大功率光伏并网电流控制器的RTDS建模与仿真

黄 鑫，易映萍，范丽君

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)

大功率光伏并网电流控制器的RTDS建模与仿真

黄 鑫，易映萍，范丽君

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)

基于实时数字仿真器(RTDS)，提出了一种检验大功率光伏并网电流控制器控制性能的实时数字仿真方案。利用RTDS构建了100 kW光伏并网发电系统仿真试验平台，并分别搭建了基于比例积分(PI)和比例谐振(PR)两种控制算法的电流控制器模型。模拟实际工况设计了相应的稳态、暂态仿真试验，对两种控制器的控制性能进行了考察。仿真结果有效验证了两种电流控制器的有效性和局限性，也为相关控制器性能的检测提供了借鉴。

大功率光伏；RTDS；电流控制器

随着我国光伏发电并网的规模不断扩大，功率等级也在不断提升，为满足电网对大功率光伏发电系统馈入其中电流的严格要求，需对并网电流控制器的控制性能进行深入考察。对于工程上常用的基于独立脉宽调制技术的线性电流控制器，已有不少理论方面的研究，典型的如基于比例积分(PI)和基于比例谐振(PR)的电流控制策略，这些控制策略已在小功率试验样机上完成了测试。但对于100 kW及以上的大功率光伏并网电流控制器在实际工况下控制性能的检测方面存在诸多困难，主要有现场检测试验耗资大、周期长，一般仿真软件过于理想化、运算速度不满足实时输出的需求等[1]。实时数字仿真器(RTDS)是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，拥有先进的并行处理技术和精确的电力系统元件模型，在对现场检测平台的模拟和对控制算法精细仿真及性能验证上具有无可比拟的优势[2]。本文利用RTDS构建了100 kW光伏并网发电系统仿真测试平台，并分别搭建了基于PI和PR两种控制算法的电流控制器模型，基于该平台设计了相应的稳态、暂态仿真试验，检验这两种控制器在接近实际工况下的控制性能。

1 光伏并网发电系统一次部分建模

1.1 并网发电系统主回路设计

采用典型的两级式三相光伏并网逆变器为主拓扑结构[3]，如图1所示，光伏阵列发出的直流电能经前级Boost电路升压后，通过三相逆变桥转化为50 Hz的交流电能，经滤波电感并入电网。为光伏并网逆变器直流母线电压，表示公共连接点的三相相电压，为光伏逆变器三相并网电流，为滤波电感，表示并网点三相电压。

图1 三相光伏并网逆变器拓扑结构

光伏并网逆变器在三相静止坐标系下的数学描述为：

这里在对升压电路和三相逆变桥电路RTDS建模时，采用建立电压源型电力电子装置的小步长(<2 μs)模型的方法，以确保高频开关器件的仿真精度及速度，光伏阵列、三相电网等交直流电气模块则采用大步长50 μs模型，大步长和小步长模型之间用三台单相隔离变压器相连，使不同仿真步长的电路元件能够协调工作。

1.2 外接电力系统设计

通过RTDS模拟实际电力系统搭建的测试系统电气结构图如图2所示，将输出功率约为100 kW的光伏组件经升压电路并联至100 kW光伏逆变器，与一台变比为0.4/10 kV的变压器组成一个容量为100 kVA的发电单元，其发出电能在10 kV母线汇流后经变比为10/35 kV的变压器升压变送到35 kV母线。架空线路全长15 km，选用Chukar钢芯铝绞线，交流阻抗为0.040 3 Ω/km，负荷侧和电网侧的输电线路长度比任意可调分别为与之对应的输电线路等效阻抗。

光伏并网发电系统一次部分主要参数见表1。

图2 光伏发电及配网电气结构

表1 光伏并网发电系统一次部分主要参数

2 控制系统建模

在光伏并网发电系统的控制策略设计中，电流控制器的结构极为关键。一方面，通过电流控制器可使并网电流时刻与并网点电压保持一定关系，从而向电网注入特定的有功、无功功率；另一方面，为避免不必要的过流保护，需对电流瞬时值进行合适的控制。目前应用最广且最具代表性的是基于PI算法的电流控制器和基于PR算法的电流控制器。

2.1 基于PI算法的电流控制器设计

基于PI控制算法的电流控制器控制框图如图3所示，该控制算法是在两个同步旋转坐标系下实现的，由于PI调节器只对直流分量有无穷大增益，所以令它们分别以基波频率在正、负序方向旋转，最终使电流的正、负序分量化为直流量加以控制。在电网电压不平衡条件下，各电磁量在正、反双同步旋转坐标系中综合表现为直流量和二倍频交流量之和，要得到三相电流、电压的正、负序直流分量，工程中常使用两阶带阻陷波器将其中二倍频分量剔除。陷波器传递函数的频域表达式为：

