陳亞愛， 劉勁東， 周京華， 金雍奧

(1. 北方工業(yè)大學(xué) 電力電子與電氣傳動工程中心，北京 100144；2. 國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 06500)

0 引 言

近年來，隨著新能源的發(fā)展受到重視，風(fēng)力發(fā)電和光伏電站等新能源發(fā)電的裝機(jī)總量得到了迅速發(fā)展。大量的新能源并網(wǎng)給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在新能源大規(guī)模集中并網(wǎng)區(qū)域，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，為保護(hù)風(fēng)電系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)的安全，若仍采取被動保護(hù)式的解列措施將會導(dǎo)致電網(wǎng)有功輸入大量減少，增加整個電力系統(tǒng)的恢復(fù)難度，甚至加劇故障，引起其他機(jī)組解列，導(dǎo)致大規(guī)模停電。因此，新的風(fēng)力和光伏并網(wǎng)接入規(guī)則均要求電站必須具備傳統(tǒng)發(fā)電站所具有的有功和無功調(diào)節(jié)能力，以保證電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行；并要求在電網(wǎng)故障條件下，保持一定時間的不間斷并網(wǎng)，以促進(jìn)電力系統(tǒng)恢復(fù)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上均采用變流器裝置控制，相對于雙饋式風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電和光伏并網(wǎng)發(fā)電采用逆變器并網(wǎng)，即發(fā)電站與電網(wǎng)間被逆變器隔離。當(dāng)電網(wǎng)故障時，不會直接影響到電機(jī)或者光伏電站，無雙饋式發(fā)電機(jī)中必須考慮的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等機(jī)械限制。因此，該結(jié)構(gòu)在低電壓穿越應(yīng)用中具有優(yōu)勢。本文將基于并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，研究直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)。采用MATLAB/Simulink對低電壓穿越方案進(jìn)行仿真，驗(yàn)證該方案的可行性和有效性。

1 逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由永磁發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)整流器、直流母線電容、網(wǎng)側(cè)逆變器、濾波器和變壓器組成。永磁發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，整流器和逆變器將電能轉(zhuǎn)化為可接入電網(wǎng)的三相交流電。選取適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕岣卟⒕W(wǎng)電能的質(zhì)量。而光伏電站是由電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化為三相交流電。基于并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)電網(wǎng)故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時，將針對該結(jié)構(gòu)下并網(wǎng)逆變器進(jìn)行低電壓穿越控制算法設(shè)計(jì)和仿真研究[1，2]。

圖1 基于并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 并網(wǎng)接入的低電壓穿越要求

新能源并網(wǎng)接入規(guī)則對低電壓穿越要求為： 當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型的故障時(主要包括三相短路、兩相短路和單相接地故障，故障在并網(wǎng)點(diǎn)處電壓表現(xiàn)為三相平衡跌落或不平衡跌落)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至一定曲線區(qū)間范圍時，風(fēng)電或光伏電站才可以從電網(wǎng)切出，風(fēng)電的穿越曲線要求如圖2中的曲線1所示，光伏電站的要求如圖2中的曲線2所示[3-4]。

圖2 風(fēng)力發(fā)電和光伏電站的低電壓穿越能力要求

對電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的并網(wǎng)逆變器，其有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復(fù)，自故障清除時刻開始，以至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。根據(jù)穿越曲線的要求，選擇具有代表性的光伏電站低電壓穿越進(jìn)行描述，即對于總裝機(jī)容量在百萬千瓦級規(guī)模及以上的光伏發(fā)電站群，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，光伏發(fā)電站在低電壓穿越過程中應(yīng)具有以下動態(tài)無功支撐能力。

(1) 當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生跌落時，光伏發(fā)電站應(yīng)能夠通過注入無功電流支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)；自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時刻起，動態(tài)無功電流控制的響應(yīng)時間≤75ms，持續(xù)時間應(yīng)≥550ms。

(2) 光伏發(fā)電站的無功電流饋入不應(yīng)使光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于1.1倍標(biāo)稱電壓。

