光伏并网低压穿越控制策略的研究

崔艳伟， 李双双， 孙玉涛， 张迎春

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

光伏并网低压穿越控制策略的研究

崔艳伟， 李双双， 孙玉涛， 张迎春

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

随着并网型光伏电站接入电网容量越来越大，与公用电网并网运行的光伏发电系统已显示出越来越大的竞争力。当电力系统由于短路故障而发生电压跌落时，针对并网端电压跌落问题，提出了低压穿越技术来提高电力系统的稳定性。在对光伏并网逆变器控制策略研究的基础上，建立了逆变器输出正序无功功率、负序无功功率和电压跌落深度三者之间的关系，采用正序无功功率抬升正序电压，负序无功功率降低负序电压的方法来抬升电网电压，增强了并网系统的稳定性，有效提高了光伏逆变器低压穿越的能力。MATLAB/Simulink仿真验证该低压穿越技术的有效性。

光伏并网； 逆变器； 电压跌落； 低压穿越

0 引言

近年来，随着一系列利于分布式发电发展政策的相继推出，分布式发电在并网发电领域受到了极大的重视，光伏并网发电正迎来前所未有的发展机遇，但也应该看到，随着并网型光伏电站接入电网的规模越来越大，其对电网的影响也越来越大[1-3]。传统上，当电网发生故障造成电网电压明显波动时，要求光伏并网系统立即从电网中切除，减小其对电网的影响。然而，在电网发生故障时大量光伏系统同时脱网，容易给电网造成冲击，使故障扩大，恢复时间延迟。因此，国家电网公司规定大中型光伏电站必须具备低压穿越能力[4-6]。对于光伏电站，低电压穿越(LVRT)是指当电力系统发生故障或扰动时，在并网端产生电压跌落时，在一定的时间间隔和电压跌落范围内，光伏发电站能够保证不脱网并连续运行[7]。

光伏并网发电已经成为国内外新能源发电领域研究的热点。国内外学者对低压穿越提出了不同的方法，其中文献[8]通过协调控制逆变器输出有功电流和无功电流来实现LVRT，但该方法采用双闭环控制，多个比例——积分(PI)控制器使得参数调节较为困难。文献[9]提出了一种电网不平衡情况下，三相并网逆变器的快速锁相法，并基于该锁相技术及正负序分离的方法设计了光伏逆变器的LVRT。文献[10]提出了一种在电网发生故障时，光伏并网系统中超级电容有功调节和逆变器无功调节相协调的功率控制策略来实现低电压穿越控制并限制并网电流的LVRT方法。文献[11]提出了提高光伏逆变器低电压穿越过程响应速度低压穿越控制方法。文献[12]在电网发生故障时，提出了一种基于双电流坐标系的LVRT控制方案。文献[13]提出了一种在电网发生不对称故障时，基于静止无功补偿器的完全控制策略。

本文针对电网电压不平衡情况下，建立了并网型光伏逆变器模型。在此基础上引入“逆变器通过输出正序无功功率可以增加正序电压，输出负序无功功率降低负序电压”来实现LVRT。并对该方法进行Simulink仿真验证。

1 光伏逆变器建模

光伏发电并网系统中光伏电池阵列及最大功率点跟踪、升压环节等效为恒压源，逆变器拓扑结构如图1所示。光伏逆变器采用三相电压型逆变器拓扑结构。

图1 光伏逆变器拓扑结构

图1中PV为直流等效电压；ua、ub、uc为逆变器输出电压；ia、ib、ic逆变器输出电流；R为线路和滤波电感的内阻；Lf、Cf分别为滤波电感、滤波电容；ea、eb、ec分别为电网电压；Lg为电网电感。

根据KVL可得：

V=Vg+ωLgI

(1)

式中：V为逆变器输出电压，kV；Vg为电网电压，kV；I为电网侧电流，A。对式(1)进行正负序分离。

(2)

其中

(3)

当电网发生不平衡故障时，常规做法是加装无功补偿装置，但是其忽略了逆变器本身无功功率输出能力，造成使用效率降低。本文通过注入负序电流对无功功率进行合理补偿，保证光伏并网逆变器在电网电压跌落期间能够维持并网，即实现低压穿越控制。

