光伏并网系统低电压穿越控制策略研究

郭殿林，李勇超，李凯飞

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

0 引 言

近年来，随着全球环境污染问题和化石能源危机的不断加剧，太阳能等清洁可再生能源受到了越来越多关注，光伏发电产业得到了快速发展[1-2]。为了保障并网系统以及整个电网的安全稳定运行，各个国家都会根据本国的国情对光伏电站低电压穿越做出具体的要求。当电网电压跌落时，对于并网电流限制其不过流，维持逆变器不发生脱网是实现穿越的核心。对于限制逆变器不过流，文献[3]分析了光伏发电系统的渗透率，进而分析光伏系统的暂态影响因素，结果表明维持LVRT的稳定对系统暂态过程具有重要意义；文献[4]采用了当电压跌落时输出无功电流电压的支撑作用；文献[5]提出了利用虚拟磁链控制技术，在电压跌落时，通过改进的瞬时对称分量法提取出电压的正序分量，在基于系统中配置储能装置的基础上，控制逆变器两端功率的平衡，使得逆变器输出支撑的无功分量完成穿越；文献[6]在实现单位功率因数并网的基础上，提出一种新型的基于一阶惯性滤波正序分离的锁相控制技术，避免电压跌落时传统检测方式的延时造成的误差，对电压进行及时检测，提高了LVRT控制性能；文献[7]提出电网不对称跌落时，利用基于SOGI锁相环技术对于电网电压的正负序量进行分离提取，又设计电网正序电压矢量定向控制的方法，保证电压跌落期间并网光伏系统的稳定运行。

此文主要探讨在电网电压跌落条件下，基于双二阶广义积分的锁相环来进行电压暂降深度检测。为了保持电网故障状态下低电压穿越能力，研究具有无功支撑的低电压穿越控制策略，当检测到电压跌落时，断开正常工作的双闭环系统的电压外环，使其成为单电流内环的闭环系统，通过不同的跌落深度来重新计算和分配有功电流指令和无功电流指令，实现光伏并网的正常运行到电网恢复。

1 光伏逆变器的拓扑结构和数学模型

选择二极管箝位式(NPC)三电平拓扑为光伏并网逆变结构，结构如图1所示。

图1 二极管箝位型三电平逆变拓扑结构Fig.1 Topology of diode neutral point clamped three-level inverter

其中Vdc为逆变器直流输入电压，C1和C2为直流侧母线电容，而且C1=C2，理想状态下，C1和C2的两端电压相等，等于1/2Vdc。在拓扑结构中，O点为直流侧的中点。整个逆变器共有3个相同的桥臂，分别为A、B、C桥臂，每一个桥臂有4个功率开关管，4个续流二极管，2个箝位二极管。该拓扑控制采用具有平衡因子的空间矢量调制技术(SVPWM)，保证光伏变换器的2个电容电压保持稳定，实现了中性点电压平衡控制。

2 平衡状态下闭环控制策略

根据瞬时无功理论,逆变器产生的瞬时有功如等式(1)所示：

P=v·i

(1)

式中：v=[vavbvc]是电压矢量，i=[iaibic]T是电流矢量，电压与电流相乘是标量积。对于给定的电压矢量，有无穷大的电流矢量，它们能够向电网传递完全相同的瞬时有功功率。 产生正弦电流的电流矢量由式(2)得出：

(2)

式中：P是平均有功功率，V+是正序电压矢量。在式(2)中的电流矢量由一组完全平衡的正序正弦波形组成，与正序电压矢量单调成正比。直流电压控制动态性缓慢，因此，在每个电网电压周期中，有功功率基准将被认为是一个常数，除了矢量V+具有恒定的振幅。 因此，参考电流矢量具有恒定的振幅,这个振幅由式(3)给出：

(3)

式中：符号＾表示峰值。从式(2)可以定义最大功率为

(4)

该表达式限定电网电流幅度，且其中的V+是正序电压的函数，因此任何导致此值下降的故障都会降低逆变器输出的平均功率。上述分析是在一般坐标系下推导的，同样可以用于静止参考坐标系以及任何其他参考系。

图2 双闭环控制框图Fig.2 Block diagram of double closed-loop control

3 低电压穿越控制策略

3.1 基于双二阶广义积分锁相环的电压跌落检测

在电压不对称跌落的情况下，负序基频分量会产生二次谐波，严重地影响最终的检测结果，所以必须要把正序分量和负序分量分离进而检测正序的相位和频率信息，而双二阶广义积分器检测(SOGI)可以达到目的。二阶广义积分器本质是一个带通滤波器，对中心频率的信号增益大，并且相移为零，但是当信号的频率发生偏移时，信号增益会变小。二阶广义积分器是由正交信号发生器、正负序计算模块、PI控制器、积分器和坐标变换模块组成，其结构原理图如图3所示[8]。

