基于無(wú)差拍控制的光伏電站低電壓穿越技術(shù)的研究

梁海峰 ，馮燕闖，劉子興，高亞靜，王成山

（1.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2.新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))，河北 保定 071003）

0 引言

在傳統(tǒng)能源面臨枯竭和對(duì)環(huán)境污染較大的大背景下，大力開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源，是關(guān)乎國(guó)情、民生的重大能源戰(zhàn)略。風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電系統(tǒng)中兩支先鋒部隊(duì)，已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，而且裝機(jī)容量也在逐年增加，2013年中國(guó)新增光伏安裝量有望超過(guò)7 GW，較去年同期增長(zhǎng)150%[1]。隨著新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占比例越來(lái)越大，其對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽略。其中，新能源發(fā)電的低電壓穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）問(wèn)題就是突出問(wèn)題之一。新能源發(fā)電系統(tǒng)在低電壓時(shí)如果自動(dòng)脫網(wǎng)，對(duì)新能源發(fā)電所占比例不高的電網(wǎng)是尚可接受的，但對(duì)于占比較高的電力系統(tǒng)則是不可接受的，易造成電網(wǎng)電壓和頻率的崩潰，給生產(chǎn)、生活帶來(lái)巨大的損失。為了使風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電在電網(wǎng)電壓短時(shí)跌落時(shí)仍能保持并網(wǎng)，電網(wǎng)安全運(yùn)行準(zhǔn)則要求風(fēng)電機(jī)組或光伏系統(tǒng)具有一定的低電壓運(yùn)行能力[2-3]。

目前，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的總裝機(jī)容量比光伏的要大，低電壓?jiǎn)栴}也較突出，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越技術(shù)已經(jīng)取得了一些成果，文獻(xiàn)[4-5]提出采用增加硬件Crowbar保護(hù)電路和改變控制策略的方法實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越。隨著光伏并網(wǎng)容量的不斷增加，低電壓?jiǎn)栴}在光伏系統(tǒng)中也日益凸顯出來(lái)，所以有必要對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[6-7]分析了目前光伏電站實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的重要性和必要性。2010年12月我國(guó)首套用于光伏電站低電壓穿越現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的檢驗(yàn)平臺(tái)在國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院建成，進(jìn)一步充分說(shuō)明了我國(guó)對(duì)光伏電站低電壓穿越的研究與檢測(cè)工作的重視[8]。文獻(xiàn)[9]詳細(xì)仿真了光伏電站在各種程度電壓跌落時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，指出光伏電站在低電壓期間不僅應(yīng)保持不脫網(wǎng)還應(yīng)發(fā)出無(wú)功功率以支撐并網(wǎng)點(diǎn)的電壓恢復(fù)。文獻(xiàn)[10]提出了一種無(wú)功補(bǔ)償和光伏發(fā)電相結(jié)合的光伏系統(tǒng)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償本地負(fù)載的無(wú)功電流抑制電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[11]綜述了三種光伏逆變器低電壓穿越的解決方案，一是增加儲(chǔ)能設(shè)備；二是增加無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC），靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等；三是基于無(wú)功電流電壓支撐的解決方案。前兩種方案的實(shí)現(xiàn)需要加裝硬件設(shè)備?？紤]到電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的概率很小，且低電壓運(yùn)行持續(xù)時(shí)間很短，加裝硬件設(shè)備無(wú)疑會(huì)增加光伏系統(tǒng)的建設(shè)投資，所以在不加裝過(guò)多硬件設(shè)備，通過(guò)改變控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的技術(shù)是比較經(jīng)濟(jì)、合理的方式。

1 光伏電站實(shí)現(xiàn)LVRT的要求

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[3]闡明了光伏電站低電壓穿越的定義：當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍和時(shí)間間隔內(nèi)，光伏電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。對(duì)于小型光伏電站，應(yīng)按照表1的電壓異常時(shí)的響應(yīng)特性向電網(wǎng)送電，其他時(shí)間里，無(wú)論逆變器是否向電網(wǎng)輸送光伏能源，控制電路應(yīng)保持與電網(wǎng)的連接，以監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)。

對(duì)于大中型光伏電站應(yīng)具備一定的低電壓穿越能力，電力系統(tǒng)發(fā)生不同類(lèi)型故障時(shí)，若并網(wǎng)點(diǎn)電壓全部在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)，光伏電站應(yīng)保持不脫網(wǎng)運(yùn)行；否則光伏電站應(yīng)停止向電網(wǎng)送電。

表1 小型光伏電站在電網(wǎng)電壓異常時(shí)的響應(yīng)要求Table 1 Requirements of the small-scale photovoltaic power plants in the abnormal grid voltage

