王琦， 徐俊杰， 李星碩， 李利秋， 成碩

(南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)逆變器輸出能力下降，無法將光伏輸出功率完全輸送到網(wǎng)側(cè)，由此產(chǎn)生的不平衡功率將對(duì)直流母線電容充電，嚴(yán)重時(shí)將損壞設(shè)備[1—2]。因此，研究和應(yīng)用低電壓穿越(low voltage ride through,LVRT)技術(shù)對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[3—5]。

目前國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)光伏LVRT技術(shù)已開展大量研究。文獻(xiàn)[6—8]借鑒風(fēng)電機(jī)組的LVRT控制策略[9]，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的直流側(cè)接入卸荷電路，消耗故障期間的不平衡功率，從而實(shí)現(xiàn)故障穿越。雖然該方案能有效穩(wěn)定直流母線電壓，但需要額外安裝硬件電路以消耗不平衡功率，因此存在功率損失和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。為最大程度利用電網(wǎng)故障期間的不平衡功率、避免光伏功率損失，文獻(xiàn)[10—11]在并網(wǎng)系統(tǒng)接入儲(chǔ)能設(shè)備以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)故障期間系統(tǒng)的功率平衡，穩(wěn)定直流母線電壓。儲(chǔ)能設(shè)備雖然能儲(chǔ)存電網(wǎng)故障期間的不平衡功率，但是其高昂的成本是該方案面臨的主要問題。

除接入額外硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)LVRT外，針對(duì)光伏工作點(diǎn)控制的低成本LVRT控制策略也受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[12]通過改進(jìn)擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)直流母線的功率平衡，但其調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，可能導(dǎo)致母線電壓上升。文獻(xiàn)[13]為實(shí)現(xiàn)更迅速的工作點(diǎn)調(diào)整，故障期間根據(jù)電壓跌落程度線性調(diào)節(jié)光伏輸出電流，以避免逆變器輸出過電流。但該方案忽視了光伏工作電流與光伏輸出功率間的非線性關(guān)系，因此故障穿越過程中仍存在部分不平衡功率，導(dǎo)致故障前后母線電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[14]針對(duì)系統(tǒng)功率不平衡問題，提出一種基于光伏系統(tǒng)下垂特性的LVRT控制策略，通過引入擾動(dòng)參數(shù)較為準(zhǔn)確地估算了低電壓故障期間光伏工作點(diǎn)的位置。但實(shí)際應(yīng)用過程中控制參數(shù)的選取對(duì)估算精度的影響較大，且該策略未考慮不對(duì)稱故障情況。此外，目前基于光伏工作點(diǎn)控制的LVRT控制策略對(duì)于功率削減后光伏輸出功率恢復(fù)的研究較少，通常采用常規(guī)擾動(dòng)觀察法追蹤最大功率點(diǎn)，因此故障后光伏輸出功率恢復(fù)較慢。

文中在上述研究的基礎(chǔ)上，提出基于柔性工作點(diǎn)追蹤(flexible power point tracking,FPPT)的LVRT控制策略。所提控制策略針對(duì)故障期間并網(wǎng)系統(tǒng)的光伏工作點(diǎn)調(diào)節(jié)問題，分別提出基于FPPT的光伏故障快速減載控制和光伏故障快速恢復(fù)控制。為證明所提控制策略的有效性，文中基于Matlab仿真平臺(tái)和硬件在環(huán)(hardware in the loop,HIL)測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)多種故障類型，將文中所提控制策略與多種并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

圖1 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the two-stagephotovolatic grid-connected system

1 基于FPPT的LVRT控制

FPPT是一種根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況和電網(wǎng)要求將光伏工作點(diǎn)調(diào)節(jié)到某個(gè)參考位置以改善因高比例光伏電源接入電網(wǎng)引起的電壓、頻率波動(dòng)問題的控制策略[15]?；贔PPT的LVRT控制策略采用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)光伏工作點(diǎn)的靈活調(diào)節(jié)，如圖1所示。兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏陣列通過Boost電路連接直流母線電容，陣列產(chǎn)生的功率通過并網(wǎng)逆變器輸入電網(wǎng)。