3.2 低电压穿越无功支撑控制策略

当光伏并网系统在正常工作时，采用双闭环控制策略稳定运行，系统发生故障导致电压跌落时，若还是保持原有的控制策略进行工作，那么就会导致系统整体过电流，可能导致系统脱网，而且系统功率器件可能会因为过电流从而烧毁，所以当发生电压跌落时，要采用无功支撑的低电压穿越控制策略保证系统不脱网运行。保证前级光伏电池的功率和逆变器的输出功率相等并且可以限制逆变器过流，对有功电流和无功电流指令的重新分配而达到低电压穿越的过程。

在电网发生故障时，要把并网电流限制在1.1倍的额定电流，则有

(5)

根据式(5)可知，如果有功电流指令维持原状，那么无功电流指令一定要低于额定电流的0.46倍，若超出该值，那么逆变器将会过流。所以，当电压跌落深度增加时，如果要提升无功电流指令，就一定要对有功电流指令进行减小控制。

静态无功补偿和电压跌落深度之间的关系为

式中：UN为额定电压；U0为跌落前电压值；Iq为跌落无功电流；Iq0为跌落前无功电流；IN为额定电流。

则无功电压指令也可以表达为

UN可以经过前馈控制计算得出。而电流被限制为

Iq

一般规定k≥2，此次取2，当逆变器输出为额定电流时，有功电流指令为

所以，当电网发生电压跌落的时候，采用图2中的电流单闭环控制策略。

4 仿真分析

根据以上分析，搭建了Matlab的仿真模型，具体仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

4.1 电压跌落检测仿真

对SOGI电压跌落检测进行仿真验证，首先设置电压三相对称跌落，同样使电压发生60%跌落，共0.4 s，并且在0.2 s时发生跌落，得到如图4所示波形。

图4 对称跌落时并网点电压及其d轴分量Fig.4 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when symmetrical sag occurs

由上分析，当电网发生三相对称跌落时，可以检测到电压d轴有功分量跌落，并且最终稳定，证明可以检测电压跌落深度。

当电网发生不对称跌落时，仿真条件同上，当发生一相跌落时，则得到如图5所示波形。

图5 一相跌落时并网点电压及其d轴分量Fig.5 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when single-phase sag occurs

通过上述仿真分析，可知在0.2 s时a相发生跌落60%时，二阶广义积分器在检测电网电压d轴有功分量在发生跌落后迅速稳定，说明其可以检测单相电压跌落。

当电网发生两相跌落时，在相同的条件下得到的波形如图6所示。根据图6(b)的仿真波形，可以发现当电网发生两相电压跌落时，二阶广义积分器检测的电压d轴有功分量，在发生电压跌落之后可以迅速稳定下来，表明其可以检测不对称两相电压跌落的情况。

图6 两相跌落时并网点电压及d轴分量Fig.6 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when two-phase voltage sag occurs

4.2 低电压穿越控制策略仿真分析

首先分析电压跌落10%的工作情况，当电网电压在0.2 s时跌落10%，在0.3 s时电压恢复。当电压跌落时，逆变器的输出电流小于1.1倍的额定电流，此时并没有超出规定的要求，逆变器继续以双闭环控制策略运行，而逆变器输出的P和Q与正常时并没有很大区别，所以当电网电压跌落10%时对逆变系统影响很小，工作波形如图7、图8所示。

图7 电压跌落10%并网点电压电流Fig.7 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 10%

图8 电压跌落10%逆变器输出有功和无功功率Fig.8 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 10%

当电网电压跌落60%时，得到如图9、图10所示仿真结果。根据电网电压跌落60%的仿真波形图可以看出，此时电压跌落较为严重,但是逆变器的输出并网电流依然被限制在1.1倍的额定电流之内，且在电压跌落60%的情况下，呈现输出无功功率升高，而输出的有功功率下降的趋势。只不过电压跌落60%的情况会出现较大的抖动，这是因为此时电压跌落较大，暂态过程相对较为剧烈，很小的电流变化就会引起较大的功率的波动。此时依然能够采取基于无功支撑的低电压穿越控制策略而达到目的。

图9 电压跌落60%并网点电压电流Fig.9 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 60%

图10 电压跌落60%逆变器输出有功、无功功率Fig.10 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 60%

5 结 语

采用基于双二阶广义积分器的锁相环实现了跌落电压的检测，二阶广义积分器检测的电压d轴有功分量，在发生电压跌落之后可以迅速稳定下来，保证了检测效果，运用的低电压穿越无功支撑控制策略能够在电压跌落时保证系统不脱网运行，使系统的稳定性能提高，具有更好的抗干扰能力。通过仿真分析，验证了电压跌落时，基于二阶广义积分器的不对称电压跌落检测的准确性和低电压穿越无功支撑控制策略的可行性。