电压不对称故障下光伏逆变器低电压穿越技术

（北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

1 引言

随着光伏发电在电力能源中所占比重增加，其对电网的影响日趋显著。提高光伏系统性能，特别是对电网故障响应能力，成为光伏发电技术发展的迫切需要。为了适应新的电网导则对光伏发电系统低电压穿越（LVRT）能力的要求，国内外学者已经开始关注光伏发电系统的LVRT控制［1］。

在光伏并网发电系统控制策略研究过程中，一般假设三相电网电压是对称的，但这一假设条件并不总成立［2］。在电网电压不对称情况下，以三相电网电压对称为约束条件设计的光伏并网发电系统就会呈现不正常运行状态。一方面将在网侧产生大量谐波，污染电网，降低电能质量［2-3］；另一方面光伏阵列发出功率与并网功率不平衡，导致逆变器直流侧电压上升，输出电流增大，可能导致逆变器过流保护而停机脱网。

本文针对电网电压不对称的情况，分析了逆变器的运行特性。在此基础上引入结构完全对称的正、负序双电流内环控制，以实现对正、负序电流的独立控制［4］。本文采用了抑制交流侧负序电流的平衡电流算法，并对该算法进行仿真验证。

2 光伏逆变器的基本结构

光伏并网发电系统拓扑结构如图1所示，采用单级式拓扑，逆变器采用三相桥式无中线电压型PWM逆变器。

图1 单级式光伏并网发电系统结构Fig.1 Configuration of single-stage grid-connected PV systems

3 传统的双闭环控制策略

两相同步旋转坐标系下基于PI调节器的电压电流双闭环控制方式目前应用最为广泛，控制结构如图2所示。电压外环输出作为内环有功电流指令值，电流内环控制并网电流［4-5］。

图2 逆变器双闭环控制结构Fig.2 Double closed-loop control structure of inverter

传统的双闭环控制方式在电网电压不对称故障下，由于负序电网电动势和负序交流电流的存在，逆变器输出功率会发生2倍工频的正弦波动，直流侧电压含有2倍工频纹波，输出电流波形发生畸变［1，4］。故必须提出新的控制方案。

4 不对称电压下的控制策略

4.1 不对称电压下瞬时复功率计算

电网电压不对称故障下逆变器输出的瞬时有功功率P和无功功率Q表达式为［3-6］

式中：P0，Q0分别为有功、无功功率平均值；Pc2，Ps2和Qc2，Qs2分别为2次有功和无功余弦、正弦项谐波峰值；edp，eqp，edN，eqN和idp，iqp，idN，iqN分别为电网电动势矢量和电流矢量在正负序坐标系d，q轴上的投影。

平均有功功率指令由电压外环计算给出：

式中：kvp，kvi为电压外环的PI参数。

本文采用在正负序同步旋转坐标系中，电网正、负序电压分别定向的矢量控制策略［2，4］。

4.2 抑制交流侧负序电流的LVRT控制策略

电网电压不对称故障时，网侧电流的限幅作用使得并网总功率下降，功率不平衡导致直流侧电压升高［7］。根据光伏池板PV与IV特性曲线分析，光伏池板输出功率减少同时向最大功率点右侧移动。当前控制目标为电网故障前后并网电流实现平稳过渡，有效抑制电流上升；同时要求电流负序分量得到有效抑制，并网电流具有高平衡度。

式中：kp，ki分别为电流内环PI调节器参数。

根据以上各式得到电压不对称故障时抑制网侧负序电流的双电流内环控制框图，如图3所示。

图3 抑制负序电流的双电流内环控制框图Fig.3 Control block diagram of double current inner loop with restraining negative sequence current

由图3可知LVRT控制策略可概括为：逆变器采用外环控制中间直流电压，内环采用正负序双电流环控制的闭环控制策略。直流电压外环PI调节器输出作为平均有功功率参考值。并网电流的正负序分量分别经过正反向同步旋转坐标系旋转，转化为直流量，经过PI调节器，对正负序参考电流分别进行跟踪［8］。引入电网电压前馈控制环节。考虑逆变器电流安全限值，根据电压跌落深度U计算出合适的有功电流系数K，确保逆变器不因过流保护而停机脱网，实现低电压穿越运行。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink中建立了图4所示容量为220 kW的光伏并网发电系统仿真模型。

