基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略

郭培健，伍丰林，田凯，张超

（天津电气传动设计研究所，天津300180）

1 引言

光伏发电系统所发出的电能随太阳光照强度变化而变化，一般不能提供持续稳定的电能。随着近年来光伏发电产业的快速发展，尤其是大规模光伏并网电站的大量投入使用，对电网运行的稳定性构成一定问题，特别是在电网出现低电压跌落情况下如果许多这类电源出现集体瞬间脱网，将加剧电网振荡，甚至导致电网崩溃的重大事故[1]。 因此许多国家对光伏并网发电系统的低电压穿越（LVRT）能力提出强制标准。LVRT 是指在电网电压跌落处于一定范围内，并网逆变器必须保持和电网的连接，并尽可能向电网提供超前无功功率支持[2]。

电网电压的跌落包括单相跌落、 两相跌落、三相对称和不对称跌落，其中三相对称电压跌落出现的概率很小。 非对称电压跌落（即除三相对称电压跌落之外的其他电压跌落）使得电网电压中出现较大负序分量。

目前，针对电网电压多数跌落过程含有负序分量的情况，通常采用双同步旋转坐标系控制[3-5]，即采用结构完全对称的正、 负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，并分别对正、负序电流进行前馈解耦控制[6-8]。 但是该控制方法在数字信号处理器进行运算的过程中，由于采样及运算带来控制延迟，通过角度补偿的办法可以在稳态较好跟踪电网电压，实现电网电压前馈解耦控制；而在电网电压幅值发生快速变化（例如跌落）时，上述延迟使得前馈电压的幅值在动态滞后于实际电压幅值，电流调节器可以在发生电网电压跌落起到一定调节作用，但一般情况下按负载模型设计的电流调节器比例比较小，主要依靠电压前馈解耦控制。 此外，由于电网电压跌落多为三相非对称，电网电压在同步旋转坐标系下直流信号（包括正序和负序分量）中存在二次谐波分量，一方面产生的二次谐波难于彻底滤除，另一方面滤波（包括一阶惯性滤波、二阶陷波滤波、移相滤波等）均使前馈电压信号产生滞后，不仅使初始响应滞后，且即使在电网电压处于跌落的稳态时三相电流幅值仍可能有较大脉动。 因此，仅采用双旋转同步坐标系的解耦控制方法，只能解决电网电压跌落后的稳态（即电压幅值变化率相对小一些的区域）的电流控制，在较大电压跌落情况下逆变器仍可能因初始较大过电流而脱网。

在电网正常情况下过多超前无功使得电网电压升高，特别在LVRT 结束时如果并网的逆变器响应滞后，仍然维持数个采样周期输出超前无功，可能导致电网过电压，也可能使逆变器输出过流和脱网。

因此必须研究有效的控制方法，防止逆变器在电网电压跌落过程过流，才能实现并网逆变器LVRT。

2 常规并网三相光伏逆变器控制系统及其LVRT 能力

2.1 常规光伏并网三相逆变器控制系统及其LVRT 能力

常规光伏并网三相逆变器控制系统如图1所示，其中PV 为光伏电池阵列，PB 为三相逆变器，L1为三相输出滤波电抗器，C1为三相输出滤波电容。 光伏逆变器将光伏电池阵列的直流电能变换为三相交流电能，并输向电网。

控制回路通常采用锁相环PLL 检测电网电压（正序）矢量。用PLL 计算出的电网电压旋转角度φs将逆变器输出交流电流经过矢量变换，分解为有功（d 轴）和无功（q 轴）的直流分量，以便对有功和无功功率分别进行控制。

图1 常规光伏并网逆变器控制系统框图Fig.1 PV inverter control system block diagram

控制系统采用MPPT（最大功率点跟踪）计算逆变器直流电压给定Ud*c，经直流电压调节器计算出有功电流给定I*d，d 轴电流调节器计算出d轴电压调节量△Ud。电网电压正序幅值Ud和逆变器输出无功电流在q 轴的电抗压降作为电压给定的前馈解耦分量，用于提高逆变器输出响应。

大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，外环为无功功率调节器，用于控制输出的无功功率，其输出为无功电流给定I*q，通过q 轴电流调节器计算出q 轴电压调节量△Uq。 逆变器输出有功电流在q 轴的电抗压降作为q 轴电压给定的前馈解耦分量。

图1所示系统适用于三相电压对称跌落情况下的LVRT，存在控制响应之后问题，在较大电压跌落情况下逆变器会在初始产生过电流。 而对于三相电压不对称跌落，则因负序分量失于控制而产生较大过电流以致脱网。

