fā)電模型，對所提控制策略進行仿真驗證，仿真結(jié)果證明該方法的有效性。

1 單級式光伏電站工作原理

圖2 電網(wǎng)正常運行時光伏系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

2 所提LVRT控制策略

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障并導(dǎo)致公共耦合點(PCC)的電壓下降至LVRT曲線(圖1)包絡(luò)范圍內(nèi)時，逆變器須立即從正常運行模式切換至LVRT運行模式，所提LVRT綜合控制策略控制框圖如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)故障時的LVRT控制策略

電壓降落檢測單元用于快速、精確地檢測電壓降落信號，并自動將系統(tǒng)從正常運行模式切換到低電壓運行模式；直流電壓控制單元、交流電流限制單元以及無功電流控制單元，根據(jù)技術(shù)規(guī)范分別用以保護逆變器避免直流母線電壓過高、交流側(cè)發(fā)生過電流，同時注入無功功率以實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓的動態(tài)支撐。所提控制策略的工作流程見圖4，下面針對每個控制單元作具體說明。

圖4 所提LVRT控制策略工作流程

2.1 電網(wǎng)低電壓檢測方案

當(dāng)發(fā)生電壓驟降時，LVRT控制應(yīng)盡快將逆變器控制模式由正常狀態(tài)下的雙環(huán)控制切換至低電壓運行模式，其關(guān)鍵是擁有快速、精確的低電壓檢測單元。近年來，有多重低電壓檢測方法應(yīng)用于光伏設(shè)備中，如電網(wǎng)電壓峰值檢測法、矢量控制檢測法等。這類方法動態(tài)響應(yīng)較慢，并且較依賴硬件設(shè)備[11]。所提LVRT控制策略中采用均方根計算法，通過式(1)計算網(wǎng)側(cè)電壓dq軸分量的均方根值，該方法既可保證監(jiān)測的快速性，并且不需要額外的硬件設(shè)備。

(1)

式中Vgr——網(wǎng)側(cè)電壓均方根值；Vgd——網(wǎng)側(cè)電壓d軸分量；Vgd——網(wǎng)側(cè)電壓q軸分量。

2.2 直流側(cè)過壓限制方案

受電壓跌落的影響，逆變器輸出的有功功率一般將小于光伏電池的輸出功率，多余的能量儲存在母線電容中，導(dǎo)致母線電壓不斷增大，最終觸發(fā)過電壓保護脫網(wǎng)造成低電壓穿越失敗。因此，在低電壓穿越期間需采用降MPPT運行的方式，從而將光伏電池的輸出功率Ppv不大于逆變器的輸出的有功功率Po。

圖5 光伏電池P-V特性曲線

2.3 逆變器輸出電流控制策略

由于電力電子逆變器過流能力較弱，當(dāng)過電流發(fā)生時極易引發(fā)逆變器脫網(wǎng)或開關(guān)器件燒毀。為此，首先應(yīng)采取一定的限流措施，將其限制在最大允許電流(通常為1.1倍的額定電流)以內(nèi)。同時，逆變器應(yīng)發(fā)出一定的無功功率以幫助電網(wǎng)電壓恢復(fù)。光伏電站在電網(wǎng)電壓驟降下指定的無功電流注入量如圖6所示。

圖6 無功電流與電壓支撐的關(guān)系

當(dāng)電網(wǎng)電壓幅值(標(biāo)幺值)在0.9～1.1之間時，系統(tǒng)正常運行，逆變器只注入有功電流，而當(dāng)電網(wǎng)電壓幅值(標(biāo)幺值)降至0.9以下時，逆變器切換至LVRT控制模式，此時注入無功電流應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(2)

在低電壓期間，逆變器輸出電流應(yīng)滿足如下不等式關(guān)系：

(3)

k=(ΔIq/IN)/(ΔVg/VN)≥2

(4)

式中Vg——電網(wǎng)電壓瞬時值；VN——電網(wǎng)電壓額定值；IN——逆變器輸出電流的額定值；Id，Ig——逆變器輸出的有功、無功電流分量。

(5)

由此可知，低電壓期間逆變器允許流過的最大有功、無功功率參考值可表示：

(6)

3 仿真驗證

為驗證所提控制策略的有效性，基于Matlab/Simulink搭建了如圖2所示的單級式三相光伏并網(wǎng)仿真模型，并采用所提控制策略進行控制。仿真中系統(tǒng)接入的是10 kV配電網(wǎng)絡(luò)，光伏發(fā)電直流母線電壓為700 V，交流側(cè)出口電壓為380 V，設(shè)光伏此時發(fā)出的最大有功功率為10 kW，無功功率為0，在t=0.5 s時發(fā)生電壓跌落，跌落幅度為60%，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7(a)和7(b)可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落，電壓(標(biāo)幺值)由1跌落至0.4，并在t=1 s時恢復(fù)正常。低電壓檢測單元通過監(jiān)測電壓均方根數(shù)值，當(dāng)該值在短時間內(nèi)發(fā)生突變時，即啟動或退出LVRT運行模式。由此可知，在t=0.5 s時刻，逆變器控制由正常狀態(tài)時的雙環(huán)控制立即轉(zhuǎn)換為LVRT控制模式。

通過圖7(c)和7(d)可以看出，逆變器的輸出電流的峰值在正常時約為20 A。當(dāng)故障發(fā)生瞬間，并沒有發(fā)生過大的電流沖擊，低電壓期間電流幅值始終維持在1.1倍額定電流以內(nèi)，保證了逆變器在低電壓期間的可靠運行。同時，通過逆變器輸出電流的dq軸分量波形可以看到，有功電流由20 A下降至17 A左右，無功電流由0 A上升至12 A，說明該控制策略減少了光伏的有功功率注入，同時按照電壓跌落的水平，向電網(wǎng)注入一定的無功電流對其進行支撐。

按照圖6無功電流與電壓的支撐關(guān)系，當(dāng)電壓下降60%時，逆變器應(yīng)提供約為額定電流60%的無功電流，而為了輸出電流不超過額定值的1.1倍，需降低有功功率注入。觀察圖7(e)可知，逆變器按照比例注入了相應(yīng)的無功功率，而系統(tǒng)有功功率的降低維持了低電壓期間的功率平衡。并且，圖7(f)展示了光伏直流側(cè)的母線電壓，仿真中電壓控制上選取系數(shù)，此時母線電壓將不會大于其上限(800 V)，仿真結(jié)果也證明了這一點。

圖7 所提控制方法下逆變器低電壓穿越運行仿真結(jié)果

綜上所述，低電壓期間逆變器不會觸發(fā)過壓保護或者過流保護，并且輸出的無功功率符合并網(wǎng)規(guī)則的要求，因此所提控制策略實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越。

4 結(jié)語

本文研究了單級式三相光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓降低情況下的綜合控制策略，通過低電壓檢測單元、直流電壓限制單元、交流電流控制單元以及無功電流控制單元的設(shè)計和相互配合，實現(xiàn)了對電網(wǎng)電壓降低情況下的精確、快速控制。當(dāng)發(fā)生故障時系統(tǒng)能夠自動切換至LVRT運行模式，有效限制直流母線電壓以及逆變器輸出電流在合理范圍之內(nèi)，避免因故障造成過壓、過流而導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)現(xiàn)象發(fā)生，能夠向電網(wǎng)提供一定的動態(tài)無功支撐，為光伏電站高可靠性并網(wǎng)提供了保障。通過仿真算例驗證所提控制策略的有效性。