圖1 大中型光伏電站的低電壓耐受能力要求Fig. 1 Low voltage tolerance requirements of large and medium-sized photovoltaic power plants

圖1中，UL0為正常運(yùn)行的最低電壓限值，一般取0.9倍額定電壓。UL1為需要耐受的電壓下限，T1為電壓跌落到UL1時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間，T2為電壓跌落到UL0時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間。UL1、T1、T2數(shù)值的確定需考慮保護(hù)和重合閘動(dòng)作時(shí)間等實(shí)際情況，UL1設(shè)定為0.2倍額定電壓，T1設(shè)定為1 s、T2設(shè)定為3 s。

并網(wǎng)規(guī)范還規(guī)定了對(duì)電力系統(tǒng)故障期間沒(méi)有切出的光伏電站，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開(kāi)始，以至少 10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值，低電壓穿越過(guò)程中光伏電站宜提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。

2 光伏電站的控制策略

2.1 光伏電站的無(wú)差拍控制策略

無(wú)差拍控制（Deadbeat Control）思想是美國(guó)著名控制理論專(zhuān)家卡爾曼于60年代提出的，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，80年代中期無(wú)差拍控制被應(yīng)用于逆變器控制，它具有瞬時(shí)響應(yīng)快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。該算法是一種對(duì)電路精確模型進(jìn)行控制的方法[12]，通過(guò)對(duì)采樣控制量進(jìn)行下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管的占空比，從而控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷，使當(dāng)前時(shí)刻的波形按照下一時(shí)刻預(yù)測(cè)出的波形變化，從而使實(shí)際輸出的波形接近參考波形。

電壓型光伏并網(wǎng)逆變器的原理圖如圖2所示，圖2中各物理量定義如下：Udc表示直流側(cè)電壓，C為直流側(cè)穩(wěn)壓電容，ua、ub、uc為逆變器輸出端的電壓瞬時(shí)值，ia、ib、ic表示光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的瞬時(shí)值，L為并網(wǎng)逆變器的輸出濾波電感和線路電感的等效值，R為等效電阻，ea、eb、ec表示系統(tǒng)的三相電網(wǎng)電壓。

圖2 電壓型光伏并網(wǎng)逆變器原理圖Fig. 2 Schematic of voltage photovoltaic grid-connected inverter

考慮到電阻R很小，忽略其對(duì)電路的影響。采用無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)的方式實(shí)現(xiàn)逆變器控制的公式如下[13-15]：

在一個(gè)控制周期內(nèi)，交流電流預(yù)測(cè)的無(wú)差拍控制主要是計(jì)算各個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的占空比。上式中是圖2中開(kāi)關(guān)管T1、T3、T5的占空比，對(duì)其取反為開(kāi)關(guān)管T4、T6、T2的占空比；電流為預(yù)測(cè)出來(lái)的下一采樣時(shí)刻電流向量，T為控制周期，從而使逆變器輸出所需要的波形，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流相位關(guān)系及輸出有功、無(wú)功功率的波形圖如圖3、圖4所示。

圖3 并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流波形圖Fig. 3 Voltage and current waveforms diagram of point of interconnection

圖4 光伏系統(tǒng)輸出功率波形圖Fig. 4 Output power waveform diagram of the PV system

2.2 基于電流無(wú)差拍的LVRT控制策略

要實(shí)現(xiàn)光伏電站的低電壓穿越技術(shù)，首先要檢測(cè)電壓的跌落，根據(jù)并網(wǎng)規(guī)范，電壓在0.2～0.9 p.u.時(shí)光伏系統(tǒng)在特定的時(shí)間內(nèi)不能脫網(wǎng)，所以設(shè)計(jì)的電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)范圍為0.2～0.9倍的額定電壓，即當(dāng)電壓在0.2～0.9倍的額定電壓時(shí)，發(fā)出指令信號(hào)啟動(dòng)低電壓穿越控制策略；當(dāng)電壓在0.9～1倍的電壓額定值時(shí)，系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)電壓低于0.2倍的額定電壓時(shí)光伏系統(tǒng)脫網(wǎng)。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電壓跌落時(shí)，啟動(dòng)低電壓控制策略，提供無(wú)功功率支撐。基于電流無(wú)差拍的LVRT控制策略主要是對(duì)預(yù)測(cè)電流i*的控制，即當(dāng)檢測(cè)到電壓跌落時(shí)，預(yù)測(cè)電流的相位會(huì)發(fā)生變化，從而達(dá)到發(fā)出無(wú)功功率的目的；對(duì)于預(yù)測(cè)電流幅值，當(dāng)電壓跌落電流增大時(shí)，為限制電流增大，采用限幅控制，此時(shí)電流幅值限制為故障前、正常工作時(shí)的幅值，控制系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)示意圖Fig. 5 Diagram of control system

