基于DC-Chopper保护的光伏LVRT分析

唐彬伟，袁铁江，晁 勤，吐尔逊·伊不拉音

（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830008）

基于DC-Chopper保护的光伏LVRT分析

唐彬伟，袁铁江，晁 勤，吐尔逊·伊不拉音

（新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830008）

光伏发电不同于传统电源，其大容量并网发电会对光伏电站及其接入系统的安全、稳定、可靠运行带来新的挑战。在国网公司的光伏电站接入电网技术规定中，针对光伏发电低电压穿越能力也提出了要求。针对光伏变流器在低电压穿越时的动态特性，提出了直流侧DC-Chopper保护电路的控制策略。并在PS C A D／EM TDC仿真软件中搭建了双极型光伏发电系统模型，针对电网三相对称短路故障下直流侧保护电路的投切策略进行了仿真研究。仿真结果验证了所提策略能有效地实现光伏发电系统的低电压穿越。

光伏发电系统；MPP T；PS C A D；LVRT

随着全球经济的迅速发展与人口的不断增加，人们对能源的需求日益增加。然而，目前世界各国的主要能源仍是以石油、天然气和煤炭等不可再生的化石能源为主。对这些不可再生化石能源的过度开采和利用，将导致一次能源的枯竭、能源危机的爆发以及环境污染。光伏发电作为一种重要的可再生能源具有：无污染、可再生、机动灵活、可存储性、分布式电力系统、发电用电同一地区、光伏建筑集成等特点[1]。

与常规的发电方式相比较，光伏发电系统易受光照、温度等外界环境因素的影响。因此只能被动跟踪当时光照条件下的最大功率点，以争取实现发电系统的最大输出；且需将直流电优质地逆变为工频交流才能带负荷。目前光伏发电并网研究的问题侧重于以逆变器为核心的并网光伏发电系统设备设计与应用研究。而并网光伏电站均是采用多个小容量逆变器并网[2]，大大减弱了其抵御系统电压跌落的能力。这使得大容量光伏并网发电及其计入电网的安全、稳定、可靠运行面临新的挑战。根据电网规程的新要求，大型和中型光伏电站必须具备一定耐受电压异常的能力。当电网发生电压跌落在一定范围内时，光伏发电系统必须保持和电网相连，即低电压穿越能力。因此光伏发电系统低电压穿越(LVRT)能力是现在急需研究的课题。

本文首先介绍了国内最新光伏发电标准对低电压穿越能力的要求，建立了光伏阵列及MPPT控制器模型。介绍了直流DC-Chopper保护电路原理，分析了电网电压突然跌落时直流DC-Chopper保护对故障的影响。最后利用EMTDC/PSCAD软件建立了双极型并网光伏发电系统仿真模型，针对电网三相对称短路故障下直流侧DC-Chopper保护电路的投切策略进行了仿真研究。

1 光伏发电的低电压穿越能力要求

在国网公司的光伏电站接入电网技术规定中，针对光伏发电低电压穿越能力，提出了低电压运行的标准，见图1。

图1中，UL0为正常运行的最低电压限值，一般取0.9倍额定电压。UL1为需要耐受的电压下限，T1为电压跌落到UL1时需要保持并网的时间，T2为电压跌落到UL0时需要保持并网的时间。UL1、T1、T2数值的确定需考虑保护和重合闸动作时间等实际情况。规定中推荐UL1设定为0.2倍额定电压，T1设定为1 s、T2设定为3 s。当并网点电压在图1中电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断并网运行；并网点电压在图1中电压轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电。

图1 中国光伏电站低电压穿越能力标准

2 光伏阵列仿及MPP T控制器建模

2.1 光伏阵列建模[3]

太阳电池可等效由电流源与反并联二极管分流电阻Rsh，串联电阻Rsr组成。图中I为太阳电池输出电流，V为太阳电池输出电压，Isc为光电流，Id为二极管电流和Ish为分流电阻电流。

