基于直流母线电压控制的大功率光伏逆变器的低电压穿越的实现

杨舟 杨滔 马成斌 李春 董祖毅 上海电气集团股份有限公司输配电分公司技术中心 (200042)

杨舟（1985年~），男，硕士，助理工程师，主要从事新能源变流器的研发工作。

0 前 言

当前光伏发电已成为太阳能资源开发利用的重要形式，其中大型光伏电站的接入，将对电网的安全稳定运行产生深刻影响，特别是在电网故障时光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态，带来更加严重的后果[1,2]。

为维持光伏能源高渗透下电力系统的安全与稳定运行，新的并网接入规则要求大中型光伏逆变器应具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，即在电网故障期间保持光伏逆变器不间断并网运行[3]。

文献[4-6]主要分析了目前光伏电站实现低电压穿越的重要性和必要性。光伏电站与风电场相比，相同的是都通过电力电子器件并网，电力电子器件的耐受能力制约光伏电站的低电压穿越能力；不同的是光伏电站没有转动惯量，直流侧的电压在电网故障时不会像风电机组那样升高很多，制约光伏逆变器低电压穿越的瓶颈是逆变器交流侧输出电流的大小，在电网电压跌落期间，需要控制有功电流，否则若超过额定电流过大，会损害电力电器件。另外光伏电站正常并网工作时的输出效率主要由最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）策略决定[7]，有效的控制是光伏逆变器稳定高效运行并完成低电压穿越的前提，且低电压穿越过程前后逆变器对有功、无功电流的控制，是通过穿越过程和MPPT过程的动态切换实现的，对输出功率大小、相位、增减速度的控制是光伏逆变器低电压穿越的重点。

根据电网电压正常和三相平衡跌落的运行条件，文献[8-9]采用常规控制与 LVRT 控制相切换的策略实现低电压穿越，但未对不平衡跌落进行分析。按照光伏低电压穿越的最新标准，针对不同深度的不平衡跌落情况，需要发出不同幅值的无功电流对电网进行支撑，文献[10]提出了利用单相电压虚拟构建的方式快速获取不平衡跌落时单相电压跌落深度的方法。

笔者在基于直流母线电压控制的基础上，实现了大功率光伏逆变器的低电压穿越，针对平衡和不平衡的电压跌落情况，按照低电压穿越标准予以无功补偿，并实现了动态MPPT过程和低电压穿越过程的快速切换，保证了低电压穿越起始过程的无功补偿速度和结束过程的有功恢复速度。该方法在500kW光伏逆变器的设计中得到应用并通过实验得到验证。

1 光伏电站低电压穿越要求

新的并网接入规则规定大型光伏电站的中高压型逆变器应具备一定的耐受异常电压的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电压的不稳定。[3]电网电压异常在光伏并网系统中体现为并网点电压跌落，根据跌落类型可分为三相平衡跌落和三相不平衡跌落。

国家电网公司 2011 年颁布的《光伏电站接入电网技术规定》(Q/GDW617-2011)要求，当电网电压跌落至图 1 所示的曲线 1 以下时，光伏逆变器可以从电网切出。

根据要求，光伏逆变器在低电压穿越期间，并网运行需要满足：

(1) 电网电压跌落瞬间，需在保护光伏逆变器安全的前提下保持不间断并网运行；

(2) 低电压穿越期间，保持逆变器并网的稳定运行，同时按照并网规则向电网提供必要的无功支撑；

(3) 电网电压恢复后，有功电流需以至少30%额定功率/秒的变化率恢复至故障前的运行幅值。

图1 大中型光伏电站的低电压穿越能力要求

2 光伏逆变器的设计

2.1 光伏逆变器的结构和控制策略

笔者介绍的大功率光伏逆变器的拓扑结构如图2所示。

大功率光伏逆变器输入端一般没有DC/DC环节，直接输入光伏阵列的直流电压，正常工作的电压范围为450～800V。输出端为三相三线制，并入270V线电压的电网。逆变器采用LC滤波的结构。

图2 500kW光伏逆变器的结构

逆变器的控制目标是输出稳定、高质量的正弦电流，且与并网点电压频率、相位相匹配，并达到相应的功率因数。在光伏逆变器LC滤波结构的基础上，采用电流双环PI调节方式，以实现对三相逆变桥的精确控制，图3为控制框图。

图3 电流双环PI调节

逆变器通过MPPT算法得到电流d轴分量参考值Id，Id与逆变器输出端测得的电流d轴分量之间的误差信号经过两次电流环PI 调节、dq解耦过程，最终得到逆变器PWM 调制波Ud。同理对逆变器输出的无功电流进行控制，无功电流的给定值为Iq_ref。

