基于下垂控制的光伏系统低电压穿越研究

于孟然

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

随着环境危机的加重和能源的发展，光伏并网系统在新能源发电技术中的优势越来越大。由于分布式光伏发电单元数量的增多，人们对输出的控制要求越来越高，需要光伏逆变系统具备低电压穿越（LVRT）能力。因此，本文重点研究了光伏逆变器的低电压穿越控制策略。

通过对单级式光伏并网逆变器的分析，提出了抑制电网的负序电流，从而实现了低电压穿越[1]。针对光伏并网逆变器的双闭环控制，本文重点研究了电压环和电流环的参数识别方法[2-3]。通过优化输出电流的三相对称性，减小了电网的负序电流[4]。通过实时数字仿真器技术控制光伏并网逆变器，增加了卸荷电路，降低了直流测电压[5]。

通过对光伏并网逆变系统低电压穿越问题的分析，在DQ双闭环的基础上增加Droop环节，采用下垂控制向逆变器注入无功功率的LVRT控制策略，并通过仿真进行了验证。

1 光伏逆变器建模和低电压穿越分析

系统光伏逆变器的拓扑结构，如图1所示。

图1中，Udc为直流侧电压，C为直流侧电容，Ux（x=a，b，c）为逆变器输出相电压；ix为逆变器接入并网点的电流，L为滤波电感，R为线路等值电阻，ex（x=a，b，c）为逆变器经滤波后输出的并网相电压。

逆变器工作中，任意时刻都会出现一个桥臂的一个开关管导通，而另一个开关管关断的情况，组成了多种开关运行状态。因此，定义逆变器函数为：

图1 光伏逆变器拓扑结构图

其中，k=a，b，c。

逆变器由二极管的8个状态决定，如表1所示。

表1 逆变器开关状态表

不同的开关状态，逆变器有不同的输出。因此，通过控制逆变器开关状态的组合，控制逆变器的输出电流。

《光伏电站接入电力系统技术规定》GB/T 19964-2012中，分别对光伏电站并入电网的低电压穿越、无功及电压调节等方面提出了要求。如图2所示，当在曲线以下时，可切除并网逆变器；当在曲线以上时，必须在保证逆变器安全的前提下，不间断地并网运行。

2 低电压穿越控制策略

三相并网逆变系统的控制中，基于电网电压定向矢量的双闭环控制策略具有稳态无误差跟踪、动态响应快及独立解耦控制等优点[2]。一般控制方法采用电压外环加电流内环的方式。分析时，需将三相坐标下的电压方程变为两相旋转坐标系下的电压方程。经派

图2 低电压穿越要求

克变换后，得到方程：

其中，ed、eq为电网电压的DQ分量；ud、uq为逆变器输出电压的DQ分量；id、iq为逆变器输出并网电流的分量；ω为电网侧的角频率。

电压矢量控制d轴与电网电压合成矢量E同轴，q轴与E垂直，在DQ坐标轴下的数学模型为：

通过瞬时无功理论可得，输出的有功功率P、无功功率Q与id、iq的关系为：

3 Droop控制算法

传统的控制算法中增加Droop环节，有利于逆变器工作时分配有功功率和无功功率，并准确分配电压和无功功率[6]。低电压穿越时，需逆变器输出无功，以支撑过电压跌落[7]。

图3为下垂控制特性图，逆变器的有功功率输出通过调节频率控制，逆变器的无功功率输出通过调节电压的幅值控制。

图3 下垂控制特性图

下垂控制的特性表达式为：

其中，ω*为频率设定点，u*为电压设定点，m和n为下垂系数，控制结构如图4所示。

在电压环和电流环之间增加Droop控制算法，得到控制原理框图，如图5所示。

图4 下垂控制结构图

图5 系统控制原理图

4 仿真验证

采用MATLAB/simulink仿真模块对光伏逆变器低电压穿越进行仿真验证。设置电压在0.7～0.9 s中出现三相电压跌落，则逆变器输出的电压和功率的波形如图6和图7所示。

通过仿真波形观察可知，故障期间，逆变器向电网提供无功功率，并持续到故障结束，符合低电压穿越要求。

5 结 论

本文分析了光伏并网逆变器的拓扑结构原理，建立了数学模型，提出了在传统电压外环和电流内环中增加Droop环节的方法，并通过MATLAB软件仿真验证了其可行性。

图6 逆变器输出电压波形

图7 逆变器输出无功功率波形