(3) 光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流IT應(yīng)滿足：

式中：UT——光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值；

IT——光伏發(fā)電站額定電流。

3 低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)

在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的情況下，通過逆變器控制將直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量三相交流電，且要求電流穩(wěn)定，正弦度好，諧波含量低，同時頻率和功率因數(shù)需滿足并網(wǎng)的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常采用直流側(cè)電壓外環(huán)、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，將引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生平衡或不平衡的跌落，由功率平衡關(guān)系可知，電壓的跌落使得并網(wǎng)電流相應(yīng)增加，超出額定值時引起過電流，危害系統(tǒng)的安全；對于電壓不平衡跌落的情況，存在鎖相信號紊亂導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)和d、q軸的電流參考值波動等一系列問題，這將導(dǎo)致并網(wǎng)電流發(fā)生畸變，影響到發(fā)電系統(tǒng)的不間斷并網(wǎng)，因此必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

為了實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器控制的低電壓穿越，需重新設(shè)計(jì)鎖相環(huán)節(jié)和引入正負(fù)序分離技術(shù)等。

3.1 鎖相環(huán)設(shè)計(jì)

電網(wǎng)電壓的不平衡跌落或頻率變化會引起鎖相角度偏差或鎖相信號的正弦度差等問題，鎖相信號的質(zhì)量直接影響到并網(wǎng)電流的波形輸出質(zhì)量[5]。因此，可采用電網(wǎng)電壓正序分量鎖相的方式，解決電網(wǎng)不對稱故障時的鎖相問題。根據(jù)對稱分量法，可將不平衡的三相電壓分解成平衡的正序分量和負(fù)序分量，取正序分量作為過零鎖相的輸入信號，從而得到不平衡時電網(wǎng)電壓正序分量的精確相角。

3.2 正負(fù)序分離技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)抑制并網(wǎng)電流中的負(fù)序分量和獲得正確的鎖相信號，控制中需要從不平衡的電網(wǎng)電壓中提出正序分量。因不平衡的三相電壓可經(jīng)坐標(biāo)變換后得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d、q軸分量，變換后的表達(dá)式可表示為[2，6，7]

(1)

由式(1)可見，網(wǎng)側(cè)電壓的d、q軸分量均包含直流分量和二倍頻分量，可采用二倍頻陷波器的提取方式濾除等式右側(cè)的負(fù)序二倍頻分量，以獲取正序分量；同樣的方式適用于負(fù)序分量的提取?；诙额l陷波器的正序提取方法如圖3所示。

圖3 基于二倍頻陷波器的正序提取方法

3.3 低電壓穿越控制策略

(1) 控制原理。

低電壓穿越過程中，為了有效地保證并網(wǎng)電流的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)三相平衡，可采用抑制負(fù)序電流的控制策略。該控制算法通過控制交流側(cè)負(fù)序電流

分量為0，使得交流側(cè)只含有正序電流分量而維持三相平衡，控制框圖如圖4所示。

圖4中，電流內(nèi)環(huán)的d、q電流參考值計(jì)算表達(dá)為

(2)

式中：P0、Q0——逆變器并網(wǎng)輸出的有功功率和無功功率的平均值。

有功功率參考值與直流側(cè)電壓電流有關(guān)，即電壓外環(huán)可采用圖5所示的外環(huán)給定方式。在低電壓穿越期間，為保護(hù)并網(wǎng)逆變器件的安全，須對并網(wǎng)電流的幅值作限定。當(dāng)達(dá)到限幅值以后，逆變器輸出的功率將減小，為維持功率的平衡，可適當(dāng)增加直流母線電壓參考值以直流側(cè)的輸入功率。當(dāng)并網(wǎng)逆變器的前一級為光伏電池板時，直流母線電壓的上升將會引起陣列輸出功率不會運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，因此可切除MPPT算法部分。當(dāng)逆變器前一級為永磁發(fā)電系統(tǒng)時，考慮背靠背結(jié)構(gòu)的配合控制，采用該控制策略并網(wǎng)逆變器輸出功率將減小，因此，因適當(dāng)修正機(jī)側(cè)整流器的控制以減小永磁發(fā)電機(jī)的功率輸出，從而實(shí)現(xiàn)直流母線能量平衡。

