摘要：并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)運(yùn)行過程中關(guān)鍵的電力電子裝置，其控制策略的優(yōu)劣將影響整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。研究電網(wǎng)電壓故障時(shí)的低電壓穿越控制策略，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的可靠性，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。針對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器，本文重點(diǎn)研究了包括電網(wǎng)電壓正常以及故障時(shí)的控制策略。本文在并網(wǎng)逆變器坐標(biāo)系下設(shè)計(jì)了準(zhǔn)比例諧振（準(zhǔn)PR）控制器。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相對(duì)稱故障致使電壓跌落時(shí)，引入直流側(cè)卸荷電路以抑制直流母線電壓的升高，保證滿足低壓電穿越規(guī)定下的持續(xù)并網(wǎng)。在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱故障致使電壓跌落時(shí)引入了準(zhǔn)PR的控制器簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)PR控制器的控制策略能使光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不對(duì)稱故障時(shí)在滿足規(guī)定要求的情況下繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

1引言

所謂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的低電壓穿越技術(shù)是指當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，光伏陣列依然可以繼續(xù)穩(wěn)定的并網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)還可向電網(wǎng)注入無功功率用以支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)運(yùn)行恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）。為了使系統(tǒng)在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時(shí)仍繼續(xù)運(yùn)行在并網(wǎng)模式，低電壓穿越能力已經(jīng)成為光伏電站必不可少的一項(xiàng)功能，這也是光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的必要條件。

對(duì)于大型光伏電站中的高壓型逆變器應(yīng)具備一定的耐受異常電壓的能力，避免在電網(wǎng)異常時(shí)脫離，加劇電網(wǎng)電源的不穩(wěn)定。為了防止光伏電站因電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致電壓跌落時(shí)引起整個(gè)電網(wǎng)崩潰，導(dǎo)致大面積停電。在電網(wǎng)因故障發(fā)生短路，電壓跌落到零時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器必須保持不脫網(wǎng)，同時(shí)按照電網(wǎng)調(diào)度的指令向電網(wǎng)注入一定的有功和無功功率，幫助電網(wǎng)恢復(fù)，提供動(dòng)態(tài)電壓支撐，保障電網(wǎng)穩(wěn)定正常的運(yùn)行。

逆變器執(zhí)行低電壓穿越保護(hù)功能應(yīng)滿足GB/T19964-2012：8.1的要求，電壓耐受能力要求如圖1所示。逆變器交流側(cè)電壓跌至0時(shí)，逆變器能夠保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行0.15s后恢復(fù)至標(biāo)稱電壓的20%；再?gòu)?0%標(biāo)稱電壓點(diǎn)0.15s時(shí)刻開始，時(shí)間持續(xù)至0.625s時(shí)刻后逆變器交流側(cè)電壓開始恢復(fù)，并且電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到標(biāo)稱電壓的90%時(shí)，逆變器能夠保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的逆變器，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時(shí)刻開始，以至少10％額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

零電壓穿越過程中逆變器宜提供動(dòng)態(tài)無功支撐。

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，該類逆變器必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖1中電壓輪廓線以下時(shí)，允許停止向電網(wǎng)線路送電。

圖1中高壓逆變器低電壓耐受能力要求

UL0：為正常運(yùn)行的最低電壓限值；

UL1：需要耐受的電壓下限；

T1:電壓跌落到0時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間；

T2：電壓跌落到UL1時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間；

T3：電壓跌落到UL0時(shí)需要保持并網(wǎng)的時(shí)間。

UL1、T1、T2、T3數(shù)值的確定需考慮保護(hù)和重合閘動(dòng)作時(shí)間等實(shí)際情況。實(shí)際的限制

應(yīng)依據(jù)接入電網(wǎng)主管部門的相應(yīng)技術(shù)規(guī)范要求設(shè)定。

2基于準(zhǔn)比例諧振控制器的控制策略

在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下采用PI控制器雖可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但不能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。傳統(tǒng)PR控制雖然在理論上可行，但考慮到實(shí)際中元件的參數(shù)以及數(shù)字控制系統(tǒng)的精度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使得PR控制難以實(shí)現(xiàn)，且PR控制器的高增益只體現(xiàn)在基頻附近，在其他頻率處的卻非常的小。而實(shí)際系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓頻率很難保持工頻不變，一旦頻率波動(dòng)就不能有效地抑制諧波。為此系統(tǒng)使用準(zhǔn)PR控制器(Quasi-PR)使得在保留高增益的同時(shí)，還能減弱頻率波動(dòng)對(duì)并網(wǎng)電流的不利影響。同時(shí)不會(huì)使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并且能夠?qū)涣餍盘?hào)實(shí)現(xiàn)零誤差跟蹤，還使得并網(wǎng)電流中諧波的含量得到有效的抑制，進(jìn)而提高了電能質(zhì)量。

