不平衡故障下光伏并网系统控制策略研究

王慧，冯小萍，王晓飞，南东亮，王密娜，高明明

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2.国网新疆电力公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

不平衡故障下光伏并网系统控制策略研究

王慧1，冯小萍2，王晓飞2，南东亮2，王密娜2，高明明2

（1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003；2.国网新疆电力公司，新疆 乌鲁木齐 830002）

电网不平衡故障下，两级式光伏逆变器的直流母线电压及并网电流会不稳定，从而导致光伏逆变器由于过压或者过流而脱网，而光伏逆变器的脱网又会恶化电网系统的安全运行，从而造成更为严重的事故。针对这一问题，首先在分析三相光伏并网逆变系统结构及控制的基础上，提出电网故障下保持系统直流母线电压及并网电流稳定的控制策略，并且采用所提控制策略下的光伏并网逆变器能够在电网故障期间对其提供一定的无功支持。最后，搭建了三相光伏并网逆变系统的数字仿真及物理实验平台，结果验证了所提控制策略在电网不平衡故障下的有效性与优越性。

光伏逆变系统；不平衡故障；直流电压；并网电流

随着光伏发电在电力系统中所占比例的逐步增加，其对电网系统的安全稳定运行带来了新的影响与挑战［1-2］。相关标准中要求光伏并网逆变器具有一定的故障穿越能力，且在适当条件下可以对电网提供一定的无功功率支持，以促进电网跌落故障的恢复［3］。

在电力系统的故障类型中，不平衡跌落是主要的故障类型。相对于平衡故障，不平衡故障的分析和处理也更为复杂［4］。不平衡故障下同样会引起直流电压过压及交流并网电流过流等问题，且不平衡故障下系统的功率会产生较为明显的二倍频波动，从而加剧光伏并网逆变器脱网的风险［5］。因此，通过适当方法和措施降低光伏并网逆变器故障期间的直流电压及并网电流波动，使其顺利渡过短暂的电网不平衡故障，对于促进电网的故障恢复具有非常重要的作用和意义。

本文首先分析了三相光伏逆变器的整体结构，介绍了传统的控制策略，在此基础上，提出了能够在不平衡故障期间保证直流母线电压和并网电流稳定运行的控制策略。最后，通过数字仿真及物理实验平台对所提控制策略进行分析与验证。

1 三相光伏整体结构及控制

1.1 三相光伏并网系统组成

常见的针对中小功率的三相光伏逆变并网系统如图1所示［6］，该并网逆变系统主要包括前级的Boost升压电路及后级的全桥逆变电路。其中，C1，C2为直流滤波电容；L1，D1分别为Boost升压电路电感及二极管；S1～S7为IGBT开关管；L，C分别为交流侧滤波电感及滤波电容；ea，eb，ec为三相交流电压；Udc为直流母线电压；ia，ib，ic为三相交流电流。

图1 三相光伏逆变并网框图Fig.1 The diagram of three-phase photovoltaic grid-connected inverter

1.2 传统控制策略

从上面的分析中可以看出，在两级式的三相光伏逆变并网系统中［7］，其控制策略主要可以从前后两级来说明，前级Boost升压电路主要实现的是最大功率跟踪控制，后级则采用定直流电压控制方法，其控制框图如图2所示。需要说明的是，为了便于描述逆变侧的控制算法，图中将逆变侧的控制放到了图的左侧。

图2 传统控制框图Fig.2 The conventional control diagram

2 直流母线电压控制方法

2.1 直流母线电压响应特性分析

据图1可知，光伏系统前后级的功率存在如下关系：

式中：PPV为光板吸收的功率；PBus为直流母线上的功率；Pg为逆变器注入电网的功率。

稳态情况下，直流母线电压恒定，光板吸收的功率与逆变器注入电网的功率相等，即

式中：UN,IN分别为电网的相电压、相电流。

当电网侧发生故障时，逆变器侧注入电网的功率会减小，假设减小到Pg1，而此时前级直流侧依然是最大功率跟踪控制，光板吸收的功率与逆变器注入电网的功率产生不平衡，直流母线电压会发生波动，假设变化后的值为Udc1,持续的时间为Δt,则可得：

则故障下直流电压的有效值为

式中：k为电压的跌落深度，k=（UN-US）/UN, US为电压跌落后数值。

因此，从式（4）可以看出，直流母线电压在故障情况的变化大小主要取决于电网电压的跌落深度及持续时间，当故障发生时，需要采取适当的措施来限制直流母线电压的上升。

2.2 故障下直流电压控制方法

造成直流母线电压过压的主要原因是能量的不平衡，前级直流升压电路的控制策略是最大功率跟踪控制，可以考虑在检测到电网故障的情况下改变此控制策略，即将其切换为定直流电压控制模式，如图3所示。

图3 直流母线电压控制策略Fig.3 The control strategy of DC-bus voltage

图3中，Fdet表示故障检测信号，S为切换开关。正常工作模式下，Boost电路采用最大功率跟踪控制模式，当检测到电网故障时，将其控制模式切换为定直流电压控制方式以保证直流母线电压稳定。

