光伏并网逆变器电压跌落模型电流预测控制方法研究

2017-12-11尚姝钰刘建山

电源学报 2017年6期

杨帆，尚姝钰，陶涛，刘建山，金楠

（1.郑州轻工业学院电气信息工程学院，郑州 450002；2.平顶山工业职业技术学院，平顶山476001；3.国网许昌供电公司，许昌 461000；4.索凌电气有限公司，郑州 450000）

杨帆1，尚姝钰2，陶涛3，刘建山4，金楠1

针对传统光伏逆变器低电压穿越技术存在的不足，提出一种基于模型电流预测控制的低电压穿越控制方法，能够有效提高光伏逆变器的输出特性及响应速度。该策略通过逆变器预测模型得到预测电流，将有功、无功电流分量预测电流与给定电流误差之和作为价值函数进行最佳电压矢量的选取。针对系统不同运行状态自动平滑切换优先有功和优先无功两种控制模式，提出一种低压穿越输出电流控制方法，有效提高了光伏逆变器低压穿越能力。最后，通过Matlab/Simulink仿真及实验，验证了所提控制策略的正确性及有效性。

光伏并网逆变器；电压矢量；电流预测；低电压穿越

随着光伏发电机容量及规模的不断扩大，光伏并网技术已成为研究的焦点[1]。世界各国在大型新能源发电站的并网技术条件中，都规定了低电压穿越 LVRT（low voltage ride through）的条款，即在电网故障期间光伏逆变器能够快速并网恢复供电[2-3]。文献[4]采用传统的双闭环矢量控制策略时，控制电路中含有多个比例-积分 PI（proportional integral）控制器，因此，在实际工程中调节PI控制参数较为困难；文献[5]采用PR电流控制器只针对基波频率进行控制，无功功率控制方法不清晰；文献[6]提出在电网发生故障时，通过动态无功补偿设备向电网注入所需的无功功率，但是SVC提供的无功功率较小，动态性能略差；文献[7]提出了基于储能设备的解决低电压穿越的方案，可以解决电网的功率波动问题，但是成本偏高。

本文对单级式光伏并网逆变器控制系统进行了全面深入地研究，提出了光伏并网逆变器电压跌落模型电流预测控制MCPC（model current predictive control）方法。根据电网电压的跌落情况注入无功电流进行合理的补偿，保证逆变器能够继续维持并网。然后通过电流预测模型直接对有功电流id和无功电流iq进行预测，选择最优空间电压矢量，使价值函数最小。该控制方法中避免了传统控制方法中的外加无功补偿设备和不同频率的电流控制器，不仅降低了系统成本，使系统更为简单，而且运用了逆变器系统自身的低电压穿越能力，工程上易于实施。

1 低压穿越的要求

低电压穿越LVRT指在电网故障或扰动引起的并网点电压跌落时，在一定电压跌落范围及其规定的对应时间内，机组能够不间断并网运行[8]。

2011年，国家电网公司颁布的《光伏电站接入电网技术规定》[9]中明确指出：“大中型光伏电站应具备一定的低电压穿越能力并在低电压穿越过程中宜提供动态无功支撑。”低电压穿越能力要求如图1所示。电网发生不同类型故障时，若光伏电站并网点电压跌落范围在图1中所示电压曲线以上区域时，光伏电站应保证不脱离电网；当并网点电压跌落至图中轮廓线以下范围时，允许光伏电站脱离电网。

德国公司还规定了无功电流和电压跌落深度的关系[10]，如图2所示。从图2中可以看出，电压波动在-10%～+10%范围内时低电压穿越控制不动作；在电压跌落10%时，对应无功电流需求为额定电流的20%；在电压跌落达到50%时，对应无功电流需求为额定电流的100%；超过50%电压跌落时，无功电流需求限制为额定电流。

图1 大中型光伏电站的低电压穿越能力要求Fig.1 LVRT requirements of the large and mediumsized PV power stations

图2 用于支撑电压所需的无功电流要求（德国）Fig.2 Required reactive current to support voltage（Germany）

2 低电压穿越控制技术

2.1 光伏并网逆变器电流预测模型

图3为单级式三相光伏并网逆变器，逆变器通过滤波电感L、线路电阻R与电网相连。根据基尔霍夫定律，得到系统在三相静止坐标系下的状态方程，即

式中：ea、eb、ec为电网的三相电压；ia、ib、ic为并网逆变器输出电流；uan、ubn、ucn为三相并网逆变器输出电压。

对式（1）进行Park变换，得到dq旋转坐标下的状态方程，即

图3 单级式三相光伏并网逆变器Fig.3 Single-stage three phases grid-connected photovoltaic inverter