在兩相靜止坐標(biāo)系中，軸為沒有耦合且相互獨(dú)立的軸，因此可分別對(duì)各軸的電流實(shí)施控制。圖2為坐標(biāo)下電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。

圖2基于準(zhǔn)PR控制器的電流環(huán)控制圖

準(zhǔn)PR控制的并網(wǎng)系統(tǒng)中，只需將特定次諧的補(bǔ)償項(xiàng)疊加在基于準(zhǔn)PR的控制器上。由于各次諧波的有效值與其諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值是諧波次數(shù)的倒數(shù)。因此，一般只需要抵消3、5、7次諧波。則電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

(1)

圖3為基于準(zhǔn)PR控制器的電網(wǎng)電壓定向的矢量控制圖。

圖3基于準(zhǔn)諧振控制器電網(wǎng)電壓定向的矢量控制圖

3抑制電網(wǎng)電壓跌落時(shí)直流側(cè)電壓升高

當(dāng)電壓降低的幅度比較小的時(shí)候，輸出電流的增大不會(huì)超過限流值，此時(shí)的并網(wǎng)逆變器依然可以保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。但是當(dāng)電壓的降低幅值比較大的時(shí)候，逆變器對(duì)直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)作用無法滿足要求，這時(shí)有可能會(huì)將直流電壓外環(huán)直接切除，若不采取相應(yīng)的合理的保護(hù)措施，電容及逆變器的安全運(yùn)行都將受到嚴(yán)重的威脅。當(dāng)電壓發(fā)生故障或跌落時(shí)，引起直流側(cè)電壓升高的根本原因就在于能量的不匹配，從而導(dǎo)致中間部分的直流側(cè)能量產(chǎn)生積累。

3.1基于卸荷電路的低電壓保護(hù)策略

為了抑制直流端電壓的升高，針對(duì)故障時(shí)功率不匹配導(dǎo)致過剩的那部分能量堆積在電容上這一根本問題，需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落程度在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候加入額外的硬件設(shè)備發(fā)揮保護(hù)作用并與原有控制進(jìn)行配合控制，確保不會(huì)出現(xiàn)過壓?jiǎn)栴}。該方法在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都取得了不錯(cuò)的控制效果，如圖4所示。

圖4卸荷電路結(jié)構(gòu)圖

3.2卸荷電路的控制策略

在電網(wǎng)電壓正常運(yùn)行的情況下，卸荷電路不參與工作。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的時(shí)候，若并網(wǎng)逆變器的輸入和輸出的功率不匹配，則需要投入卸載電阻用來吸收過剩的能量以保證直流端電壓的穩(wěn)定。因此卸荷電路的作用是吸收直流端電容因功率不匹配產(chǎn)生的多余能量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流端電壓的目的，增強(qiáng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓運(yùn)行能力。而對(duì)卸荷電路的投入和切除都是通過功率控制元件來實(shí)現(xiàn)的。如圖4所示，位于直流端的卸荷電路與直流母線并聯(lián)，并且由全控型開關(guān)器件和卸荷電阻Rd串聯(lián)而成，其電路的工作狀態(tài)是由卸荷電路控制器來決定的。

直流卸荷電路控制器以功率偏差作為首要判斷條件。首先比較釆集到的光伏陣列輸出功率PPV和逆變器輸出功率Pg，然后由PI控制器根據(jù)功率偏差算出開關(guān)元件的導(dǎo)通占空比，以此來決定卸荷回路的投切狀態(tài)。同時(shí)，把直流端電壓當(dāng)作判斷的輔助條件，在產(chǎn)生的功率偏差對(duì)卸載電路的控制有較大的滯后或是直流端電壓升高過快時(shí)，將由直流端電壓作為判斷的條件實(shí)施控制。若以直流端電壓作為判斷投入的條件時(shí)，則必須繼續(xù)以直流端電壓作為判斷切出的條件，以防止兩種判斷條件之間產(chǎn)生沖突。

圖5表示的直流卸荷電路控制器的原理圖。其中，PPV表示光伏陣列輸出功率，Pg表示逆變器輸出功率，Udc表示直流側(cè)電壓，d表示開關(guān)器件的導(dǎo)通占空比。

