MW级光伏并网逆变器低电压穿越控制策略

徐裕勇

（京琅智能装备(中山)有限公司 广东省中山市 528437）

1 引言

为了应对气候的变化，化石能源的逐渐枯涸，光伏发电等可再生能源原在世界各国能源系统中占比越来越大。随着风力发电、光伏发电等这种间歇式能源在电网中占比越来越大，它们的波动会严重影响着电网的波动, 有可能会引起光伏电站的大面积停止发电，导致局域电网的瘫痪，给整个电网及用电大户造成巨大损失。因此为了电网系统的高效稳定的运行，要求光伏电站具有一定的低电压穿越能力。低电压穿越（LVRT）能力也被认为是光伏并网设备设计制造控制技术上的最大挑战之一，直接关系到光伏发电的大规模应用[1-2]。因此，为了电网系统更加稳定，光伏电站十分有必要具有低电压或零电压穿越功能。目前国内外对单机MW 级两级拓扑光伏并网逆变器低电压穿越研究比较少。 本文提出了MW 级光伏并网逆变器两级系统拓扑，在低电压穿越过程中为解决电压跌落过程逆变母线电压过高而导致系统保护无法穿越问题引入了逆变母线过压保护控制环，该控制环有效解决了电压跌落造成的两级系统逆变母线过压问题。

2 MW级光伏并网逆变器两级控制策略

目前常规MW 级光伏并网逆变器一般采用两台单级系统逆变器并联的方式实现，一方面由于在常规并网电压270V/315V 并网条件下，输出MW 级功率电流达2 千多安培，常规的IGBT 模块很难达到要求，受功率器件的限制很难实现单机MW 级逆变器；另一方面提高并网电压，使并网输出电流大大减小，此时由于并网电压高，则要求输入侧的直流电压高才能满足并网条件，而逆变器为了最大限度的发电，需在较低电压时亦能并网发电。基于上述两个方面，本文采取了两级系统逆变方案。

如图1所示，光伏阵列的电能分两路交错进入前级系统，先经过前级Boost 升压电路，使较低的直流电压升压至960V，通过后级逆变系统使母线电压持续稳定在960V，再通过后级三相全桥逆变电路，经LC 滤波后以620V 交流电压并网。

2.1 前级MPPT及Boost DC/DC控制分析

在电网稳定运行的环境下，MPPT 功率环是通过改变功率的大小，观察光伏电池板输出电压的变化, 计算出最大功率点后, 输出量给定到Boost 电压控制环，通过Boost DC/DC 升压并把光伏电池板电压稳定在最大功率点上。当出现低电压穿越故障时，Boost DC/DC 电压环切换为对直流母线进行控制，让直流母线保持平稳，环路间通过故障切换点进行切换，如图2所示。

2.2 后级DC/AC三相全桥并网控制分析

后级DC/AC 三相全桥并网拓扑框图如图3所示。

以并网逆变器Cdc1和Cdc2连接点为直流侧的N 点进行分析。文献[5-8]给出了在abc 静止坐标系下，其数学模型如下式（1）：

从式（1）看出，三相电流是相互独立的，控制起来会比较复杂。为了控制更加简单，我们对它进行d-q 坐标变换，变换矩阵为式（2）：

合并两式（1）及式（2）得：

图1：MW 级两级交错光伏并网逆变器电路原理图

图2：前级Boost 控制框图

图3：后级DC/AC 三相全桥并网拓扑框图

图4：d-q 旋转坐标系下的三相系统控制框图

图5：逆变母线过压保护PI 环控制策略

图6：后级三相全桥逆变控制策略[4]

式中id和iq分别是三相并网逆变器电流在旋转坐标系下的d 轴分量和q 轴分量，即有功电流和无功电流。Ud和Uq分别是电网电压在旋转坐标系下的分量。Sd和Sq是在旋转坐标系下的开关函数[3-8]。