圖1中，MPPT控制為光伏最大功率點(diǎn)追蹤控制；PWM為脈沖寬度調(diào)制；SOGI-PLL為基于二階廣義積分器的鎖相環(huán)；Vpv，Ipv分別為光伏工作點(diǎn)電壓和電流；C為直流母線電容；Vdc為直流母線電壓；e為系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓；u為逆變器交流側(cè)電壓；i為逆變器輸出電流；R，L分別為逆變器等值電阻和電感；θ+，θ-分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓正序和負(fù)序分量相位角；Vabc，Iabc分別為光伏逆變器交流側(cè)電壓和電流；Pg0,ref為逆變器輸出有功功率平均值的參考值；ud,p，uq,p，ud,n，uq,n分別為逆變器輸出電壓的正序有功、正序無功、負(fù)序有功和負(fù)序無功分量；id,p,ref，iq,p,ref分別為逆變器輸出電流的正序有功和無功分量參考值。

1.1 并網(wǎng)逆變器控制

考慮到電網(wǎng)電壓不平衡情況，文中并網(wǎng)逆變器采用基于正負(fù)序分離的參考電流控制，控制框圖如圖2所示。其中，ω為電網(wǎng)電壓角頻率；PI為比例積分控制；id,p，iq,p，id,n，iq,n分別為逆變器輸出電流的正序有功、正序無功、負(fù)序有功和負(fù)序無功分量；ed,p，eq,p，ed,n，eq,n分別為并網(wǎng)點(diǎn)電壓的正序有功、正序無功、負(fù)序有功和負(fù)序無功分量。

圖2 基于正負(fù)序分離的逆變器參考電流控制Fig.2 Schematic diagram of reference current controlof inverter based on separating positive and negative sequence components

并網(wǎng)系統(tǒng)正常工作情況下，id,p,ref由電壓外環(huán)控制給出。為保證逆變器以單位功率因數(shù)運(yùn)行，逆變器輸出電流的正序無功分量參考值iq,p,ref設(shè)定為0。電網(wǎng)低電壓故障期間，為滿足國家電網(wǎng)公司的LVRT標(biāo)準(zhǔn)[16]，最大程度利用逆變器無功輸出能力，并網(wǎng)逆變器放棄電壓外環(huán)控制，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度直接調(diào)節(jié)逆變器輸出電流的正序有功、無功分量參考值id,p,ref，iq,p,ref。其中，逆變器輸出電流正序無功分量參考值iq,p,ref根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度調(diào)節(jié)滿足：

(1)

式中：eN為并網(wǎng)點(diǎn)額定電壓；IN為逆變器額定輸出電流；K1，K2為常量[16]，分別為1.5和1.1。

同時(shí)，為防止逆變器電流保護(hù)控制[17]斷開電網(wǎng)，逆變器輸出電流的正序有功分量參考值id,p,ref為：

(2)

為抑制電網(wǎng)不平衡故障期間光伏并網(wǎng)逆變器可能輸出的負(fù)序電流，盡可能減少負(fù)序電流對(duì)輸電線路的危害[18]，文中將逆變器輸出電流的負(fù)序分量參考值id,n,ref和iq,n,ref設(shè)定為0。

1.2 故障快速減載控制

由于電網(wǎng)低電壓故障持續(xù)時(shí)間很短，暫時(shí)忽略光伏發(fā)電單元的光照變化和溫度變化。在外部環(huán)境不變的情況下，光伏發(fā)電單元的功率-電壓曲線為一個(gè)單峰曲線，如圖3所示。其中，Ppv為光伏發(fā)電單元輸出功率；MPP為光伏最大功率點(diǎn)。

圖3 傳統(tǒng)光伏減載控制Fig.3 Traditional active power curtailment control of photovoltaic

