考虑电压故障类型的光伏逆变器低电压穿越控制策略

欧阳森，马文杰

华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640)

0 引言

为应对能源危机问题，各种可再生能源在电力系统中所占的比例越来越大[1-2]。其中，光伏并网发电技术一直为关注的焦点。随着分布式光伏发电单元数量的增多，为保证电力系统的电能质量和供电可靠性，相关标准均要求光伏逆变器具备一定的低电压穿越(LVRT)能力。因此，进行光伏逆变器的LVRT控制策略研究具有重要的实际意义[3]。

文献[4]针对大功率单级式光伏逆变器，提出了基于正、负序双同步坐标系的以抑制网侧负序电流为控制目标的LVRT控制策略。该策略能在保证故障期间并网电流波形品质的前提下，实现有功、无功电流的独立控制，为系统提供电压支撑。但是，该策略中需要4个电流PI控制器，整定控制参数较为困难。根据逆变器的详细数学模型，推导全电压前馈补偿项，文献[5]提出一种基于全电压前馈的LVRT控制策略，可有效应对LVRT期间的过电流和谐波问题。为加快故障期间光伏逆变器输出电流响应的速度，文献[6]在传统LVRT控制策略的基础上，将基于模型电流预测控制的方法运用到单级式光伏逆变器的LVRT控制中，可实现有功、无功功率的快速控制。针对两级式光伏逆变器LVRT问题，文献[7-8]分别提出基于超级电容和直流侧卸荷电路的LVRT控制策略。通过增加额外的硬件设备来实现LVRT期间交、直流侧有功功率的平衡，达到稳定直流母线电压和防止逆变器过电流的目的。但是，硬件电路的引入会增加系统体积，导致安装不方便、成本上升等问题。为此，文献[9]从软件层面提出变功率跟踪轨迹的光伏逆变器LVRT控制策略。该策略通过对功率跟踪轨迹进行调节，实时改变光伏电池端电压，进而快速有效地控制光伏电池的输出功率，实现交、直流侧的有功平衡。在保证发生故障时光伏逆变器不脱网运行的前提条件下，为提升LVRT期间光伏逆变器的并网电能质量，文献[10]针对有功功率提出一种基于快速电流控制器和可重构参考电流选择器的灵活有功控制策略。类似地，文献[11]针对无功功率的控制也做出了相应的研究。更进一步地，为灵活调整故障期间并网有功、无功功率中正、负序分量的占比，文献[12]提出一种基于功率加权分配的LVRT控制策略。文献[13]提出一种基于正、负序电压加权分配的无功控制策略，可提升光伏逆变器应对不同类型电压故障的能力，但文献[13]并未对策略中有功、无功功率指令的计算方法进行讨论。文献[14]借鉴文献[13]提出的电流指令计算方法，提出一种以有功功率输出最大化为目标且兼顾有功功率波动抑制功能的故障穿越控制策略。

上述大部分文献所提策略均能实现发生低压故障时光伏逆变器的不脱网运行，且考虑了对系统的无功支撑。但是所提的无功补偿策略并没有针对具体的电压故障类型进行设计。因此，本文在文献[13-15]的研究基础上，提出一种基于电压正、负序分量加权分配的无功支撑策略，并以优先输出无功功率为原则设计了相应的功率指令计算方法，可提升光伏逆变器应对不同类型电压故障的LVRT能力，通过仿真验证本文所设计策略的有效性。

1 光伏逆变器的LVRT要求

根据NB/T 32004—2013《光伏发电并网逆变器技术规范》要求，当电网电压跌落至图1中的曲线1以下时，光伏逆变器可以从电网切除，图中光伏并网点(PCC)电压为标幺值。在LVRT期间，光伏逆变器的并网运行需要满足：在电压跌落瞬间，光伏逆变器在保证自身安全的前提下应能不间断并网运行；在LVRT期间，光伏逆变器应能对电网提供一定的无功支撑。

图1 光伏电站的LVRT能力要求Fig.1 LVRT capacity requirement of photovoltaic power station

2 具备柔性电压支撑能力的LVRT控制策略

2.1 电流指令计算方法

根据瞬时无功功率理论，为实现光伏逆变器的并网功率控制，在不平衡电网下的电流指令为[16]：

(1)

根据对称分量法，式(1)中的分母部分为：

(2)

