新能源并网逆变器的低电压穿越技术

陈亚爱， 刘劲东， 周京华， 金雍奥

(1. 北方工业大学 电力电子与电气传动工程中心，北京 100144；2. 国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北 廊坊 06500)

0 引 言

近年来，随着新能源的发展受到重视，风力发电和光伏电站等新能源发电的装机总量得到了迅速发展。大量的新能源并网给电力系统的安全、稳定运行带来严峻的挑战。在新能源大规模集中并网区域，当电网发生故障时，为保护风电系统或光伏系统的安全，若仍采取被动保护式的解列措施将会导致电网有功输入大量减少，增加整个电力系统的恢复难度，甚至加剧故障，引起其他机组解列，导致大规模停电。因此，新的风力和光伏并网接入规则均要求电站必须具备传统发电站所具有的有功和无功调节能力，以保证电网的安全和稳定运行；并要求在电网故障条件下，保持一定时间的不间断并网，以促进电力系统恢复。

风力发电系统和光伏并网系统在结构上均采用变流器装置控制，相对于双馈式风力发电结构，直驱式风力发电和光伏并网发电采用逆变器并网，即发电站与电网间被逆变器隔离。当电网故障时，不会直接影响到电机或者光伏电站，无双馈式发电机中必须考虑的电机转速和转矩等机械限制。因此，该结构在低电压穿越应用中具有优势。本文将基于并网逆变器结构，研究直驱式风力发电和光伏发电系统的低电压穿越技术。采用MATLAB/Simulink对低电压穿越方案进行仿真，验证该方案的可行性和有效性。

1 逆变器并网系统的结构

直驱式风力发电系统由永磁发电机、机侧整流器、直流母线电容、网侧逆变器、滤波器和变压器组成。永磁发电机将机械能转化为电能，整流器和逆变器将电能转化为可接入电网的三相交流电。选取适当的控制策略，提高并网电能的质量。而光伏电站是由电池板将太阳能转化为直流电，经并网逆变器转化为三相交流电。基于并网逆变器的拓扑结构如图1所示。当电网故障引起并网点电压跌落时，将针对该结构下并网逆变器进行低电压穿越控制算法设计和仿真研究[1，2]。

图1 基于并网逆变器的拓扑结构

2 并网接入的低电压穿越要求

新能源并网接入规则对低电压穿越要求为： 当电力系统发生不同类型的故障时(主要包括三相短路、两相短路和单相接地故障，故障在并网点处电压表现为三相平衡跌落或不平衡跌落)，当并网点电压跌至一定曲线区间范围时，风电或光伏电站才可以从电网切出，风电的穿越曲线要求如图2中的曲线1所示，光伏电站的要求如图2中的曲线2所示[3-4]。

图2 风力发电和光伏电站的低电压穿越能力要求

对电力系统故障期间没有切出的并网逆变器，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少10%额定功率每秒的功率变化率恢复至故障前的值。根据穿越曲线的要求，选择具有代表性的光伏电站低电压穿越进行描述，即对于总装机容量在百万千瓦级规模及以上的光伏发电站群，当电力系统发生三相短路故障引起电压跌落时，光伏发电站在低电压穿越过程中应具有以下动态无功支撑能力。

(1) 当并网点电压发生跌落时，光伏发电站应能够通过注入无功电流支撑电网电压恢复；自并网点电压跌落的时刻起，动态无功电流控制的响应时间≤75ms，持续时间应≥550ms。

(2) 光伏发电站的无功电流馈入不应使光伏发电站并网点电压高于1.1倍标称电压。

(3) 光伏发电站注入电力系统的动态无功电流IT应满足：

式中：UT——光伏发电站并网点电压标幺值；

IT——光伏发电站额定电流。

3 低电压穿越的实现

在电网电压稳定的情况下，通过逆变器控制将直流母线上的直流电能转变为高质量三相交流电，且要求电流稳定，正弦度好，谐波含量低，同时频率和功率因数需满足并网的要求。为了实现这一目标，通常采用直流侧电压外环、并网电流内环的双闭环控制方式。

