两级式光伏发电系统低电压穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 刘为群

(南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102)

两级式光伏发电系统低电压穿越控制策略研究

郭 勇, 李 勇, 皇甫星星,丁 勇, 石祥建, 刘为群

(南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102)

随着中功率两级式光伏逆变器在大中型发电系统中的大规模应用，基于两级式光伏逆变器的低电压穿越控制技术得到越来越多的研究。与单级式光伏逆变器相比，两级式光伏逆变器存在前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器，控制更复杂，低电压穿越难度更大。文中首先进行了系统建模，然后提出了一种基于控制模式无缝切换的低电压穿越控制策略，DC/DC变换器在稳态时作为MPPT控制器进行最大功率点跟踪，DC/AC逆变器作为恒压源稳定直流母线电压。在低电压穿越时，DC/DC变换器以恒直流母线电压方式运行，DC/AC变换器以有功无功模式运行。此方法可以解决低电压穿越过程中有功不匹配而导致的直流母线过压的问题。最后，通过在一台40 kW的两级式光伏并网逆变器样机上进行实验，验证了理论分析的正确性及可行性。

两级式光伏发电系统；低电压穿越；控制模式无缝切换

0 引言

在大中型光伏并网发电系统中，越来越多的光伏电站采用中功率两级式光伏逆变器实现光伏的并网发电，其优点是多路MPPT、宽范围直流输入、交流侧并网电压灵活、效率高，前级Boost电路完成最大功率点跟踪(MPPT)及升压，后级T型三电平逆变电路完成PLL锁相以及并网逆变功能。单台两级式光伏逆变器功率范围在40～80 kW，在大中型光伏电站中每1 MW发电单元组成的光伏方阵中通常有12至30台两级式光伏逆变器。当光伏电站渗透率较高或出力加大时，电网发生故障引起电网电压大幅度跌落，光伏电站的故障脱网会恶化整个电网的运行状态，影响电网的安全稳定运行，现行标准GB/T 19964—2012中要求光伏电站须具备低电压及零电压穿越功能(LVRT/ZVRT)[1]。

两级式光伏逆变器MPPT范围宽，前级DC/DC变换器工作在MPPT模式或者旁路模式，在低电压穿越发生或者恢复时，由于电网电压的突变极易引起前后级变换器之间有功的不匹配，导致直流母线电压升高而触发过电压保护引起脱网问题。因而以两级式光伏逆变器构成的光伏电站的低电压穿越技术成为光伏逆变器的一个研究课题。

目前针对电网跌落，文献[2]引入风电技术的卸荷电阻的方法消耗不平衡功率，文献[3]针对两级式光伏发电系统提出了一种基于有功平衡的开环控制减小直流母线电压波动的LVRT控制策略，但该策略没有在本质上维持母线电压的平稳。文献[4]针对两级式光伏发电系统提出了一种LVRT控制策略，该策略采用功率闭环方法维持前后级之间的功率平衡，但本质上仍然为开环控制方法，其功率测量的准确度以及两级间的附加功耗决定了算法的有效性，而且该控制策略没有考虑不平衡跌落的工况。文献[5]也采用功率闭环维持前后级之间功率平衡的方法进行低电压穿越，由于实验条件的限制仅做了仿真分析。文献[6]在两级式光伏逆变器LVRT时降低光伏阵列的输出电压，使光伏阵列工作在其PV曲线的左半平面，以降低LVRT恢复时升高的母线电压，由于逆变器低电压穿越期间工作在光伏电池PV曲线的左半平面，可能引起系统直流母线电压崩溃，引发不稳定现象[7]。

针对上述问题，文中提出一种两级式光伏逆变器低电压穿越控制方法。前级DC/DC变换器采用一个公用的电流环，2个分时作用的电压环，通过设计电流环的稳定性，来增强低电压穿越过程中系统的稳定性，在稳态工作点大范围变动的情况下，通过限制占空比(减小超调量)使逆变器工作在光伏P-V曲线的右半平面，防止系统出现母线电压崩溃的稳定性问题；通过控制前级DC/DC2个分时作用的电压环的无缝切换，以及后级逆变器控制模式，解决现有采用常规控制策略在电压跌落过程中前后级变换器之间有功不匹配导致直流母线电压升高而脱网的问题，并且能够保证逆变器在故障清除后以一个可调速率将有功功率恢复至跌落前的功率水平。