2.2 基于直流母线电压控制的最大功率跟踪策略

PV阵列特性决定了光伏逆变器的功率控制策略，光伏阵列特性曲线如图4所示。其中，P为功率，I为电流，MPP为最大功率点。逆变器在正常运行的过程中一般处于最大功率跟踪(MPPT)阶段，MPPT的效率决定逆变器的性能，而在遇到电网电压跌落过程前后，逆变器需要在MPPT状态和低电压穿越状态之间进行切换。切换的速度和MPPT策略的合理性决定了逆变器是否能够满足低电压穿越的标准。

图4 太阳能电池输出特性曲线(不同光照强度下)

光伏逆变器常用的MPPT策略是基于并网电流直接控制的扰动法[9]，即直接将逆变器的并网电流的给定值进行周期性改变，通过计算逆变器输入功率随并网电流改变而产生的变化来确定并网电流给定值的变化趋势。

常规的MPPT策略在光照正常时，能够实现对PV阵列输入功率较为准确的跟踪，但在天气复杂、光照强弱变化较快时，尤其是光照迅速减弱，PV阵列输入功率瞬降的情况下，容易发生直流母线电压崩溃的现象[10]。崩溃后逆变器常工作于功率曲线的低电压、小功率部分，无法回到最大功率点处，导致输出效率严重降低且波形畸变。

为了防止直流母线电压崩溃，改进的MPPT策略有电导增量法、变步长扰动法[10]等，这些方法在普通扰动法的基础上利用更快速、更精确的运算使得逆变器的输出在最大功率点处形成更小幅度的功率波动，在PV阵列的输入功率产生变化时能够计算得到并网给定电流值的正确变化趋势。然而这些方法普遍对系统的采样精度提出了更高的要求，使硬件的成本提高，且变步长的扰动方法在每一次功率大幅度变化之后都要重新进行步长的调整，难以满足低电压穿越后的功率恢复的速度要求。

该光伏逆变器使用基于直流母线电压控制的扰动法进行MPPT，即将扰动的对象改为直流母线的给定值，在电流双环PI控制之外，加入直流母线电压PI外环，通过对直流母线电压给定值的扰动和对功率变化趋势的计算，获得每一时刻尽量靠近最大功率点附近的电压值，并通过外环的PI调节获取并网电流的给定值。

使用基于电压外环的扰动法进行MPPT，在PV阵列输入功率快速变化的情况下，也能避免直流母线电压崩溃的现象，且通过对外环PI的调整，可以直接调节功率跟踪的速度，是低电压穿越后进行功率恢复速度的保证。

3 光伏逆变器的低电压穿越的实现

当光伏逆变器运行在最大功率点，电网电压跌落瞬间时，由功率平衡原理可知，直流母线电压Udc将瞬间升高；由PV曲线可知，电压的升高导致光伏阵列输出功率减小，直到达到新的功率平衡点，直流母线将维持稳定，且Udc最大不会超过开路电压，所以光伏并网系统中直流母线的保护具有固有优势，光伏逆变器低电压穿越的重点在于对跌落电压深度的测量，及时给予满足要求的无功电流支撑以及跌落结束后快速的功率恢复。

3.1 电网电压的检测

电网电压的跌落分为平衡跌落和不平衡跌落，可以通过正负序分解的方法获取电网电压的幅值和不平衡度。

当电网发生平衡跌落时，负序分量较小，从电网电压正序分量可以直接分解出电网的跌落深度。

当电网发生不平衡跌落时，负序分量较大，此时从电网电压的正序分量中不能判断出是哪一相发生的跌落及跌落的深度。如图5所示，采用单相电网电压虚拟构建的方法，获取每一相电网电压的幅值。

图5 利用单相电压虚拟构建三相电压的方法

在任意时刻，对每一相电压，将此刻所采集到的此相电压的幅值作为虚拟A相电压、缓存的1/6周期之前的该相电压幅值作为虚拟B相电压、将前两者的反向和作为虚拟的C相电压，直接求取此虚拟的三相电压的正序分量，即可得到该电压当前时刻的近似幅值。

3.2 无功电流的支撑

按照低电压穿越标准，逆变器需要在电网电压跌落期间，向电网发出相应大小的无功电流。按照光伏低电压穿越标准，对于电网电压的平衡跌落，需要补偿的无功电流幅值须满足：

其中，Ud*/Ud为电网电压跌落的深度值，低电压穿越标准要求在跌落开始30ms内补偿的无功电流幅值需要达到要求的幅值的90%以上。故在检测到电网电压实际值为电网理论电压值的85%时，就需要根据公式开始跟随电压跌落深度补偿无功电流。且逆变器运行过程中的有功电流、补偿的无功电流大小需要满足：