式中：ed、eq、id、iq为并网电压、电流在 dq 坐标系下的d、q轴分量；ud和uq为逆变器输出电压在dq坐标系下的d、q轴分量。

定义三相光伏并网逆变器的开关状态Si（i=a,b,c）为

图3的三相光伏并网逆变器存在7个不同的电压矢量，其产生的电压空间矢量如图4所示。

图4 并网逆变器空间电压矢量Fig.4 Space vectors of grid-connected inverter voltage

则并网逆变器的输出电压Ui（i=d,q）为

式中：Udc为直流母线电压；θ为电网的空间角度。

由于电阻R较小，可忽略其影响。将式（2）离散化，整理得光伏并网逆变器模型预测直接电流控制预测函数，即数g，通过价值函数将预测的所有电流进行比较，挑选出使价值函数最小的电压矢量应用到下一时刻。选用预测电流与给定电流误差的绝对值之和作为价值函数，表示为

2.2 预测电流控制原理

光伏逆变器控制结构[11-13]如图5所示。使价值函数最小的电压矢量将会应用到下一个采样周期，由此在开关状态寻优环节得到该电压矢量对应的开关状态 Sa、Sb、Sc，从而控制开关管导通和关断。

为了挑选出最佳的电压矢量需要建立价值函

图5 光伏逆变器控制结构Fig.5 Control structure of photovoltaic inverter

3 LVRT控制策略

基于并网电流控制的LVRT技术，当电网电压发生跌落时，根据电压跌落的深度，可以控制逆变器输出的无功电流的大小，从而向电网注入一定的无功功率，提高并网点电压[14]，支撑光伏发电系统持续工作，帮助电网快速恢复。

电网未发生故障时，优先满足有功电流。逆变器通过最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）算法得到电压参考值Udc_ref，该参考值与直流侧电压Udc之间的误差信号经过PI调节得到i*d；无功电流的参考值由用户直接给定。

当电网发生故障时，则逆变器采用无功优先控制。无功优先控制中，电压跌落在区间10%～50%时，可得无功电流的参考值为

式中，iN为电网额定电流。

电压跌落超过50%时，无功电流的参考值为

实际上，考虑逆变器自身1.1倍[15]的过载能力，即允许逆变器最大持续输出电流为1.1iN，则逆变器输出的有功电流为

逆变器三相输出电流和三相电网电压以同步旋转角进行abc/dq旋转变换，指令电流负责电压跌落检测以及参考有功电流和无功电流计算。电网正常时，选用预测电流与给定电流误差的绝对值之和作为价值函数，在开关状态寻优环节控制开关管导通和关断；电网电压发生跌落时，无功优先控制限制有功电流，以保证逆变器发出无功，支持电压恢复。

光伏并网发电系统的LVRT控制流程如图6所示。图6中，S（n）为目标开关状态，m、i为变量参数，i=0～7分别对应逆变器输出的8个电压矢量，gi为第i个开关状态的评估函数。

图6 LVRT控制流程Fig.6 Flow chart of LVRT control

4 仿真验证

利用Matlab/Simulink搭建图3的光伏并网发电系统仿真模型，对光伏电站并网点三相对称故障进行仿真对比分析研究。光伏并网发电系统在0.08 s时发生三相对称故障，电网电压跌落到0.6 p.u.，0.14 s时故障清除。

4.1 LVRT控制投入前后的对比分析

表1 系统参数Tab.1 System parameters

图7 LVRT控制前后功率对比Fig.7 Comparison of power beforeamp;after LVRT control

具体的系统参数如表1所示。LVRT控制前后的功率对比如图7所示。图7（a）可见，采取LVRT控制后，逆变器输出电流在故障期间保持平稳，而在电压发生跌落后采取的无功优先控制使并网发电系统向电网注入无功电流，则电压与电流的相位差发生了显著变化；从图 7（b）、图 7（c）中可见，在电压跌落时逆变器输出的有功功率减小，采用LVRT控制策略后，在电压跌落期间输出的无功功率增大。此时光伏电站优先向电网提供无功功率，成为无功补偿设备，而当电压恢复正常以后，有功和无功功率又可以快速地恢复至故障前的稳态值。

4.2 与传统控制器的对比分析

在0.08 s时改变有功电流参考值，对模型预测电流控制器和传统的PI控制器在系统响应速度进行对比分析，仿真结果如图8所示。图中：Id1为PI控制下逆变器输出电流的有功分量，Id2为电流预测控制下逆变器输出电流的有功分量，Idref为参考电流值。