1 两级式光伏逆变器系统模型

光伏发电系统原理如图1所示。两级式光伏系统包括光伏阵列、前级Boost变换器、后级逆变桥和控制系统4部分。Boost变换器作为MPPT控制器控制光伏组件运行在最大功率点上并且将光伏阵列输出电压升高，后级逆变器通过调节入网电流的大小保持直流母线电压恒定，前后级变换器共用一个控制器。

图1 光伏发电系统原理Fig.1 Principle of photovoltaic power generation system

1.1 MPPT控制器分析

根据不同的反馈变量，Boost型MPPT控制器的控制方法可分为4类：(1)功率反馈控制型[8]；(2)电流反馈控制型；(3)电压反馈控制型[9]；(4)电流电压反馈控制型[10-12]。文中采用加校正环节的双闭环控制系统进行建模分析。

在正常工作时，Boost变换器通过光伏输出电压环将光伏输出电压稳定在最大功率点电压上，当LVRT/ZVRT故障时，Boost变换器通过直流母线电压环调节Boost电感电流控制直流母线电压保持恒定，2个电压环的输出通过切换开关作为同一个电流环的给定，如图2所示。

图2 Boost变换器控制框图Fig.2 The control scheme of the Boost converter

在低电压穿越期间光伏输出电压环积分值保持不变，以便故障恢复后光伏阵列能迅速追踪到最大功率点，后级逆变器减少有功，输出无功支持电网恢复，低电压穿越结束后延时Tdelay时间保持故障控制模式不变，后级逆变器有功负荷以一定速率恢复至低电压穿越前的值，无功给定减小至0。最后，所有控制方式切换到发生低电压穿越前的正常工作模式，MPPT重新投入恢复到之前的状态。由于在正常MPPT模式以及低电压穿越时始终进行电流闭环调节，通过相应的校正环节将电流内环设计成近似一阶惯性环节，这样不但很容易实现系统稳定性要求，而且可以采用小信号模型。由于小信号模型是线性的，所以可方便地考虑系统的动态响应特性[13]。

在进行Boost控制系统设计时，必须建立控制对象的数学模型，为了设计电压环及电流环控制器，文中利用小信号平均的方法，建立Boost电路的状态空间平均模型[12]，当电流环控制器采用PI调节器时，简化的Boost电流环结构框图如图3所示。

图3 简化的Boost电流环结构框图Fig.3 Simplified block diagram of the Boost based current feedback control

考虑电流内环需获得较快的电流跟随性能时，可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器，从开环传递函数可看出，只需以PI调节器零点抵消电流控制对象传递函数的极点即可，即Ti=L/R。校正后，电流内环的开环传递函数为：

(1)

两级式光伏发电系统属于变流器级联系统，在低电压穿越时系统的稳态工作点发生剧烈变化，级联系统的大信号稳定性与小信号稳定性不同：级联系统在一个稳态工作点下的小信号稳定性不能保证系统在大信号扰动下的稳定性。这是因为系统本身在大信号扰动下不具备传统小信号意义上的稳态工作点，传统的线性化状态空间法不再适用，基于小信号模型的阻抗分析方法或传递函数劳斯判据不再适用。大信号条件下的稳定性对系统在启动、负载突变以及非线性负载等工况下十分重要。根据Boost变流器的大信号模型可以得到[12]：

(2)

可采用下述2种方法使系统避免系统失去稳定[13]：(1)缩小变流器的占空比区间[DminDmax]；(2)增大W，并且增大kI，是斜线l1左移，落到闭环控制区域。方法1意义明确且容易实现，在低电压穿越场合MPPT控制器的动态响应特性也满足标准要求，文中采用方法1。

1.2 三电平逆变器建模分析

与两电平类似，定义开关函数如下：假设Si(i=a,b,c)为第i相的开关函数，则：

(3)