其中，V为PCC电压幅值；ω为电压基频；φ为电压相位。

由于式(2)中存在2倍频分量，为实现并网恒功率控制而按照式(1)进行电流指令计算，则会导致并网电流中含较多的谐波分量。根据文献[17]，由于光伏发电系统中不存在机械旋转部分，因此由电网负序电压所引起的直流母线电压波动并不会影响系统的正常运行。从而，以保证电流波形质量为目标，而不抑制并网功率波动，产生另一种电流指令计算方法如下：

(3)

为控制光伏逆变器实现不同类型电压故障下的柔性电压支撑，本文提出一种基于正、负序电压分量加权分配的无功电流指令计算方法如下：

(4)

其中，k+、k-为加权分配因子。两者关系如下：

k++k-=1k+∈(0,1)

(5)

在LVRT期间，有功电流需根据电压跌落深度来设定，在跌落深度较深时可设置为0[9]。且由于线路电阻一般较小，其对电网电压的支撑作用并不明显，故本文在计算有功电流指令时只考虑电网电压正序分量，具体计算公式如下：

(6)

综上，总电流指令为：

(7)

对比式(7)与式(1)、(3)可知，在各种类型的电压故障情况下，传统LVRT控制策略中的无功电流指令计算方式都是固定不变的，而本文策略中可通过调整分配因子大小来改变无功电流中所含正、负序分量的比重。

2.2 电压无功支撑原理分析

光伏逆变器的并网系统示意图如图2所示。图中，i为逆变器并网电流瞬时值；v为PCC电压瞬时值；vdc为直流母线电压。为分析光伏逆变器的无功输出电流对PCC电压的支撑作用，可将PCC电压表示如下：

(8)

图2 光伏并网系统Fig.2 Photovoltaic grid-connected system

图3 正、负序电压相量图Fig.3 Phasor graph of positive- and negative-sequence voltage

当忽略线路电阻时，若按照式(4)计算无功电流指令，可得电压相量图如图3所示。根据图3可得PCC电压正、负序分量的计算公式如下：

(9)

分析式(9)可知，当设定因子k+→1时，可提升PCC电压正序分量幅值，而电压负序分量幅值基本保持不变；当设定k+→ 0时，可减小PCC电压负序分量幅值，而电压正序分量幅值基本保持不变。

2.3 功率指令计算方法

为保证光伏逆变器的正常运行，其输出电流应该小于其最大允许值。设逆变器的实际输出电流可基本跟随指令，根据本文策略中电流计算公式(式(7))，可得到LVRT期间光伏逆变器的三相输出电流如下：

(10)

将式(4)、(6)代入式(10)，可得各相电流峰值为：

(11)

(12)

根据文献[18]，本文定义电压跌落深度D如下：

D=1-Vmin/VN

(13)

Vmin=min(Va,Vb,Vc)

其中，Va、Vb、Vc为电网三相电压有效值；VN为PCC电压额定值。当D< 0.1时，光伏逆变器正常运行;一旦检测到D>0.1，光伏逆变器即进入故障穿越模式。

根据式(11)可知，故障情况下因逆变器电流容量受限，功率指令P*和Q*不能过大。本文策略中对P*和Q*的分配关系如下：

(14)

2.4 LVRT控制综合策略

当电网侧发生故障时，在LVRT期间，控制光伏逆变器向电网注入无功功率可达到提升PCC电压的效果。根据2.2节分析可知，当设定因子k+→1时，可提升三相电压有效值，若发生单相接地短路等不对称故障，采取此方法将导致各相电压有效值之间的差异增大，有可能导致未发生故障的一相或两相的电压越限，因此，宜在发生三相对称故障时设定k+=1。当设定因子k+→ 0时，逆变器的并网无功电流主要为负序分量，可减小PCC电压的负序分量幅值。因此，当发生不对称故障时，设定因子k+=0.1可取得较大程度的三相电压不平衡补偿效果。因此，通过调整分配因子k+的值即可取得不同的电压支撑效果。

综上，采用本文所设计的基于正、负序电压分量加权分配可实现柔性电压支撑的LVRT控制策略的光伏并网控制系统示意图如图4所示。需要指出的是，本文所提LVRT控制策略在强电网和弱电网中均能在故障期间为系统提供电压支撑。但是，本文策略在强电网环境下所能取得的电压支撑效果较弱，在弱电网环境下更具实际意义，且策略效果还与光伏逆变器的容量相关。

