适用于光伏逆变器的低压穿越控制策略

聂雄，谢运祥，陈兵

（1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211100）

适用于光伏逆变器的低压穿越控制策略

聂雄1，谢运祥1，陈兵2

（1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211100）

在电网的实际运行中，当发生电压暂降时，三相光伏并网逆变器的电能质量将急剧恶化。逆变器输出电流将发生严重畸变，甚至会因过流而脱网，这给电网带来了严重的安全隐患。提出了一种适用于光伏逆变器的低压穿越控制策略，在电网电压跌落时，采用的控制策略可以限制有功电流的增加，消除有功功率的波动，降低PCC点电压不平衡度。同时，还可以注入一定的无功功率来支撑电网。仿真实验结果验证了所提出控制方法的可行性。

光伏发电系统；低压穿越；电压暂降；功率控制

随着光伏发电系统容量的逐步扩大，电压暂降对发电系统的影响不可低估［1］。大多数情况下，电压暂降是由雷击、大型异步电动机的启动和输电线路短路故障引起的。当电网电压跌落时，电网运行状态将急剧恶化。低压穿越能力也被认为是研究光伏并网控制技术最大的挑战之一，与光伏发电的大规模应用直接相关［2-4］。目前，光伏发电技术的主要研究方向由正常情况下光伏逆变器的稳态运行向电力网络故障情况下低电压穿越运行转变。

本文提出了一种低压穿越控制策略，保证了光伏逆变器的输出电流不会超过光伏发电系统的最大额定电流，充分利用了分布式光伏发电系统的发电容量。当电压跌落时，通过使用本文提出的控制策略，可以实现3个目标:1）可以避免有功功率振荡；2）可以向电网注入最大额定电流；3）可以减小电网电压不平衡度。

1 三相并网逆变器结构

典型三相光伏发电系统结构如图1所示，由光伏阵列、三相并网逆变器、控制器组成。

图1 三相光伏发电系统结构图Fig.1 Diagram of three phase photovoltaic power generation system

本文采用LCL型滤波器，可以有效减少高频谐波。相比于L型滤波器，LCL滤波器具有三阶低通滤波特性，因此，在相同的谐波标准和较低的开关频率情况下，可以采用相对较小的滤波电感，这样可以有效地减小系统的体积和降低损耗［5］。

2 控制策略

如果三相电网电压不平衡，当只考虑基波电动势时，公共连接点的电压可以被描述为正序电动势、负序电动势和零序电动势三者的合成。在三相三线制电压源整流器中，由于不存在零序电流通道，零序电动势对功率不产生影响，所以对零序电动势的影响不考虑，则电网电压可以表示为

式中:ua，ub，uc分别为三相电网电压；u+，u-分别为正负序电网电压幅值；φ+，φ-分别为正负序电压初始相位角。

定义电网电压不平衡度ε，可以描述为

为了实现控制目标，本文采用如下控制策略:

进一步，由式（1）～式（8），逆变器输出电流峰值可以表述为

在电压暂降时，为了避免光伏逆变器因过流保护而断开，输出电流必须限制在一定范围内，即要满足下式:

当光伏发电系统产生的功率Ppv比较大时，在电压跌落期间，逆变器的输出电流会比较大。此时有Imax＞Irated，逆变器可能会因为过流而脱网运行。此时，不可能将光伏系统产生的所有功率都注入并网逆变器，需要减小有功功率来保证逆变器正常运行。令Imax=Irated，P*=Pmax，Q*=0，由式（12）、式（13），注入的最大有功功率Pmax可以描述为

此时，参考有功功率和无功功率为P*=Pmax，Q*=0。

相反，如果光伏发电系统产生的功率Ppv比较小时，在电压跌落期间，逆变器的输出电流会比较小，Imax＜Irated，逆变器不会因为过流而脱网。为了对电网进行无功支撑，应将无功功率注入电网。在这种情况下，令Imax=Irated，P*=Ppv，则无功功率参考值为

由式（1）～式（12），可以计算得瞬时有功功率和无功功率为

从上式可以看出，有功功率震荡被消除了，输出电流谐波含量也减少了。

3 仿真实验与分析

为了验证上述方法的可行性和有效性，本文采用Matlab建立了光伏并网系统仿真模型。系统参数为:电网电压幅值Ug＝380 V；额定电流幅值Irated＝10 A；电网频率fg=50 Hz；直流侧电容Cdc＝1.9 mF；LCL逆变器侧电感Li＝1.5 mH；LCL滤波电容Cf=5 μF；LCL电网侧电感Lg=1.5mH；开关频率fs=10 kHz。

3.1 注入有功和无功功率

仿真条件为:在t=0.3 s，a相电网电压跌落至0.2（标幺值），在t=0.5s电网电压恢复至额定值。图2为电压暂降期间三相电网电压波形。

图2 电压暂降期间三相电网电压波形Fig.2 Three-phase grid voltages waveforms during the sag.