由图8仿真结果表明，当参考电流产生动态变化时，电流预测控制和PI控制都可以按照电流动态指令变化。但是，采用电流预测控制响应速度较PI控制器要快，模型电流预测控制的响应速度受采样频率和共模电压的影响，而PI控制出现超调且需要设置PI参数，这将使系统控制复杂度和计算量大幅增加。

图8 参考指令变化时的输出对比Fig.8 Comparison of outputs when the reference instructions changed

4.3 不同跌落深度的对比分析

光伏并网发电系统在0.04 s时电网电压跌落0.02 p.u.，在 0.08 s时电网电压跌落 0.4 p.u.，在0.012 s时电网电压跌落0.7 p.u.，在0.16 s时故障清除，不同电压跌落深度的输出对比如图9所示。

从图9可以看出，电压跌落期间光伏发电系统必须提供无功电流，当电压跌落深度为0.4 p.u.时，光伏并网系统有线性输出的无功电流;当电网的电压跌落深度为0.7 p.u.时，提供100%的无功电流。由此表明，逆变器输出的无功电流能按照图2所示的曲线规律变化。

图9 电压跌落深度变化时的输出对比Fig.9 Comparison of outputs changing with the depth of grid voltage sags

5 实验分析

5.1 实验平台

为进一步验证所提出控制方法的可行性及有效性，搭建了基于PE-PRO的三相并网实验平台，如图10所示。控制系统由TI公司的TMS320F2833 5控制芯片实现,功率器件IGBT为7MBP50RJ120，测试仪器由YOKOGAWA DLM4000系列混合信号示波器、APL-II直流电源等组成。

5.2 实验结果

图10 实验平台Fig.10 Experimental setup

三相交流电压平衡跌落60%时，采用加补偿MCDPC的实验结果如图11所示。由图可见，功率P=1.1 kW 跳变为 P=0.5 kW、Q=0 var跳变为 Q=0.58 var，支撑电压恢复，电流波形正弦度良好。a相电网电压Ua和a相电网电流Ia有相位差，实现了在电压跌落期间逆变器的无功补偿，维持并网点的电压稳定。

图11 实验波形Fig.11 Experimental waveforms

6 结语

本文在基于模型电流预测控制实现光伏系统单位功率因数并网的基础上，通过控制策略的改进，利用模型电流预测控制策略良好的动态响应，可以快速实现对并网逆变器的控制。在Matlab/Simulink上进行了三相对称故障仿真算例的验证，并对模型精度进行了分析。结果表明，运用该控制策略，可以根据电网电压跌落深度实时调节并网逆变器的无功功率输出，提高并网点电压，支撑光伏发电系统持续工作，帮助电网快速恢复。

[1]甄晓亚,尹忠东,王云飞,等.太阳能发电低电压穿越技术综述[J].电网与清洁能源,2011,27（8）:65-68.Zhen Xiaoya,Yin Zhongdong,Wang Yunfei,et al.Overview of low voltage ride through in photovoltaic power generation[J].Power System and Clean Energy,2011,27（8）:65-68（in Chinese）.

[2]Alepuz S,Busquets-Monge S,Bordonau J,et al.Predictive current control of grid-connected neutral-point-clamped converters to meet low voltage ride-through requirements[C]//2008 IEEE.Power Electronics Specialists Conference Rhodes,Greece,PESC 2008.IEEE,2008:2423-2428.

[3]Alepuz S,Busquets S,Bordonau J,et al.Comparison of control strategies to meet low voltage ride-through requirements in distributed power gener ation systems[C]//2007 IEEE International Symposium on Industrial Electronics,vigo,Spain.ISIE 2007.IEEE,2007:2619-2624.

[4]袁晓玲,宋鹏飞,范发靖.光伏逆变器低电压穿越控制策略[J].电力电子技术,2013,47（3）:67-69.Yuan Xiaoling,Song Pengfei,Fan Fajing,et al.Low voltage ride through control strategy for PV inverter[J].Power Electronics,2013,47（3）:67-69（in Chinese）.

[5]Benz C H,Franke W T,Fuchs F W.Low voltage ride through capability of a 5 kW grid-tied solar inverter[C]//Proceeding of 14th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2010.Ohrid,Macedonia.IEEE,2010:T12-13-T12-20.

[6]Castilla M,Miret J,Sosa J L,et al.Grid-fault control scheme for three-phase photovoltaic inverters with adjustable power quality characteristics[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2010,25（12）:2930-2940.

