基于改进型电网电压前馈的光伏电站低电压穿越控制策略

顾浩瀚，蔡 旭，李 征

（上海交通大学 风力发电研究中心，上海 200240）

0 引言

传统化石能源的日益枯竭及其造成的环境污染使得新能源发电成为近几年的研究热点。无论是光伏发电还是风力发电，由于其本身的间歇性、不确定性等特点，可能会对电网安全稳定运行造成影响，并且影响的程度会随着其并网规模的增大而加深。因此，电网对大中型光伏电站的低电压耐受能力提出了要求，要求其具备一定的低电压穿越（LVRT）能力，避免在电网电压跌落时脱离，从而造成不良影响。

目前，关于光伏电站LVRT控制策略的研究主要分为2类。第一类是采用电流限幅措施，使电网电压跌落期间光伏电站的并网电流不过流。这种限幅通常是通过设定LVRT期间有功和无功电流的参考值来实现，文献［1-3］即采用此种方法；或者单纯依靠逆变器的输出限幅作用，对逆变器的过流抑制和耐受能力进行不断改进优化，这是目前光伏工程中常采用的LVRT控制策略，如文献［4］采用模仿风机Crowbar电路［5-6］的方法来限制直流母线电压在穿越期间增大的幅度，而逆变器输出电流则依靠其本身的限幅作用。设定有功、无功电流的参考值对于瞬态过电流的抑制效果不佳，并且由于功率平衡的原则，有功电流的限制有一定范围，不一定能完全跟踪给定的参考指令；而利用逆变器本身的限幅作用或者加装其他限幅环节则可能造成过多的软硬件资源投入，导致成本显著提升。第二类是采用电压前馈的控制策略。文献［7］提出一种电压不平衡条件下的快速软件锁相技术，但其采用的前馈策略是直接将电网电压前馈到内环电流调节器之后，与正常状态下的系统前馈解耦控制方法相近，并且电压跌落深度仅设定为20%，其实际效果及可靠性有待进一步研究；文献［8］采用的前馈策略是在电压前馈回路中加入比例环节，电网的扰动对电流的影响仍比较明显，包括会在LVRT期间产生谐波等；文献［9］将电网电压扰动通过传递函数反馈到母线电压调节器的输出上，更好地抑制了母线电压的升高，但其未将关注点放在并网电流上。

除此之外，文献［10］提出的基于超级电容储能的方案硬件投入比较大，工程实现也有难度；文献［11］采用的基于模型电流预测的方案主要关注的是穿越期间光伏电站对并网点电压的支撑，对于电流问题仍然依靠逆变器的输出限幅作用。

文献［12-14］针对LCL型并网逆变器的控制问题提出了一种全电压前馈的方案，其能有效抑制电网电压变化可能会对并网电流造成的不良影响。应用这种思想，本文提出一种基于改进型电网电压前馈的三相并网光伏发电系统LVRT控制策略，该方案能有效改善穿越期间的过电流问题，同时抑制电网谐波对并网电流的影响，保证电流的波形质量，并且不影响光伏电站对电网进行无功支撑。此方案只需在控制算法上进行相应改进，不需要增加额外的硬件设备，对传统限幅策略和电压前馈策略实现了优化，且易于工程实施，对逆变器本身的过流抑制与耐受性能未提出额外的要求。

1 光伏电站LVRT技术标准

关于大中型光伏电站的LVRT能力的要求，国家电网公司出台的《光伏电站接入电网技术规定》中有明确的阐释，其曲线如图1所示。图中，光伏电站并网点电压为标幺值。

图1 大中型光伏电站低电压穿越能力要求Fig.1 Required LVRT capability of large-or mid-sized PV station

LVRT具体要求为：光伏电站并网点电压全部在图1轮廓线及其以上的区域内时，光伏电站应能保持不间断并网运行，否则可以从电网切出；并网点电压跌落至标称电压的20%时，光伏电站能保持不间断并网运行1 s；并网点电压在发生跌落后3 s内能恢复到标称值的90%时，光伏电站应能保持不间断并网运行。

2 改进型电网电压前馈控制策略

采用电网电压前馈控制能补偿电网电压变化对系统可能造成的影响，但是在电网电压出现大幅度跌落时采用传统的直接前馈方式不能较好地抑制过电流冲击以及电流谐波，所以需要针对具体系统的数学模型来分析电压前馈的改进方法。本节从并网光伏发电系统的结构出发，推导出系统的数学模型，并给出改进型前馈控制策略的控制框图以及前馈项的传递函数。

2.1 三相并网光伏发电系统的数学模型

三相并网光伏发电系统的结构有很多种，本文采用较常见的一种，其具体结构如图2所示。

图2 三相并网光伏发电系统结构Fig.2 Configuration of grid-connected three-phase PV power generation system