圖4 基于并網(wǎng)逆變器控制的低電壓穿越控制原理圖

圖5 無功支撐曲線

基于并網(wǎng)逆變器的控制策略研究低電壓穿越控制算法，不涉及永磁電機(jī)的控制，因此選取更為直觀的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。根據(jù)光伏電池輸出的功率電壓特性曲線，表1列出了一組針對不同并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落條件下的直流母線電壓的給定值[7]。當(dāng)電壓跌落時，參考這組參數(shù)實(shí)時更新外環(huán)的給定值，可有效地提升系統(tǒng)的動態(tài)性能，快速維持功率的平衡。相對于風(fēng)電系統(tǒng)，光伏陣列直流母線電壓上升，在達(dá)到開路電壓后，光伏陣列的輸出功率為0，此時直流母線電壓不會繼續(xù)增大。

表1 直流側(cè)電壓給定值與并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的關(guān)系圖表

因此不會引起過電壓的問題，這一特性也是光伏低電壓穿越的優(yōu)勢所在。

因電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)較慢，調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)過電流，因此可采取d軸電流直接限幅保護(hù)，實(shí)時調(diào)節(jié)光伏陣列的功率輸出。假定向網(wǎng)側(cè)注入一定量的無功，則有功電流給定的最大值不能超過限定值imax，其值應(yīng)滿足

(3)

(2) 無功支撐。

新的并網(wǎng)接入規(guī)則規(guī)定低電壓穿越期間必須具備動態(tài)的無功支撐能力，且無功電流支撐與電網(wǎng)電壓跌落的幅度有關(guān)，如圖5所示。因此可通過判定電壓跌落的幅度，調(diào)節(jié)無功功率Q/iq的給定，實(shí)時調(diào)節(jié)并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)注入的無功電流值。調(diào)節(jié)過程中在滿足無功支撐的前提下，通過減小有功輸出以確保輸出總電流必須滿足限幅式(3)的要求。

(3) 有功恢復(fù)。

當(dāng)電網(wǎng)故障排除，電網(wǎng)電壓恢復(fù)至0.9pu時，此時通過調(diào)節(jié)d軸電流的給定值，以實(shí)現(xiàn)有功功率的恢復(fù)。且d軸電流給定值的恢復(fù)速度為至少10%pu/s的速度恢復(fù)到故障前的值。

4 仿真試驗(yàn)

針對500kW并網(wǎng)逆變器進(jìn)行了仿真研究。參數(shù)如下： 直流母線側(cè)額定輸出功率500kW，光伏陣列開路電壓720V，直流母線電容6600F，濾波電感0.17mH，網(wǎng)側(cè)額定電流1500A，允許最大流過電流1650A。

在MATLAB環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，并分別對并網(wǎng)點(diǎn)電壓平衡和不平衡跌落的情況進(jìn)行了仿真研究。仿真試驗(yàn)中用受控電壓源替代電網(wǎng)，受控電壓源的優(yōu)點(diǎn)是可模擬三相電壓的幅值、相位、相角的變化和切換時間調(diào)節(jié)。

4.1 并網(wǎng)點(diǎn)電壓平衡跌落的仿真

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相電壓平衡跌落(電壓三相跌落至20%pu)時，如圖6(a)所示。采用上述控制算法，在故障發(fā)生時刻，并網(wǎng)電流存在短暫的上升，被限定在設(shè)定值(1650A)以內(nèi)(如圖6(b)所示)；直流母線電壓上升以維持功率的平衡(如圖6(c)所示)；對于深度電壓跌落至20%pu的情況，甚至可采取控制有功為零，全無功輸出的方式，如圖6(d)所示。

圖6 電壓對稱跌落時的并網(wǎng)波形(abc三相跌落20%pu)

