电网电压不平衡时光伏并网逆变器低电压穿越技术

王京保，李 辉，张 娟

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司四电设计院，北京 102600；2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；3.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176）

电网电压不平衡时光伏并网逆变器低电压穿越技术

王京保1，李 辉2，张 娟3

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司四电设计院，北京 102600；2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051；3.北京云电英纳超导电缆有限公司，北京 100176）

为提高光伏逆变器所并电网的运行稳定性，研究了电网电压不平衡时光伏逆变器的运行特性以及提高其低电压穿越运行能力，采用了在正、负序同步坐标变换下，电网正、负序电压分别定向的矢量控制策略。考虑滤波电感上的瞬时功率不为零，需按照桥臂侧瞬时功率计算来消除有功功率传输中的波动分量，以稳定直流母线电压；考虑逆变器电流安全限值等问题，给出额定功率运行时电网电压不平衡的低电压穿越控制方案。在Mat⁃lab/Simulink中建立了光伏并网发电系统仿真模型，系统仿真结果表明，所提出的控制方案无需增加硬件保护装置，在电网电压不平衡时可实现光伏并网逆变器的低电压穿越运行。

光伏并网逆变器；电网电压不平衡；正、负序电流；瞬时功率；低电压穿越

随着光伏发电在电力能源中所占比重的增加，其对电网的影响日趋显著。提高光伏系统对电网故障响应能力，成为光伏发电技术发展的迫切需要。为适应新的电网导则对光伏发电系统低电压穿越LVRT（low voltage ride-through）能力的要求[1]，国内外学者已经开始关注光伏发电系统的LVRT控制。

在电网电压不平衡情况下，以电压外环和电流内环的双闭环控制为基础的光伏逆变器就会呈现不正常运行状态，并可能导致严重的后果[2-4]。一方面逆变器交流侧电流中存在大量3、5、7等奇次谐波，污染电网，降低电能质量，影响其他用电设备的运行，逆变器输出电流增大，可能导致逆变器过流保护而停机脱网；另一方面逆变器输出功率含有2倍工频波动，导致逆变器直流侧产生2、4、6等偶次非特征谐波，该电压波动会影响逆变器的正常工作。

文献[5-6]中提出了采用正、负序两套同步旋转坐标系的独立电流跟踪控制方案，正、负序电流在正、负序同步旋转坐标系中均表现为直流量，采用PI调节器可以实现对正、负序电流的无静差跟踪控制，提出的双电流内环控制方法可以很好地改善输出直流电压波形；文献[7-10]指出，滤波电感上的瞬时功率不为0，使得网侧瞬时有功功率和桥臂侧瞬时有功功率并不相等，若按照网侧瞬时功率计算则会出现偏差，使得抑制效果不明显，因此需按照桥臂侧瞬时功率计算。

本文在文献[5-10]的基础上，提出了基于桥臂侧瞬时功率计算，以光伏并网逆变器直流侧瞬时功率平衡为目的的不平衡电流控制算法，消除了电网电压不平衡时逆变器直流电压中的2次谐波。另外，引入了结构完全对称的正、负序双电流内环控制，以实现对正、负序电流的独立控制。

1 光伏并网发电系统基本结构

光伏并网发电系统结构如图1所示，采用单级式拓扑，逆变器采用三相桥式无中线电压型PWM（pulse width modulation）逆变器。

图1 单级式光伏并网发电系统结构Fig.1 Structrue of single-stage grid-connected PV systems

2 传统的双闭环控制策略

两相同步旋转坐标系下基于PI调节器的电压电流双闭环控制方式目前应用最为广泛，其结构如图2所示。电压外环输出作为内环有功电流指令值，电流内环控制并网电流[11]。

图2 逆变器双闭环控制结构Fig.2 Double closed-loop control structure of inverter

图2中：id*、iq*为dq坐标系下的电流给定值；id、iq为dq坐标系下的电流实际值；ed、eq分别为电网电压E在dq轴上的分量；ud、uq分别为电网电压在dq轴上的分量；Vdc*、Vdc分别为逆变器直流侧电压指令值和实际值。

3 不对称电压下的控制策略

电网电压不平衡时，并网有功功率中含有2倍工频的波动分量，该功率波动会在直流侧母线上产生2倍工频的波动。直流电压的波动，将会增加电容的充放电次数，减少电容使用寿命，严重影响逆变器的正常工作，电压波动比较大时导致系统不稳定[12]。当对逆变器直流电压控制性能要求较高时，必须对该谐波电压进行抑制。当前控制目标为电网电压跌落和恢复时光伏变流器不会因过流保护而停机脱网，并消除直流母线电压2倍工频纹波。