圖5卸荷電路控制器的原理圖

根據(jù)圖5具體的控制策略為：首先通過計(jì)算PPV和Pg的差值得出功率偏差，但是不需要馬上投入卸荷電路。因?yàn)樵谡Ｇ闆r下輸入和輸出的功率也會(huì)存在一定的波動(dòng)，網(wǎng)側(cè)逆變器能夠在自身限流保護(hù)的范圍內(nèi)自行對(duì)直流端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。光伏陣列輸出電壓的升高會(huì)引起輸出功率的減小，從而部分改善了功率的不平衡狀況，抑制了直流側(cè)電壓的升高。當(dāng)出現(xiàn)逆變器無法對(duì)直流端電壓進(jìn)行控制的情況下，才需及時(shí)投入卸荷電路，對(duì)此要以功率的偏值差作為首要判斷依據(jù)。

當(dāng)時(shí)，卸荷電路不工作；當(dāng)時(shí)，啟動(dòng)卸荷電路，此時(shí)利用PI控制器對(duì)進(jìn)行控制，PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與三角波比較，形成的占空比d用來控制開關(guān)元件的通斷狀態(tài)；當(dāng)再次出現(xiàn)時(shí)，將卸荷電路切出。同時(shí)，將直流端電壓作為輔助判斷條件，當(dāng)直流端電壓升高到，則立刻將卸荷電路全部投入運(yùn)行；當(dāng)直流端電壓降低到設(shè)定的數(shù)值時(shí)，再將卸載電路切出。

當(dāng)電壓發(fā)生跌落導(dǎo)致逆變器的輸入、輸出功率不匹配時(shí)，多余的能量靠Rd來吸收，則有：

(2)

從而可推出開關(guān)元件的占空比d為：

(3)

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，d=0，即卸荷電路不參與工作；當(dāng)超出時(shí)，根據(jù)d控制開關(guān)元件來投入和切出卸荷電路；當(dāng)大于時(shí)，卸荷電阻馬上完全投入運(yùn)行，即d=1。

利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真條件為：仿真時(shí)間是0~0.5s，其中，在0.2~0.3s的時(shí)候，進(jìn)行三相對(duì)稱跌落仿真，跌落深度為60%，其波形如圖6所示。

由圖6可以看出，電網(wǎng)的三相電壓在0.2s時(shí)發(fā)生了跌落深度為60%的故障，并在0.3s時(shí)恢復(fù)了正常。根據(jù)并網(wǎng)技術(shù)要求，對(duì)這種暫時(shí)性的故障，在電壓跌落的這0.1s的時(shí)間內(nèi)要保證逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

圖6加入LVRT控制策略的仿真波形圖

a)并網(wǎng)電流

b)直流母線電壓

c)輸出的有功、無功功率

圖7加LVRT控制后的仿真波形圖

圖7為加LVRT控制后的仿真波形圖。如圖7a)所示的并網(wǎng)電流，雖有變大但符合限流要求，且波形基本接近正弦波；如圖7b)所示的直流母線電壓，雖有升高，但并未超過1.1倍Udc(pu)，完全符合低電壓穿越的要求；再如圖7c)所示，采用有功電流控制之后，重新分配了有功、無功電流的給定，系統(tǒng)輸出了一定的無功來支撐電網(wǎng)的恢復(fù)，這樣就保證了逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，完成了電壓對(duì)稱跌落時(shí)的低電壓穿越。

4基于兩相靜止坐標(biāo)系下的準(zhǔn)比例諧振控制策略

采用基于兩相靜止坐標(biāo)系的準(zhǔn)PR控制策略，該策略不需要對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行多次的正負(fù)序分解及前饋解耦控制，進(jìn)而減小了電流內(nèi)環(huán)的時(shí)間延遲，提高了不對(duì)稱故障條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。另外省去了負(fù)序電流控制環(huán)，并在實(shí)現(xiàn)了有功和無功解耦控制的同時(shí)還省去了多次的坐標(biāo)變換，大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

根據(jù)不對(duì)稱故障下光伏并網(wǎng)逆變器靜止坐標(biāo)系下有功和無功功率的方程如式(4)所示。同樣以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為目標(biāo)，將各負(fù)序電流分量的參考值設(shè)置為零，即：，。

則由式(4)可得電網(wǎng)電壓不對(duì)稱故障下并網(wǎng)逆變器的正負(fù)序電流指令參考值為：

同樣的，因?yàn)橐蟛⒕W(wǎng)逆變器運(yùn)行在功率因數(shù)為1的理想狀態(tài)，故需將網(wǎng)側(cè)無功功率平均值設(shè)置為零，即。并網(wǎng)逆變器輸出的平均有功功率仍然經(jīng)由電壓外環(huán)的PI控制器運(yùn)算后給出，如式(4)所示。