3 仿真验证

本文基于PSCAD仿真平台对额定容量为100 kW的单级式光伏逆变器进行了当电网侧(图4中Vg位置)发生三相对称故障、单相短路接地故障和两相短路接地故障的仿真研究，以验证本文所设计策略的有效性，在各个仿真研究中均采用电压前馈来抑制故障瞬间的电流冲击。具体仿真参数如下：PCC电压频率为50 Hz，额定有效值为220 V；光伏逆变器的额定输出电流有效值为155.6 A；滤波器桥臂侧电感L1=0.17 mH，滤波电容C=200 μF，网侧电感L2=0.05 mH；直流侧母线电容为6 000 μF；开关频率为5 kHz；电网线路电阻为0.001 Ω，电感为0.5 mH。

3.1 对称故障下的仿真分析

电网侧在0.3 s时发生三相对称故障，在0.3～0.4 s 内光伏逆变器只输出有功功率，在0.4 s后设定k+=1，输出无功功率，仿真结果如图5所示。

图4 光伏并网控制系统Fig.4 Photovoltaic grid-connected control system

图5 对称故障下的仿真结果Fig.5 Simulative results under symmetrical fault

分析图5可知，故障发生后PCC电压有效值跌落至66 V左右，光伏逆变器的输出电流有所增大，最大值约为235 A，小于最大允许电流240 A。在控制光伏逆变器进行无功输出后，PCC电压有效值抬升至113 V左右。

3.2 不对称故障下的仿真分析

为对比k+取不同值时的策略效果，以0.1 s为一个阶段，分3个阶段进行仿真，具体条件设定如下：电网侧在0.3 s时发生a相接地短路故障，在0.3～0.4 s内光伏逆变器只输出有功功率，0.4 s后输出无功功率。在0.4～0.5s内设定k+=0.9，0.5～0.6 s内设定k+=0.1。

为衡量PCC电压不平衡程度，定义变量n为：

n=V-/V+

(15)

具体仿真结果如图6所示。

图6 单相短路故障下的仿真结果Fig.6 Simulative results under single-phase short circuit fault

根据图6可知，3个阶段中光伏逆变器各相的输出电流均未超过最大允许值，保证了LVRT期间本文所提策略的顺利实现，而且在3个阶段中，输出相电流的最大值基本保持在最大允许值附近，实现了光伏逆变器容量的充分利用，验证了本文2.3节中功率指令最值计算部分理论研究的正确性。故障发生后，PCC处a相电压有效值跌落至84.3 V，b、c两相电压基本不变。第2阶段设定k+=0.9，此时光伏逆变器三相电流基本对称，无功电流主要为正序分量。PCC电压正序分量幅值有近28 V的提升，负序分量幅值基本保持不变，PCC电压不平衡度有所下降；a相电压有效值上升至103 V，b、c相电压有效值上升至237 V，略高于额定值。第3阶段设定k+=0.1，此时光伏逆变器三相电流高度不对称。PCC电压正、负序分量幅值比第2阶段小，各相电压有效值的抬升效果减弱，但三相电压不平衡度进一步降低，表明此时光伏逆变器的主要作用为平衡三相电压。

设定仿真条件与图6的唯一不同之处是0.3 s时电网侧发生ab两相短路接地故障，仿真结果如图7所示。

图7 两相接地短路故障下的仿真结果Fig.7 Simulative results under two-phase grounding short circuit fault

分析图7可得到与图6结果相似的结论，此处不再赘述。

综上，在本文策略的控制作用下，不仅能使光伏逆变器安全地实现LVRT，而且能根据电网故障类型调整控制参数k+来输出正序和负序无功电流，给PCC电压提供不同的电压支撑效果。与传统的LVRT控制策略相比，将故障类型考虑在内，可实现更具目的性的电压支撑功能，增强了光伏并网系统适应电网环境变化的灵活性。

4 结论

本文针对光伏逆变器的LVRT问题进行了相应的理论研究，通过仿真验证，得出以下结论：

a. 本文所提策略在安全实现光伏逆变器LVRT的同时，可根据电网故障类型实现对称故障下提升PCC正序电压幅值、不对称故障下降低PCC电压不平衡度等功能，使光伏逆变器在LVRT期间具备柔性电压支撑能力，增强了光伏发电单元的并网友好性；

b. 本文所提策略中的电流跟踪控制是在静止坐标系中实现的，无需进行旋转变换及电流分序控制，简化了系统控制结构。

如2.4节中所述，本文策略效果受电网阻抗影响较大，因此下一步的研究工作是针对在不同的光伏逆变器并网环境下如何保证策略有效性的问题。