光伏并網(wǎng)系統(tǒng)低電壓穿越控制策略研究

郭殿林，李勇超，李凱飛

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引 言

近年來(lái)，隨著全球環(huán)境污染問(wèn)題和化石能源危機(jī)的不斷加劇，太陽(yáng)能等清潔可再生能源受到了越來(lái)越多關(guān)注，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展[1-2]。為了保障并網(wǎng)系統(tǒng)以及整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各個(gè)國(guó)家都會(huì)根據(jù)本國(guó)的國(guó)情對(duì)光伏電站低電壓穿越做出具體的要求。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，對(duì)于并網(wǎng)電流限制其不過(guò)流，維持逆變器不發(fā)生脫網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)穿越的核心。對(duì)于限制逆變器不過(guò)流，文獻(xiàn)[3]分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的滲透率，進(jìn)而分析光伏系統(tǒng)的暫態(tài)影響因素，結(jié)果表明維持LVRT的穩(wěn)定對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程具有重要意義；文獻(xiàn)[4]采用了當(dāng)電壓跌落時(shí)輸出無(wú)功電流電壓的支撐作用；文獻(xiàn)[5]提出了利用虛擬磁鏈控制技術(shù)，在電壓跌落時(shí)，通過(guò)改進(jìn)的瞬時(shí)對(duì)稱(chēng)分量法提取出電壓的正序分量，在基于系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能裝置的基礎(chǔ)上，控制逆變器兩端功率的平衡，使得逆變器輸出支撐的無(wú)功分量完成穿越；文獻(xiàn)[6]在實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的基于一階慣性濾波正序分離的鎖相控制技術(shù)，避免電壓跌落時(shí)傳統(tǒng)檢測(cè)方式的延時(shí)造成的誤差，對(duì)電壓進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，提高了LVRT控制性能；文獻(xiàn)[7]提出電網(wǎng)不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，利用基于SOGI鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)于電網(wǎng)電壓的正負(fù)序量進(jìn)行分離提取，又設(shè)計(jì)電網(wǎng)正序電壓矢量定向控制的方法，保證電壓跌落期間并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此文主要探討在電網(wǎng)電壓跌落條件下，基于雙二階廣義積分的鎖相環(huán)來(lái)進(jìn)行電壓暫降深度檢測(cè)。為了保持電網(wǎng)故障狀態(tài)下低電壓穿越能力，研究具有無(wú)功支撐的低電壓穿越控制策略，當(dāng)檢測(cè)到電壓跌落時(shí)，斷開(kāi)正常工作的雙閉環(huán)系統(tǒng)的電壓外環(huán)，使其成為單電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)不同的跌落深度來(lái)重新計(jì)算和分配有功電流指令和無(wú)功電流指令，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)的正常運(yùn)行到電網(wǎng)恢復(fù)。

1 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

選擇二極管箝位式(NPC)三電平拓?fù)錇楣夥⒕W(wǎng)逆變結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 二極管箝位型三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of diode neutral point clamped three-level inverter

其中Vdc為逆變器直流輸入電壓，C1和C2為直流側(cè)母線(xiàn)電容，而且C1=C2，理想狀態(tài)下，C1和C2的兩端電壓相等，等于1/2Vdc。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，O點(diǎn)為直流側(cè)的中點(diǎn)。整個(gè)逆變器共有3個(gè)相同的橋臂，分別為A、B、C橋臂，每一個(gè)橋臂有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，4個(gè)續(xù)流二極管，2個(gè)箝位二極管。該拓?fù)淇刂撇捎镁哂衅胶庖蜃拥目臻g矢量調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，保證光伏變換器的2個(gè)電容電壓保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了中性點(diǎn)電壓平衡控制。

2 平衡狀態(tài)下閉環(huán)控制策略

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論,逆變器產(chǎn)生的瞬時(shí)有功如等式(1)所示：

P=v·i

(1)

式中：v=[vavbvc]是電壓矢量，i=[iaibic]T是電流矢量，電壓與電流相乘是標(biāo)量積。對(duì)于給定的電壓矢量，有無(wú)窮大的電流矢量，它們能夠向電網(wǎng)傳遞完全相同的瞬時(shí)有功功率。 產(chǎn)生正弦電流的電流矢量由式(2)得出：