由基尔霍夫定律可得：

替换二极管电流Id和分流电阻电流Ish可得：

式中：Isc光电流，由照射于太阳电池表面的光照强度G与太阳电池表面温度Tc所决定，可由式（3）表达：

式中：IscR为在额定光照GR与额定温度TcR下 (GR=1 kW/m2，TcR=25℃)光伏电池的短路电流，参数αT为在参考日照下的电流变化温度系数（A/℃）。而式（2）中Io为太阳电池二极管饱和电流，可由式（4）表示：

式中：IoR为额定温度下的太阳电池二极管饱和电流。其余参数，q为充电电荷量，通常为1.60 e－19；k为波兹曼常数，通常为1.38 e－23；n为二极管理想常数，如果为晶体硅太阳电池可设为1.3；eg为光伏电池禁带宽度。

2.2 MPP T控制器建模

光伏阵列在一定的光照强度和环境温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压时光伏阵列的输出功率才能达到最大值。因此，光伏阵列必须实现最大功率点跟踪控制。本文采用电导增量法，当光伏电池上的日照强度和温度变化时，其输出电压能平稳追踪其变化，且与太阳电池组件的特性及参数无关。其算法控制流程如图2所示。图中：I(t)和V(t)分别为第t个采样点的光伏电池输出电流和电压；I(t－1)和V(t－1)分别为前一个采样点的光伏电池输出电压和电流；Vref和ΔV分别为参考电压和电压增量步长。

图2 电导增量法控制流程图

3 双极型并网光伏发电系统结构与逆变器控制策略

图3所示为双极型光伏并网发电仿真系统结构图，其光伏阵列通过直流滤波器、DC/DC变流器、DC/AC变流器、变压器连接电网。

图3 双级型并网光伏发电系统示意图

如图3所示光伏阵列连接DC/DC升压电路向负载供电。MPPT控制器实时采样光伏阵列输出电压I与电流V，通过控制升压电路IGBT动作，以达到调节光伏阵列输出电压，使其工作在最大功率点[1]。而DC/AC逆变器采用电压源型SVPWM逆变器，逆变器控制策略一般采用电压外环、电流内环的同步坐标系下双环控制策略[3]。

4 直流侧保护原理与控制策略

直流侧保护电路如图4所示，由卸荷电阻组成，IGBT用来控制保护电路的开通或关断，将卸荷电阻R接入或切出直流侧回路中。

图4 直流侧保护电路及控制策略

当电网电压跌落时并网逆变器输出功率受到限制，能量在直流侧积累会造成直流侧电压升高，当直流侧电压Eout升高到一定程度时会损坏直流侧电容和功率器件。因此为避免该现象的发生，当直流侧电压Eout升高到一定程度超过设定值Edcref，投入直流侧保护电路，消耗直流侧多余的能量，使电容电压稳定在一定范围之内。由此可以避免直流侧电压升高损坏直流侧电容和功率器件。当直流侧电压恢复至Edcref以下时，关断直流侧保护电路，直至直流侧电压再次升高至Edcref以上。

5 仿真分析

为全面深入研究直流侧保护在电网电压跌落时的运行特性，本文利用PSCAD软件搭建了双极型光伏发电系统仿真模型，针对电网对称短路故障对比仿真了未加装直流侧保护电路（虚线部分）和加装直流侧保护电路（实线部分）情况下的双极型光伏发电系统动态特性。

具体的仿真参数如下：

双极型光伏发电系统参数：额定功率为250 kW，并网点额定电压为0.69 kV，额定频率为50 Hz，光照强度G=900 kW/m2，环境温度Tc=25℃，直流侧卸荷电阻R=0.4Ω，Edcref= 0.5 kV。光伏阵列参数：光伏组件中并联光伏电池数为4，串联数为108。光伏阵列中光伏组件并联数为20，串联数为20。光伏电池：串联电阻Rsr=0.02Ω，分流电阻Rsh=1 000Ω，二极管理想常数n=1.5，禁带宽度eg=1.103 eV，短路电流IscR=2.5 A，饱和电流IoR=1×10－9A，电流变化温度系数ΔT=0.001 A/℃。

