基于直接电流控制的ZVRT控制方法

李子然 王永博

【摘 要】ZVRT是由我国率先提出的光伏并网要求，本论文在充分了解光伏发电原理和并网控制的基础上，对单级式并网逆变器在电网侧不同故障下的响应特性进行全面深入的分析。根据并网规定要求，提出一种基于直接电流控制的ZVRT方法。

【关键词】光伏电站;ZVRT技术要求;ZVRT控制方法

1 光伏电站ZVRT技术要求

ZVRT是指当电网发生故障导致并网点电压出现跌落乃至为0时，光伏电站依然能够保持并网运行一段时间，并向电网提供一定的无功支撑以帮助跌落电压恢复。国家电网公司出台的《光伏发电站接入电力系统技术规定》中要求光伏电站的ZVRT能力应满足：

（1）并网电压跌至0时，光伏发电站应能不脱网连续运行0.15s;

（2）并网点电压跌至曲线1下方时才可以从电网切出。

并对有功功率的恢复速度有具体要求为：自故障清除时刻算起，以至少30%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前水平。同时根据ZVRT要求，当电网故障导致并网点电压跌落时，光伏电站注入电网的动态无功电流应满足：

（1）自电压跌落时刻起，的响应时间不大于30ms;

（2）自响应时刻起直到电压恢复至0.9pu期间，注入电网的应实时跟踪并网点电压变化，并满足：

其中，为光伏电站并网点电压标幺值，为并网侧额定输出电流。

ZVRT要求当电网电压跌落至0时光伏电站仍并网运行0.15s。而之前的LVRT则要求电网电压跌落时允许光伏电站并网运行的最低电压为0.15倍的额定电压，当并网电压低于该值时，光伏电站须从电网切除。因此相比于LVRT，ZVRT对光伏电站的稳定运行提出了更高的要求。

2 基于直接电流控制的ZVRT方法

2.1 直接电流控制原理

逆变器的电流控制方式有直接控制和间接控制。间接电流控制就是把逆变器当作交流电压源看待，通过对逆变器输出侧交流电压相位和幅值的间接控制来改变并网电流。而直接电流控制是在dq坐标系中采用跟踪型PWM技术直接实现对并网电流瞬时值的反馈控制。跟踪型PWM技术通过实时计算实际电流与给定电流的偏差并将其与高频三角载波进行比较，从而输出对应的PWM信号，以便控制逆变器得到所需要的电流波形。直接电流控制的响应速度快，控制精度高，由于引入了实时负反馈，其能对交流侧电网电压和直流侧电压的波动迅速做出反应，由此来保持并网电流对参考值的及时跟踪。而间接电流控制虽控制原理简单、易于实现，但响应速度慢，但对外界干扰较为敏感，且控制精度低。因此在逆变器控制中，直接电流控制的应用较为广泛。

2.2 电流给定值的计算

在电网电压跌落期间，导致逆变器脱网的主要原因是逆变器并网电流过流，而非直流侧电压的上升。因此在直接电流控制ZVRT的方法中，不考虑逆变器直流侧电压，只考虑并网电流。并且由于电网发生非对称故障时，传统dq变换中有二倍频交流量，因此在输出电流的给定及控制中，应该在正负序旋转坐标系中进行。

根据国家电网对输出电流的要求，在ZVRT期间，为满足分段不等式（公式1），将故障期间注入的无功电表示为：

为确保并网电流在电网电压跌落期间对称不过流，令其负序电流分量的指令值、为0，即

为确保并网电流按《光伏发电站接入电力系统技术规定》要求向电网注入无功电流，无功电流的指令值可给定为：

同时，为确保并网电流不过流，有功电流的指令值可给定为：

综上，ZVRT期间并网电流的指令值可如下表示：

2.3 控制参数的整定

在直接电流控制的ZVRT过程中，为了使实际电流较快地跟随给定值，需对电流环进行设计。由于光伏系统中的SPWM模块存在数据采样延迟环节及控制延迟环节，所以可将逆变器的传递函数等效成一个高增益的惯性环节，即

其中，为桥路PWM的等效增益;为开关周期（采样周期）。

根据基尔霍夫定律，滤波电路的传递函数为：

为简化分析，将PI控制器的传递函数写成零极点的形式，即

从而得到ZVRT中电流环的控制框图如图1所示。

在设计电流环时，要让其具有较快电流响应速度，在此按照典型型系统进行设计。由图3可以看出，只需用PI控制器的零点抵消控制对象传递函数中的极点即可，即。经校正后电流环的开环传递函数为：

公式2为直接电流控制的ZVRT中PI控制器参数的计算公式。

2.4 直接电流控制的ZVRT方法

为确保光伏电站在电网故障期间满足ZVRT规定要求，同时保证并网电流对称、及时向电网注入无功功率，需对并网电流的正、负序分量分别进行控制。首先，正负序分离模块分解出逆变器并网电压和输出电流的正负序dq分量;其次，电压跌落深度检测模块根据故障电压的跌落程度来确定逆变器在ZVRT期间的输出电流，并将其作为输出电流的参考值;最后经前馈解耦抵消前馈量和耦合量，通过PI控制器得到SPWM发生器的脉冲信号，将其作用逆变器，使得输出电流跟随参考电流变化，从而实现光伏并网逆變器的ZVRT。

3 小结

本章详细介绍了光伏电站ZVRT的相关要求，提出了直流电流控制的ZVRT方法。该方法根据规定要求和跌落深度给定指令电流，通过双闭环控制实现对正、负序电流有功无功分量的解耦和对指令值的快速跟踪，从而抑制负序电流并向电网提供一定的无功电流，保证并网电流不过流，确保光伏电站在电压跌落期间继续并网运行。

参考文献：

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[2]钟杰.光伏并网逆变器MPPT及双闭环控制技术研究[D].成都：西南交通大学，2013：45-50.

（作者单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司）