由图2可知，系统采用的是两级式隔离型结构，光伏阵列输出的直流先经过Boost升压变换器再进入第二级逆变器转化为交流，最后通过LC滤波环节和变压器并入电网。Boost电路实现升高电压和MPPT的功能，逆变器则实现并网电流的控制。

下面分析推导这种结构下光伏发电系统的数学模型，由于本文研究集中在并网逆变器上，所以给出如图3所示的并网逆变器主电路。

图3 并网逆变器主电路Fig.3 Main circuit of grid-connected inverter

由图3可知，并网逆变器采用三相两电平拓扑结构，其简化了变压器部分，并用电阻R表征并网线路的阻抗。

首先，推导abc三相静止坐标系下光伏发电系统的数学模型，其应用基尔霍夫电压电流定律，并将电感电容等元件用s域中的形式表达，可得如下3个方程组：

其中，uinva、uinvb、uinvc为逆变器桥臂中点电压；uCa、uCb、uCc为滤波电容电压；uga、ugb、ugc为三相电网（逆变器并网点）电压；iinva、iinvb、iinvc为逆变器输出的三相电流；iga、igb、igc为输入电网电流；L和C分别为逆变器输出滤波环节的电感和电容值。上述所有的电压和电流量均为瞬时值。

一般地，在abc静止坐标系下研究三相并网系统的控制是不太方便的，通常需要在dq旋转坐标系下展开讨论。将旋转坐标系的d轴按电网电压矢量定向，且d轴滞后q轴90°，则得到2个坐标系之间的转换关系如式（4）所示。

其中，X代指电压或者电流量；θ＝ωt为d轴与a轴之间的夹角；ω为d轴旋转的角速度，即三相电网电压矢量旋转的角速度。根据式（4）对方程组（1）—（3）进行变换得到dq坐标系下的三相并网光伏发电系统数学模型如下：

对方程组（5）—（7）进行化简，得到光伏发电系统最终的数学模型如下：

由式（8）所示的数学模型可知，旋转坐标系下电压和电流的方程式中都存在d轴和q轴物理量，故其是相互影响的。

2.2 前馈控制策略的推导

光伏发电系统在正常工作的情况下，采用逆变器双环控制的策略。外环控制直流母线电压；给定电流内环的参考值，即内环对并网电流进行控制。

针对LVRT，其期望的结果是并网电流尽可能不受电网电压跌落的影响，因此本文引入电网电压前馈控制。将电网电压通过传递函数TF1、TF3和TF2、TF4分别引入到内环电流调节器之前和之后，通过推导出2个传递函数的具体表达式以期望消除电网电压扰动对并网电流的影响，实现优化LVRT期间过电流问题以及电流质量的目的。根据上文推导出的系统数学模型，得到其控制框图如图4所示，图中只给出了电流内环的部分。

图4 改进型电网电压前馈控制框图Fig.4 Block diagram of improved grid-voltage feed-forward control

图 4中分别为 d、q轴电流的参考值。当开关频率足够高时，逆变器的放大特性可由比例增益KPWM近似表示［15］。对于使用正弦脉宽调制（SPWM）方法的逆变器通常取KPWM=UDC／Utri，其中UDC为直流母线电压值，Utri为三角载波的幅值。图中的CF1、CF2为前馈项的修正因子，对由于物理量的参考方向和KPWM的近似性等原因造成的不确定性和误差进行修正，以达到更好的结果。

根据控制框图，对于图4中的d轴分支可列出如下方程组：

对方程组（9）进行化简，得到并网电流d轴分量关于电网电压的表达式。为了表述方便，并使结果表达式更清晰，令：

最终化简结果如下：

分析式（13），e 可以视为常量，f、g 与 iinvq和 uCq有关，所以影响 igd的物理量共有 4 个，是 i*invd、ugd、iinvq和uCq。要保证igd不受电网电压跌落的影响，即需要满足ugd的系数为0。其中iinvq需向电网提供无功支撑且在q轴分支中会抑制电网电压对其的影响，可以不考虑；uCq与ugq有关，按照d轴与电网电压矢量重合的定向方法，ugq应保持为0，当然在电压跌落过程中ugq肯定会有波动，其变化的幅度受锁相环技术的影响，不在本文的讨论范围内，可以忽略，并且不会明显影响控制策略的效果。令：

推导可得：

最终可得：

式（16）中，可将TF2CF1视为一个整体，再具体修正CF1的值即可。通过这种前馈控制策略，可以明显抑制电网电压波动对并网电流的影响，使其仅与给定的参考值有关，从而实现LVRT。同样的推导过程应用于q轴分支得到的结果是一样的。即：