電網(wǎng)低電壓故障期間，光伏系統(tǒng)可以通過將自身出力減載至光伏理想輸出功率Pfault，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)功率平衡。此時(shí)存在2個(gè)可能的工作點(diǎn)，即A點(diǎn)和B點(diǎn)。雖然工作點(diǎn)向B點(diǎn)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)，但光伏工作點(diǎn)控制在B點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)橥蝗坏墓庹兆兓绊懴到y(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[19]，因此文中選擇A點(diǎn)進(jìn)行減載控制。

傳統(tǒng)光伏減載控制通過擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)低電壓故障期間光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡，控制原理如圖3中藍(lán)色箭頭所示。經(jīng)過一定時(shí)間的工作點(diǎn)擾動(dòng)，控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏減載，但其較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間仍會(huì)導(dǎo)致母線電壓上升。

為保證低電壓故障期間光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡，快速穩(wěn)定直流母線電壓，文中提出故障快速減載控制，通過圖形近似的方法快速估算近似的減載點(diǎn)工作電壓，以此整定故障期間的光伏工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏輸出功率快速減載。該策略主要分為2個(gè)步驟：(1) 調(diào)節(jié)光伏工作點(diǎn)至次優(yōu)工作點(diǎn)，快速減載光伏輸出功率，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)系統(tǒng)功率的基本平衡；(2) 根據(jù)直流母線電壓再次調(diào)節(jié)光伏工作點(diǎn)，穩(wěn)定直流母線電壓。控制過程如圖4所示。

圖4 快速減載控制策略Fig.4 Rapid active power curtailment control

并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器輸出瞬時(shí)有功功率Pg和瞬時(shí)無功功率Qg可分別表示為：

(3)

式中：Pg0，Qg0分別為光伏并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率的平均值；Pc2，Ps2，Qc2，Qs2分別為并網(wǎng)逆變器輸出功率二倍頻分量的有功余弦項(xiàng)、有功正弦項(xiàng)、無功余弦項(xiàng)和無功正弦項(xiàng)的幅值。

其中：

Pg0=ed,pid,p+eq,piq,p+ed,nid,n+eq,niq,n

(4)

根據(jù)式(4)，電網(wǎng)低電壓故障期間，逆變器輸出有功功率平均值的參考值Pg0,ref可以表示為：

Pg0,ref=ed,pid,p,ref+eq,piq,p,ref+ed,nid,n,ref+eq,niq,n,ref

(5)

在忽略逆變器功率損耗等因素的前提下，文中將Pg0,ref作為低電壓故障期間光伏輸出功率的參考值，即Ppv,ref。

如圖4所示，最大功率點(diǎn)MPP左側(cè)的功率-電壓曲線可以近似視為斜率一定的直線L。D點(diǎn)為光伏輸出功率參考值Ppv,ref與直線L的交點(diǎn)，C點(diǎn)為D點(diǎn)在光伏功率-電壓曲線上的水平投影。將C點(diǎn)設(shè)定為低電壓故障期間光伏次優(yōu)工作點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)低電壓故障發(fā)生后光伏輸出功率快速減載。此時(shí)，C點(diǎn)的工作電壓Vc通過比例關(guān)系可以表示為：

(6)

式中：Vmpp為故障發(fā)生前光伏最大功率點(diǎn)電壓；Pmpp為故障發(fā)生前光伏最大功率點(diǎn)功率。

C點(diǎn)為估算得到的光伏次優(yōu)工作點(diǎn)，為消除相關(guān)誤差，此時(shí)可以根據(jù)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流母線電壓的實(shí)際值對(duì)光伏工作點(diǎn)再次作出調(diào)節(jié)，以此穩(wěn)定直流母線電壓。此時(shí)，光伏工作電壓參考值Vref可以表示為：

(7)