[7]王斌,施正荣,朱拓,等.超级电容器-蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计[J].能源工程,2007,5:37-41.Wang Bin,Shi Zhengrong,Zhu Tuo,et al.Design of controller with ultracapacitor-battery hybrid energy on a standalone PV system[J].Energy Engineering,2007,5:37-41（in Chinese）.

[8]孟岩峰,胡书举,王玲玲,等.电网故障条件下双馈机组运行特性分析及其协调控制[J].电力系统保护与控制,2013,41（8）:106-113.Meng Yanfeng,Hu Shuju,Wang Linging,et al.Characteristics analysis and coordinated control of the doubly-fed wind power system under grid transient fault[J].Power System Protection and Control,2013,41（8）:106-113（in Chinese）.

[9]Wu Y S,Chang C H,Chen Y M,et al.The current control of PV inverter for low voltage ride through[C]//2012 15th International Power Electronics and Motion Control Confer-ence,Novi sad,Serbia.EPE/PEMC,2012:LS1d.4-1-LS1d.4-6.

[10]Grid code:high and extra high voltage[S].E.ON.Netz Gmb-H,Bayreuth,2006.

[11]Almaktoof A M,Raji A K,Kahn M T E.Modelling and simulation of three-phase voltage source inverter using a model predictive current control[J].Czech Journal of Animal Science,2013,47（6） :247-252.

[12]Cortés P,Kazmierkowski M P,Kennel R M,et al.Predictive control in power electronics and drives[J].IEEE Transactions on,Industrial Electronics,2008,55（12）:4312-4324.

[13]Effler S,Kelly A,Halton M,et al.Automated optimization of generalized model predictive control for DC-DC converters[C]//Power Electronics Specialists Conference.IEEE,2008:134-139.

[14]毛启静.利用风力发电机的无功功率补偿风电场无功损耗[J].电网技术,2009,33（19）:175-180.Mao Qijing.Compensating reactive power loss of wind farm with reactive power generated by wind turbine generators[J].Power System Technology,2009,33（19）:175-180（in Chinese）.

[15]陈波,朱晓东,朱凌志,等.光伏电站低电压穿越时的无功控制策略[J].电力系统保护与控制,2012,40（17）:6-12.Chen Bo,Zhu Xiaodong,Zhu Lingzhi,et al.Strategy for reactive control in low voltage ride through of photovoltaic power station[J].Power System Protection and Control,2012,40（17）:6-12（in Chinese）.

杨帆

杨帆（1991－），女，硕士研究生，研究方向：低电压穿越、新能源发电。电能转换，E-mail：1050048189@qq.com。

尚姝钰（1980－），女，硕士，讲师，研究方向：新能源发电，E-mail：9210738@qq.com。

陶涛（1980－），男，硕士，工程师，研究方向：配网自动化，E-mail：oceanvessel@so hu.com。

刘建山（1971－），男，本科，高级工程师，研究方向：电力装备制造，E-mail：Lius ir02@163.com。

金楠（1982－），男，中国电源学会高级会员，通信作者，博士，副教授，研究方向：电能转换控制研究，E-mail：Jinnan@zzuli.edu.cn。

Study on Model Current Predictive Control Method of Gridconnected Inverters for Photovoltaic System with Voltage Sag

YANG Fan1,SHANG Shuyu2,TAO Tao3,LIU Jianshan4,JIN Nan1
（1.School of Electrical and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China;2.Pingdingshan Industrial College of Technology,Pingdingshan 476001,China;3.State Grid Xuchang Power Supply Company,Xuchang 461000,China;4.Suoling Electric Co.,Ltd,Zhengzhou 450000,China）

Abstract:In order to overcome the lack of traditional photovoltaic inverter low voltage ride through（LVRT） technology,a LVRT control method based on model current predictive control（MCPC） is presented in this paper to effectively improve the photovoltaic inverter output characteristics and response speed.In this method,the predictive current is obtained from the inverter predictive model，and the sum of the predicted current and the given current error is selected as the optimal value of the voltage vector.Based on the automatic switch system of priority active or reactive power control mode according to the different operating states in photovoltaic inverter，a control method of LVRT output current is proposed to effectively improve the inverter capability of LVRT.Finally,The LVRT control method is carried out on the Matlab/Simulink，and the results verify that the proposed strategy is valid and effective.

photovoltaic grid-connected inverter;voltage vector;current predictive;low voltage ride through（LVR）

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.89

TM464

2016-03-16；

2016-09-20