2.2 双旋转坐标系控制的光伏并网三相逆变器控制系统及其LVRT 能力

为解决三相电压不对称跌落下的LVRT，通常采用双同步旋转坐标系控制，即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，分别对正、负序电流进行前馈解耦控制。 参见图2。

图2 具有双旋转坐标系控制的光伏并网逆变器控制系统框图Fig.2 Double rotating coordinate control of PV inverter control system block diagram

当电网发生单相、两相、或三相非对称电压跌落时，伴随着电网电压的不对称，电网电压中不仅存在正序分量，同时还存在负序分量和零序分量。 本文只考虑三相三线制系统，忽略零序分量[9]，则不平衡三相电压可以表示成以下形式：

式中：ω 为电网电压角频率；V+m为电网电压正序分量幅值；V-m为电网电压负序分量幅值；φ+为电网电压正序分量的初始相角；φ-为电网电压负序分量的初始相角。

经坐标变换，可得到旋转坐标系下的电压矢量为

其中

式中：下标d 和q 分别为同步旋转坐标系下的d，q 轴分量；上标+和-分别为正序和负序分量。

当负序分量出现时，按常规矢量分解方法得到的正序和负序旋转坐标系d-q 轴分量中存在2倍频交变成分，需采用适当的滤波后才可用于调节器反馈或前馈，否则可能导致系统振荡和过电流。

图2所示系统可用于所有电压跌落情况下的LVRT，但响应滞后采样周期，在较大电压跌落情况下逆变器可能在初始以及电网电压恢复时产生过电流。

3 电网电压跌落过程初始过电流分析

逆变器所输出的电压矢量与电网电压矢量的差等于加在交流电抗上的电压矢量，逆变器输出电流与加在交流电抗上的电压关系为

因此，如果交流电感基本不变，逆变器输出电流与加在交流电抗上的电压幅值成正比。

导致逆变器在LVRT 初始瞬间过电流的主要原因是系统对电网电压跌落的响应时间滞后，在此时间内逆变器给定电压基本仍按原电压矢量幅值输出，使得交流电抗上的电压瞬间异常增大，导致逆变器输出电流异常快速上升，这是LVRT 过程初始过电流的主要原因。因此，解决电网电压前馈滞后问题是保证实现LVRT 安全性的关键。

4 电网电压直接前馈控制策略

本节详细叙述基于电网电压直接前馈的LVRT 控制策略，鉴于篇幅，其中涉及光伏逆变器的一些其他技术问题这里不作过多叙述。

4.1 控制器硬件组成

光伏逆变器控制器采用数字信号处理器（DSP）和大规模门阵列（FPGA）为核心的硬件结构。通过电压和电流传感器、以及模拟量采集芯片对电网电压、 电流以及直流电压和电流进行采样。

对电网电压信号采集平均值和瞬时值，其中平均值采样周期与PWM 控制周期同步，用于正常情况下的系统控制； 瞬时值采样为数μs 级平均值，用于LVRT 时的控制。

4.2 系统控制方案

基于前两节中对电网电压跌落故障矢量分析、以及逆变器过流原因分析，改进的系统控制方案如图3所示。

图3 电网电压直接前馈的三相并网光伏逆变器系统控制框图Fig.3 Voltage directly feed-forward PV inverter control system block diagram

DSP 主要执行控制运算功能，FPGA 主要完成逻辑控制和脉冲形成等功能。

4.3 电网电压跌落判断

通过对电网电压瞬时值幅值的检测，可及时判断电网电压的跌落。 通过检测负序电压分量的幅值判断是否发生电网电压不对称运行。

4.4 负序电流分量控制

4.5 电压直接前馈控制策略

为解决电网电压跌落的初始瞬间电压前馈滞后的问题，本文提出了一种电网电压直接前馈控制策略：策略一是将电网电压瞬时值信号经滞后补偿后直接作为电压给定前馈；策略二是在发生电网电压跌落故障时，采用电网电压的采样值作为前馈进行控制。 前者解决LVRT 稳态控制，并提高逆变器的动态响应；后者解决LVRT 开始瞬间的过流控制。

由于电网电压跌落多为三相非对称，电网电压在同步旋转坐标系下直流信号中存在二次谐波分量，一方面产生的二次谐波难于彻底滤除，另一方面滤波（包括一阶惯性滤波、二阶陷波滤波、移相滤波等）均使前馈电压信号产生滞后，不仅使初始响应滞后，还使得即使在电网电压处于跌落的稳态时三相电流幅值仍可能有较大脉动。

常规的电压给定前馈分解出的直流分量，与电流调节器输出及交流电抗压降叠加后，经矢量变换后作为给定电压输出（参见图1、图2），这需要进行滞后补偿。 电网正常稳态运行时没有问题，而一旦电网电压出现波动或负序，由于前馈电压的滞后以及偶次谐波滤波的滞后，电流就会产生较大动态脉动。

