基于无差拍控制的光伏电站低电压穿越技术的研究

梁海峰 ，冯燕闯，刘子兴，高亚静，王成山

（1.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，河北 保定 071003）

0 引言

在传统能源面临枯竭和对环境污染较大的大背景下，大力开发清洁、可再生能源，是关乎国情、民生的重大能源战略。风力发电和太阳能光伏发电作为新能源发电系统中两支先锋部队，已经取得了很大的发展，而且装机容量也在逐年增加，2013年中国新增光伏安装量有望超过7 GW，较去年同期增长150%[1]。随着新能源发电在电力系统中所占比例越来越大，其对电网的影响已经不能忽略。其中，新能源发电的低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）问题就是突出问题之一。新能源发电系统在低电压时如果自动脱网，对新能源发电所占比例不高的电网是尚可接受的，但对于占比较高的电力系统则是不可接受的，易造成电网电压和频率的崩溃，给生产、生活带来巨大的损失。为了使风力发电和太阳能光伏发电在电网电压短时跌落时仍能保持并网，电网安全运行准则要求风电机组或光伏系统具有一定的低电压运行能力[2-3]。

目前，并网型风力发电的总装机容量比光伏的要大，低电压问题也较突出，但风力发电机的低电压穿越技术已经取得了一些成果，文献[4-5]提出采用增加硬件Crowbar保护电路和改变控制策略的方法实现风电场低电压穿越。随着光伏并网容量的不断增加，低电压问题在光伏系统中也日益凸显出来，所以有必要对光伏并网系统的低电压穿越技术进行研究。

文献[6-7]分析了目前光伏电站实现低电压穿越的重要性和必要性。2010年12月我国首套用于光伏电站低电压穿越现场测试的检验平台在国网电力科学研究院建成，进一步充分说明了我国对光伏电站低电压穿越的研究与检测工作的重视[8]。文献[9]详细仿真了光伏电站在各种程度电压跌落时的动态响应特性，指出光伏电站在低电压期间不仅应保持不脱网还应发出无功功率以支撑并网点的电压恢复。文献[10]提出了一种无功补偿和光伏发电相结合的光伏系统，实时补偿本地负载的无功电流抑制电压波动。文献[11]综述了三种光伏逆变器低电压穿越的解决方案，一是增加储能设备；二是增加无功补偿设备，如静止无功补偿器（SVC），静止同步补偿器（STATCOM）等；三是基于无功电流电压支撑的解决方案。前两种方案的实现需要加装硬件设备。考虑到电网运行时发生故障的概率很小，且低电压运行持续时间很短，加装硬件设备无疑会增加光伏系统的建设投资，所以在不加装过多硬件设备，通过改变控制方式来实现低电压穿越的技术是比较经济、合理的方式。

1 光伏电站实现LVRT的要求

对于光伏发电系统，文献[3]阐明了光伏电站低电压穿越的定义：当电力系统事故或扰动引起光伏电站并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏电站能够保证不脱网连续运行。对于小型光伏电站，应按照表1的电压异常时的响应特性向电网送电，其他时间里，无论逆变器是否向电网输送光伏能源，控制电路应保持与电网的连接，以监测电网状态。

对于大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力，电力系统发生不同类型故障时，若并网点电压全部在图1中电压轮廓线及以上的区域内，光伏电站应保持不脱网运行；否则光伏电站应停止向电网送电。

表1 小型光伏电站在电网电压异常时的响应要求Table 1 Requirements of the small-scale photovoltaic power plants in the abnormal grid voltage

图1 大中型光伏电站的低电压耐受能力要求Fig. 1 Low voltage tolerance requirements of large and medium-sized photovoltaic power plants

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，UL1设定为0.2倍额定电压，T1设定为1 s、T2设定为3 s。

并网规范还规定了对电力系统故障期间没有切出的光伏电站，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少 10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值，低电压穿越过程中光伏电站宜提供动态无功支撑。

2 光伏电站的控制策略

2.1 光伏电站的无差拍控制策略

无差拍控制（Deadbeat Control）思想是美国著名控制理论专家卡尔曼于60年代提出的，随着电力电子技术的发展，80年代中期无差拍控制被应用于逆变器控制，它具有瞬时响应快、精度高等优点。该算法是一种对电路精确模型进行控制的方法[12]，通过对采样控制量进行下一时刻的预测，计算出对应开关管的占空比，从而控制开关管的开通和关断，使当前时刻的波形按照下一时刻预测出的波形变化，从而使实际输出的波形接近参考波形。

电压型光伏并网逆变器的原理图如图2所示，图2中各物理量定义如下：Udc表示直流侧电压，C为直流侧稳压电容，ua、ub、uc为逆变器输出端的电压瞬时值，ia、ib、ic表示光伏并网系统输出电流的瞬时值，L为并网逆变器的输出滤波电感和线路电感的等效值，R为等效电阻，ea、eb、ec表示系统的三相电网电压。