式中Imax为考虑到逆变器模块承受能力所允许的最大电流，电压跌落期间电流的稳定控制和无功支撑通过动态改变dq轴电流指令值来实现，并选取适当的控制器参数以保证系统的稳定性。

3.3 跌落结束后的功率恢复过程

对于光伏逆变器，在电网电压跌落期间减少有功电流提供无功支撑，根据PV阵列的功率曲线，逆变器工作点将接近于开路电压点。故在跌落结束后逆变器功率恢复的过程近似于逆变器开机时从开路电压点到最大功率点的MPPT过程。

低电压穿越标准要求，跌落结束后的功率恢复速度需要达到最大功率的33%/秒。如果仅使用稳定工作时基于直流母线电压控制的扰动法进行功率恢复，恢复的速度只由开路电压点和最大功率点的电压差决定，和功率大小无关。故逆变器在重载情况下的功率恢复速度远大于轻载情况下的功率恢复速度。

为了使逆变器在轻载情况下也能达到要求的恢复速率，逆变器在跌落结束时首先采用母线电压参考值固定的方式，使逆变器运行的功率点迅速恢复到最大功率点附近，再切换至扰动参考电压的MPPT运行方式，进行较为准确的功率点定位。

如图6，根据光伏阵列的功率曲线，最大功率点处的电压一般为开环电压的80%左右。考虑到电压跌落过程中，逆变器发出的有功电流较小，可以近似认为跌落过程中的母线电压值等同于跌落后开始功率恢复时的开路电压值。故在低电压跌落结束时，可以将固定的母线参考电压设定为跌落过程中母线电压的85%，使逆变器迅速越过低功率的曲线部分，加快功率恢复。

图6 光伏逆变器功率恢复过程

4 实验结果

针对所提出的控制策略，使用500kW的光伏逆变器在实验平台上进行了验证，逆变器的参数如下：

附表 逆变器的参数

实验使用艾普斯的交流侧模拟装置和Kewell的PV模拟器，验证逆变器在正常运行状态下的功率输出策略和低电压穿越能力。

4.1 最大功率跟踪效果

实验平台设定模拟单晶硅光伏阵列，在不同光照条件下逆变器进行最大功率跟踪的直流电压范围为450～650V，采用基于母线电压扰动的MPPT策略，实验平台模拟光照稳定的条件下，逆变器的母线电压、输出的电流波形和功率曲线如图7。

图7 光伏逆变器平稳运行的电压、电流、功率情况

其中，直流母线电压因扰动策略造成的波动在正负10V之内，符合一般光伏逆变器标准的要求。逆变器的静态MPPT效率在99.3%以上。

实验平台模拟光照条件变化的情况，在变化最剧烈的情况下，最大功率点处的输出功率由额定功率的30%至100%在10s之内来回变化，逆变器仍能保持对最大功率点处迅速准确的跟踪。

此时，动态MPPT的效率仍能保持在98.8%以上，即表明在光照剧烈变化的条件下，逆变器不会发生直流母线崩溃的现象，仍能保持高效率的功率输出。

4.2 低电压穿越的实验结果

如图8，逆变器进行电网电压平衡跌落，逆变器对跌落迅速作出反应并给予无功电流的支撑，在跌落结束之后的有功功率恢复速度>90%/秒，满足低电压穿越要求。

图8 光伏逆变器低电压穿越平衡跌落的情况

如图9，逆变器正常运行时进行电网不平衡跌落，逆变器对跌落作出反应并给予无功电流的支撑。其中，单相跌至80%的情况仅用三相电压正序分量难以判断出跌落的发生，用单相电压虚拟构建的方式可以及时判断出跌落并进行反应，达到低电压穿越标准的要求。

图9 光伏逆变器低电压穿越不平衡跌落的情况

5 结语

笔者介绍了一款光伏逆变器低电压穿越过程的实现方法。利用对直流母线电压的扰动进行最大功率跟踪，能够防止在光照变化的情况下逆变器可能发生的直流母线崩溃，保持逆变器运行过程中的高效率，是低电压穿越过程结束后快速进行功率恢复的基础，此外依靠对电网单相电压的虚拟构建方法，可以对不平衡跌落进行快速和准确的反应。实验证实了逆变器低电压穿越策略的有效性。

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