并网逆变器穿越技术的研究及实现

(怀化市水利电力勘测设计研究院，湖南 怀化 418000)

随着近年来分布式发电在我国电网供电中所占的比例越来越高[1-3]，分布式电源对电网的影响愈发明显，对分布式电源故障穿越能力、有功输出及无功补偿控制能力的要求日益增高，而作为分布式电源与电网间常用的连接装置，并网逆变器不仅隔离分布式电源与电网，起到保护分布式电源的作用，而且还能够把电网暂态故障的影响最大程度地限制在电网侧，因此，对并网逆变器穿越技术的研究十分必要。

目前对穿越技术的研究主要集中在风力发电的低电压穿越(LVRT)[4-6]，而对光伏并网发电的故障穿越技术研究尚不多。对风电而言，目前发展最为迅速的同步直驱式风机(PMSG)[7, 8]采用AC/DC、DC/AC(并网逆变器)变流器实现并网供电；对光电而言，光伏电池阵列则必须通过并网逆变器才能与电网连接。

本文对并网逆变器穿越技术进行了研究，通过直接对电网电压跟踪实现了并网逆变器在电网暂态故障时的穿越。该策略不仅可以同时实现并网逆变器的电压穿越，对电网“孤岛”现象也能进行瞬时跟踪，而且还可以动态调整并网逆变器的有功及无功输出。

本文首先阐述了并网逆变器穿越技术的控制原理，介绍了电网电压的检测方法，分析了并网逆变器与电网间的连接电感的参数选取，然后对电网正常工作状态、电网暂态故障及“孤岛”现象时并网逆变器电压穿越条件下的并网逆变器输出有功及无功的控制思想进行了阐述，最后给出实验数据并予以分析，验证了策略的可行性和有效性。

1 并网逆变器穿越技术控制原理

并网逆变器穿越技术的控制原理如图1所示，利用电压型SPWM跟踪控制调整电网电压，控制并网逆变器输出电压，对分布式电源直流侧的电压电流进行双重检测，对并网逆变器的输出电压及电网侧电流进行监控检测，同时对Crowbar电路进行开关控制。

图1 并网逆变器控制原理

为防止电网故障时分布式电源与电网间功率不平衡带来的直流侧母线电压升高问题，该策略加入直流侧过压保护电路[9](Crowbar)，并对直流侧电压电流进行实时监控，通过DSC芯片对Crowbar电路中开关器件的控制对其进行连接或断开操作。

目前常用的Crowbar电路主要有：ⓐ通过Buck电路连接卸荷电阻；ⓑ增加储能装置；ⓒ增加辅助变换器建立新通道。

1.1 对电网电压的瞬时检测

为实现并网逆变器对电网电压的实时跟踪，该策略对电网电压相位与幅值进行相互独立的采样检测，并以之作为被跟踪量。

本文利用DSC芯片的信号高速采集处理能力[10]，以载波周期为单位对电网电压幅值进行采样。

取载波比

(1)

则有载波周期Tc=78.125μs，即在一个工频周期内，对电网电压幅值取256个采样值。

设t时刻电网电压的采样值为Us(t)，又通过查表可得t时刻电网电压的额定值为Ub(t)，则有

E=Ub(t)-Us(t)

(2)

以式(2)中E作为是否改变并网逆变器控制策略的判定标准。

若取晶体振荡器频率Usptr=80MHz，则理论上计数器分辨率为12.5ns，测量精度达0.000225°，本文实际采用精度为0.0045°，为提高计算速度，cos/sin采用查表加插值法求得。

由上述讨论可知，该策略对电网电压的检测可以控制在一个载波周期内，为并网逆变器对电网电压的SPWM跟踪控制做好准备。

1.2 连接电感的选取

图2为分布式电源通过并网逆变器与电网相连接的等效电路图，其中L为并网逆变器与电网间的连接电感，R为分布式发电并网系统的等效内阻。

图2 分布式发电并网系统等效电路

若忽略内阻R，则有图2的等效方程：

(3)

由式(3)可得

(4)

本文取L=1mH，但在实际情况中，为抑制谐波电流，应取5mH以上。

2 有功输出与无功补偿控制

由图1可知，本文还对并网逆变器输出电压及电网侧电流进行了监控检测，实时监控并网逆变器及电网的工作状况，而此举同时也是本文控制并网逆变器输出有功及无功的基础。

输出有功无功闭环控制如图3所示。

图3 输出有功无功闭环控制

图3中Iref为参考电流给定，Kip为PI电流闭环的比例系数，Kif为反馈系数，M为并网逆变器输出与输入的比例系数。

若不考虑谐波影响，则并网逆变器对电网的输出功率有表达式为

δ

(5)