图3 为三相电网电压输出电流波形。在t= 0.3 s时，电网电压开始下降，输出电流开始增大。但是，由于采用了本文的控制策略，三相输出电流幅值小于10 A，并没有超过最大额定电流。同时，功率切换过程中，电流峰值突变也得到了很好的抑制。

图3 当P*=Pmax，Q*=0时，输出电流波形Fig.3 The output currents，consideringP*=Pmax，Q*=0

当光伏发电系统产生的功率Ppv=3.0 kW 时，图4和图5为电压暂降期间瞬时有功和无功功率波形。当电压开始跌落时，最大功率Pmax从4.65 kW减小到2.8 kW；注入电网的有功功率由3.0 kW减小为2.8 kW，并没有超过Pmax,从而保证输出电流不会超过额定电流Irated。输出的无功功率基本为零，很好地跟随了无功功率参考值Q*。此外，在不平衡电网电压条件下，输出功率会出现2倍频震荡。从图5可以看出，无功功率出现震荡。由于采用本文的控制策略，有功功率振荡已被消除。

图4 P*=Pmax，Q*=0时，瞬时有功功率波形图Fig.4 TheinstantaneousactivepowerconsideringP*=Pmax，Q*=0.

图5 当P*=Pmax，Q*=0时，瞬时无功功率波形图Fig.5 TheinstantaneousreactivepowerconsideringP*=Pmax，Q*=0

图6为输出电流波形。图6说明三相输出电流峰值没有超过额定电流。当Ppv=1.5 kW 时，在电压暂降期间，可以向电网注入一定的无功功率，瞬时有功和无功功率波形见图7和图8。可以看出，有功功率由3.0 kW减小至2.0 kW并且一直比最大功率Pmax小。

图6 当P*=Ppv时，输出电流波形Fig.6 The output currents，consideringP*=Ppv

图7 当P*=Ppv时，瞬时有功功率波形图Fig.7 The instantaneous active power consideringP*=Ppv

图8 当P*=Ppv时，瞬时无功功率波形图Fig.8 The instantaneous reactive power consideringP*=Ppv

3.2 电网电压支撑

考虑电网线路阻抗时，等效阻抗可表示为Z=R+jX，取Z为3+j0.5。图9为PCC点电压有效值波形。在t=0.2 s时，电压开始跌落。

图9 PCC点电压有效值波形Fig.9 The RMS voltages at the PCC

三相不平衡电网电压波形见图10，abc三相电 压分 别 为ua=0.7∠0°，ub=0.7∠-127°，uc=1∠-225°。在0.2～0.3 s期间，采用传统的控制方法，不考虑负序电压。t=0.3 s时，采用本文的控制策略，但不注入无功功率。a相和b相电压有效值开始增大，c相电压有效值减小。PCC点电压趋于平衡，也就是说，三相电压不平衡度减小了。t=0.4 s时，向电网注入无功功率，可以观察到，abc三相电压有效值都增大了，说明无功补偿对电网电压有很好的支撑作用。

图11为正序和负序电压幅值。可以看出，在0.3～0.4 s期间，正序电压幅值增大了，并且负序电压幅值减小了。在t=0.4 s，注入无功功率以后，对减小负序电压有很好的效果，这表明，在所提出的控制策略下，电网电压支撑的目的得到很好的实现。

图11 正负序电压幅值波形Fig.11 Thevoltageamplitudesofthepositiveandnegativesequences

4 结论

本文提出了一种适用于三相光伏逆变器的低电压穿越控制策略。它可以实现3个目标:1）逆变器输出电流幅值被限定在最大额定电流Irated以内，保证了逆变器不会因过流保护而脱网运行；2）使用本文的控制策略可以降低电压不平衡度，逆变器也能注入无功功率来支撑电网，有助于恢复电网电压；3）能够有效地消除有功功率的振荡。仿真结果证明了所提出的控制策略的有效性。

［1］Blaabjerg F，Teodorescu R，Liserre M，et al.Overview of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（5）:1398-1409.

［2］周京华，刘劲东，陈亚爱，等.大功率光伏逆变器的低电压穿越控制［J］.电网技术，2013（7）:1799-1807.

［3］Abbey C，Joos G.Effect of Low Voltage Ride Through（LVRT）Characteristic on Voltage Stability［C］//Power Engineering Society General Meeting，2005:1901-1907.

［4］Guo X，Zhang X，Wang B，et al.Asymmetrical Grid Fault Ride-through Strategy of Three-phase Grid-connected Inverter Considering Network Impedance Impact in Low-voltage Grid［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（3）:1064-1068.

［5］Shen G，Xu D，Cao L，et al.An Improved Control Strategy for Grid-connected Voltage Source Inverters with an LCL Filter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2008，23（4）: 1899-1906.

Low Voltage Ride Through Control Strategy for PV Inverters

NIE Xiong1，XIE Yunxiang1，CHEN Bing2
（1.School of Electrical Power，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2.State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

In the actual operation of the power grid，the power quality of the three-phase grid connected photovoltaic inverter will deteriorate rapidly when the voltage sag occurs.The output current of inverter will be serious distortion，and even the inverter would disconnect due to overcurrent，the output power will fluctuate，which brings a serious security risk to the PV generation system.A low voltage ride through control strategy for photovoltaic inverters was presented.The control strategy could limit the increase of active currents，eliminate the fluctuation of active power and reduce the voltage of PCC unbalance degree when the power grid voltage was sagged.At the same time，it could also inject certain reactive power to support the grid.Simulation results verify the feasibility of the proposed control method.

PV generation system；low voltage ride through；voltage sag；power control

TM 615

A

10.19457/j.1001-2095.20170511

2016-06-02

修改稿日期：2016-09-01

江苏省电力公司科研项目，电压暂降对电力敏感用户影响及防治措施研究（SGTYHT/14-JS-188）

聂雄（1991-），男，硕士，Email:nxchina521@163.com