式中：ΔV為工作電壓調(diào)節(jié)步長(zhǎng)；Vdc,max，Vdc,min分別為直流母線電壓上、下限參考值。

1.3 故障快速恢復(fù)控制

電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，常規(guī)控制系統(tǒng)通過擾動(dòng)觀察法將光伏工作點(diǎn)由減載工作點(diǎn)擾動(dòng)至最大功率點(diǎn)需一定的調(diào)節(jié)時(shí)間，見圖3中黃色箭頭。為減少光伏工作點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)間，文中提出故障快速恢復(fù)控制。該控制采樣減載工作點(diǎn)電壓電流參數(shù)，通過擬合出的曲線估算光伏短路電流，再通過Lambert-W函數(shù)推算最大功率點(diǎn)電壓。所提方法能實(shí)現(xiàn)電壓故障恢復(fù)后光伏輸出功率快速恢復(fù)，控制過程見圖5。

圖5 故障快速恢復(fù)控制Fig.5 Fast recovery control for faults

故障期間文中減載控制將光伏工作點(diǎn)調(diào)節(jié)至最大功率點(diǎn)左側(cè)，而在光伏電流-電壓曲線中，減載控制光伏工作點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)榫€性恒流區(qū)(constant current region,CCR)[20]，如圖5所示。由圖知，恒流區(qū)光伏電流-電壓曲線的工作點(diǎn)都可近似擬合為一條斜率一定的直線L′。故障恢復(fù)前，采樣CCR中一對(duì)光伏工作點(diǎn)，如圖5中(a)所示，則直線L′的斜率m可以表示為：

(8)

式中：Ipv(k)，Vpv(k)分別為當(dāng)前采樣的光伏工作電流、電壓值；Ipv(k-1)，Vpv(k-1)分別為前一采樣周期采樣的光伏工作電流、電壓值。

直線L′的縱截距(短路電流Isc)，如圖5中(b)所示，可以表示為：

Isc=Ipv(k)-mVpv(k)

(9)

由于光伏最大功率點(diǎn)MPP處電流Impp與Isc間有近似的線性關(guān)系[21]，因此Impp可表示為：

Impp≈KIscIsc

(10)

式中：KIsc=0.92。不同太陽輻照度下光伏最大功率點(diǎn)MPP大致位于電壓參考線(voltage linear re￣fer￣ence,VLR)[22]上，如圖5中(c)所示。由于電網(wǎng)電壓恢復(fù)速度很快，此時(shí)可以忽略電壓恢復(fù)期間光伏陣列的光照變化。因此，故障恢復(fù)后光伏最大功率點(diǎn)電壓Vmpp,rcvy可以通過Lambert-W函數(shù)估算[23]：

(11)

式中：Is為反向飽和電流；Rs，Rp分別為光伏串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻；W(·)為L(zhǎng)ambert-W函數(shù)。

η=NsAKT/q

(12)

式中：Ns為組件串聯(lián)數(shù)；A為光伏二極管理想因子；K為波爾茲曼常數(shù)；T為光伏溫度；q為基本電荷。

綜上，文中提出的基于FPPT的LVRT控制流程如圖6所示。S為信號(hào)量，為常數(shù)0或1，無實(shí)際物理意義。

圖6 基于FPPT的LVRT控制策略Fig.6 Flow chat of LVRT control strategy based on FPPT

2 仿真分析

文中基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)光伏并網(wǎng)點(diǎn)三相對(duì)稱故障、兩相相間短路故障和單相短路故障進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證所提LVRT控制策略的可行性。并網(wǎng)系統(tǒng)容量為100 kW，光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓為273 V，直流母線電容為35 mF，通過0.38 kV/10 kV變壓器并入10 kV電網(wǎng)。并網(wǎng)系統(tǒng)直流母線電壓額定值為650 V，母線電壓最大值和最小值分別設(shè)為750 V和550 V?？刂葡到y(tǒng)中，直流母線上、下限參考值分別設(shè)為700 V和650 V。

2.1 三相對(duì)稱故障仿真分析

0.5 s時(shí)刻，10 kV母線發(fā)生三相對(duì)稱短路故障，光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0.5 p.u.，故障持續(xù)時(shí)間0.5 s，1 s時(shí)刻故障切除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。圖7為基于Matlab的三相對(duì)稱故障的仿真波形。

