光伏并网逆变器两级系统低电压穿越控制研究

作者/陈建明 ，中山市技师学院



光伏并网逆变器两级系统低电压穿越控制研究

作者/陈建明 ，中山市技师学院

文章摘要：当针对常规并网逆变器电路结构，提出了MW级光伏并网逆变器两级系统拓扑方式，并建立其低电压穿越仿真模型。在低电压穿越过程中为解决电压跌落过程逆变母线电压过高而导致系统保护无法穿越问题引入了逆变母线过压保护环，该控制环有效解决了电压跌落造成的两级系统逆变母线过压问题。仿真和实验结果验证了该控制策略的可行性 。

关键词：MW级光伏；逆变器；两级系统；低电压穿越；过压保护环

1.引言

近年来，随着光伏电站数量和容量的不断增加 ，对电网系统安全稳定运行 产生的威胁逐渐增大。当电网发生电压跌落时，光伏电站的突然脱网会进一 步恶化电网运行状态，在此期间引起的功率缺额可能导致相邻的电站跳闸。从而 引起更大面积的停电，LVRT能力也被认为是光伏并网设备设计制造控制技术上的最大挑战之一，直接关系到光伏发电的大规模应用。因此，对保障光伏电站 接入后电网的安全稳定运行而言，研究LVRT技术十分必要。

《光伏电站接入电网技术规定》指出大中型光伏电站应具备一定的LVRT能力。说明现阶段中国对光伏电站的LVR能力的重视。

目前常规MW级光伏并网逆变器一般采用两台单级系统逆变器并联的方式实现，一方面由于在常规并网电压270V/315V并网条件下，输出MW级功率电流达2千多安培，常规的IGBT模块很难达到要求，受功率器件的限制很难实现单机MW级逆变器；另一方面提高并网电压，使并网输出电流大大减小，此时由于并网电压高，则要求输入侧的直流电压高才能满足并网条件，而逆变器为了最大限度的发电，需在较低电压时亦能并网发电。基于上述两个方面，本文采取了两级系统逆变方案。

方案中首先将低电压的直流电压通过BOOST电路升压到960V，使逆变母线电压稳定在960V，后级采用常规的三相全桥逆变方式，620V并网输出。方案既把并网电流减小将近一半，使IGBT功率器件满足要求，同时由于逆变母线电压经前级升压后高达960V使逆变器在低电压情况下也满足并网要求，解决了上述提到的两大问题。

图1　MW级光伏并网逆变器电路原理图

图2　Matlab／Simulink仿真原理图

2.MW级光伏并网逆变器两级系统拓扑图

如图1所示，直流侧分两路进入前级系统，先经过前级BOOST升压电路，使较低的直流电压升压至960V，通过后级逆变系统使母线电压持续稳定在960V，再通过后级三相全桥逆变电路，经LC滤波后620V交流电压并网。

3.系统Matlab／Simulin仿真及控制策略

方案在Matlab／Simulink仿真原理图如图2所示，仿真系统包含PV模拟电源、前级BOOST升压电路、后级全桥逆变电路、LC滤波回路及交流电网。

系统整体控制框图如图3所示：

电压跌落过程中，由于能量在母线电容上堆积导致逆变母线电压迅速上升，在母线电压超过限压保护环阀值后调用限压保护环PI，使母线电压稳定在一定的范围内不出现过压情况，PI_Portect限压PI环在母线电压超过1000V（正常并网稳定在960V）之后调用此PI环以减小占空比，防止母线过压的出现。

图3　系统控制框图

当系统检测到电压跌落后，此时使电压环的指令值与实际值相同，即误差e始终为0，维持Idref电流指令值不变，电压环处于“切断”的状态，同样前级的升压环也是采取同样的处理方案，指令值与实际值相等，占空比由积分累加构成，升压环处于“切断”状态。

方案在Matlab／Simulink中的仿真结果如图4所示：

图4　电压跌落过程中逆变母线电压变化情况

由图4可见，在电网电压跌落后逆变母线电压因能量堆积迅速上升，由于母线电容充放电的作用电压在不停的波动以解耦前后级系统，但一直都维持在一定的范围而不会出现过压情况。仿真的结果验证了该控制策略的可行性。

4.实验验证

本文采用某公司研发的单机1MW光伏并网逆变器在国家电网电力科学研究院太阳能研发实现中心进行的低电压穿越实验来验证策略的可行性。

在重载860KW并网情况下，三相电压对称跌落至20%时的电压波形、直流电压波形及并网电流波形如下图5所示。由图5可见，当网侧发生跌落时逆变母线电压瞬间上升到一定的值，由于系统采取了过压限功率控制策略，逆变母线电压稳定在一定的阀值上，逆变器能正常并网输出，且电流波形畸变小，顺利穿越低电压过程。逆变母线电压的变化情况与图4仿真的情况一样。

图5　三相电网电压对称跌

5.结束

本文的控制策略于2013年4月17在国家电网电力科学研究院太阳能实验研发中心得到验证。1MW逆变器电路拓扑与常规拓扑方式不同，技术难度更大，要求更高。因此，该测试的通过充分展示了本文所提方案的可行性。

综上，对于两级控制系统中低电压穿越过程中引起的母线电压过压问题进行了分析和说明，同时得到了仿真和实验的验证，为解决光伏低电压穿越问题提供了新的思路。

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