2 基于无功功率支撑的低压穿越控制

当电网电压发生跌落时，由于逆变器的限流要求，从光伏并网逆变器输出的有功功率必然降低这将导致直流侧电压上升；电网侧以2倍工频的有功功率振荡进而使直流侧电压以2倍工频振荡。如果继续使用传统基于电网平衡的控制策略，传统的控制器无法实现对正弦量的无误差跟踪，本文的逆变器控制通过注入正序无功功率可以增加正序电压，输出负序无功功率降低负序电压,并且抑制逆变器过电流来达到并网要求并实现无功功率支撑的低压穿越控制，提高电力系统的稳定性。逆变器控制框图如图2。

图2 低压穿越控制框图

2.1低压穿越控制参考电流计算

当电网发生故障时(三相并网系统采用无中线系统)，则此时电网电压含有正序分量、负序分量、零序分量(可以忽略不计)。为了分析简单，忽略高次谐波分量，只考虑基波分量，则三相电压为：

(4)

其中上标+、-、0分别表示电压正序分量、负序分量、零序分量(忽略不计)，同样电流可以表示为：

(5)

其中上标+、-、0分别表示电流正序分量、负序分量、零序分量(忽略不计)，同样电流可以表示为：

对式(4)式(5)进行Clark变换得到：

(6)

由瞬时功率理论得：

(7)

(8)

式中：p+为正序时的有功功率；p-为负序时的有功功率，kW；p2ω为正负序分量产生的2倍频有功功率，kW。

由瞬时功率理论得：

(9)

式中：q+、q-、q2ω分别为正序无功功率、负序无功功率、2倍频无功功率，Var。

由上式p+、q+、q-我们可以得到在电压不平衡时参考电流的计算方法为：

(10)

2.2低压穿越控制负序无功电流计算

本文通过二阶广义积分器锁频环(SOGI-FLL)来实现不平衡电压、电流的正负序分离。

其中：

(11)

(12)

式中：V+、V-表示电网电压的幅值；I+、I-表示逆变器输出电流的幅值；φv+、φv-分别表示正、负序电压的相位角；φi+、φi-分别表示正、负序电流的相位角。电压电流的幅值可以表示为：

(13)

(14)

[7]提出的限制并网电流不过流的计算方法不同的是本文提出的负序电流的幅值计算无需计算电压、电流的相位角。A、B、C三相电流的幅值为：

(15)

(16)

(17)

由公式(12)可以得到：

(18)

(19)

其中Ia(peak)、Ib(peak)、Ic(peak)是三相电流的幅值，当φI+-φI-值确定，Ia(peak)、Ib(peak)、Ic(peak)中总有一个最大，只要保证这个最大值等于逆变器所允许的最大值，就能保证并网电流不过流。

Imax=max(Ia,Ib,Ic)

(20)

式中：Imax为逆变器所允许的最大值。

当A相电流幅值最大时，计算出的负序电流幅值为：

(21)

同时，当B相电流最大时有：

(22)

当C相电流最大时有：

(23)

结合式(14)～(20)可以确定I-值，由I-可以得到负序无功功率参考值：

(24)

2.3正序无功电流计算

由于我国目前对无功电流与电压跌落之间的关系还没有具体的标准，因此，本文参考德国的相关标准[6]。正序无功电流的参考值通过图3给定。

图3 德国关于无功电流与电压跌落程度的关系曲线

从图3中可以看出：当△U/UN>10%，光伏并网逆变器必须向电网注入无功电流来支撑并网电压，当△U/UN>50%，注入的电流为无功电流。正序无功电流为：

(25)

3 仿真分析

本文基于MATLAB/Simulink仿真平台对光伏并网电站并网点处不同程度的电压跌落进行仿真研究，对单相接地故障、两相接地故障进行仿真分析并验证所提出的通过逆变器输出正序无功功率可以增加正序电压，输出负序无功功率降低负序电压控制策略的可行性与正确性。