图7：低电压穿越系统控制策略Simulink 仿真图

图8：直流母线电压仿真结果

图9：MYsolar-1000TL 实验样机

如图4所示，通过旋转坐标变换后，原来系统的三个交变参数变成了两个的常量参数，而且在交叉解耦后相互独立，控制起来非常简单。控制系统采用母线电压外环结合并网电流内环结合的方式进行控制。逆变母线电压外环把直流母线控制在960V，输出量作为并网电流内环的给定量，通过电流内环设定有功电流id输出和无功电流iq输出（电站需要发无功要求）。控制系统通过交叉解耦的方法对它们进行独立控制。为了使得系统不受电网电压瞬变影响太大，控制策略中把电网电压ugd和ugq进行前馈控制，进一步提高控制系统的鲁棒性[8]。最后三者相加，输出并网电压矢量ud和uq。此方法解耦了有功电流和无功电流，非常适合在低电压穿越（LVRT）时，系统要发无功电流的要求。

3 矢量法的LVRT控制策略

电压跌落过程中，由于能量在母线电容上堆积导致逆变母线电压迅速上升，在母线电压超过限压保护环阀值后调用限压保护环PI，使母线电压稳定在一定的范围内不出现过压情况，即图5 中的限压PI 环在母线电压超过1000V（正常并网稳定在960V）之后调用此PI 环，其输出量给定前级Boost PI 环的输入，以减小占空比，防止母线过压的出现。

对于后级三相全桥控制，如图6所示，正常时，逆变母线电压PI 环把母线电压稳定在960V，此环路的输出给定有功电流分量同时对无功电流分量设定为0。闭环调节后，经dq/abc变换，电网电压前馈后得到PWM 调制波对三相全桥进行控制并网。

图10：三相电压对称跌落至20%情况逆变母线电压(中间橙色为逆变母线电压波形)

4 系统Matlab／Simulink仿真及控制策略

控制策略在Matlab/Simulink 仿真图如图7所示，仿真系统包含光伏电池阵列、双相交错DC/DC 升压电路、后级三相全桥逆变电路、LC 滤波回路及交流电网。

直流母线电压仿真结果从图8 可见，在电网电压跌落后逆变母线电压因能量堆积迅速上升，由于母线电容充放电的作用电压在不停的波动以解耦前后级系统，但一直都维持在一定的范围而不会出现过压情况。仿真的结果验证了该控制策略的可行性。

5 实验结果

本文的控制策略在明阳公司研发的单机1MW 光伏并网逆变器上进行验证，并在国家电网电力科学研究院太阳能研发实现中心通过了低电压穿越实验，实验结果证实了该控制策略的可行性。

实验样机如图9所示。

运行工况一，在重载860KW 并网情况下，标准要求三相电压对称跌落至20%时的电压波形、逆变母线电压波形及并网电流波形如图10所示。可见当网压发生跌落时逆变母线电压瞬间上升到一定的值，由于系统采取了过压限功率控制策略，逆变母线电压稳定在一定的阀值上，逆变器能正常并网输出，且电流波形畸变小，顺利穿越低电压过程。逆变母线电压的变化情况与图8 仿真的情况类似。

图11：A 相电压对称跌落至20%情况逆变母线电压（中间橙色为逆变母线电压波形）

运行工况二，在重载860KW 并网情况下，A 相电压跌落至60%时的电压波形、逆变母线电压波形及并网电流波形如图11所示。由图11 可见，网侧电压发生跌落时逆变母线电压瞬间上升到一定的值，由于系统采取了过压限功率控制策略，逆变母线电压稳定在一定的阀值上。逆变器能正常并网输出，且电流波形畸变小，顺利穿越低电压过程。逆变母线电压的变化情况与图8 仿真的情况类似。

6 结论

本文对MW 级光伏并网逆变器两级系统拓扑建立其低电压穿越仿真模型。为解决在低电压穿越过程中电压跌落过程逆变母线电压过高而导致系统保护无法问题引入了逆变母线过压保护控制环，该控制环有效解决了电压跌落造成的两级系统逆变母线过压问题。该控制策略在国家电网电力科学研究院太阳能实验研发中心得到验证，实验所用的样机MYsolar-1000TL 顺利通过了国网电科院的低电压穿越认证测试。验证了该控制策略的可行性，对集中式大功率光伏并网逆变器的研发具有一定的引导性作用。