按照對(duì)稱分量法，不對(duì)稱的三相矢量等于正、負(fù)、零序三相對(duì)稱的矢量之和。以坐標(biāo)系下的電流、為例，且考慮到采用的是三相無中線光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，故不再考慮零序分量，則有：

目標(biāo)，并聯(lián)立式(5)、式(6)，則：

基于準(zhǔn)PR控制器的電流控制方程為：

(

基于準(zhǔn)PR控制的低電壓穿越控制策略簡(jiǎn)述如下：首先，在坐標(biāo)系下進(jìn)行功率分析，得出逆變器輸出有功功率P0與電網(wǎng)電壓及并網(wǎng)電流的正負(fù)序分量之間的關(guān)系，然后通過直流電壓外環(huán)得到平均有功功率P0的參考值，并最終計(jì)算出正負(fù)序電流分量參考值。然后根據(jù)對(duì)稱分量法，將正負(fù)序電流指令值相加得到

電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，基于準(zhǔn)PR控制器的并網(wǎng)逆變器LVRT控制策略的結(jié)構(gòu)如圖8所示。軸電流的指令值，各軸電流分別經(jīng)過準(zhǔn)PR控制器進(jìn)行控制，完成對(duì)正、負(fù)序電流參考值的零誤差跟蹤。不僅能有效的抑制并網(wǎng)電流的負(fù)序分量，而且電流內(nèi)環(huán)也不需要經(jīng)過多次坐標(biāo)變換和正、負(fù)序分離，使得控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，又保證了并網(wǎng)逆變器的LVRT能力。

圖8基于準(zhǔn)PR控制器的低電壓穿越控制策略框圖

5仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

仿真條件是：仿真時(shí)間為0~0.5s，為了方便分析，只以兩相跌落為例，在0.2~0.3s之間發(fā)生電網(wǎng)不對(duì)稱跌落，深度為60%，其波形如圖9所示。

圖9電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落故障

由圖9可以看出，電網(wǎng)A相與B相電壓在0.2s時(shí)發(fā)生了跌落深度為60%的不對(duì)稱故障，C相電壓正常。在0.3s時(shí)A相與B相電壓恢復(fù)了正常。根據(jù)并網(wǎng)技術(shù)要求，對(duì)這種類型的故障，在電壓跌落的這0.1s的時(shí)間內(nèi)要確保逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

    若采用基于坐標(biāo)系下的準(zhǔn)PR控制器的LVRT控制策略，仿真結(jié)果如圖10所示。

a)并網(wǎng)電流b)直流母線電壓

c)不對(duì)稱跌落故障時(shí)A相并網(wǎng)電流及諧波圖

圖10采用基于準(zhǔn)PR控制器的LVRT控制后的仿真波形

從圖9、圖10的仿真結(jié)果可以看出，采用了LVRT控制后，并網(wǎng)電流雖然都有所增大，但都在可接受的范圍內(nèi)，且波形接近正弦波；基于準(zhǔn)PR控制器的LVRT控制策略，避免了多次的正負(fù)序分解和前饋解耦控制，減小了電流內(nèi)環(huán)的時(shí)間延遲，提高了動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際工程應(yīng)用中具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)以上理論和仿真的研究，應(yīng)用在500KW光伏逆變器上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)以60%Un低電壓穿越測(cè)試為例說明。

1)10%Pn≤P≤30%Pn輕載時(shí)A相跌落，跌落到60%額定電壓的情形

圖11故障期間，電流基波正序、負(fù)序、零序分量有效值

圖12故障恢復(fù)時(shí)，相電流瞬時(shí)值

圖13故障期間，無功電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況

圖14有功功率、無功功率平均值

圖15故障期間，有功功率正序、負(fù)序分量

2)測(cè)試參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表160%輕載A相跌落測(cè)試參數(shù)

5結(jié)論

在兩相靜止坐標(biāo)系下采用準(zhǔn)PR控制器具有控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，并且無需多次坐標(biāo)變換，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。通過MATLAB仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，也證明了采用準(zhǔn)PR控制器不僅能夠很好地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的控制目標(biāo)，而且具有更小的諧波畸變率。電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落故障時(shí)光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制策略研究，基于

坐標(biāo)系的準(zhǔn)PR控制器的控制策略大大簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到了較大的提升。經(jīng)由仿真及實(shí)驗(yàn)證明了該控制方案的有效性。雖然基本實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，但是依然有待于進(jìn)一步的優(yōu)化，在不采用硬件設(shè)備的條件下有效的穩(wěn)定直流母線電壓等。并進(jìn)一步驗(yàn)證零電壓穿越時(shí)算法性能的可靠性。