当电网发生故障时，将引起并网点电压发生平衡或不平衡的跌落，由功率平衡关系可知，电压的跌落使得并网电流相应增加，超出额定值时引起过电流，危害系统的安全；对于电压不平衡跌落的情况，存在锁相信号紊乱导致锁相不准和d、q轴的电流参考值波动等一系列问题，这将导致并网电流发生畸变，影响到发电系统的不间断并网，因此必须采取相应的保护措施。

为了实现并网逆变器控制的低电压穿越，需重新设计锁相环节和引入正负序分离技术等。

3.1 锁相环设计

电网电压的不平衡跌落或频率变化会引起锁相角度偏差或锁相信号的正弦度差等问题，锁相信号的质量直接影响到并网电流的波形输出质量[5]。因此，可采用电网电压正序分量锁相的方式，解决电网不对称故障时的锁相问题。根据对称分量法，可将不平衡的三相电压分解成平衡的正序分量和负序分量，取正序分量作为过零锁相的输入信号，从而得到不平衡时电网电压正序分量的精确相角。

3.2 正负序分离技术

为实现抑制并网电流中的负序分量和获得正确的锁相信号，控制中需要从不平衡的电网电压中提出正序分量。因不平衡的三相电压可经坐标变换后得到旋转坐标系下的d、q轴分量，变换后的表达式可表示为[2，6，7]

(1)

由式(1)可见，网侧电压的d、q轴分量均包含直流分量和二倍频分量，可采用二倍频陷波器的提取方式滤除等式右侧的负序二倍频分量，以获取正序分量；同样的方式适用于负序分量的提取。基于二倍频陷波器的正序提取方法如图3所示。

图3 基于二倍频陷波器的正序提取方法

3.3 低电压穿越控制策略

(1) 控制原理。

低电压穿越过程中，为了有效地保证并网电流的稳定，实现三相平衡，可采用抑制负序电流的控制策略。该控制算法通过控制交流侧负序电流

分量为0，使得交流侧只含有正序电流分量而维持三相平衡，控制框图如图4所示。

图4中，电流内环的d、q电流参考值计算表达为

(2)

式中：P0、Q0——逆变器并网输出的有功功率和无功功率的平均值。

有功功率参考值与直流侧电压电流有关，即电压外环可采用图5所示的外环给定方式。在低电压穿越期间，为保护并网逆变器件的安全，须对并网电流的幅值作限定。当达到限幅值以后，逆变器输出的功率将减小，为维持功率的平衡，可适当增加直流母线电压参考值以直流侧的输入功率。当并网逆变器的前一级为光伏电池板时，直流母线电压的上升将会引起阵列输出功率不会运行在最大功率点，因此可切除MPPT算法部分。当逆变器前一级为永磁发电系统时，考虑背靠背结构的配合控制，采用该控制策略并网逆变器输出功率将减小，因此，因适当修正机侧整流器的控制以减小永磁发电机的功率输出，从而实现直流母线能量平衡。

图4 基于并网逆变器控制的低电压穿越控制原理图

图5 无功支撑曲线

基于并网逆变器的控制策略研究低电压穿越控制算法，不涉及永磁电机的控制，因此选取更为直观的光伏发电系统作为研究对象。根据光伏电池输出的功率电压特性曲线，表1列出了一组针对不同并网点电压跌落条件下的直流母线电压的给定值[7]。当电压跌落时，参考这组参数实时更新外环的给定值，可有效地提升系统的动态性能，快速维持功率的平衡。相对于风电系统，光伏阵列直流母线电压上升，在达到开路电压后，光伏阵列的输出功率为0，此时直流母线电压不会继续增大。

表1 直流侧电压给定值与并网点电压跌落的关系图表

因此不会引起过电压的问题，这一特性也是光伏低电压穿越的优势所在。

因电压外环调节的动态响应较慢，调节过程中可能会出现过电流，因此可采取d轴电流直接限幅保护，实时调节光伏阵列的功率输出。假定向网侧注入一定量的无功，则有功电流给定的最大值不能超过限定值imax，其值应满足

(3)

(2) 无功支撑。

新的并网接入规则规定低电压穿越期间必须具备动态的无功支撑能力，且无功电流支撑与电网电压跌落的幅度有关，如图5所示。因此可通过判定电压跌落的幅度，调节无功功率Q/iq的给定，实时调节并网逆变器向电网注入的无功电流值。调节过程中在满足无功支撑的前提下，通过减小有功输出以确保输出总电流必须满足限幅式(3)的要求。