图3 基于解耦双同步电流控制器的控制框图

2.2 基于PR算法的电流控制器设计

基于比例谐振电流控制器的控制框图如图4所示。在两相静止坐标系中，电流的正、负序分量分别以、－的同步速旋转，而谐振频率为的比例谐振控制器对角频率为±的正、负序交流成分具有无穷大增益。因此，无需引入正、负序电流分解和交叉解耦环节，仅需要一个比例谐振控制器便可同时控制正序和负序电流。两相静止坐标系下并网逆变器矢量形式电压方程为：

在两相静止坐标系下，光伏逆变器交流侧电压参考值为：

图4 基于比例谐振电流控制器的结构框图

3 仿真试验

本文从稳态、暂态两个方面比较两种不同电流控制器的控制效果。稳态主要考察并网电流的谐波含量；暂态主要考察并网电流在电网故障时的波形状况。

3.1 稳态仿真

在理想电网条件下，并网电流的谐波主要由电流控制器和系统非线性造成，利用RTDS三相电压源模块提供理想电网电压，用FFT模块对并网电流进行谐波分析。

由图5可知，基于PI电流控制器和基于PR电流控制器的并网电流总谐波畸变率分别为1.913%和1.783%，满足IEEE Std.1547总谐波畸变率小于5%的标准，且各奇次谐波都在电流谐波限值以内，说明两种电流控制器在电网正常情况下都能达到良好的控制效果。

图5 并网电流谐波分析图

3.2 故障仿真

故障仿真主要针对电力系统发生最频繁的单相短路和造成后果最严重的三相短路，以保持并网电流三相平衡且正弦为控制目标，对比两种控制器的暂态性能。短路故障发生在负荷侧，距离10 kV母线8 km处。设短路时长为200 ms，待系统稳定后，由触发器和控制逻辑在特定时间触发。

3.2.1 单相短路故障

图6(a)为经过0.4/10 kV变压器后的三相电压波形，即光伏逆变器并网点处电压波形，测得A相、B相电压分别跌落至80%和74%额定值，同时相角存在跃变。

图6(b)为采用基于PI电流控制器的单相短路故障试验波形，由于该控制器可分别对电流的正、负序分量进行PI调节，故负序电流能够得到抑制，故障瞬间最大电流值为1.089倍额定电流，电流三相平衡且正弦，实现了控制目标。

采用基于PR电流控制器的控制系统单相短路故障试验波形如图6(c)所示，由于以电网频率作为基准值，省去了正、负序分解环节，系统响应速度较快，同样达到了良好的控制效果。且三相电流更为平滑，故障瞬间最大电流值为1.042倍额定电流。相比前者，该控制器更好地实现了控制目标。

图6 单相短路时故障电压和并网电流波形

3.2.2 三相短路故障

当发生电力系统中最为严重的三相短路故障时，基于PI电流控制器与基于PR电流控制器的控制性能相比则有所差异。对比图7(a)与图7(b)可知，在并网点处电压瞬间跌落至18%的严峻考验下，基于PI电流控制器的电流过冲现象非常明显。实际工程中，若满功率条件下发生跌落，过冲电流会导致硬件保护动作，使得电网侧断路器跳闸，从而与电网断开，甚至有烧毁短路器的危险。三相电流严重不平衡，故障切除后并网电流恢复缓慢。因此，没有达到控制目标。

基于PR电流控制器的单相电流仍存在一定的过冲，但幅值较前者明显减小，且三相电流基本保持平衡，故障切除后电流迅速恢复到正常状态，基本实现了控制目标。

图7 三相短路时故障电压和并网电流波形

4 结论

本文基于RTDS对大功率光伏并网发电系统及其电流控制器进行了建模，并模拟实际工况对两种电流控制器的控制性能进行了仿真试验。通过仿真波形的对比分析，说明基于RTDS的光伏并网仿真平台很好地满足了控制策略的验证需求，提出的两种电流控制器中，基于PR的电流控制器具有更好的暂态性能，能更高效地实现大功率光伏并网系统的控制目标。

[1]王多，常康，薛峰，等.基于RTDS与MATLAB的双馈感应风电机组动态特性仿真比较[J].电力自动化设备，2012，32(12)：80-86.

[2]常浩，张民，马为民.实时数字仿真器的应用[J].中国电力，2006，39(7)：56-60.

[3]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2011：84-91.

RTDS modeling and simulation of high power photovoltaic grid-connected current controller

Based on real time digital simulator(RTDS)， a real time digital simulation scheme was presented for examining the control performance of high power photovoltaic(PV)grid-connected current controller.A set of 100 kW grid-connected PV power generation system simulation platform was established by RTDS，then two different current controllers namely PI and PR current controller were built.The evaluations for the two current controllers were made in steady state test and transient test.The results illustrate that the platform which is very familier with the real situation is suitable for anglicizing the controllers'performance.

high power PV;RTDS;current controller

TM 57

A

1002-087 X(2016)04-0895-04

2015-09-11

国家“863”高技术基金项目(2012AA050206)

黄鑫(1990—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为分布式能源并网发电及故障穿越技术。