需要指出的是，当采用改进型前馈控制方法时，并网电流不会受到电网电压的影响，但仍然要受到参考值的影响。如果在LVRT期间仍沿用上文提到的双环控制策略，则在电压跌落期间直流母线电压会波动，从而造成内环电流的给定值波动，同样无法保证过电流的抑制和电流的波形质量。在实际应用中，当检测到电网电压跌落时，首先要断开电压外环，并给定内环电流的参考值，从而变成单环控制。这一点和常用的给定有功电流参考值的方法相同，但由于其受到电网电压的影响，传统的方法不能达到很好的控制效果。

LVRT期间，逆变器输出的电流应限制其不能超过额定电流的 1.1 倍［11］，即：

LVRT期间无功电流的参考值需根据无功支撑的相关要求给定，而有功电流的参考值按正常工作状态的有功电流值给定，或者比常态值略微小一点，如常态值的80%～90%。

3 硬件在环平台实时仿真验证

为了验证上述改进型电网电压前馈控制策略的有效性，基于实时数字仿真仪RTDS（Real-Time Digital Simulator）搭建了硬件在环（HIL）仿真平台，并对提出的控制策略进行了纯数字仿真以及基于HIL平台的仿真。光伏电站采用集中式并网方式，系统结构及变压器变比如图2所示。

3.1 HIL实时仿真平台概述

基于RTDS的HIL实时仿真平台架构如图5所示。将并网光伏系统主电路模型搭建于RTDS的配套软件RSCAD中，RTDS通过GTAO板卡输出电网电压、并网电流等模拟信号至主控制器，再由主控制器执行相关算法生成PWM脉冲驱动信号并通过GTDI板卡送回至主电路从而能够完成对逆变器的控制。主控制器是基于TMS320F28335 DSP芯片搭建而成的。

图5 基于RTDS的HIL仿真平台架构Fig.5 Structure of HIL simulation platform based on RTDS

上述HIL平台包含实际的控制器，并且兼具RTDS仿真的实时性［16］，故其仿真结果比较贴合实际情况，有较高的参考价值。

3.2 RTDS数字仿真结果

首先进行RTDS纯数字仿真，设定系统在0.2 s时发生三相短路故障，三相电网电压对称跌落至约25%额定电压，即跌落深度为75%额定电压，0.7 s时切除系统故障，电网电压恢复正常，整个LVRT过程历时0.5 s。

采用改进型电网电压前馈控制策略时，按照上文阐述的单环控制方法，穿越期间给定有功、无功电流参考值给定修正因子CF1＝CF2＝-0.9。关于物理量中出现的负号，是由于RTDS模型对方向的一些限制，若电流由逆变器流向电网电流方向则为负，所以有功电流和修正因子均为负值。

为了说明本文所提控制策略的有效性，将其与传统限幅控制策略作对比，此处采用的限幅策略是上文提到的给定有功、无功电流参考值的方法，不利用硬件上的限幅功能，目的是从控制策略本身展示出采用改进型电压前馈方法的优势。

图6 对称故障下的并网点电压波形Fig.6 Voltage waveforms of grid-connection point with symmetrical fault

图6为电网电压发生三相对称跌落时的波形，其中图6（a）是对称故障下变压器逆变器侧的单相并网点电压波形，图6（b）是对称故障下变压器网侧的三相电压有功分量的波形。

图7为2种控制策略下并网电流波形的对比，为了达到较好的控制效果，将传统限幅策略的有功电流参考值设定为-0.55 kA，比改进型前馈策略的参考值小，即理想状况下其过电流抑制效果应该更好。但从图7（a）和（b）中可以看出，改进型前馈策略下并网电流在LVRT期间几乎和故障前保持一致，在电网电压跌落的瞬间达到幅值最大值0.629 kA，正常工作状态下的幅值为0.595 kA，故其满足不超过额定值1.1倍的要求，然后跟随参考值逐渐变小趋近额定值；而传统限幅策略下并网电流幅值最大值达到0.836 kA，在整个LVRT期间电流幅值明显大于额定值，所以在实际应用中常将电流参考值设定在更小的范围内，或者通过逆变器的限幅作用处理过电流问题。图7（c）展示的是2种控制策略下有功电流幅值变化的对比情况。在故障发生瞬间，从图中圆圈标注的地方可看出传统限幅策略下有功电流存在比较明显的过冲现象，受功率平衡原则的约束单纯地给定电流参考值进行限制过电流并不能达到较为理想的效果；而改进型前馈策略下的有功电流变化则比较平缓，对整个发电系统以及电网的冲击更小，满足预期要求。

图7 对称故障下2种控制策略的并网电流对比Fig.7 Comparison of grid-connecting current between two control strategies under symmetrical fault

对2种策略下并网电流a相的谐波情况进行监测，主要针对2、3次谐波。得到的结果是，改进型前馈策略下电流在故障发生瞬间的2、3次谐波幅值达到峰值，分别为0.0305 kA和0.0176 kA；传统限幅策略下相对应的值为0.0821 kA和0.0433 kA。无论是从绝对值还是谐波所占的比例来看，改进型前馈策略对谐波的抑制效果更加明显。综上所述，相比于传统限幅策略，改进型电网电压前馈控制策略在电网电压发生三相对称故障的情况下能顺利使系统实现LVRT，且在过电流以及谐波抑制问题上展示出更优良的性能。