3.1 不对称电压下逆变器交流侧瞬时功率计算

电网电压不平衡时网侧瞬时有功功率P和无功功率Q表达式分别为

式中：P0、Q0为有功、无功功率平均值；Pc2、Ps2为二次有功余弦、正弦项谐波峰值；Qc2、Qs2为二次无功余弦、正弦项谐波峰值；edP、eqP、edN、eqN为电网电动势矢量在正、负序坐标系dq轴上的投影，idP、iqP、idN、iqN为电网电流矢量在正、负序坐标系dq轴上的投影。

平均有功功率指令P0*由电压外环计算得出，即

式中：kvp、kvi为电压外环的PI参数。

本文采用在正、负序同步旋转坐标系中电网正、负序电压分别定向的矢量控制策略[13]，即在正序同步旋转坐标系中，将dP轴定向于正序电压合成矢量方向；在负序同步旋转坐标系中，将dN轴定向于负序电压合成矢量方向；则可将正、负序分量分开并进行独立控制，简化控制和计算。

3.2 抑制并网功率2次谐波的控制策略

抑制直流侧电压中的2次脉动关键在于消除瞬时有功功率脉动。令Pc2=0，Ps2=0；同时为实现单位功率因数控制，令网侧无功功率平均值为0，即Q0=0。由此得到网侧功率与电流给定的关系为

3.3 抑制桥臂侧功率二次谐波的控制策略

文献[7-10]指出滤波电感上的瞬时功率不为0，网侧和桥臂侧功率不相等。因此在抑制直流侧电压中的2次谐波时，需要按照桥臂侧瞬时功率计算。这时计算电流指令需满足的条件如下：

（1）控制网侧有功功率平均值P0；

（2）控制网侧无功功率平均值Q0，实现单位功率因数；

式中：udP、uqP、udN、uqN分别为桥臂侧的输出电压矢量在正、负序坐标系dq轴上的投影。

式中：kP、ki为电流内环的PI参数。

根据以上各式，得到光伏并网逆变器在电网电压不平衡时抑制直流电压2次谐波的双电流内环控制框图，如图3所示。

由图3可知，电网电压不平衡时抑制直流电压2次谐波的LVRT控制策略可简单概括为：逆变器外环采用中间直流电压控制，内环采用正、负序双电流环控制的闭环控制策略。直流电压外环PI调节器输出作为逆变器输出平均有功功率参考值。并网电流的正、负序分量分别经过正、反向同步旋转坐标系旋转转化为直流量，经过PI调节器，对正、负序参考电流分别进行有效跟踪[14-15]。为防止变流器过流保护而停机脱网，须对变流器输出电流进行限制，而正负序电流的限制可以通过设置合适的网侧平均有功功率参考值来统一实现[16]。为此，引入电网电压前馈控制环节，根据电网电压跌落深度U成比例地降低馈入电网的平均有功功率参考值，设定合适的网侧平均有功功率系数k，令k=f(U)，则修正后的馈入电网的平均有功功率指令为

按照修正后的网侧平均有功功率参考值进行控制，变流器输出的任何一相电流不会超出电流安全限值，从而保证其安全稳定运行，实现低电压穿越。

图3 电网电压不平衡时逆变器桥臂侧瞬时功率控制结构Fig.3 Control structure of the instantaneous power in the bridge arm side under unbalanced grid voltage conditions

4 仿真分析

在Matlab/Simulink中建立了图1中容量为220kW的光伏并网发电系统仿真模型。PV模拟电源参数：开路电压735.6 V，短路电流461.44 A，最大功率点电压578.4 V，最大功率点电流381.21 A。逆变器主要参数见表1。光伏逆变器直流侧连接PV模拟电源，直流电压给定采用恒压法，调制方法为空间矢量脉宽调制SVPWM（space vector pulse width modulation）。

表1 逆变器参数Tab.1 Parameters of inverter

限于篇幅，本文只对单相接地故障进行仿真分析。仿真条件为0.6 s时并网点发生A相电压跌落，电压跌落80%，0.7 s时故障解除。发生故障前系统运行于额定功率下，最大电流限幅为1.2 p.u.。作为对比，本文分别给出了逆变器采用传统控制策略、抑制网侧有功2倍频波动策略和抑制桥臂侧有功2倍频波动策略的仿真结果，如图4～图6所示。