图2 电压型光伏并网逆变器原理图Fig. 2 Schematic of voltage photovoltaic grid-connected inverter

考虑到电阻R很小，忽略其对电路的影响。采用无差拍电流预测的方式实现逆变器控制的公式如下[13-15]：

在一个控制周期内，交流电流预测的无差拍控制主要是计算各个开关管导通的占空比。上式中是图2中开关管T1、T3、T5的占空比，对其取反为开关管T4、T6、T2的占空比；电流为预测出来的下一采样时刻电流向量，T为控制周期，从而使逆变器输出所需要的波形，实现单位功率因数并网。并网点电压电流相位关系及输出有功、无功功率的波形图如图3、图4所示。

图3 并网点电压电流波形图Fig. 3 Voltage and current waveforms diagram of point of interconnection

图4 光伏系统输出功率波形图Fig. 4 Output power waveform diagram of the PV system

2.2 基于电流无差拍的LVRT控制策略

要实现光伏电站的低电压穿越技术，首先要检测电压的跌落，根据并网规范，电压在0.2～0.9 p.u.时光伏系统在特定的时间内不能脱网，所以设计的电压监测系统范围为0.2～0.9倍的额定电压，即当电压在0.2～0.9倍的额定电压时，发出指令信号启动低电压穿越控制策略；当电压在0.9～1倍的电压额定值时，系统正常运行；当电压低于0.2倍的额定电压时光伏系统脱网。

当系统检测到电压跌落时，启动低电压控制策略，提供无功功率支撑。基于电流无差拍的LVRT控制策略主要是对预测电流i*的控制，即当检测到电压跌落时，预测电流的相位会发生变化，从而达到发出无功功率的目的；对于预测电流幅值，当电压跌落电流增大时，为限制电流增大，采用限幅控制，此时电流幅值限制为故障前、正常工作时的幅值，控制系统示意图如图5所示。

图5 控制系统示意图Fig. 5 Diagram of control system

此时由于电压跌落，功率输送不出去，逆变器直流侧电压会升高，通过导通卸荷电阻通路，将滞留的能量消耗掉，限制直流侧电压的升高。本文选择当直流侧电压升高10%时，卸荷电阻投入运行。综上，通过发出无功功率支撑电网电压的恢复，采用限幅控制防止电流增大，采用并联卸荷电阻的方式限制直流侧电压的升高，达到“穿越”低电压这个时间区域的目的。

3 建模及仿真验证

根据新能源电力系统国家重点实验室中光伏系统的参数，本文采用 Matlab/Simulink对其进行建模，并开展LVRT的仿真验证。模型中采用光伏电池板型号为LW180（23）P1310×990，采用14串4并的连接方式，总容量为10 kWp，单块电池板的具体参数如表2所示。

系统结构如图6所示，逆变器出口电压220 V，滤波电感为12 mH，电容10μF；通过0.22/0.4 kV的隔离变压器和一段线路与公共电网连接。控制系统中PI参数为-0.7、-0.08，直流侧额定电压为500 V，卸荷电阻为36 W，开关管的开关频率为6000 Hz。

表2 电池板参数Table 2 Parameters of PV panel

图6 光伏并网实验系统结构图Fig. 6 Structure diagram of PV grid-connected experimental system

设仿真时间2 s，在1.1 s时发生三相电压跌落，持续 0.2 s。电压跌落发生器由电阻和接地开关构成，仿真步长为1e-5 s，当发生电压跌落而未采用低电压穿越控制策略时，各波形图如图7(a)～图7(d)所示。

在未使用低电压穿越控制策略时，由图7可见，电压降低，电流增大，同时保持单位功率因数输出；输出的有功功率降低的程度很大，无功功率为零保持不变，此时由于能量不能全部输送到电网，导致直流侧电压升高，威胁到各个开关管的安全运行。在相同的情况下，将设计的低电压穿越控制策略应用到光伏并网系统中，当系统在相同的地点发生三相电压跌落后，各个量的波形图如图8(a)～图8(d)所示。

图7 未采用LVRT控制策略时仿真结果Fig. 7 Simulation results when the LVRT control strategy is not adopted

由图8可见：此时并网点电压相对图7有所提高，电流幅值与正常运行时相比基本保持不变；电压和电流不再是同相位，相位发生了很大变化，说明逆变器输出了无功功率，以支撑系统电压，图8(b)无功功率曲线也证明了这一点；故障期间，直流侧电压基本稳定在1.1倍额定电压左右，没有显著升高，直流侧的卸荷电阻将输送不出的能量消耗掉，有效防止直流侧电压升高，避免损坏开关管；从并网点电压的有效值波形看出电压从原来的0.4提升到0.52左右。

从图7与图8的对比来看，该控制策略在电网发生故障时能发出无功功率，支撑并网点电压的恢复，达到了“穿越”这个故障时间区域的目的。

4 结论

图8 采用LVRT控制策略时的仿真结果Fig. 8 Simulation results when using the LVRT control strategy

本文在基于电流无差拍控制实现光伏系统单位功率因数并网的基础上，通过对控制策略的改进，实现了当电网发生三相电压跌落时，逆变器发出无功功率支撑电网电压的恢复，电流限幅控制防止电流增大，并联卸荷电阻限制直流侧电压的升高，以达到低电压穿越的目的。通过仿真验证表明：该控制策略能够实现光伏电站的低电压穿越，验证了控制策略的有效性，为在此实验系统中开展低电压穿越的动态模拟实验提供了依据和保障，为进一步研究光伏并网系统低电压穿越过程中有功、无功功率的协调控制做了铺垫。

[1]NPD Solarbuzz China Balance of Systems Market Report,January 2013[EB/OL].http://www.solarbuzz.com/cn/news/recent-findings.