(2)

式中：P是平均有功功率，V+是正序電壓矢量。在式(2)中的電流矢量由一組完全平衡的正序正弦波形組成，與正序電壓矢量單調(diào)成正比。直流電壓控制動(dòng)態(tài)性緩慢，因此，在每個(gè)電網(wǎng)電壓周期中，有功功率基準(zhǔn)將被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，除了矢量V+具有恒定的振幅。 因此，參考電流矢量具有恒定的振幅,這個(gè)振幅由式(3)給出：

(3)

式中：符號(hào)＾表示峰值。從式(2)可以定義最大功率為

(4)

該表達(dá)式限定電網(wǎng)電流幅度，且其中的V+是正序電壓的函數(shù)，因此任何導(dǎo)致此值下降的故障都會(huì)降低逆變器輸出的平均功率。上述分析是在一般坐標(biāo)系下推導(dǎo)的，同樣可以用于靜止參考坐標(biāo)系以及任何其他參考系。

圖2 雙閉環(huán)控制框圖Fig.2 Block diagram of double closed-loop control

3 低電壓穿越控制策略

3.1 基于雙二階廣義積分鎖相環(huán)的電壓跌落檢測(cè)

在電壓不對(duì)稱(chēng)跌落的情況下，負(fù)序基頻分量會(huì)產(chǎn)生二次諧波，嚴(yán)重地影響最終的檢測(cè)結(jié)果，所以必須要把正序分量和負(fù)序分量分離進(jìn)而檢測(cè)正序的相位和頻率信息，而雙二階廣義積分器檢測(cè)(SOGI)可以達(dá)到目的。二階廣義積分器本質(zhì)是一個(gè)帶通濾波器，對(duì)中心頻率的信號(hào)增益大，并且相移為零，但是當(dāng)信號(hào)的頻率發(fā)生偏移時(shí)，信號(hào)增益會(huì)變小。二階廣義積分器是由正交信號(hào)發(fā)生器、正負(fù)序計(jì)算模塊、PI控制器、積分器和坐標(biāo)變換模塊組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示[8]。

3.2 低電壓穿越無(wú)功支撐控制策略

當(dāng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在正常工作時(shí)，采用雙閉環(huán)控制策略穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)，若還是保持原有的控制策略進(jìn)行工作，那么就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體過(guò)電流，可能導(dǎo)致系統(tǒng)脫網(wǎng)，而且系統(tǒng)功率器件可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)電流從而燒毀，所以當(dāng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，要采用無(wú)功支撐的低電壓穿越控制策略保證系統(tǒng)不脫網(wǎng)運(yùn)行。保證前級(jí)光伏電池的功率和逆變器的輸出功率相等并且可以限制逆變器過(guò)流，對(duì)有功電流和無(wú)功電流指令的重新分配而達(dá)到低電壓穿越的過(guò)程。

在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，要把并網(wǎng)電流限制在1.1倍的額定電流，則有

(5)

根據(jù)式(5)可知，如果有功電流指令維持原狀，那么無(wú)功電流指令一定要低于額定電流的0.46倍，若超出該值，那么逆變器將會(huì)過(guò)流。所以，當(dāng)電壓跌落深度增加時(shí)，如果要提升無(wú)功電流指令，就一定要對(duì)有功電流指令進(jìn)行減小控制。

靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和電壓跌落深度之間的關(guān)系為

式中：UN為額定電壓；U0為跌落前電壓值；Iq為跌落無(wú)功電流；Iq0為跌落前無(wú)功電流；IN為額定電流。

則無(wú)功電壓指令也可以表達(dá)為

UN可以經(jīng)過(guò)前饋控制計(jì)算得出。而電流被限制為

Iq

一般規(guī)定k≥2，此次取2，當(dāng)逆變器輸出為額定電流時(shí)，有功電流指令為

所以，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落的時(shí)候，采用圖2中的電流單閉環(huán)控制策略。

4 仿真分析

根據(jù)以上分析，搭建了Matlab的仿真模型，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

4.1 電壓跌落檢測(cè)仿真

對(duì)SOGI電壓跌落檢測(cè)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，首先設(shè)置電壓三相對(duì)稱(chēng)跌落，同樣使電壓發(fā)生60%跌落，共0.4 s，并且在0.2 s時(shí)發(fā)生跌落，得到如圖4所示波形。