(3) 有功恢复。

当电网故障排除，电网电压恢复至0.9pu时，此时通过调节d轴电流的给定值，以实现有功功率的恢复。且d轴电流给定值的恢复速度为至少10%pu/s的速度恢复到故障前的值。

4 仿真试验

针对500kW并网逆变器进行了仿真研究。参数如下： 直流母线侧额定输出功率500kW，光伏阵列开路电压720V，直流母线电容6600F，滤波电感0.17mH，网侧额定电流1500A，允许最大流过电流1650A。

在MATLAB环境下搭建了系统仿真模型，并分别对并网点电压平衡和不平衡跌落的情况进行了仿真研究。仿真试验中用受控电压源替代电网，受控电压源的优点是可模拟三相电压的幅值、相位、相角的变化和切换时间调节。

4.1 并网点电压平衡跌落的仿真

当电网发生三相电压平衡跌落(电压三相跌落至20%pu)时，如图6(a)所示。采用上述控制算法，在故障发生时刻，并网电流存在短暂的上升，被限定在设定值(1650A)以内(如图6(b)所示)；直流母线电压上升以维持功率的平衡(如图6(c)所示)；对于深度电压跌落至20%pu的情况，甚至可采取控制有功为零，全无功输出的方式，如图6(d)所示。

图6 电压对称跌落时的并网波形(abc三相跌落20%pu)

4.2 并网点电压不平衡跌落的仿真

电网电压发生不平衡跌落，可分为单相、两相和三相不平衡情况。对于电压跌落幅度较小的单相故障，如图7(a)所示。根据正序d轴检测判定方式检测到额定电压>90%pu，此时无需无功支撑。仿真结果分别如图7(b)、图7(c)、图7(d)所示，此时并网电流略微上升，但在限定值以内。另外，直流母线电压基本维持恒定，功率保持平衡，符合理论分析结果。

图7 单相电压跌落(a相85%pu)时的输出波形

当并网点电压不平衡跌落较深时，需要输出无功，如图8、图9所示。其中，图8为单相电压跌落 (a相跌落至50%pu)；图9为两相电压跌落(a相50%，b相80%，c相100%)。此时，保持原有的有功输出将导致网侧电流过流，需要采取限制措施，限定后的电流波形如图8(b)、图9(b)所示，维持在限定值(1650A)以内，同时直流母线电压上升，使得输出有功功率减少，保证无功功率的输出。如图8(c)、图8(d)、图9(c)、图9(d)所示，因母线电压出现的二倍频波动幅值较小，较之于对于600V的母线额定条件可忽略，因此该条件下也满足并网规定的要求。

图8 单相电压跌落(a相50%pu)时的输出波形

图9 两相电压跌落(a相50%，b相80%，c相100%)时的输出波形

采取抑制负序电流的控制措施对于并网点电压三相不平衡跌落，依旧能保持较好的控制效果，如图10所示(a相10%，b相50%，c相70%)。并网电流(图10(b))、直流母线电压幅值(图10(c))以及无功支撑、有功输出(图10(d))均满足并网要求。

图10 三相电压不平衡跌落(a相10%，b相50%，c相70%)时的输出波形

仿真结果表明： 对于并网点电压的跌落情况，在并网规定曲线1以上时，该方案均能有效地控制并网电流并提供无功支撑。

5 结 语

在故障发生时刻，采用切换的方式，将直流母线电压参考值由MPPT算法得到或者前级整流得到切换为参照表1直接给定，以保证逆变器输入输出的功率平衡。按新的逆变器并网接入规定要求，采用抑制负序电流的控制策略，保护系统在安全的前提下保持不间断并网，同时维持三相电流平衡，减小并网电流的THD。有效地控制基波正序分量有功功率输出的稳定，并按照规定要求，发出无功以支撑电网至恢复，同时留有一定的余量提供故障期间的有功功率输出。采用该控制方式，使得并网逆变器具有低电压穿越能力，能适应极端条件下的电网电压故障时不间断并网，从而满足并网接入规定。在从理论上对低电压穿越实现的可行性做出分析的基础上，提出了相应的控制策略。仿真试验验证了该控制方案的可行性，对直驱式永磁同步发电和光伏发电的低电压穿越的工程实现有参考意义。

【参考文献】

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