此時(shí)由于電壓跌落，功率輸送不出去，逆變器直流側(cè)電壓會(huì)升高，通過(guò)導(dǎo)通卸荷電阻通路，將滯留的能量消耗掉，限制直流側(cè)電壓的升高。本文選擇當(dāng)直流側(cè)電壓升高10%時(shí)，卸荷電阻投入運(yùn)行。綜上，通過(guò)發(fā)出無(wú)功功率支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，采用限幅控制防止電流增大，采用并聯(lián)卸荷電阻的方式限制直流側(cè)電壓的升高，達(dá)到“穿越”低電壓這個(gè)時(shí)間區(qū)域的目的。

3 建模及仿真驗(yàn)證

根據(jù)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中光伏系統(tǒng)的參數(shù)，本文采用 Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行建模，并開(kāi)展LVRT的仿真驗(yàn)證。模型中采用光伏電池板型號(hào)為L(zhǎng)W180（23）P1310×990，采用14串4并的連接方式，總?cè)萘繛?0 kWp，單塊電池板的具體參數(shù)如表2所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，逆變器出口電壓220 V，濾波電感為12 mH，電容10μF；通過(guò)0.22/0.4 kV的隔離變壓器和一段線路與公共電網(wǎng)連接?？刂葡到y(tǒng)中PI參數(shù)為-0.7、-0.08，直流側(cè)額定電壓為500 V，卸荷電阻為36 W，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率為6000 Hz。

表2 電池板參數(shù)Table 2 Parameters of PV panel

圖6 光伏并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 6 Structure diagram of PV grid-connected experimental system

設(shè)仿真時(shí)間2 s，在1.1 s時(shí)發(fā)生三相電壓跌落，持續(xù) 0.2 s。電壓跌落發(fā)生器由電阻和接地開(kāi)關(guān)構(gòu)成，仿真步長(zhǎng)為1e-5 s，當(dāng)發(fā)生電壓跌落而未采用低電壓穿越控制策略時(shí)，各波形圖如圖7(a)～圖7(d)所示。

在未使用低電壓穿越控制策略時(shí)，由圖7可見(jiàn)，電壓降低，電流增大，同時(shí)保持單位功率因數(shù)輸出；輸出的有功功率降低的程度很大，無(wú)功功率為零保持不變，此時(shí)由于能量不能全部輸送到電網(wǎng)，導(dǎo)致直流側(cè)電壓升高，威脅到各個(gè)開(kāi)關(guān)管的安全運(yùn)行。在相同的情況下，將設(shè)計(jì)的低電壓穿越控制策略應(yīng)用到光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)在相同的地點(diǎn)發(fā)生三相電壓跌落后，各個(gè)量的波形圖如圖8(a)～圖8(d)所示。

圖7 未采用LVRT控制策略時(shí)仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results when the LVRT control strategy is not adopted

由圖8可見(jiàn)：此時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓相對(duì)圖7有所提高，電流幅值與正常運(yùn)行時(shí)相比基本保持不變；電壓和電流不再是同相位，相位發(fā)生了很大變化，說(shuō)明逆變器輸出了無(wú)功功率，以支撐系統(tǒng)電壓，圖8(b)無(wú)功功率曲線也證明了這一點(diǎn)；故障期間，直流側(cè)電壓基本穩(wěn)定在1.1倍額定電壓左右，沒(méi)有顯著升高，直流側(cè)的卸荷電阻將輸送不出的能量消耗掉，有效防止直流側(cè)電壓升高，避免損壞開(kāi)關(guān)管；從并網(wǎng)點(diǎn)電壓的有效值波形看出電壓從原來(lái)的0.4提升到0.52左右。

從圖7與圖8的對(duì)比來(lái)看，該控制策略在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能發(fā)出無(wú)功功率，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)，達(dá)到了“穿越”這個(gè)故障時(shí)間區(qū)域的目的。

4 結(jié)論

圖8 采用LVRT控制策略時(shí)的仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation results when using the LVRT control strategy

本文在基于電流無(wú)差拍控制實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)單位功率因數(shù)并網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制策略的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相電壓跌落時(shí)，逆變器發(fā)出無(wú)功功率支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，電流限幅控制防止電流增大，并聯(lián)卸荷電阻限制直流側(cè)電壓的升高，以達(dá)到低電壓穿越的目的。通過(guò)仿真驗(yàn)證表明：該控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電站的低電壓穿越，驗(yàn)證了控制策略的有效性，為在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中開(kāi)展低電壓穿越的動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)提供了依據(jù)和保障，為進(jìn)一步研究光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越過(guò)程中有功、無(wú)功功率的協(xié)調(diào)控制做了鋪墊。

[1]NPD Solarbuzz China Balance of Systems Market Report,January 2013[EB/OL].http://www.solarbuzz.com/cn/news/recent-findings.