圖7 基于Matlab的三相對(duì)稱故障的仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of three-phase symmetrical fault based on Matlab

0.5 s時(shí)刻控制策略檢測(cè)到故障后，通過快速減載控制迅速調(diào)整光伏工作點(diǎn)至次優(yōu)工作點(diǎn)，以平衡系統(tǒng)有功功率。當(dāng)直流母線電壓超過控制系統(tǒng)的上限參考值(700 V)時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)光伏工作點(diǎn)作二次調(diào)整。由圖7(a)可知，所提控制策略能較好地通過故障快速減載控制平衡系統(tǒng)有功功率，穩(wěn)定直流母線電壓。1 s時(shí)刻故障結(jié)束后，控制策略通過故障快速恢復(fù)控制迅速將光伏工作電壓調(diào)整至最大功率點(diǎn)電壓。

圖7(b)為故障期間并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率曲線，P，Q分別為逆變器輸出的有功功率和無功功率。故障期間逆變器輸出有功功率下降，但逆變器控制仍能利用逆變器的無功輸出能力輸出無功功率支持電網(wǎng)恢復(fù)。

2.2 三相不對(duì)稱故障仿真分析

電網(wǎng)不對(duì)稱故障期間，注入電網(wǎng)的電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量。為此，文中逆變器采用基于正負(fù)序分離的參考電流控制策略消除負(fù)序分量，同時(shí)使逆變器輸出電流在故障期間保持平衡。

圖8為基于Matlab的三相不對(duì)稱故障仿真波形。圖8(a)和圖8(b)的并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生兩相相間短路故障，光伏并網(wǎng)點(diǎn)b、c相電壓在0.5 s時(shí)刻從1.0 p.u.跌落到0.5 p.u.，故障持續(xù)0.5 s；圖8(c)和圖8(d)的并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，光伏并網(wǎng)點(diǎn)c相電壓在0.5 s時(shí)刻從1.0 p.u.跌落到0.5 p.u.，故障持續(xù)0.5 s。其中，Ia，Ib，Ic分別為逆變器a相、b相和c相的輸出電流。

圖8 基于Matlab的三相不對(duì)稱故障的仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of three-phase asymmetric fault based on Matlab

由圖8(a)和圖8(c)可知，所提控制策略在2種故障期間較好地穩(wěn)定了并網(wǎng)系統(tǒng)的直流母線電壓；同時(shí)，所采用的逆變器控制故障期間輸出電流波形保持三相平衡，電流幅值控制較好。逆變器輸出電流的正負(fù)序分離波形如圖8(b)和圖8(d)所示。故障期間所采用的逆變器控制能夠根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度不同調(diào)節(jié)逆變器輸出電流的正序無功分量iq,p，從而達(dá)到根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度輸出無功功率的控制目標(biāo)，同時(shí)也能較好地將不對(duì)稱故障期間的負(fù)序電流控制為0。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提光伏并網(wǎng)系統(tǒng)LVRT控制策略的有效性，文中基于HIL測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖9所示。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路模型是在StarSim電力模型實(shí)時(shí)仿真軟件中開發(fā)的，在HIL測(cè)試系統(tǒng)中運(yùn)行。信號(hào)轉(zhuǎn)接板負(fù)責(zé)傳遞仿真器與控制器間的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)仿真器與控制器之間的通信。示波器可對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓、光伏工作電壓、直流母線電壓等參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)。主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)平臺(tái)的操控工作，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 HIL測(cè)試平臺(tái)示意Fig.9 Step of HIL test system

圖10 光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of photovoltaic grid-connectedexperimental system

假定環(huán)境溫度和輻照度分別為25 ℃和1 000 W/m2。電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的影響不同，因此文中分別對(duì)三相對(duì)稱故障、兩相相間短路故障以及單相接地故障進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

