RT-LAB的光伏并网系统零电压穿越技术实现

王秀莲,崔云龙,胡 广,张大权

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳110159)

RT-LAB的光伏并网系统零电压穿越技术实现

王秀莲,崔云龙,胡 广,张大权

(沈阳理工大学 自动化与电气工程学院，沈阳110159)

为保证光伏并网发电系统在电压跌落为零的特殊工况下能够保持并网运行,光伏发电站应具有零电压穿越(ZVRT)能力。针对故障期间网侧电压相位、频率等信息，难以获取的关键性问题，提出了一种采用历史周期值作为锁相输出的方法。通过对PCC点电压幅值的检测，实时切换控制策略，以实现故障期间对逆变器输出电流及有功功率、无功功率的协调控制。利用RT-LAB及DSP-F2812搭建并网系统的实时仿真平台，结果验证了该控制策略的可行性。

光伏并网发电;零电压穿越;锁相环;逆变器

光伏发电站的大规模并入电网，势必会对电网的安全稳定运行造成影响[1-3]，因此光伏逆变器须具备低电压穿越能力，确保电网在故障期间不会受到二次伤害。同时，国标GB/T19964-2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》中要求低电压穿越期间，光伏电站应向电网注入一定量无功电流，用以支撑电网电压恢复。文献[4]提出了一种基于电网电压基波锁相技术与三环控制方法的控制策略,有效减少电压定向偏差,提高了逆变输出精度,但在网侧电压跌落为零时的特殊工况下,无法向逆变单元提供相应的相位信息。文献[5]采用迭代法进行锁相，既有滤波作用又能在电网电压为零时获取基波相位，然而其动态响应速度与锁相精度不可兼得。文献[6]提出了一种通过设置合适的一阶低通滤波器时间常数,对电网电压进行正负序分离,故障期间切换锁相模式用以实现零电压穿越。

本文针对零电压故障期间网侧电压相位、频率难以获取的特点，设计了一种采用历史周期值作为锁相输出的方法。通过对PCC点电压幅值的检测，实时切换控制策略实现了光伏并网发电系统零电压穿越，并且向故障电网注入一定量的无功电流支撑电网电压恢复。利用RT-LAB及DSP-F2812搭建光伏零电压穿越系统的实时仿真平台，结果验证了该控制策略的有效性。

1 零电压穿越要求

新的并网接入规则要求光伏电站应具备ZVRT能力，即在电网故障期间光伏电站保持并网运行且向故障电网注入无功,用以支撑电网电压恢复。如图1所示，当并网点电压在轮廓线以上部分时，光伏电站必须保证不脱网持续并网运行；当电网电压在轮廓线以下部分时，光伏电站可以从并网点切出。尤其是在并网点电压跌落至零时，光伏发电站应不间断并网运行0.15s，且需提供响应时间小于30ms的动态无功支撑。

图1 零电压穿越标准

2 控制策略

2.1 逆变器拓扑结构及控制策略

光伏并网逆变器是将太阳能电池输出的直流电转化为符合电网要求的交流电输入电网的设备，因此逆变器是光伏并网发电系统能量转换与控制的核心[7-8]。逆变器按照与电网并网运行输出的控制模式可以分为电流型逆变器与电压型逆变器。在工程中为实现精确控制，电压型逆变器应用较为广泛，其电路拓扑结构如图2所示。

图2 逆变器拓扑结构

图中：e为网侧电压；μ1a、μ1b、μ1c为逆变器输出电压；i1a、i2a、i3a为三相交流电流。光伏并网发电系统由于大电网电压的钳位作用，通常采用基于电网电压定向的双闭环控制策略，即电压外环与电流内环,实现对逆变器输出电流的精确控制。同时，为了减少控制环节的计算量，可将采集到的三相电压与电流进行PARK变换，即将三相静止坐标系下的交流量转化为同步旋转坐标系下的直流量。

考虑到电压型逆变器的内阻很小可以忽略不计，根据Kirchhof定律得到三相静止坐标系下基尔霍夫电流定律：

(1)

(2)

dq旋转坐标系的d轴与电网电压合成矢量相重合，q轴与合成矢量相垂直。根据abc坐标系和dq坐标系的变换公式(3),可以得到dq坐标系下的状态方程式(4)、(5)。

(3)

(4)

(5)

式中ω为锁相环输出相位角。

基于电网电压定向的逆变器双闭环控制框图如图3所示，逆变器通过最大功率点跟踪(MPPT)技术得到电压参考值Udc-ref,将该参考值与实测直流侧电压Udc的误差信号进行PI调节，得到电流内环参考值idref,再将idref与实测直流侧电流idc的误差信号进行PI调节,得到调制波电压Ud，再以相同的原理通过无功给定量Qref(取值为零)得到调制波电压Uq。最后，将Ud和Uq传输给SVPWM调制器，用以逆变器输出与电网电压同频、同相的交流电流。

图3 双闭环控制策略框图

2.2 LVRT控制策略

光伏电站在电网电压跌落期间，由于没有转动惯量，逆变器直流侧母线电压最大只能达到开路电压Uoc，因此逆变器输出的交流电流是制约光伏电站低电压穿越能力的主要因素[7-9]。考虑到逆变器在保持并网的同时还须发出一定量的无功电流，用以支撑电网电压恢复，若继续执行如图3所示的有功优先控制，在PI限幅(本文限幅值为1.05IN)状态下，逆变器没有足够裕度向系统提供无功，因此须采用无功优先控制，即在保证不超限的前提下,优先提供无功出力。控制框图如图4所示。