在7 s时故障发生，在8 s时故障清除，故障持续时间为1 s，故障时光伏发电系统组并网点电压跌落至20%，且光照强度与环境温度保持恒定。

仿真曲线如图5（图中虚线为未加装直流侧保护电路时的仿真曲线，实线部分为加装直流侧保护电路时的仿真曲线）。

图5 并网点电压

观察图5，光伏发电系统并网点电压在7 s时跌落至20%，在8 s时故障清除电压恢复正常，根据光伏并网低电压穿越能力的要求，此时不允许光伏电站脱离电网。

观察图5～10可知，在未加装直流侧保护的情况下，由于电网电压跌落，逆变器无法将功率送入电网，光伏阵列输出有功迅速下降，导致变频器直流侧母线电压迅速上升接近稳态时的两倍，光伏发电系统需从电网吸收无功。观察可知MPPT控制计算最大功率点电压，在电网电压跌落后下降，直至电压恢复后才逐渐上升。导致光伏阵列输出有功在电网电压跌落与恢复时震荡较大，且光伏发电系统在电网电压恢复后形成较大的有功功率与无功功率冲击，通过较长时间的调节才能恢复至稳定状态。因此，为保护变频器，在电网电压跌落时必须将光伏发电系统脱网。

图6 光伏阵列输出电压

图7 光伏阵列输出功率

图8 光伏发电系统直流侧电压

图9 光伏发电系统有功功率

图10 光伏发电系统无功功率

但在加装直流侧保护电路的情况下，控制系统在检测到直流侧过电压后，接入保护电路，短接直流侧电路，通过卸荷电路消耗掉多余的能量。在直流侧保护电路的作用下，明显的抑制了变频器直流侧电容电压的升高使其维持在允许的范围内。当直流侧电压下降到一定程度后，卸荷电路自动退出。光伏阵列输出功率在电网电压跌落时迅速下降，并在很短的时间恢复至稳态输出，在电网电压恢复时未出现较大波动。而光伏发电系统在电网电压恢复时均未形成较大的有功功率与无功功率冲击，且发电系统仅在0.1 s的时间内就恢复至稳态输出。

在整个电压跌落期间由于直流侧保护电路的作用，网侧逆变器一直工作在允许的范围内。光伏发电系统可以始终保持与电网相连，实现了低电压穿越。

6 结论

本文在简介了国内光伏并网标准中对光伏电站低电压穿越能力要求。针对PSCAD/EMTDC仿真软件环境下利用FORTRAN语言编程，建立了光伏阵列及MPPT控制器通用仿真模型。分析了直流侧保护电路的原理，研究了在电网电压跌落后直流侧保护电路投切控制策略。并在PSCAD／EMTDC仿真软件中搭建了双极型光伏发电系统模型，针对电网三相对称短路故障下直流侧保护电路的投切策略进行了仿真研究。仿真结果表明，即便在电网电压跌落至20%的情况下，通过直流侧保护电路的自动投切，实现了双极型光伏发电系统的低电压穿越，证明了所提直流侧保护电路控制策略的正确性，实现了低电压穿越，但仍不能达到国家标准要求，还有待进一步改进。

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Analysis of LVRT of grid-connected PV system based on DC-Chopper protection

TANG Bin-wei,YUAN Tie-jiang,CHAO Qin,TUERXUN Yi-bulayin
(College of Electrical Engeineering,Xinjiang University,Xinjiang Urumqi830008,China)

Photovoltaic power generation's characteristics are different from the traditional power source,the power grid and photovoltaic power plants need to face new challenges about the system's security,stability and reliability.A DC-Chopper protection control strategy was proposed based on photovoltaic power generation LVRT dynamic characteristics.By PSCAD/EMTDC,the simulation module of grid-connected photovoltaic power system was set up and the dynamic stability of grid-connected photovoltaic power system connected into power grid considering LVRT was simulated.Results show that the established DC-chopper protection circuit is in favor of achieving the LVRT of grid-connected photovoltaic power system.

photovoltaic power system;MPPT;PSCAD;LVRT

T M 914

A

1002-087 X(2013)11-2016-03

2013-04-06

新疆高技术支撑计划项目（201132116）

唐彬伟(1987—)，男，湖南省人，硕士研究生，主要研究方向为清洁能源及其并网技术。