3 故障下并网电流控制方法

3.1 有功无功参考值计算

从上面的分析中可以看出，传统控制算法下光伏逆变并网系统运行在最大功率点，不需要对其有功功率值进行设定，且无功功率通常设置为零，使其工作在功率因数为1的状态。而当电网发生故障时，为了不使逆变器的并网电流过流，对其有功功率参考值进行设定。此外，根据国家电网及国外相关机构的标准，电网故障下，要求光伏逆变器在不脱网的同时，还应在一定时间内给系统提供一定的无功功率支持，以减小电网故障带来的危害［3］。因此，可以设定光伏逆变器的有功及无功电流参考值为

需要说明的是，在计算IN时可参考式（2），根据故障前一刻的功率值得出IN的近似值。在不平衡故障下，系统中存在相应的正序分量和负序分量，光伏逆变器输出的有功功率和无功功率均会存在振荡，在不考虑振荡的情况下，可以得到有功功率和无功功率的参考值为

当控制并网电流中仅含有正序分量时，便可对式（7）进行相应的简化，即

3.2 参考电流生成控制算法

在系统不平衡故障发生时，并网点的三相电压和电流可以用其相应的正序和负序分量之和来表示，也即

将其转换在dq坐标系下，可得

又因

根据瞬时无功理论可得［8］

可得

其中

式中：P0,Q0分别为有功无功的平均值；Pcos,Psin分别为二次有功余弦、正弦谐波峰值；Qcos,Qsin分别为二次无功余弦、正弦谐波峰值。

可以看出，在不平衡故障下，由于电网电压负序分量的存在，致使逆变器输出的有功功率和无功功率含有二倍频的谐波分量。

通过选择适当的坐标系，可以使得q轴分量为零，即e+q=e-q=0。而直流母线电压的二倍频波动是由于有功功率的波动而产生的，因此在控制时要以有功功率的波动作为优先控制变量，因此可以选择P0,Pcos,Psin,Q0为控制量，可以得到

则参考电流的表达式为

在上面得到的参考电流的表达式中，为了尽可能地减小功率二倍频波动对直流电压造成的影响，简化电流参考值的计算，实际应用中通常可以将有功的正弦、余弦二次谐波值设定为0。

4 仿真研究

为了验证上面理论分析及针对电网发生不平衡故障下所提控制策略的有效性，本文根据图1所示的三相光伏并网逆变系统，搭建了基于Matlab/ Simulink的仿真模型，具体的仿真参数为：额定功率10 kW，额定电压380 V，额定频率50 Hz，开关频率10 kHz，直流电压500 V，滤波电感L=4.5 mH，滤波电容C=20 μF，Boost电感L1=2.0 mH，Boost电容C1=6 000 μF，Boost频率2.0 kHz。

本次仿真算例中，主要对比电网发生单相跌落及两相跌落的不平衡故障下，针对三相光伏并网逆变器分别采用传统控制与所提控制算法时系统的动态响应特性。仿真过程设置如下：1 s之前，三相光伏逆变器工作在最大功率并网模式，其输出功率为9.2 kW左右，接近于额定功率，1 s时设置电网发生不平衡故障，观测不同控制算法下系统中主要变量的动态变化过程。

图4、图5分别为电网发生单相跌落故障时，采用传统控制及所提控制算法下三相光伏并网逆变器主要变量的动态响应特性。

图4 单相跌落故障时传统控制算法下系统的动态响应特性Fig.4 Dynamic responses during single-phase fault when adopting the conventional control

仿真时，设置单相电压跌落的深度为额定值的50%，从图4中可以看出，传统控制算法下，当电网发生单相跌落时，并网电流增加较为明显。此时的有功输出功率变化不大，但具有明显的二倍频波动，这是由于上面理论分析中提到的二倍频谐波分量造成的，无功功率也基本为零。但此时直流母线电压的上升幅值较大，且随着故障时间的持续，其上升幅值也逐渐增加，验证了其直流母线电压升高的大小与持续时间有关的分析。1.2 s故障结束时，直流母线电压达到了630 V左右，严重超过了其额定值。因此从上面的分析及仿真波形可以看出，传统控制算法下，当发生不平衡故障时，光伏逆变器会因交流侧的过流或者直流母线的过压保护而脱网，这对电网恢复正常运行非常不利。

图5 单相跌落故障时所提控制算法下系统的动态响应特性Fig.5 Dynamic responses during single-phase fault when adopting the proposed control

当采用所提控制算法后，如图5所示，逆变器的并网电流并没有出现突增，而是按照设定的要求来输出，且直流母线电压波动较小，最高上升到510 V左右，且在逐渐的向额定值调整。而且通过对有功无功参考值的设定，使得三相光伏并网逆变器在电网电压跌落期间对系统提供一定的无功支持，从而利于电网系统的故障恢复。因此，可以看出所提控制算法下三相光伏并网逆变系统主要分量的动态响应得到了明显改善。