图4 LVRT控制框图

当检测到并网点电压跌落时，断开直流侧电压外环，根据公式(6)与电压跌落深度计算出相应的无功电流参考值Iqref，再根据公式(7)计算出有功电流参考值Idref，作为电流内环的给定值。

新的并网要求明确规定了电网电压跌落期间无功补偿的标准：自动态无功电流响应起直到电压恢复至0.9pu(pu为电压标幺值)期间，光伏发电站注入电力系统的动态无功电流IT应实时跟踪并网点电压变化，应满足:

UT为实测并网点电压，在1.05IN的限幅状态下，有功、无功电流的关系式为

(7)

2.3 锁相环控制

为实现对电网电压的实时监测,锁相环(PLL)技术得到了广泛应用[10-11]。单同步坐标系软件锁相环(SSRF-SPLL)是基于跟踪电网电压正序分量而提出的锁相方法，能够在电网电压平衡时快速有效地检测电压相位、频率和幅值[11-13]。为实现精确锁相及变量控制，锁相环首先将abc坐标系下的交流电压量转化为dq坐标系下的直流量。如图5所示，当电网电压发生突变时，dq解耦生成的直流分量Uq值不再恒定且为一个交流分量，因此锁相环的工作目标就是通过PI调节器的不断调节，使得Uq的取值无限接近于零，以确保其输出的相位同步于电网电压的相位。

当电网电压发生零电压故障时，常规的锁相方法无法获取有效的电网电压信息，导致逆变器输出处于不可控状态[8]。考虑到逆变器输出的无功电流与电网电流的频率不同步，可能引起电力系统继电保护装置的误动作，造成供电系统的大规模停运。因此在故障发生的瞬间，快速有效地锁定故障电网相位，是LVRT的核心技术。本文通过检测环节判断并网点电压是否跌落，一旦检测到并网点电压发生跌落，立即切换锁相环控制策略，即将锁相输出相位角θ1切换为历史周期值θ2，保证逆变器输出的交流电同步于电网，以实现精确锁相的目的。该方法不须添加硬件设备和增加投入成本，也避免了锁相精度与动态响应不可兼得的缺陷。

图5 LVRT锁相控制框图

3 实验分析

利用RT-LAB及DSP-F2812，搭建如图6所示的额定功率为1kW光伏并网发电系统的实时仿真平台,对控制策略的可行性和有效性进行仿真验证。表1为光伏发电系统的具体参数。

图6 实时仿真平台

光伏并网发电系统发生三相对称跌落故障，且故障持续时间为150ms。电压跌落期间采取ZVRT控制时，直流侧电压、电流、电网侧a相电压、a相电流、有功功率、无功功率的波形如图7所示。

由图7a和图7b分析可知，电网零电压故障期间，锁相环通过存储历史周期值作为输出的控制方式，可以有效地为逆变器提供所需相位信息；通过切换控制策略的方式，即检测到并网点跌落至零,实时切换为ZVRT控制，使逆变输出电流保持平稳且不会超过额定电流的1.05倍，避免了过流对逆变器的电力电子器件造成损坏。从图7c与7d中可知，直流侧电压在故障期间由于能量的回馈有所增大，直至达到开路电压值之后稳定不再上升，不需要再额外添加硬件设备进行卸荷；逆变输出的有功功率也会在故障期间跌落至零，为满足对电网电压恢复的支撑作用，需要逆变器根据电压跌落的深度发出相应量的无功，如图7b所示，采用无功优先控制策略，逆变器输出的无功电流在故障期间增大到1.05IN，实现了有功功率与无功功率的协调控制。

表1 系统参数

图7 零电压穿越实验波形

4 结束语

通过实时切换控制策略的方式，在电网发生零电压故障期间,采用无功优先的控制策略，根据电网电压的跌落深度给予故障电网相应量的无功补偿，促进电网电压恢复。同时，对传统单同步软件锁相环加以改进,确保了逆变器输出电流的相位角与故障电网电流相位角的一致性，实现了光伏并网发电系统的零电压穿越，也为光伏电站的零点穿越技术提供重要参考。

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(责任编辑：马金发)

ZeroVoltageRide-throughTechnologyImplementationonGrid-connectedPhotovoltaicSystemonRT-LAB

WANG Xiulian,CUI Yunlong,HU Guang,ZHANG Daquan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To ensure the photovoltaic power generation system to be maintained and keep network operation with voltage dropping to zero in special condition,photovoltaic power stations could have a zero voltage ride-through (ZVRT) capability.Aiming at key issue such as obtaining the phase，frequency and other information of grid voltage with difficulty，a method is presented by using historical period value as phase-locked loop output.By detecting the voltage amplitude of the PCC to switch control strategyin real time,coordination control of active power,reactive power and current during fault are realized.Real-time simulation platform of grid-connected PV system are built on RT-LAB and DSP-F2812，which verifies the control strategy feasibility.Keywordsgrid-connected PV system；zero voltage ride-through；phase-locked loop；inverter

2015-12-06

王秀莲(1965—)，女，博士，教授，研究方向：电力系统自动化、太阳能与风力发电及并网技术等。

1003-1251(2017)04-0019-05

TM615

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