0 引言

    隨著光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比例日漸升高，其對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了新的影響與挑戰(zhàn)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求光伏逆變器具有一定的低電壓穿越能力^[1]。

    目前，國內(nèi)對于光伏逆變器的低電壓穿越研究正處于發(fā)展中。常用光伏逆變器可劃分為單極式和雙極式兩類。其中，文獻(xiàn)[2]設(shè)計了基于正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系下抑制逆變側(cè)輸出有功功率波動的LVRT控制策略；文獻(xiàn)[3]提出了抑制對稱故障的直接功率控制策略和抑制不對稱故障的基于正序、負(fù)序電流的雙閉環(huán)矢量控制策略；文獻(xiàn)[4]和[5]以抑制并網(wǎng)負(fù)序電流為控制目標(biāo)，提出了基于前饋解耦的正負(fù)序雙電流閉環(huán)控制的LVRT策略；文獻(xiàn)[2]～[5]所提出的方法雖能取得較好的效果，但均是針對單級式光伏逆變器進(jìn)行設(shè)計，并不適用于兩級式光伏逆變器。為實現(xiàn)兩級式光伏逆變器的低電壓穿越，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]設(shè)計了基于電網(wǎng)正序電壓定向的矢量控制策略，結(jié)合直流側(cè)卸荷電路，保證電網(wǎng)發(fā)生各種不對稱故障時光伏逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]通過控制超級電容吸收有功功率，穩(wěn)定直流母線電壓，減少光伏陣列注入逆變器的功率，來實現(xiàn)低電壓穿越。文獻(xiàn)[6]～文獻(xiàn)[9]均是通過附加的硬件輔助電路來實現(xiàn)兩級式光伏逆變器的LVRT。

    綜上，本文從改進(jìn)策略的層面上，研究了不對稱電壓故障下基于Boost升壓電路的兩級式光伏逆變器的低電壓穿越控制策略，在LVRT期間，通過引入一個基于故障前最大功率點電壓前饋的母線電壓控制外環(huán)改變Boost部分的電壓控制模式，由其負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率，以消除逆變器交、直流側(cè)功率差異，從而達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓和防止逆變器過流的目的；設(shè)計了以抑制負(fù)序電流為目標(biāo)的基于電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的電流控制策略，結(jié)合給定有功、無功電流指令的方式控制輸出電流，在故障期間為電網(wǎng)提供無功功率支撐，幫助系統(tǒng)恢復(fù)。利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗證了本文理論研究的正確性。并利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗證了本文理論研究的正確性。

1 兩級式光伏逆變器

1.1 低電壓穿越要求

    根據(jù)國家電網(wǎng)公司2011年頒布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至圖1所示的曲線1以下時，光伏逆變器可以從電網(wǎng)切出。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    本文所研究的兩級式光伏逆變器由前級Boost升壓電路和后級DC/AC逆變電路構(gòu)成，其電路拓?fù)淙鐖D2所示^[10]。

1.3 常規(guī)電流控制策略

    據(jù)圖2建立光伏逆變器理想電網(wǎng)下同步坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型：

2 不對稱故障下的LVRT控制策略

2.1 不對稱故障下的直流側(cè)電壓控制策略設(shè)計

    根據(jù)前文分析，對于兩級式光伏逆變器而言，實現(xiàn)LVRT的關(guān)鍵在于電壓跌落時應(yīng)快速消除交、直流側(cè)功率差異。為此，引入一個基于故障前最大功率點電壓前饋的母線電壓控制外環(huán)，改變Boost部分的電壓控制模式，將穩(wěn)定直流母線電壓作為控制目標(biāo)，此時，Boost控制框圖如圖4所示。

    圖中，U_dc為直流母線電壓，U_max為故障發(fā)生之前采用MPPT算法所獲得的光伏陣列最大功率點電壓參考值。分析上圖有：

    (1)在電壓跌落時，直流母線電壓U_dc將會上升，從而圖4中虛線框內(nèi)的外環(huán)電壓PI控制器會輸出正的控制量，疊加到U_max上將會使得光伏陣列的工作點偏移到最大功率點右側(cè)；

    (2)對于光伏陣列，當(dāng)實際工作電壓分別向左、向右偏離最大功率點電壓時的功率變化如圖 5所示。

    根據(jù)光伏陣列的P-U特性，其最大功率點電壓U_max一般處在其開路電壓的0.8倍位置處^[10]，因此，光伏陣列最大功率點電壓右側(cè)的輸出功率對電壓的平均變化率較左側(cè)要大，當(dāng)圖5中的ΔU₁=ΔU₂時，存在關(guān)系P_left>P_right。

    綜上，在電壓跌落時，通過圖4中所示的故障前最大功率點電壓前饋的控制方式，配以適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)可快速抬升光伏輸出電壓U_pv來減小其輸出功率，從而控制直流母線電壓處在安全范圍內(nèi)。