[2]国家电网公司. 风电场接入电网技术规定（修订版）[S].2009.State Grid Corporation of China. Technical rule for wind power plant connected to power grid[S]. 2009.

[3]Q/GDW 617-2011 光伏电站接入电网技术规定[S].Q/GDW 617-2011 technical rule for photovoltaic power station connected to power grid[S].

[4]王伟, 孙明冬, 朱晓东. 双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J]. 电力系统自动化, 2007, 31( 23): 84-89.WANG Wei, SUN Ming-dong, ZHU Xiao-dong. Analysis on the low voltage ride through technology of DFIG[J].Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(23):84-89.

[5]姚骏, 廖勇, 唐建平. 电网短路故障时交流励磁风力发电机不脱网运行的励磁控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2007, 27 (30): 64-71.YAO Jun, LIAO Yong, TANG Jian-ping. Ride-through control strategy of AC excited wind-power generator for grid short-circuit fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2007,27(30): 64-71.

[6]王利平, 杨德洲, 张军. 大型光伏发电系统控制原理与并网特性研究[J]. 电力电子技术, 2010, 44(6): 61-63.WANG Li-ping, YANG De-zhou, ZHANG Jun. Study of large-scale PV power system control principle and grid-connected characteristics[J]. Power Electronics,2010, 44(6): 61-63.

[7]陈波, 朱晓东, 朱凌志, 等. 光伏电站低电压穿越时的无功控制策略[J]. 电力系统保护与控制, 2012, 40(17):6-12.CHEN Bo, ZHU Xiao-dong, ZHU Ling-zhi, et al.Strategy for reactive control in low voltage ride through of photovoltaic power station[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(17): 6-12.

[8]李红涛, 张军军, 包斯嘉, 等. 小型并网光伏电站移动检测平台设计与开发[J]. 电力系统自动化, 2011,35(19): 39-42.LI Hong-tao, ZHANG Jun-jun, BAO Si-jia, et al. Design and development of a mobile detection platform for grid connection of small photovoltaic power stations[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(19):39-42.

[9]Antonios M, Fabio P, Muhamad R, et al. Grid integration aspects of large solar PV installations: LVRT capability and reactive power/voltage support requirements[C]//IEEE Power Tech 2011, 19-23 June 2011, Trondheim Norway, 2011: 1-8.

[10]王富卿, 韩民晓. 光伏发电动态电压波动补偿特性分析[C]// 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会, 2010年10月15-17日, 上海, 2010.WANG Fu-qing, HAN Min-xiao. Analysis of photovoltaic power generation dynamic voltage fluctuation compensation characteristics[C]// The 26th Chinese Universities Symposium on Electrical Power System Automation, 15-17 Oct. 2010, Shanghai China,2010.

[11]甄晓亚, 尹忠东, 王云飞, 等. 太阳能发电低电压穿越技术综述[J]. 电网与清洁能源, 2011, 27(8): 65-68.ZHEN Xiao-ya, YIN Zhong-dong, WANG Yun-fei, et al.Overview of low voltage ride through in photovoltaic power generation[J]. Power System and Clean Energy,2011, 27(8): 65-68.

[12]郭卫农, 段善旭, 康勇, 等. 基于DSP实现的无差拍控制逆变器[J]. 通信电源技术, 2001, 3(1): 1-4.GUO Wei-nong, DUAN Shan-xu, KANG Yong, et al.Deadbeat control inverter based on DSP[J]. Telecom Power Technologies, 2001, 3(1): 1-4.

[13]杨勇, 阮毅, 叶斌英, 等. 三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法[J]. 中国电机工程学报, 2009, 29(33):40-46.YANG Yong, RUAN Yi, YE Bin-ying, et al. Deadbeat predictive current control method for three-phase grid-connected inverters[J]. Proceedings of the CSEE,2009, 29(33): 40-46.

[14]黄天富, 石新春, 魏德冰, 等. 基于电流无差拍控制的三相光伏并网逆变器的研究[J]. 电力系统保护与控制,2012, 40(11): 36-41.HUANG Tian-fu, SHI Xin-chun, WEI De-bing, et al.Study on three-phase photovoltaic grid-connected inverter based on current deadbeat control[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(11): 36-41.

[15]刘胜荣, 杨苹, 肖莹, 等. 两级式光伏并网逆变器的无差拍控制算法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2010,38(8): 26-29.LIU Sheng-rong, YANG Ping, XIAO Ying, et al.Algorithm research of deadbeat control for double-stage photovoltaic grid-connected inverter[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(8): 26-29.