為比較驗(yàn)證LVRT控制策略的有效性和優(yōu)越性，文中考慮以下4種控制方案。

方案一：常規(guī)并網(wǎng)系統(tǒng)無LVRT控制。故障期間光伏發(fā)電單元采用MPPT控制，逆變器采用傳統(tǒng)比例積分控制。

方案二：基于直流卸荷電路的LVRT控制。光伏發(fā)電單元采用MPPT控制，逆變器直流側(cè)并聯(lián)直流卸荷電路以消耗低電壓故障期間的不平衡功率，將直流母線電壓穩(wěn)定在額定值。并網(wǎng)逆變器采用傳統(tǒng)比例積分控制。

表1 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Two-stage photovoatic grid-connected system parameters

方案三：基于擾動(dòng)觀察法的LVRT控制。光伏發(fā)電單元采用基于擾動(dòng)觀察法的LVRT控制策略以調(diào)節(jié)故障期間光伏輸出功率，并網(wǎng)逆變器采用基于正負(fù)序分離的參考電流控制。

方案四：基于FPPT的LVRT控制。光伏發(fā)電單元采用文中所提策略，逆變器采用基于正負(fù)序分離的參考電流控制。

3.1 三相對(duì)稱故障實(shí)驗(yàn)分析

三相對(duì)稱故障時(shí)4種控制方案的對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示。故障期間光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓在t1時(shí)刻跌落到0.5 p.u.，低電壓故障持續(xù)0.5 s。

圖11 三相對(duì)稱故障對(duì)比實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Waveforms of comparative experiment of symmetrical fault

電網(wǎng)三相對(duì)稱故障發(fā)生后，方案一由于無LVRT控制，光伏單元仍保持MPPT控制，光伏工作電壓保持在263 V附近，如圖11(a)中黃色曲線所示。由于并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生低電壓故障，逆變器的輸出能力下降，并網(wǎng)系統(tǒng)的不平衡功率將對(duì)母線電容充電。由圖11(a)中綠色曲線可知，t1時(shí)刻故障發(fā)生后，直流母線電壓Vdc不斷上升，由500 V額定值躍升至600 V以上，超過系統(tǒng)的直流母線電壓最大值，容易造成設(shè)備損壞。t2時(shí)刻電網(wǎng)故障恢復(fù)后，母線電壓才緩慢下降。

由圖11(b)可知，方案二能通過直流卸荷電路消耗低電壓故障產(chǎn)生的不平衡功率，將直流母線電壓穩(wěn)定在500 V的額定值；同時(shí)能在故障期間利用逆變器無功輸出能力輸出無功功率支持電網(wǎng)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)故障穿越。但由于需要引入額外硬件設(shè)備以平衡故障期間的不平衡功率，因此方案二的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高。

由圖11(c)可知，t3時(shí)刻母線電壓上升至Vdc,max時(shí)，方案三通過擾動(dòng)觀察法降低光伏工作點(diǎn)電壓以實(shí)現(xiàn)光伏輸出功率的減載控制。由于工作點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，直流母線電壓最終仍超過600 V的電壓限值，容易造成設(shè)備損壞。t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)后，控制策略為恢復(fù)光伏輸出功率，通過擾動(dòng)觀察法追蹤光伏最大功率點(diǎn)。截至0.8 s，光伏陣列工作電壓還未能穩(wěn)定控制在Vmpp，因此方案三故障恢復(fù)后光伏輸出功率恢復(fù)較慢。