2.2 不對稱電壓的正負(fù)序分離鎖相

    對于三相不對稱電壓，根據(jù)對稱分量法可得：

    基于上圖推知SOGI的傳遞函數(shù)為：

    據(jù)圖可知，當(dāng)SOGI的中心頻率與輸入信號的頻率相同時，則輸出信號v′與v具有相同的幅值和相位，qv′與v幅值相同，但是相位滯后90°。因此，SOGI可實現(xiàn)對輸入信號的正交處理，從而利用其可實現(xiàn)正負(fù)序分離。

2.3 不對稱故障下的電流控制策略設(shè)計

    電網(wǎng)電壓三相不平衡時，根據(jù)對稱分量法可建立光伏逆變器的交流側(cè)數(shù)學(xué)模型：

    根據(jù)式(7)，做出系統(tǒng)等效電路圖如圖8所示。

    根據(jù)前述分析，為抑制負(fù)序電流，本文采取電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制策略。

    定義K=U_{d_fault}^P/U_N(其中U_{d_fault}^P為故障時正序電壓，U_N為并網(wǎng)點額定電壓)為電壓跌落深度。為實現(xiàn)對電網(wǎng)的無功支撐，本文所采取的方法為根據(jù)電壓跌落深度給定電流指令i_{d_fault}^*(本文取i_max=I_N)的方式，具體如圖9所示。

    圖中t₀為檢測到電壓故障(即K<0.9)時刻，t₁到t₂為電流調(diào)整過程，t₃為故障開始恢復(fù)的時刻；其中，i_{d_fault}^*保持為i_max的時間設(shè)定為5 ms。在不過流的前提下，輸出最大的無功電流。兩者的計算公式具體如下：

    按照上式所示關(guān)系，最終將有功電流調(diào)至Ki_max。綜上，本文所設(shè)計LVRT策略的總體控制結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3 仿真驗證及分析

    利用PSCAD/EMTDC搭建100 kW兩級式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)模型，具體仿真參數(shù)如表1所示。

    分析仿真結(jié)果可知：

(1)圖11(a)顯示出，采用常規(guī)控制策略的光伏逆變器，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，由于電網(wǎng)負(fù)序電壓存在，導(dǎo)致逆變器的輸出電流三相不對稱，且諧波含量增大；通過圖11(b)可知，由于常規(guī)控制策略下，在電網(wǎng)低電壓故障時，Boost部分仍進(jìn)行MPPT算法，致使P_pv>P_out，在外環(huán)電壓控制器的作用下，使得逆變器輸出電流大增，最大值達(dá)482 A，遠(yuǎn)超出安全范圍；圖11(c)表明由于負(fù)序分量的存在，導(dǎo)致并網(wǎng)功率產(chǎn)生二倍頻波動，因此，直流母線電壓也存在二次諧波分量，與式(3)相符，此時母線電壓最大值達(dá)880 V，波動分量幅值為70 V左右。

    (2)圖12(a)和圖12(b)表明采用本文所設(shè)計的LVRT策略在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，逆變器的輸出電流仍保持三相對稱，且未出現(xiàn)過流現(xiàn)象；在電網(wǎng)低壓故障期間，逆變器輸出220 A左右的無功電流，為電網(wǎng)提供一定的無功功率支撐；由于本文采用電網(wǎng)負(fù)序電壓前饋的控制手段，抑制了并網(wǎng)電流的負(fù)序分量，有效抑制了并網(wǎng)功率的二倍頻波動，從而使得直流母線電壓的波動減小，由圖12(c)可知此時波動幅值僅為30 V左右；圖12(c)顯示出，在故障發(fā)生5 ms后，直流母線電壓的升高即被抑制，最大為865 V，隨后減小穩(wěn)定在785 V到820 V之間，充分說明了圖4所示控制結(jié)構(gòu)能有效調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率，控制直流母線電壓在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

    本文針對基于Boost電路的兩級式光伏逆變器提出了不對稱電壓故障下的LVRT策略：設(shè)計了基于網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓前饋的電流控制策略，結(jié)合給定有功、無功電流參考值的方式，在保證故障期間電流品質(zhì)的同時能為電網(wǎng)提供無功功率支撐；設(shè)計了基于故障前最大功率點電壓前饋的Boost母線電壓控制環(huán)，可在LVRT期間將直流母線電壓控制在安全范圍內(nèi)；本文所設(shè)計控制策略不改動現(xiàn)有兩級式逆變器硬件結(jié)構(gòu)，具備優(yōu)良的適應(yīng)性。

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作者信息：

甘德樹1，裴星宇1，柯清派2，吳海雄1，林桂輝1，程  旭1

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海519000；2.蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州215000）