这样可以得到简化电路模型，如图4所示。为了方便分析，将开关函数Si分解为Sip，Sio，Sin3个单刀开关：

图4 三电平逆变桥主电路简化模型Fig.4 Simplified main circuit of the three level inverter bridge

在dq坐标系下建立三相电压型PWM整流器(VSR)有利于实现无功电流和有功电流的解耦。三相VSRdq模型建立后，对三相交流对称系统，若只考虑交流基波分量，则稳态时dq模型dq分量均为直流。另一方面，适当选择同步旋转坐标系(dq)初始参考轴如d轴与电网电动势矢量Eq重合，则d轴为有功分量参考轴，q轴为无功分量参考轴，从而有利于三相VSR网侧有无功分量的解耦控制。由三相VSR在dq同步旋转坐标系下的数学模型得：

(4)

式中：

(5)

图5 并网逆变器经典控制方法Fig.5 Classical control method of grid-tied inverter

2 低电压零电压穿越控制

本文提出了一种两级式光伏并网逆变器低电压零电压穿越(LVRT/ZVRT)控制系统结构图，如图6所示。

图6 光伏系统低电压穿越控制策略Fig.6 Control scheme of the PV system during grid voltage dips

两级式光伏发电系统拓扑如图1所示，结合图6阐述控制过程如下：

(3) 低电压穿越检测需要迅速确定电网是否触发低电压穿越，通过电网电压的滑动连续窗口的有效值，以及电网电压瞬时值经过abc/dq坐标变换得到的幅值来进行综合判断，以保证其检测的快速性及有效性。

(6)

以零电压穿越即三相电网电压跌落至0%为例，零电压发生前，即在电网电压正常时，逆变器运行在光伏阵列的最大功率点上，零电压穿越发生时，由于电网电压为0 V，导致逆变器输出功率为0 kW，而此时最大功率点跟踪控制器仍然控制DC/DC变换器让光伏阵列输出最大功率，如不采取措施，DC/DC变换器与后级DC/AC逆变器造成的有功不匹配会导致直流母线电压过压造成逆变器保护而脱网，甚至损坏光伏逆变器。

Udq_all=(Uαβ+++Uαβ-)e-jωt=Udq++Udq-e-j2ωt

(7)

电网电压前馈中未经分解的dq分量包含了电网负序电压的前馈控制，是一两倍频于电网频率的脉动量，同样可抑制电网负序电压扰动对并网逆变器三相电流的影响。

当电网不平衡时，三相网侧的视在复功率S为：

(8)

解得：

(9)

式中：p0，pc2，ps2，q0，qc2，qs2为常数，当入网电流为正序时，式(8)常数由推导可得：

(10)

由式(9)、(10)表明，当三相不对称故障时，有功功率存在着2倍频波动，直流母线电容电压因有功的波动存在着二次谐波分量，当对直流母线电压的控制性能要求不高时，可以不用对pc2，ps2抑制。

3 仿真验证

3.1 算法参数说明

文中基于Matlab仿真平台对光伏电站并网点三相对称短路故障、单相短路故障进行了仿真研究，对所提出的LVRT/ZVRT策略的可行性与正确性进行验证，如图7所示。被测机器容量为40 kW，通过0.48 kV/10 kV变压器并入10 kV电网，光伏阵列MPPT点电压600 V。

图7 光伏并网系统仿真结构Fig.7 Simulation topology of the PV system

3.2 对称故障

在0.5 s时10 kV母线发生三相对称短路至0 p.u.故障，短路故障时间持续0.15 s，在0.65 s时故障切除，系统恢复正常运行。光伏逆变器在故障前以额定功率运行，功率因数为1。

在电压发生跌落后，Boost控制器检测到低电压穿越发生，退出正常MPPT工作模式，切换为故障穿越模式，控制直流母线电压恒定；后级逆变器转为PQ控制模式，向电网注入无功功率来支撑电网电压，使电压与电流的相位差发生了显著变化，如图8所示。

图8 三相对称跌落零电压穿越仿真波形Fig.8 The simulation waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