由圖11(d)可知，t1時(shí)刻控制策略檢測(cè)到低電壓故障發(fā)生后，通過快速減載控制迅速調(diào)整光伏工作點(diǎn)至次優(yōu)工作點(diǎn)。由于光伏工作點(diǎn)的迅速調(diào)整，光伏陣列的輸出功率得以快速減載，故障后并網(wǎng)系統(tǒng)功率基本平衡。因此方案四的直流母線電壓與方案一、三相比變化平穩(wěn)。當(dāng)檢測(cè)到母線電壓Vdc超過Vdc,max時(shí)，控制策略通過二次微調(diào)光伏工作點(diǎn)進(jìn)一步穩(wěn)定電壓，防止電壓越限。與方案二相比，方案四的直流母線電壓在t1～t2故障期間雖稍有波動(dòng)，但通過所提控制策略能夠穩(wěn)定在系統(tǒng)限定范圍內(nèi)，且由于方案四基于FPPT平衡系統(tǒng)有功功率，不必外接額外硬件設(shè)備，故經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。t2時(shí)刻電網(wǎng)恢復(fù)后，方案四能通過故障快速恢復(fù)控制迅速將光伏陣列工作電壓調(diào)整至最大功率點(diǎn)電壓，以此恢復(fù)光伏陣列輸出功率至故障前水平。與方案三在故障恢復(fù)后通過擾動(dòng)觀察法追蹤光伏最大功率點(diǎn)相比，方案四能更迅速估算并追蹤光伏最大功率點(diǎn)電壓，因此光伏輸出功率恢復(fù)更快。

圖12為方案四逆變器輸出功率波形。低電壓故障期間，逆變器輸出的有功功率下降，但控制策略能夠利用逆變器無功輸出能力輸出無功功率，以支撐系統(tǒng)電壓。

圖12 方案四逆變器輸出功率波形Fig.12 Output power waveforms of the inverter of scheme 4

3.2 三相不對(duì)稱故障實(shí)驗(yàn)分析

電網(wǎng)不對(duì)稱故障期間，負(fù)序分量的存在影響并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為證明LVRT控制的性能，分別通過兩相相間短路故障和單相接地故障進(jìn)行驗(yàn)證，其實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。兩相相間短路故障發(fā)生在t1時(shí)刻，光伏并網(wǎng)點(diǎn)b、c相電壓從1.0 p.u.跌落到0.5 p.u.，故障持續(xù)0.5 s。單相接地故障中，并網(wǎng)點(diǎn)c相電壓在t1時(shí)刻跌落50%，故障持續(xù)0.5 s。

圖13 三相不對(duì)稱故障實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms ofthree-phase asymmetrical faults

圖13(a)和圖13(b)分別為并網(wǎng)系統(tǒng)在2種故障期間直流母線電壓和逆變器輸出電流波形。由圖知，所提控制系統(tǒng)的直流母線電壓均被穩(wěn)定在電壓限值內(nèi)，逆變器的輸出電流幅值平穩(wěn)，波形較好。

圖13(c)和圖13(d)分別為2種故障期間逆變器輸出電流正負(fù)序分離波形。由圖知，所提控制策略能根據(jù)不同的電壓跌落程度調(diào)節(jié)逆變器輸出電流的正序無功分量iq,p，從而控制并網(wǎng)逆變器根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落程度輸出無功功率，支持電壓恢復(fù)；同時(shí)也能較好地控制逆變器輸出電流的負(fù)序分量id,n和iq,n為0。

4 結(jié)語

文中針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓故障穿越問題，提出一種基于FPPT的LVRT控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低電壓故障期間，文中提出的控制策略能通過靈活調(diào)節(jié)光伏工作點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)故障期間系統(tǒng)功率平衡，迅速穩(wěn)定直流母線電壓。電網(wǎng)低電壓故障恢復(fù)后，控制策略能估算光伏最大功率點(diǎn)電壓以快速恢復(fù)光伏最大輸出功率。該控制策略能夠通過故障快速減載控制克服MPPT控制時(shí)系統(tǒng)功率不平衡的問題，并通過故障快速恢復(fù)控制實(shí)現(xiàn)光伏輸出功率的快速恢復(fù)，合理地減少了光伏工作點(diǎn)調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)LVRT控制的可靠性，不必接入額外硬件設(shè)備，有較好的經(jīng)濟(jì)性。后續(xù)的研究計(jì)劃包括多峰值光伏電站的故障檢測(cè)、LVRT控制以及參數(shù)優(yōu)化等，進(jìn)而促進(jìn)光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用。

本文得到江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(20￣K￣J￣B￣4￣7￣0￣0￣20)資助，謹(jǐn)此致謝！