需要指出的是，由功率平衡原则可知，并网电流的减小必然会引起直流母线电压的升高［17-18］，所以在实际应用中，无论是采用本文提出的改进型前馈策略还是传统限幅策略，均可采用给直流母线电容并联卸荷电阻［18-19］的方法目的是防止直流母线电压过度升高。所以对于过电流的抑制并不能使其无限小，而需要在抑制过电流和直流母线电压升高之间找到平衡点。

3.3 HIL平台验证结果

在HIL实时仿真平台上对所提的控制策略进行验证，系统参数如下：光伏发电系统额定容量为0.5 MW，交流电网线电压为35 kV，交流电网频率为50 Hz，滤波器电感为 1.5 mH，滤波器电容为 4.2 μF，直流母线电压为1.5 kV，直流母线电容为8 000 μF。LVRT过程的发生时刻及持续时间、电压跌落深度与3.2节数字仿真一致。

由于实际控制器中存在数据采样与转换等问题，故其与纯数字仿真存在一定的偏差，HIL仿真稳态情况下直流母线电压最终稳定在1.48 kV附近，并网电流则比数字仿真略微偏大。因此对LVRT期间的有功电流参考值进行了相应调整，设置改进型电网电压前馈策略和传统限幅策略的电流参考值相同，即设置改进型前馈策略的修正因子CF1=CF2=-0.9。

改进型电网电压前馈控制策略的HIL仿真结果如图8所示。由图8（a）—（c）可以看出，在改进型电网电压前馈控制策略的作用下，光伏系统的单相和三相并网电流在LVRT期间几乎和故障前保持一致，在进入LVRT过程的瞬间变化平缓，无明显过电流情况发生，顺利实现了LVRT。电压跌落瞬间a相电流幅值达到最大值0.636 kA，其稳态幅值为0.608 kA，满足LVRT要求；而传统限幅策略下a相电流幅值在电压跌落瞬间达到最大值0.677 kA，结果表明了改进型电压前馈策略的优势。图8（d）展示了2种控制策略下有功电流幅值变化的对比，从图中圆圈标注处可看出改进型前馈策略下的并网电流在电压跌落瞬间的过冲小于传统限幅策略，且在整个LVRT过程中，改进型前馈策略下有功电流均值相对后者较小。

图8 对称故障下HIL仿真结果Fig.8 Results of HIL simulation for symmetrical fault

同样地，对2种策略下并网电流a相的谐波情况进行监测，改进型前馈策略下电流在故障发生瞬间的2、3次谐波幅值达到峰值，分别为0.0343 kA、0.0240kA；传统限幅策略下相对应的值分别为0.0434 kA、0.0257 kA。无论是从绝对值还是谐波所占的比例来看，改进型前馈策略对谐波的抑制效果更加明显。综上所述，采用改进型电网电压前馈控制策略在过电流以及谐波抑制问题上的优势在HIL仿真平台上得到了有效验证。

对于常见的电网电压发生不对称跌落的情况，由于故障期间电网电压包含负序分量［20］，单纯地采用本文提出的改进型前馈策略并不足以完全消除并网电流存在的幅值不平衡的现象，此时需要结合二次陷波法将电压和电流的正负序分量分离［21］并采用如图4所示的改进型前馈策略分别对正负序分量进行控制。由于将正负序分量分离之后的控制策略和对称跌落时几乎一致，此处不再单独将仿真和HIL验证结果列出，其运行结果均展示出改进型电网电压前馈控制策略良好的过电流及谐波抑制性能，能使系统顺利实现电网电压发生不对称跌落下的LVRT。

4 结论

本文运用全电压反馈的思想，改进传统的电网电压前馈控制策略，通过深入分析三相并网光伏发电系统的数学模型，推导出改进型电压前馈控制策略的前馈项，并将其用于光伏系统的LVRT过程中，使系统顺利实现LVRT并展示出了一定的优越性，得到的相关结论如下：

a.改进型电网电压前馈控制策略中，并网电流受电网电压的影响程度大幅减小，仅受电流给定参考值的影响，为LVRT过程中的过电流和谐波问题提供了更优良的解决方案；

b.本文所提控制策略仅需在算法上进行相应改进，不需要增加额外硬件设备，思路明确清晰，易于工程实施；

c.HIL实时仿真验证了本文所提控制策略在对称故障穿越期间能有效抑制过电流、减少谐波影响、保持更好的波形质量，具有更优越的暂态性能，与传统限幅策略进行的对比分析验证了其可行性与有效性。

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