设计应用

不对称故障下两级式光伏逆变器的LVRT策略

0 引言

    随着光伏发电在电力系统中所占的比例日渐升高,其对电力系统的安全稳定运行带来了新的影响与挑战。相关标准中要求光伏逆变器具有一定的低电压穿越能力[1]

    目前,国内对于光伏逆变器的低电压穿越研究正处于发展中。常用光伏逆变器可划分为单极式和双极式两类。其中,文献[2]设计了基于正、负序双同步坐标系下抑制逆变侧输出有功功率波动的LVRT控制策略;文献[3]提出了抑制对称故障的直接功率控制策略和抑制不对称故障的基于正序、负序电流的双闭环矢量控制策略;文献[4]和[5]以抑制并网负序电流为控制目标,提出了基于前馈解耦的正负序双电流闭环控制的LVRT策略;文献[2]~[5]所提出的方法虽能取得较好的效果,但均是针对单级式光伏逆变器进行设计,并不适用于两级式光伏逆变器。为实现两级式光伏逆变器的低电压穿越,文献[6]和文献[7]设计了基于电网正序电压定向的矢量控制策略,结合直流侧卸荷电路,保证电网发生各种不对称故障时光伏逆变器的稳定运行;文献[8]和文献[9]通过控制超级电容吸收有功功率,稳定直流母线电压,减少光伏阵列注入逆变器的功率,来实现低电压穿越。文献[6]~文献[9]均是通过附加的硬件辅助电路来实现两级式光伏逆变器的LVRT。

    综上,本文从改进策略的层面上,研究了不对称电压故障下基于Boost升压电路的两级式光伏逆变器的低电压穿越控制策略,在LVRT期间,通过引入一个基于故障前最大功率点电压前馈的母线电压控制外环改变Boost部分的电压控制模式,由其负责调节光伏阵列的输出功率,以消除逆变器交、直流侧功率差异,从而达到稳定直流母线电压和防止逆变器过流的目的;设计了以抑制负序电流为目标的基于电网负序电压前馈的电流控制策略,结合给定有功、无功电流指令的方式控制输出电流,在故障期间为电网提供无功功率支撑,帮助系统恢复。利用100 kW的光伏逆变器PSCAD仿真模型,验证了本文理论研究的正确性。并利用100 kW的光伏逆变器PSCAD仿真模型,验证了本文理论研究的正确性。

1 两级式光伏逆变器

1.1 低电压穿越要求

    根据国家电网公司2011年颁布的《光伏电站接入电网技术规定》要求,当电网电压跌落至图1所示的曲线1以下时,光伏逆变器可以从电网切出。

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1.2 系统结构

    本文所研究的两级式光伏逆变器由前级Boost升压电路和后级DC/AC逆变电路构成,其电路拓扑如图2所示[10]

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1.3 常规电流控制策略

    据图2建立光伏逆变器理想电网下同步坐标系中的数学模型:

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2 不对称故障下的LVRT控制策略

2.1 不对称故障下的直流侧电压控制策略设计

    根据前文分析,对于两级式光伏逆变器而言,实现LVRT的关键在于电压跌落时应快速消除交、直流侧功率差异。为此,引入一个基于故障前最大功率点电压前馈的母线电压控制外环,改变Boost部分的电压控制模式,将稳定直流母线电压作为控制目标,此时,Boost控制框图如图4所示。

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    图中,Udc为直流母线电压,Umax为故障发生之前采用MPPT算法所获得的光伏阵列最大功率点电压参考值。分析上图有:

    (1)在电压跌落时,直流母线电压Udc将会上升,从而图4中虚线框内的外环电压PI控制器会输出正的控制量,叠加到Umax上将会使得光伏阵列的工作点偏移到最大功率点右侧;

    (2)对于光伏阵列,当实际工作电压分别向左、向右偏离最大功率点电压时的功率变化如图 5所示。

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    根据光伏阵列的P-U特性,其最大功率点电压Umax一般处在其开路电压的0.8倍位置处[10],因此,光伏阵列最大功率点电压右侧的输出功率对电压的平均变化率较左侧要大,当图5中的ΔU1=ΔU2时,存在关系Pleft>Pright

    综上,在电压跌落时,通过图4中所示的故障前最大功率点电压前馈的控制方式,配以适当的控制器参数可快速抬升光伏输出电压Upv来减小其输出功率,从而控制直流母线电压处在安全范围内。

2.2 不对称电压的正负序分离锁相

    对于三相不对称电压,根据对称分量法可得:

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    基于上图推知SOGI的传递函数为:

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    据图可知,当SOGI的中心频率与输入信号的频率相同时,则输出信号v′与v具有相同的幅值和相位,qv′与v幅值相同,但是相位滞后90°。因此,SOGI可实现对输入信号的正交处理,从而利用其可实现正负序分离。