采用上述控制策略一，在不降低电压信号采样精度前提下，使前馈电压的滞后缩短，且避免了对电网电压在同步旋转坐标系下直流信号中二次谐波的滤波，解决了LVRT 稳态控制问题，也同时提高了逆变器在正常运行时的动态响应。

仅采用上述策略一，还有一定滞后，仍会造成LVRT 初始产生过流。 为此加入上述策略二，当检测到电网电压跌落，使用电网电压瞬时值作为前馈电压。 这时可能有4 种情况：1）如故障处于PWM 前半周，对于任意相，这时如果PWM 脉冲尚未发出，则可按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲前沿，该相电压给定基本适应电网电压跌落，对电网电压跌落的响应没有滞后；2）如故障处于PWM 前半周，对于任意相，这时如果PWM 脉冲已经发出，则可在PWM 后半周按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲后沿，该相电压给定对电网电压跌落的响应滞后约半周期；3）如故障处于PWM 后半周，对于任意相，这时如果PWM 脉冲尚未发出，则可按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲后沿，该相电压给定基本适应电网电压跌落，对电网电压跌落的响应没有滞后；4）如故障处于PWM 后半周，对于任意相，这时如果PWM 脉冲已经发出，则可以在下一个PWM 前半周按瞬时值电压前馈计算的电压给定控制脉冲前沿，该相电压给定对电网电压跌落的响应滞后约半周期。

从上述4 种情况看，采用电网电压瞬时值直接前馈，其对电网电压跌落的最短响应时间为数μs，最长响应时间约半个PWM 周期，因此可以有效解决LVRT 开始瞬间的过流问题。

4.6 逆变器输出电流控制策略

为满足电网需要，提出逆变器输出电流的控制策略：在电网正常时，DSP 中的正序有功电流给定为MPPT 控制的、 或由电网调度控制的电流，由直流电压调节器给出，正序无功电流给定为0（功率因数为1）、或在逆变器样本规定的无功输出范围由电网调度控制；当电网发生电压跌落故障时，限制最大有功电流给定为额定值的80%，同时令超前无功电流给定等于100%减去有功电流给定平方后的开方值，使总输出电流维持100%额定，从而最大限度输出超前无功电流以支撑电网。

在电网正常情况下过多超前无功使得电网电压升高，特别在LVRT 结束时，如果并网的逆变器由于控制滞后仍维持数个采样周期输出超前无功，则可能导致电网过电压，并可能使逆变器输出过流和脱网。 因此，当检测到电网电压接近90%额定电网电压时，提前取消超前无功电流支撑电网功能，避免LVRT 结束时过多无功加剧电网过电压。

5 实验结果

根据本文提出的基于电网电压瞬时值前馈的LVRT 控制策略，在250 kW 光伏逆变器装置上进行了LVRT 功能实验，交流电源采用某知名品牌公司生产的800 kW 电网电源模拟装置进行测试，逆变器工作在额定功率向电网送电状态。

图4、 图5分别是电网发生单相跌落和两相跌落时的LVRT 试验波形，通道1，2 和3 分别为三相电网电压波形，通道4，5 和6 分别为逆变器三相输出电流波形（图4，图5中纵坐标1 V 对应1 A）。 从波形上可以看出，A 相电压发生跌落后，逆变器输出电流在经过短暂调整后恢复额定电流（380 A）输出，没有过流发生，实现了并网逆变器低电压安全穿越。

图4 电网电压发生单相跌落时的LVRT 试验波形Fig.4 Grid voltage single-phase LVRT test waveforms

图5 电网电压发生两相跌落时的LVRT 试验波形Fig.5 Grid voltage two phases LVRT test waveforms

6 结论

本文所提出的基于电网电压直接前馈的LVRT 控制策略，具有以下若干特点：在电网发生低电压故障时，可快速准确地判断出当前电网进入低电压故障状态；有效地抑制了电网电压跌落过程、 特别是初始和结束时逆变器输出过流，防止逆变器脱网；最大限度输出超前无功电流支撑电网；在电网电压跌落结束前，提前退出无功电流支撑电网功能，避免电网电压恢复时过多超前无功对电网电压造成过压冲击；避免了对电网电压在d-q 轴同步旋转坐标系下，电压电流信号中二次谐波的滤波产生的响应滞后问题，解决了LVRT 稳态控制问题，同时提高了逆变器在正常运行时的动态响应。 经试验证明该策略简单可行，实现了光伏并网逆变器的低电压安全穿越。

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