3.3 不对称故障

在电压发生跌落后，不对称故障包括单相短路接地故障、两相短路接地故障和两相短路故障。以两相短路故障为例进行分析。

在0.5 s时10 kV母线发生A、B两相短路故障，短路故障持续时间为0.15 s。低压侧b相跌至0 p.u.， a相、c相电压幅值略有下降。为了维持并网点电压，需要光伏逆变器根据并网点正序分量值输出一定的无功功率，此时逆变器的输出电压与电流出现相位差，发生不对称故障，注入电网的电流会出现负序分量，通过相关控制消除负序分量，使得三相并网电流在故障期间仍保持平衡，如图9所示。由于后级逆变器存在着有功功率的2倍频波动，因此相应的Boost输出电压与输出电流也存在着2倍频波动。由于Boost处于大信号稳定域内且电感电流受控，因此系统始终是稳定的。

图9 三相不对称跌落零电压穿越仿真波形Fig.9 The simulation waveform of three-phase asymmet

4 试验研究

为验证所提出的两级式光伏逆变器低电压零电压穿越控制策略，设计了一套40 kW光伏并网逆变系统，实验平台如图10所示。直流侧采用PV模拟器模拟光伏电池，交流侧采用电网模拟器进行电网电压跌落，变压器原边A/B/C三相电压同时跌落对应于副边a/b/c电压同时跌落，变压器原边两相电压同时跌落对应于副边单相电压跌落，逆变器主要参数如表1所示。

图10 光伏低电压穿越实验平台Fig.10 Experiment platform of the PV system for LVRT

逆变器参数参数值额定输出功率/kW40额定网侧电压/Vac480MPPT电压范围/V200～850MPPT路数/个3直流母线电压/V730功率器件开关频率/kHz16

4.1 三相对称故障

为了研究LVRT控制策略效果，选取如下最严酷的工况条件：光伏逆变器满载，光伏模拟器开路电压711 V，在t1时刻发生三相短路故障，电网电压跌落到0 p.u.，故障时间持续150 ms，t2时刻电网恢复后恢复到正常值，实验波形如图11所示。图11显示了直流母线电压和Boost开关管两端电压、电网A相相电压和A相电流。

图11 三相对称跌落零电压穿越实验波形Fig.11 The experimental waveform of three-phase symmetrical zero voltage ride through

当三相电网电压跌落接近0附近时，由于采样精度与误差等原因，锁相环输出会在故障时间内发生较大偏移，文中基于双同步坐标系的解耦锁相环算法，根据电压跌落深度设置一个可变参数的滤波器环节，当跌落至零附近时采用较大滤波器保持输出频率基本不变，当故障消除后采用较小滤波器使锁相环迅速跟踪电网相位。

在t1时刻发生三相短路0电压故障时，前级Boost 退出最大功率点追踪，控制目标切换为控制直流母线电压恒定；同时后级逆变器控制目标由控制直流母线电压恒定切换为PQ控制，有功给定为0，无功电流给定为1.05倍的额定电流。t2时刻电网恢复后，无功电流给定为0，有功电流给定从0以设置速率恢复到低电压穿越前的值。由图11可以看出，直流母线电压Udc在电网电压Us跌落和恢复瞬间略有波动，当直流母线电压大于780 V时Boost关闭，当直流母线电压小于730 V时Boost开通并将直流母线电压稳定在730 V。并网电流Is暂态过程无超调，且穿越期间提供无功电流(并网电流超前电网电压相位90°)用以支撑电网电压恢复。故障消除后一段时间内控制模式保持不变，有功电流从0以设置速率恢复至低电压穿越前的水平，在有功功率增加过程中，光伏输出电压逐渐从开路电压降低至MPP点电压，当直流母线电压低于730 V时Boost重新投入并将直流母线电压稳定至730 V。最后，控制模式切换为正常工作模式，MPPT功能重新投入，低电压穿越结束。

4.2 三相不对称故障

为研究不对称故障下LVRT控制策略的效果，选取故障最为极端的情况进行实验研究：光伏逆变器满载，光伏模拟源开路电压(711 V)小于直流母线电压，在t1时刻发生三相不对称故障，电网电压跌落到0 p.u.，故障时间持续150 ms，t2时刻电网恢复后电网电压直接恢复到正常值。实验波形如图12所示。图12显示了直流母线电压Udc和Boost开关管两端电压Uce、电网A相相电压和A相电流。

图12 三相不对称跌落零电压穿越实验波形Fig.12 The experimental waveform of three-phase asymmetric zero voltage ride through