2.3 不对称故障下的电流控制策略设计

    电网电压三相不平衡时,根据对称分量法可建立光伏逆变器的交流侧数学模型:

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    根据式(7),做出系统等效电路图如图8所示。

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    根据前述分析,为抑制负序电流,本文采取电网负序电压前馈的控制策略。

    定义K=Ud_faultP/UN(其中Ud_faultP为故障时正序电压,UN为并网点额定电压)为电压跌落深度。为实现对电网的无功支撑,本文所采取的方法为根据电压跌落深度给定电流指令id_fault*(本文取imax=IN)的方式,具体如图9所示。

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    图中t0为检测到电压故障(即K<0.9)时刻,t1到t2为电流调整过程,t3为故障开始恢复的时刻;其中,id_fault*保持为imax的时间设定为5 ms。在不过流的前提下,输出最大的无功电流。两者的计算公式具体如下:

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    按照上式所示关系,最终将有功电流调至Kimax。综上,本文所设计LVRT策略的总体控制结构如图10所示。

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3 仿真验证及分析

    利用PSCAD/EMTDC搭建100 kW两级式并网光伏系统模型,具体仿真参数如表1所示。

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    分析仿真结果可知:

(1)图11(a)显示出,采用常规控制策略的光伏逆变器,在电网发生不对称故障时,由于电网负序电压存在,导致逆变器的输出电流三相不对称,且谐波含量增大;通过图11(b)可知,由于常规控制策略下,在电网低电压故障时,Boost部分仍进行MPPT算法,致使Ppv>Pout,在外环电压控制器的作用下,使得逆变器输出电流大增,最大值达482 A,远超出安全范围;图11(c)表明由于负序分量的存在,导致并网功率产生二倍频波动,因此,直流母线电压也存在二次谐波分量,与式(3)相符,此时母线电压最大值达880 V,波动分量幅值为70 V左右。

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    (2)图12(a)和图12(b)表明采用本文所设计的LVRT策略在电网发生不对称故障时,逆变器的输出电流仍保持三相对称,且未出现过流现象;在电网低压故障期间,逆变器输出220 A左右的无功电流,为电网提供一定的无功功率支撑;由于本文采用电网负序电压前馈的控制手段,抑制了并网电流的负序分量,有效抑制了并网功率的二倍频波动,从而使得直流母线电压的波动减小,由图12(c)可知此时波动幅值仅为30 V左右;图12(c)显示出,在故障发生5 ms后,直流母线电压的升高即被抑制,最大为865 V,随后减小稳定在785 V到820 V之间,充分说明了图4所示控制结构能有效调节光伏阵列的输出功率,控制直流母线电压在安全范围内。

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4 结论

    本文针对基于Boost电路的两级式光伏逆变器提出了不对称电压故障下的LVRT策略:设计了基于网侧负序电压前馈的电流控制策略,结合给定有功、无功电流参考值的方式,在保证故障期间电流品质的同时能为电网提供无功功率支撑;设计了基于故障前最大功率点电压前馈的Boost母线电压控制环,可在LVRT期间将直流母线电压控制在安全范围内;本文所设计控制策略不改动现有两级式逆变器硬件结构,具备优良的适应性。

参考文献

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[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,2013,37(7):1799-1807.

[3] 韩贤岁,刘其辉.对称和不对称故障下的并网光伏逆变器低电压穿越研究[J].电测与仪表,2015,52(9):113-118.

[4] 王巨波,鲍伟,徐文丽,等.不平衡故障下光伏逆变器LVRT无功控制策略[J].华东电力,2014,42( 8):1527-1533.

[5] 王京保,曾国宏,荆龙.电压不对称故障下光伏逆变器低电压穿越技术[J].电气传动,2013,43(12):24-27.

[6] 张明光,陈晓婧.光伏并网发电系统的低电压穿越控制策略[J].电力系统保护与控制,2014,42(11):28-33.

[7] 安志龙.光伏并网控制策略与低电压穿越技术研究[D].北京:华北电力大学,2012.

[8] 刘耀远,曾成碧,李庭敏,等.基于超级电容的光伏并网低电压穿越控制策略研究[J].电力系统保护与控制,2014(13):77-82.

[9] 舒大松,黄挚雄,康伦,等.基于超级电容储能的光伏并网低电压穿越研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2014,41(8):60-64.

[10] 张兴,曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2011.



作者信息:

甘德树1,裴星宇1,柯清派2,吴海雄1,林桂辉1,程  旭1

(1.广东电网有限责任公司珠海供电局,广东 珠海519000;2.苏州华天国科电力科技有限公司,江苏 苏州215000)

两级式光伏逆变器 不对称故障 低电压穿越 PSCADEMTDC