光伏并网发电系统在0.25 s处发生单相接地故障和两相接地故障。具体系统参数如表1所示。

表1 仿真系统参数

(1)单相接地故障

在0.25 s之后，A相电压跌落的情况下仿真如图4：

图4 公共连接点三相电压

从图5得出正序电压幅值下降到120.2 V，负序电压幅值上升到45.3 V。

从图6得出正序无功功率指令为2 957 Var；有功功率5 000 kW，根据电流限制，负序无功功率950 Var。

图5 正序压幅值、负序电压幅值

图6 有功功率、正序无功功率、负序无功功率

为了证明该方法具有抬升正序电压，降低负序电压的能力，定义电网电压不平衡度(n=V-/V+)，表2列出了在公共连接点处的电力系统不平衡度。其中在Q++Q-情况下的V+、V-由公式(1)和公式(2)给出。

从图5中可以看出，当不对称电压跌落发生时，电网电压和并网电流产生负序分量。电网电压正序分量幅值从175 V下降到120.2 V，负序分量幅值增加到45.3 V。

由图6得出，当不对称电压跌落时，正序无功功率从零增加到2 720 Var，负序无功功率从零增加到860 Var。

从表2中可以看出在注入负序无功功率的情况下不平衡度从0.358 9降低到0.321 1，达到了负序无功功率抑制公共连接点(PCC)处的负序电压不平衡系数小于无负序无功功率的情况。验证了该方法具有抬升正序电压，降低负序电压的能力。

表2 电力系统不平衡度

(2)两相接地故障

A、B两相电压跌落的情况下仿真如图7。

图7 公共连接点三相电压

在0.25 s之后，A、B两相电压骤降后：

图8得到正序电压幅值降到112.5 V，负序电压幅值上升到28 V。

图9得出正序无功功率指令为3 415 Var。有功功率5 000 kW，根据电流限制，负序无功功率306.5 Var。

图8 正序电压幅值、负序电压幅值

图9 有功功率、正序无功功率、负序无功功率

从表3中可以看出在注入负序无功功率的情况下不平衡度从0.243降低到0.218，达到了负序无功功率抑制公共连接点(PCC)处的负序电压不平衡系数小于无负序无功功率的情况。

表 3电力系统不平衡度

通过对上述两种情况的仿真分析，证明了该低压穿越控制策略可以通过注入正序无功功率可以增加正序电压，输出负序无功功率降低负序电压来抬升并网点电压。

4 结论

本文针对在电力系统发生故障或者产生扰动时，并网端产生电压跌落的问题，研究了基于正负序无功功率支撑的低压穿越策略。根据不同电压跌落深度对在保证逆变器不过流的情况下对有功电流、无功电流参考值进行重新分配。在MATLAB/Simulink平台下的仿真结果表明逆变器输出正序无功功率可以增加正序电压，输出负序无功功率降低负序电压。在电网电压跌落时通过增加负序无功功率降低了电网不平衡度，保证电网在一定的电压跌落范围内能够不脱网连续运行，证明了该低压穿越方法的有效性，对电网的稳定运行具有重要的应用价值。

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Research of Low Voltage Ride Through Control Strategy in Photovoltaic(PV) Grids

CUI Yanwei， LI Shuangshuang， SUN Yutao， ZHANG Yingchun

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

With the growth of the capacity of the grid-connected photovoltaic power station accessed to the grid, the grid-connected operation photovoltaic power generation system demonstrates increasing competitiveness. When the voltage drop occurs due to the short circuit fault,a low-voltage ride-through technology is proposed to improve the stability of the power system. Based on the research of PV grid-connected inverter control strategy, the relationship among the positive sequence reactive power, negative sequence reactive power and voltage drop depth is figured out. The positive sequence reactive power is used to lift the positive sequence voltage, and the negative order reactive power is used to reduce the negative sequence voltage to support the power grid voltage recovery, which enhances the stability of the grid system, and effectively improves the photovoltaic inverter low pressure through the ability. Matlab/Simulink simulation is carried out to verify the effectiveness and feasibility of the low-voltage ride-through technology.

photovoltaic grid; inverter; voltage drop; low voltage ride through

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.09.004

TM615

A

1672-0792(2017)09-0023-06

2017-05-31。

崔艳伟(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统自动化。