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司. 風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版）[S].2009.State Grid Corporation of China. Technical rule for wind power plant connected to power grid[S]. 2009.

[3]Q/GDW 617-2011 光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定[S].Q/GDW 617-2011 technical rule for photovoltaic power station connected to power grid[S].

[4]王偉, 孫明冬, 朱曉東. 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越技術(shù)分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007, 31( 23): 84-89.WANG Wei, SUN Ming-dong, ZHU Xiao-dong. Analysis on the low voltage ride through technology of DFIG[J].Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(23):84-89.

[5]姚駿, 廖勇, 唐建平. 電網(wǎng)短路故障時(shí)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行的勵(lì)磁控制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007, 27 (30): 64-71.YAO Jun, LIAO Yong, TANG Jian-ping. Ride-through control strategy of AC excited wind-power generator for grid short-circuit fault[J]. Proceedings of the CSEE, 2007,27(30): 64-71.

[6]王利平, 楊德洲, 張軍. 大型光伏發(fā)電系統(tǒng)控制原理與并網(wǎng)特性研究[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(6): 61-63.WANG Li-ping, YANG De-zhou, ZHANG Jun. Study of large-scale PV power system control principle and grid-connected characteristics[J]. Power Electronics,2010, 44(6): 61-63.

[7]陳波, 朱曉東, 朱凌志, 等. 光伏電站低電壓穿越時(shí)的無(wú)功控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2012, 40(17):6-12.CHEN Bo, ZHU Xiao-dong, ZHU Ling-zhi, 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.

[8]李紅濤, 張軍軍, 包斯嘉, 等. 小型并網(wǎng)光伏電站移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2011,35(19): 39-42.LI Hong-tao, ZHANG Jun-jun, BAO Si-jia, et al. Design and development of a mobile detection platform for grid connection of small photovoltaic power stations[J].Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(19):39-42.

[9]Antonios M, Fabio P, Muhamad R, et al. Grid integration aspects of large solar PV installations: LVRT capability and reactive power/voltage support requirements[C]//IEEE Power Tech 2011, 19-23 June 2011, Trondheim Norway, 2011: 1-8.

[10]王富卿, 韓民曉. 光伏發(fā)電動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)補(bǔ)償特性分析[C]// 中國(guó)高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)第二十六屆學(xué)術(shù)年會(huì), 2010年10月15-17日, 上海, 2010.WANG Fu-qing, HAN Min-xiao. Analysis of photovoltaic power generation dynamic voltage fluctuation compensation characteristics[C]// The 26th Chinese Universities Symposium on Electrical Power System Automation, 15-17 Oct. 2010, Shanghai China,2010.

[11]甄曉亞, 尹忠東, 王云飛, 等. 太陽(yáng)能發(fā)電低電壓穿越技術(shù)綜述[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2011, 27(8): 65-68.ZHEN Xiao-ya, YIN Zhong-dong, WANG Yun-fei, et al.Overview of low voltage ride through in photovoltaic power generation[J]. Power System and Clean Energy,2011, 27(8): 65-68.

[12]郭衛(wèi)農(nóng), 段善旭, 康勇, 等. 基于DSP實(shí)現(xiàn)的無(wú)差拍控制逆變器[J]. 通信電源技術(shù), 2001, 3(1): 1-4.GUO Wei-nong, DUAN Shan-xu, KANG Yong, et al.Deadbeat control inverter based on DSP[J]. Telecom Power Technologies, 2001, 3(1): 1-4.

[13]楊勇, 阮毅, 葉斌英, 等. 三相并網(wǎng)逆變器無(wú)差拍電流預(yù)測(cè)控制方法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(33):40-46.YANG Yong, RUAN Yi, YE Bin-ying, et al. Deadbeat predictive current control method for three-phase grid-connected inverters[J]. Proceedings of the CSEE,2009, 29(33): 40-46.

[14]黃天富, 石新春, 魏德冰, 等. 基于電流無(wú)差拍控制的三相光伏并網(wǎng)逆變器的研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2012, 40(11): 36-41.HUANG Tian-fu, SHI Xin-chun, WEI De-bing, et al.Study on three-phase photovoltaic grid-connected inverter based on current deadbeat control[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(11): 36-41.

[15]劉勝榮, 楊蘋(píng), 肖瑩, 等. 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)差拍控制算法研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010,38(8): 26-29.LIU Sheng-rong, YANG Ping, XIAO Ying, et al.Algorithm research of deadbeat control for double-stage photovoltaic grid-connected inverter[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(8): 26-29.