圖4 對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及其d軸分量Fig.4 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when symmetrical sag occurs

由上分析，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，可以檢測(cè)到電壓d軸有功分量跌落，并且最終穩(wěn)定，證明可以檢測(cè)電壓跌落深度。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)跌落時(shí)，仿真條件同上，當(dāng)發(fā)生一相跌落時(shí)，則得到如圖5所示波形。

圖5 一相跌落時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及其d軸分量Fig.5 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when single-phase sag occurs

通過(guò)上述仿真分析，可知在0.2 s時(shí)a相發(fā)生跌落60%時(shí)，二階廣義積分器在檢測(cè)電網(wǎng)電壓d軸有功分量在發(fā)生跌落后迅速穩(wěn)定，說(shuō)明其可以檢測(cè)單相電壓跌落。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相跌落時(shí)，在相同的條件下得到的波形如圖6所示。根據(jù)圖6(b)的仿真波形，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生兩相電壓跌落時(shí)，二階廣義積分器檢測(cè)的電壓d軸有功分量，在發(fā)生電壓跌落之后可以迅速穩(wěn)定下來(lái)，表明其可以檢測(cè)不對(duì)稱(chēng)兩相電壓跌落的情況。

圖6 兩相跌落時(shí)并網(wǎng)點(diǎn)電壓及d軸分量Fig.6 Voltage and its d-axis component at grid-connected point when two-phase voltage sag occurs

4.2 低電壓穿越控制策略仿真分析

首先分析電壓跌落10%的工作情況，當(dāng)電網(wǎng)電壓在0.2 s時(shí)跌落10%，在0.3 s時(shí)電壓恢復(fù)。當(dāng)電壓跌落時(shí)，逆變器的輸出電流小于1.1倍的額定電流，此時(shí)并沒(méi)有超出規(guī)定的要求，逆變器繼續(xù)以雙閉環(huán)控制策略運(yùn)行，而逆變器輸出的P和Q與正常時(shí)并沒(méi)有很大區(qū)別，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落10%時(shí)對(duì)逆變系統(tǒng)影響很小，工作波形如圖7、圖8所示。

圖7 電壓跌落10%并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流Fig.7 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 10%

圖8 電壓跌落10%逆變器輸出有功和無(wú)功功率Fig.8 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 10%

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落60%時(shí)，得到如圖9、圖10所示仿真結(jié)果。根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落60%的仿真波形圖可以看出，此時(shí)電壓跌落較為嚴(yán)重,但是逆變器的輸出并網(wǎng)電流依然被限制在1.1倍的額定電流之內(nèi)，且在電壓跌落60%的情況下，呈現(xiàn)輸出無(wú)功功率升高，而輸出的有功功率下降的趨勢(shì)。只不過(guò)電壓跌落60%的情況會(huì)出現(xiàn)較大的抖動(dòng)，這是因?yàn)榇藭r(shí)電壓跌落較大，暫態(tài)過(guò)程相對(duì)較為劇烈，很小的電流變化就會(huì)引起較大的功率的波動(dòng)。此時(shí)依然能夠采取基于無(wú)功支撐的低電壓穿越控制策略而達(dá)到目的。

圖9 電壓跌落60%并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流Fig.9 Voltage and current at grid-connected point when voltage sag is 60%

圖10 電壓跌落60%逆變器輸出有功、無(wú)功功率Fig.10 Active and reactive power of inverter when voltage sag is 60%

5 結(jié) 語(yǔ)

采用基于雙二階廣義積分器的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了跌落電壓的檢測(cè)，二階廣義積分器檢測(cè)的電壓d軸有功分量，在發(fā)生電壓跌落之后可以迅速穩(wěn)定下來(lái)，保證了檢測(cè)效果，運(yùn)用的低電壓穿越無(wú)功支撐控制策略能夠在電壓跌落時(shí)保證系統(tǒng)不脫網(wǎng)運(yùn)行，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性能提高，具有更好的抗干擾能力。通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證了電壓跌落時(shí)，基于二階廣義積分器的不對(duì)稱(chēng)電壓跌落檢測(cè)的準(zhǔn)確性和低電壓穿越無(wú)功支撐控制策略的可行性。