当t1时刻发生不对称故障时，光伏逆变器前级Boost退出最大功率点跟踪，控制目标切换为控制直流母线电压恒定。故障期间，由于后级逆变器要发出正序有功电流与正序无功电流，因此直流母线电压含有2倍频波动。t2时刻电网恢复，无功电流给定为0，有功电流给定从0以一个设置速率恢复到低电压穿越前的值。由图12可以看出，直流母线电压Udc在进入低电压穿越瞬间升高至780 V后Boost关闭，直流母线电压含有2倍频的波动，反映出有功电流的2倍频波动。并网电流Is在电网电压跌落瞬间以及电网电压恢复瞬间等暂态过程无超调，穿越期间提供无功电流支撑电网恢复。故障消除后一段时间内控制模式保持不变，有功电流同样从0以一个设置速率恢复至低电压穿越前的水平，在有功功率增加过程中，光伏输出电压逐渐从开路电压降低至MPP点电压，当直流母线电压低于730 V时Boost重新投入并将直流母线电压稳定至730 V。最后，控制模式切换为正常工作模式，MPPT功能重新投入，低电压穿越结束。

5 结语

中功率两级式光伏并网逆变器越来越多的应用于地面大型光伏电站，基于文中提出的两级式光伏逆变器低电压穿越控制方式能有效的进行低电压穿越，低电压穿越过程以及恢复过程对电网系统无冲击，在新能源并网渗透率越来越高的背景下采用 文中提出的方法可以有效的降低电网系统风险，提高电网的稳定性，但本文还有些不足，Boost虽然在大信号扰动下保持了较好的稳定性，但是减小了系统的动态响应速度，值得进一步研究。

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郭 勇

郭 勇(1984—)，男，江苏南京人，硕士，研究方向为电力电子变流技术、新能源及分布式发电技术(E-mail：guoy@nrec.com)；

李 勇(1981—)，男，江苏南京人，博士，研究方向为新能源发电与电网接入、交直流微电网、新能源汽车的电力推进以及高压变频器技术(E-mail：liyong@nrec.com)；

皇甫星星(1989—)，男，江苏南京人，硕士，研究方向为电力电子变流技术、新能源及分布式发电技术(E-mail：huangfxx@nrec.com)；

丁 勇(1981—)，男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为电力电子变流技术、柔性交流输电技术(E-mail：dingy@nrec.com)；

石祥建(1980—)，男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为工业控制自动化研究、电力电子电力在系统中的应用研究(E-mail：shixj@nrec.cn)；

刘为群(1966—)，男，江苏南京人，高级工程师，研究方向为发电机励磁及电力电子应用研究(E-mail：liuweiqun@nrec.cn)。

(编辑徐林菊)

LVRTControlStrategyofTwo-stagePVPowerSystem

GUO Yong, LI Yong, HUANGFU Xingxing, DING Yong, SHI Xiangjan, LIU Weiqun

(NR Electric Corporation, Nanjing 211102, China)

With the application of two-stage PV grid-tie inverter in the large-scale and medium power systems, it is widely researched that the LVRT control strategy of photovoltaic inverter based on the two power stages topology. Compared with single-stage PV inverter, it is a combination of the first power stage of DC/DC converter and the second power stage of DC/AC inverter for two-stage PV inverter. The control is more complex and it is more difficult in the low voltage ride through. Firstly, the system modeling is carried on and then the control strategy is proposed based on control mode seamless switching in LVRT. At the steady state the DC/DC conversion unit tracks the maximum power point and the DC/AC inverter unit works as a constant voltage source. In LVRT, the DC/DC conversion unit runs in the constant busbar voltage mode and DC/AC inverter unit runs in the p-q mode. The problem is resolved that the DC bus over-voltage caused by unbalanced energy between the DC/DC unit and DC/AC unit. The experiments in a 40 kW PV grid-tie inverter of two power stage verify the correctness and feasibility of the theoretical analysis finally.

two-stage PV power generation system; LVRT；control mode seamless switching

TM464

A

2096-3203(2017)06-0007-07

2017-07-03；

2017-08-02

国家高新技术研究发展计划(863计划)资助项目 (2015AA050101)