4.2 并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡跌落的仿真

電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡跌落，可分為單相、兩相和三相不平衡情況。對于電壓跌落幅度較小的單相故障，如圖7(a)所示。根據(jù)正序d軸檢測判定方式檢測到額定電壓>90%pu，此時無需無功支撐。仿真結(jié)果分別如圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)所示，此時并網(wǎng)電流略微上升，但在限定值以內(nèi)。另外，直流母線電壓基本維持恒定，功率保持平衡，符合理論分析結(jié)果。

圖7 單相電壓跌落(a相85%pu)時的輸出波形

當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓不平衡跌落較深時，需要輸出無功，如圖8、圖9所示。其中，圖8為單相電壓跌落 (a相跌落至50%pu)；圖9為兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)。此時，保持原有的有功輸出將導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流過流，需要采取限制措施，限定后的電流波形如圖8(b)、圖9(b)所示，維持在限定值(1650A)以內(nèi)，同時直流母線電壓上升，使得輸出有功功率減少，保證無功功率的輸出。如圖8(c)、圖8(d)、圖9(c)、圖9(d)所示，因母線電壓出現(xiàn)的二倍頻波動幅值較小，較之于對于600V的母線額定條件可忽略，因此該條件下也滿足并網(wǎng)規(guī)定的要求。

圖8 單相電壓跌落(a相50%pu)時的輸出波形

圖9 兩相電壓跌落(a相50%，b相80%，c相100%)時的輸出波形

采取抑制負(fù)序電流的控制措施對于并網(wǎng)點(diǎn)電壓三相不平衡跌落，依舊能保持較好的控制效果，如圖10所示(a相10%，b相50%，c相70%)。并網(wǎng)電流(圖10(b))、直流母線電壓幅值(圖10(c))以及無功支撐、有功輸出(圖10(d))均滿足并網(wǎng)要求。

圖10 三相電壓不平衡跌落(a相10%，b相50%，c相70%)時的輸出波形

仿真結(jié)果表明： 對于并網(wǎng)點(diǎn)電壓的跌落情況，在并網(wǎng)規(guī)定曲線1以上時，該方案均能有效地控制并網(wǎng)電流并提供無功支撐。

5 結(jié) 語

在故障發(fā)生時刻，采用切換的方式，將直流母線電壓參考值由MPPT算法得到或者前級整流得到切換為參照表1直接給定，以保證逆變器輸入輸出的功率平衡。按新的逆變器并網(wǎng)接入規(guī)定要求，采用抑制負(fù)序電流的控制策略，保護(hù)系統(tǒng)在安全的前提下保持不間斷并網(wǎng)，同時維持三相電流平衡，減小并網(wǎng)電流的THD。有效地控制基波正序分量有功功率輸出的穩(wěn)定，并按照規(guī)定要求，發(fā)出無功以支撐電網(wǎng)至恢復(fù)，同時留有一定的余量提供故障期間的有功功率輸出。采用該控制方式，使得并網(wǎng)逆變器具有低電壓穿越能力，能適應(yīng)極端條件下的電網(wǎng)電壓故障時不間斷并網(wǎng)，從而滿足并網(wǎng)接入規(guī)定。在從理論上對低電壓穿越實(shí)現(xiàn)的可行性做出分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的控制策略。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方案的可行性，對直驅(qū)式永磁同步發(fā)電和光伏發(fā)電的低電壓穿越的工程實(shí)現(xiàn)有參考意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2] 李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] GB/T 19964—2011 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定 [S].

[4] Q_GDW 392—2009 國家電網(wǎng)公司風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定 [S].

[5] LIMONG L R, BOJOI R, PICA C, et al. Analysis and comparison of phase locked loop techniques for grid utility applications[C]∥Power Conversion Conference Nagoya, 2007： 674-681.

[6] MAJID T, JAVAD S， EBADOLLAH K. Protection of grid connected photovoltaic system during voltage sag [C]∥The International Conference on Advanced Power System Automation and Protection,2011： 2030-2035.

[7] CHRISTIAN H B, FRANKE W T, FRIEDRICH W F. Low voltage ride through capability of a 5 kW grid-tied solar inverter [C]∥14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE-PEMC 2010： 1213-1220.