(6)

对并网逆变器有功输出与无功补偿控制的程序流程见图4。

图4 有功无功输出控制流程

由图4可知，本文通过对功率角δ与电网侧电流的闭环控制达到对有功输出及无功补偿进行动态调节的目的，避免了解耦法必须的解耦计算过程。

如前文所述，本文以式(2)中E作为电网运行状态的判断标准，对电网侧电流进行闭环控制，达到电网正常运行时，并网逆变器完全输出有功；电网暂态故障时，并网逆变器完全发出无功或吸收无功，协助稳定电网电压的目的。

当电网正常运行时，应控制并网逆变器输出有功功率最大，即并网逆变器输出电压相位超前电网电压相位δ。

此时并网逆变器与电网的矢量图如图5所示。

图5 电网正常运行时

当电网暂态故障时，应控制并网逆变器输出无功功率最大，即并网逆变器输出电压与电网电压相位差为uo>us。

此时并网逆变器与电网的矢量图如图6所示。

图6 并网逆变器低电压穿越时

当电网暂态故障时，应控制并网逆变器吸收无功功率最大，即并网逆变器输出电压与电网电压相位差为0°。

此时并网逆变器与电网的矢量图如图7所示。

图7 并网逆变器高电压穿越时

3 实验验证

本文以单相全桥逆变器为例进行实验，通过控制并网逆变器输出电压直接对电网电压进行跟踪，利用空气开关短接分压电阻模拟电网电压的暂态故障。

实验波形图中时间轴比例为1∶1，幅值轴比例为80∶1。则有实验结果如下(在实际运行时，功率角δ应留有裕量，不能达到理想值)：

a.电网正常供电时，功率角δ=90°，实现完全有功输出(见图8)。

图8 电网正常供电时的完全有功输出

b.电网暂态故障时，并网逆变器输出电压的低电压穿越见图9。

图9 电网暂态故障时的低电压穿越

若进行动态无功补偿，则功率角δ从90°变为0°，实现完全无功输出(见图10)。

图10 动态无功补偿时的完全无功输出

c.电网暂态故障时，并网逆变器输出电压的高电压穿越见图11。

图11 电网暂态故障时的高电压穿越

若进行动态无功吸收，则功率角δ从90°变为0°，实现完全无功输入(见图12)。

图12 动态无功吸收时的完全无功输入

d.电网故障恢复时，并网逆变器恢复为全有功功率输出。并网逆变器低电压穿越恢复见图13，并网逆变器高电压穿越恢复见图14。

图13 并网逆变器低压穿越恢复

图14 并网逆变器高压穿越恢复

e.电网发生“孤岛”现象时，并网逆变器输出电压的瞬时跟踪见图15。

图15 并网逆变器输出电压瞬时跟踪

4 结 语

本文对并网逆变器穿越技术进行了研究并予以实现，利用了DSC芯片的信号高速采集处理能力，对电网电压的检测可以在一个载波周期内完成，在电网暂态故障时，能够实现并网逆变器的电压穿越，对电网“孤岛”现象也能够实现瞬时跟踪，而且还可以动态调整输出有功及无功功率，在电网正常运行时输出有功功率最大，电网暂态故障时协助电网电压稳定。通过实验验证了本文的可行性与有效性。

[1] GB/T 19963—2011风电场接入电力系统技术规定[S].

[2] GB/T 19939—2005光伏系统并网技术要求[S].

[3] GB/T 19964—2012光伏发电站接入电力系统技术规定[S].

[4] 李戈,宋新甫,常喜强.直驱永磁风力发电系统低电压穿越改进控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2011,36(12):74-78.

[5] 李建林,胡书举,孔德国,等.全功率变流器永磁直驱风电系统低电压穿越特性研究[J].电力系统自动化,2008,32(19):92-95.

[6] 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.

[7] 肖文英.并网型直驱永磁同步风力发电系统低电压穿越技术的研究[D].长江:湖南大学,2011.

[8] 邓秋玲,彭晓,张桂湘.电网故障下直驱风电系统网侧变流器的电网同步化技术[J].高电压技术,2012,38(6):1473-1479.

[9] 胡书举,李建林,许洪华.直驱式VSCF风电系统直流侧Crowbar电路的仿真分析[J].电力系统及其自动化学报,2008,20(3):118-123.