图4 光伏并网发电系统仿真模型Fig.4 Simulation model of grid-connected PV system

PV模拟电源参数如下：开路电压735.6 V，短路电流461.44 A，最大功率点电压为578.4 V，最大功率点电流为381.21 A。逆变器主要参数如表1所示。直流电压给定采用恒压法，调制方法为SVPWM。

表1 逆变器参数Tab.1 Power inverter parameters

本文只对单相接地故障进行仿真分析。仿真条件为0.6～0.7 s时发生A相电压跌落，跌落到0.2（标幺值）。发生故障前系统运行于额定功率下，最大电流限幅为1.2（标幺值）。在故障发生时，对采用传统的双闭环控制方法与本文采用的LVRT控制方法时逆变器运行情况进行分析，仿真波形如图5、图6所示。

图5 传统双闭环控制方法的仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of traditional double closed-loop control mode

图6 低电压穿越控制方法的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of LVRT control mode

通过上面的仿真波形可以看出：电网电压发生单相跌落80%故障时，若采用传统的双闭环稳态控制方法，逆变器输出电流瞬间增大，且跌落相电流幅值超过最大电流限幅1.2（标幺值），导致逆变器过流保护、停机脱网；并网电流含有负序分量引发电流不平衡，交流侧电流畸变较大，3次谐波明显，污染电网；不对称电压和电流中的负序分量导致逆变器输出瞬时有功功率P、无功功率Q中含有2倍工频的波动分量，功率波动会在直流侧母线电压上产生2倍工频振荡，有功电流呈2倍工频振荡。

采用抑制网侧负序电流的LVRT控制方法时，成功抑制并入电网的有功电流2倍工频振荡，逆变器输出电流正旋度较好且平衡，实现了平稳过渡；有效抑制电流上升，保证逆变器继续并网运行。

2种控制方法中网侧电流的限幅作用导致并网功率P的直流分量减小，功率不平衡导致直流侧电容电压升高。采用抑制负序电流的LVRT控制方法时直流母线电压和无功功率的波动较小，并网电流3次谐波被成功抑制且THD值明显减小。

6 结论

本文对光伏并网逆变器在电网电压发生不对称故障时的运行状况进行分析研究，采用了一种根据瞬时有功功率和无功功率给定计算正负序参考电流、以抑制交流侧负序电流为目标的低电压穿越控制策略。仿真结果表明，本文采用的控制方案无需增加额外硬件保护装置，只需改变光伏并网逆变器的控制策略，即可实现电网电压不对称故障下光伏并网逆变器的低电压穿越运行。

［1］赵紫龙，吴维宁，王伟.电网不对称故障下直驱风电机组低电压穿越技术［J］.电力系统自动化，2009，33（21）：87-91.

［2］姚骏，廖勇，庄凯.电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略［J］.电力系统自动化，2009，33（12）：91-96.

［3］徐金榜，何顶新，赵金，等.电压不平衡情况下PWM整流器功率分析方法［J］.中国电机工程学报，2006，26（16）：80-85.

［4］叶盛，黄守道，黄科元，等.不对称电压下PWM整流器的控制策略［J］.电网技术，2010，34（10）：94-98.

［5］Yu Wang，Yanbo CHE，Cheng K W E.Research on Control Strategy for Three-phase Voltage Source Rectifier［C］//2009 3rd International Conference on Power Electronics Systems and Applications.Hong Kong，China，2009：1-5.

［6］蔚兰.分布式并网发电系统低电压穿越问题的若干关键技术研究［D］.上海：上海大学，2011.

［7］李珊瑚.直驱风力发电机组故障穿越控制策略研究［D］.重庆：重庆大学，2011.

［8］Song Hong-seok，Nam Kwanghee.Dual Control Scheme for PWM Converter under Unbalanced Input Voltage Conditions［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1999，46（5）：953-959.