设置电网发生两相跌落的不平衡故障，其动态响应特性如图6所示。可以看出，光伏逆变器的并网电流及直流母线电压均得到了较好的控制，且故障期间能够对电网系统提供一定的无功支持，具有较好的动态响应特性。

图6 两相跌落故障时所提控制算法下系统的动态响应特性Fig.6 Dynamic responses during two-phase fault when adopting the proposed control

5 实验结果

为了更加充分验证所提控制策略的优越性及实用性，本文在实验室中利用相关设备进行了物理实验验证。需要说明的是，本实验室的电网故障模拟器采用的是背靠背的2个电压源换流器，实验拓扑结构如图7所示，其中电阻R的阻值是10 Ω，整流器用来稳定直流电压，逆变侧模拟电网故障。光伏逆变器的相关参数与仿真参数一致，逆变器核心控制板采用的DSP是TMS320F28335，波形记录采用横河的DL850录波仪。

图7 实验系统框图Fig.7 Experimental system diagram

图8、图9所示分别为光伏逆变器在两相跌落故障下采用传统控制及所提控制下的实验波形。其中，udc为直流母线电压，Vabc为模拟电网电压，Iabc为并网电流。在该试验中，为了避免损坏光伏并网逆变器，传统控制算法下光照强度较弱，输出功率较小。但即使小功率情况下，采用传统控制算法下逆变器的直流母线电压及并网电流均有较大幅度的升高。

从上面的实验中可以看出，所提控制算法均有很好的实用性，能够在不平衡故障期间很好地控制光伏逆变系统的直流母线电压及并网电流。对于单相跌落故障，所提控制算法下更能取得较为良好的控制效果，限于篇幅，不再给出。

图8 传统控制下的实验波形Fig.8 Experimental waveforms when adopting the conventional control

图9 所提控制下的实验波形Fig.9 Experimental waveforms when adopting the proposed control

6 结论

本文通过对前级Boost电路进行相应的控制方法切换，可以有效地减小电网故障情况下直流母线电压的波动。所提参考电流的生成方法有效地改善了故障情况下的并网电流大小，并且能够在此期间对电网系统提供一定的无功支持，有利于系统恢复正常运行。

［1］Mirhassani SeyedMohsen，0ng Hwai Chyuan，Chong W T，et al.Advances and Challenges in Grid Tied Photovoltaic Systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2015，49（9）：121-131.

［2］Zhang Peng，Li Wenyuan，Li Sherwin，et al.Reliability Assessment of Photovoltaic Power Systems：Review of Current Status and Future Perspectives［J］.Applied Energy，2013，（4）：822-833.

［3］国家电网公司.Q/GDW 617—2011光伏电站接入电网技术规定［S］.北京：中国电力出版社，2011.

［4］Almajali Z S，Spencer J W，Jones G R.Asymmetrical Fault Classifier for a Parallel Transmission Line Using Chromatic Processing［C］//Proceedings of the Power Electronics，Machines and Drives（PEMD 2014），7th IET International Conference on.2014：1-6.

［5］王萌，夏长亮，宋战锋，等.不平衡电网电压条件下PWM整流器功率谐振补偿控制策略［J］.中国电机工程学报，2012，32（21）：46-53.

［6］Nanou Sotirios I，Papathanassiou Stavros A.Modeling of a PV System with Grid Code Compatibility［J］.Electric Power Systems Research，2014，（11）：301-310.

［7］石新春，孟建辉.基于无差拍控制的单相H6拓扑逆变器研究［J］.电气传动，2014，44（2）：39-42.

［8］赤木泰文，埃德森，毛立赛.瞬时功率理论及其在电力调节中的应用［M］.北京：机械工业出版社，2009.

Research on Control Strategy of Photovoltaic Grid-connected System under Unbalanced Faults

WANG Hui1，FENG Xiaoping2，WANG Xiaofei2，NAN Dongliang2，WANG Mina2，GA0 Mingming2
（1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China；2.State Grid Xinjiang Electric Power Corporation，Wulumuqi 830002，Xinjiang，China）

DC bus voltage and grid-connected current of the traditional two-stage PV inverter will be unstable under power grid′s unbalanced fault，which causes the PV inverter′s outage due to overvoltage or overcurrent.0utage of the PV inverter can worsen the secure operation of power grid and cause more serious accidents.To solve this problem，a control strategy was presented based on analysis of the three-phase PV grid-connected inverter system′s topology and control method.During the fault of power grid，the proposed strategy could not only ensure the stability of DC bus voltage and grid-connected current，but also make the PV inverter to provide a certain reactive power support to the grid.An experimental system and digital simulation platform of the three-phase PV grid-connected inverter system were built，and the validity and superiority of the proposed control strategy under the power grid′s unbalanced fault are verified by simulation results.

photovoltaic inverter system；unbalanced faults；DC-voltage；grid-connected current

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161010

2015-08-31

修改稿日期：2016-04-19

王慧（1982-），男，硕士，工程师，Email：121782291@qq.com