从图4可知，电网电压不平衡下光伏并网逆变器若采用传统的双闭环稳态控制方法，逆变器输出的有功功率、无功功率中出现明显的2倍频波动，直流侧电压波动为60 V左右，网侧电流含有负序分量引发电流不平衡，A相电压跌落时，逆变器输出电流瞬间增大，且跌落相电流幅值超过最大电流限幅1.2 p.u.，导致逆变器过流保护、停机脱网。

由图5可知，采用抑制网侧有功2倍频波动的低电压穿越控制策略后，电网电压不平衡时发电系统输出有功功率稳定在115 kW，基本消除了网侧瞬时有功2倍频脉动，滤波电感上的瞬时功率PL不为0，呈2倍频波动，导致桥臂侧瞬时有功功率是脉动的，从而不能有效抑制直流侧电压中的2次脉动，直流侧电压波动为25 V，较采用传统控制策略时电压波动的幅值有所下降，但抑制效果不明显。

图4 电网电压不平衡时采用传统控制策略的仿真结果Fig.4 Simulation results with conventional control strategy under unbalanced grid voltage conditions

图6可知，采用抑制桥臂侧有功2倍频波动的低电压穿越控制策略后，电网电压不平衡时发电系统输出有功功率稳定在140 kW，基本消除了桥臂侧有功2倍频脉动，直流侧电压中的2次谐波明显得到了抑制。

图5 电网电压不平衡时抑制网侧有功波动的仿真结果Fig.5 Simulation results with restrained active power oscillations of the grid side under unbalanced grid voltage conditions

图6 电网电压不平衡时抑制桥臂侧有功波动的仿真结果Fig.6 Simulation results with restrained active power oscillations in the bridge arm side under unbalanced grid voltage conditions

5 结语

本文对光伏并网逆变器在电网电压不平衡时的运行状况进行了研究，提出了一种根据桥臂侧瞬时有功功率和无功给定计算以抑制直流侧电压2倍频波动为目标的的参考电流算法，并采用结构完全对称的正、负序双电流内环控制策略。仿真结果表明，本文所提出的参考电流算法和控制策略无需增加额外硬件保护装置，只需改变光伏并网逆变器的控制策略，即可有效抑制电网电压不平衡引起的直流母线电压和有功功率的脉动，实现光伏并网逆变器的稳定运行，为电网电压不平衡时光伏并网逆变器的低电压穿越提供一种解决思路。

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Research on Low-voltage Ride-through of Grid-connected Photovoltaic Inverter Under Unbalanced Grid Voltage Conditions

WANG Jingbao1，LI Hui2，ZHANG Juan3
（1.Communications，Signaling，Electrification and Electric Power Branch，China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd，Beijing 102600，China；2.Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300051，China；3.Beijing Innopower Superconductor Cable Co.，Ltd，Beijing 100176，China）

To improve the stability of power grid with photovoltaic（PV）inverter，the operational characteristics of PV in⁃verter and how to improve the ability of low-voltage ride-through（LVRT）under unbalanced grid voltage conditions are studied.This paper adopts two vector-oriented control strategies，which respectively orientate positive-sequence and negative-sequence voltages under positive-sequence and negative-sequence synchronous coordinate transforms.Consid⁃ering that the instantaneous power of the filter inductor is not zero，the calculation of instantaneous power in the bridge arm side is adopted to eliminate the fluctuating component in the active power transmission，thus the DC bus voltage can be stabilized.Considering the inverter current safety limit，the LVRT control scheme under unbalanced grid voltage conditions is given when the inverter is operating in rated power.A simulation model of grid-connected PV systems is built in Matlab/Simulink，and the simulation results show that hardware protection apparatus is not necessary and the proposed LVRT operation can be realized under unbalanced grid voltage conditions.

grid-connected photovoltaic（PV）inverter；unbalanced grid voltage；positive and negative current；instan⁃taneous power；low-voltage ride-through（LVRT）

TM 464

A

1003-8930（2016）11-0111-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.11.019

2013-05-24；

2016-03-24

王京保（1987—），男，硕士，助理工程师，研究方向为电力电子与电力传动、铁路电气化。Email：wjbwbq@126.com

李 辉（1987—），男，硕士，工程师，研究方向为工厂供配电设计和道路照明设计。Email：lihui7c@126.com

张 娟（1987—），女，硕士，工程师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、新能源技术及应用。Email：zhangjua⁃nok@126.com