三相光伏低电压穿越的正负序分离优化控制

巩兆伟

(西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710021)

三相光伏低电压穿越的正负序分离优化控制

巩兆伟

(西安工业大学 电子信息工程学院,西安 710021)

为提高光伏并网发电系统的低电压穿越能力，基于光伏并网系统拓扑结构建立了光伏并网系统数学模型.采用瞬时对称分量法将不对称故障转化成对称故障，确定出电压跌落深度和正序电流参考值.通过对不对称故障和对称故障情况下的各电气量进行比较分析，建立了低电压穿越的正负序分离优化控制.结果表明:该控制策略在电网发生不对称故障时，并网逆变器的输出无功功率随着电网电压跌落深度增加而增大，有利于恢复并网点电压.

低电压穿越；正负序分离；光伏并网；无功功率

太阳能作为新型绿色能源，其发电市场发展迅猛，光伏并网技术已成为研究的焦点[1].在电网发生电压跌落时，若光伏电站脱网运行将加剧系统故障，甚至引起大规模停电事故[2].因此，光伏的低电压穿越能力成为衡量并网逆变器的一项重要的指标.国内外专家从不同角度出发，提出各种措施以提高光伏低电压穿越能力.文献[3-4]提出基于无功补偿设备的低电压穿越解决方案：当电网侧发生瞬时故障时，光伏发电系统本身不提供瞬间的电压支撑，而是使用容性动态无功补偿装置来实现这一要求，但是在工程中需要增加无功补偿设备.文献[5-6]提出电压定向矢量控制，在电网发生电压跌落故障期间，利用卸荷电路实现直流侧电压的稳定，同时补偿一定的无功功率，但会造成效率降低.目前多数研究主要集中在对称性故障的分析， 而电力系统中不对称电压故障最为常见，约占电力系统所有电压故障的90%左右，然有关研究少有报道.针对电力系统中该类故障，文中建立光伏并网系统基于正负序分离的低电压穿越优化控制策略，以期实现光伏并网低电压穿越优化控制.

1 光伏并网系统数学模型的建立

文中的三相光伏并网系统的拓扑结构包括光伏板、三相并网逆变器、L滤波器和控制系统组成，如图1所示.其中，PV是光伏阵列；Udc是直流母线电压；Uabc、Ua、Ub、Uc是逆变器输出电压；iabc、ia、ib、ic是并网电流；eabc、ea、eb、ec是电网电压；L是滤波电感；R是逆变器输出阻抗;a、b、c为三相交流电相序.

图1 三相光伏并网系统的拓扑结构

由图1所示的拓扑，建立系统数学模型为

(1)

式中：ex、Ux、ix分别为电网电压、逆变器输出电压和电流；t为开关动作时间；x=a,b,c.

在电网发生不对称短路故障时，通过瞬时对称分量法可将不对称电网电压变换成三相对称的正序分量、负序分量和零序分量.将式(1)经三相静止坐标到两相同步旋转坐标变换，并进行正负序分离可得

(2)

电流d轴分量和q轴分量存在耦合，若忽略电路内阻R，电流内环采用比例-积分-微分控制(Proportional Integral Differential，PID)调节，采用前馈解耦控制实现解耦，可得

(3)

2 低电压穿越的控制策略

当电网电压发生故障时，所需的正序无功电流给定值为

(4)

式中：IN为电网的额定电流;UN为电网额定电压；ΔU为电网电压跌落深度.

(5)

图2 系统整体控制框图

3 仿真分析

采用仿真软件Psim建立2.5kW的光伏并网发电系统，具体仿真参数见表1.

光伏阵列由两组14块串联电池并联而成，光伏阵列的参数为短路电流17.16A，最大功率电流15.88A，为了减少谐波对输出电压的影响，引入滤波器并根据阻尼系数、转折角频率对滤波输出进行调节.

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

系统在0.2s时发生电压跌落故障，在0.4s时清除电网故障.采取正负序分离的低电压穿越优化控制，其电网电压、电网电流和功率输出的波形如图3～4所示，其中图3为三相对称短路故障模拟仿真，图4为单相不对称短路故障模拟仿真.

通过图3可得，并网系统在0.2～0.4s发生三相对称短路故障，电网电压的跌路深度70%，正序有功电流的大小为2.0A，正序无功电流值为7.5A，使其控制在1.1倍的额定电流之内，有功电流减小以满足无功电流的增大.同时并网电流在故障期间，负序电流分量得到了很好地抑制，并网电流正弦度良好.

图3 三相对称短路故障模拟仿真

图4 单相不对称短路故障模拟仿真

4 结 论

文中在电网发生不对称故障时，采用瞬时对称分量法将不对称故障转化成对称故障进行控制，建立了基于正负序分离的低电压穿越优化控制策略，得到结论为

1) 该控制策略可快速检测电网电压跌落深度和准确计算正序电流的参考值；有效抑制了负序电流，保证了并网电流的质量.

2) 该控制策略在不同的电压跌落深度下可快速地抑制光伏逆变器输出的电流增大，保持逆变器并网运行.在电网电压跌落70%时，正序无功电流值为7.5A，保证了并网电流不超过1.1倍的额定电流.

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(责任编辑、校对 张 超)

第36卷 卷终

Vol.36 The End

Optimal Control of Positive and Negative Sequence Separation for Three Phase Photovoltaic Low Voltage Ride Through Capability

GONGZhaowei

(School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In order to improve low voltage ride through capability of grid connected photovoltaic power generation system,the topology structure of the grid connected photovoltaic system is established based on the mathematical model of PV grid connected system.The instantaneous symmetrical component method turns asymmetric fault into symmetrical fault,and determines the voltage drop depth and positive sequence current reference value.Through the electrical parameters of comparative analysis of the asymmetric and symmetric fault,the optimal control strategy of positive sequence and negative sequence separation of low voltage ride is gotten.The results show:While the grid appears asymmetric voltage fault,the control strategy leads the output power increase with the increase of grid voltage drop depths,which is conducive to restore the voltage of grid connection.

voltage ride through capability;positive and negative sequence separation;photovoltaic grid connection;low reactive power

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.012

2016-10-13

陕西省自然科学基础研究计划(2014JM2-6093)

巩兆伟(1987-)，男，西安工业大学助教，主要研究方向为新能源发电.E-mail:gzw0725@foxmail.com.

TM464

A

1673-9965(2016)12-1013-05