楊舟 楊滔 馬成斌 李春 董祖毅 上海電氣集團(tuán)股份有限公司輸配電分公司技術(shù)中心 (200042)

楊舟（1985年~），男，碩士，助理工程師，主要從事新能源變流器的研發(fā)工作。

0 前 言

當(dāng)前光伏發(fā)電已成為太陽能資源開發(fā)利用的重要形式，其中大型光伏電站的接入，將對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生深刻影響，特別是在電網(wǎng)故障時(shí)光伏電站的突然脫網(wǎng)會(huì)進(jìn)一步惡化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，帶來更加嚴(yán)重的后果[1,2]。

為維持光伏能源高滲透下電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，新的并網(wǎng)接入規(guī)則要求大中型光伏逆變器應(yīng)具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，即在電網(wǎng)故障期間保持光伏逆變器不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[3]。

文獻(xiàn)[4-6]主要分析了目前光伏電站實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的重要性和必要性。光伏電站與風(fēng)電場相比，相同的是都通過電力電子器件并網(wǎng)，電力電子器件的耐受能力制約光伏電站的低電壓穿越能力；不同的是光伏電站沒有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，直流側(cè)的電壓在電網(wǎng)故障時(shí)不會(huì)像風(fēng)電機(jī)組那樣升高很多，制約光伏逆變器低電壓穿越的瓶頸是逆變器交流側(cè)輸出電流的大小，在電網(wǎng)電壓跌落期間，需要控制有功電流，否則若超過額定電流過大，會(huì)損害電力電器件。另外光伏電站正常并網(wǎng)工作時(shí)的輸出效率主要由最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）策略決定[7]，有效的控制是光伏逆變器穩(wěn)定高效運(yùn)行并完成低電壓穿越的前提，且低電壓穿越過程前后逆變器對有功、無功電流的控制，是通過穿越過程和MPPT過程的動(dòng)態(tài)切換實(shí)現(xiàn)的，對輸出功率大小、相位、增減速度的控制是光伏逆變器低電壓穿越的重點(diǎn)。

根據(jù)電網(wǎng)電壓正常和三相平衡跌落的運(yùn)行條件，文獻(xiàn)[8-9]采用常規(guī)控制與 LVRT 控制相切換的策略實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，但未對不平衡跌落進(jìn)行分析。按照光伏低電壓穿越的最新標(biāo)準(zhǔn)，針對不同深度的不平衡跌落情況，需要發(fā)出不同幅值的無功電流對電網(wǎng)進(jìn)行支撐，文獻(xiàn)[10]提出了利用單相電壓虛擬構(gòu)建的方式快速獲取不平衡跌落時(shí)單相電壓跌落深度的方法。

筆者在基于直流母線電壓控制的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了大功率光伏逆變器的低電壓穿越，針對平衡和不平衡的電壓跌落情況，按照低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)予以無功補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)MPPT過程和低電壓穿越過程的快速切換，保證了低電壓穿越起始過程的無功補(bǔ)償速度和結(jié)束過程的有功恢復(fù)速度。該方法在500kW光伏逆變器的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用并通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

1 光伏電站低電壓穿越要求

新的并網(wǎng)接入規(guī)則規(guī)定大型光伏電站的中高壓型逆變器應(yīng)具備一定的耐受異常電壓的能力，避免在電網(wǎng)電壓異常時(shí)脫離，引起電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。[3]電網(wǎng)電壓異常在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中體現(xiàn)為并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，根據(jù)跌落類型可分為三相平衡跌落和三相不平衡跌落。

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》(Q/GDW617-2011)要求，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至圖 1 所示的曲線 1 以下時(shí)，光伏逆變器可以從電網(wǎng)切出。

根據(jù)要求，光伏逆變器在低電壓穿越期間，并網(wǎng)運(yùn)行需要滿足：

(1) 電網(wǎng)電壓跌落瞬間，需在保護(hù)光伏逆變器安全的前提下保持不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；

(2) 低電壓穿越期間，保持逆變器并網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)按照并網(wǎng)規(guī)則向電網(wǎng)提供必要的無功支撐；

(3) 電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，有功電流需以至少30%額定功率/秒的變化率恢復(fù)至故障前的運(yùn)行幅值。

圖1 大中型光伏電站的低電壓穿越能力要求

2 光伏逆變器的設(shè)計(jì)

2.1 光伏逆變器的結(jié)構(gòu)和控制策略

筆者介紹的大功率光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

大功率光伏逆變器輸入端一般沒有DC/DC環(huán)節(jié)，直接輸入光伏陣列的直流電壓，正常工作的電壓范圍為450～800V。輸出端為三相三線制，并入270V線電壓的電網(wǎng)。逆變器采用LC濾波的結(jié)構(gòu)。

圖2 500kW光伏逆變器的結(jié)構(gòu)

逆變器的控制目標(biāo)是輸出穩(wěn)定、高質(zhì)量的正弦電流，且與并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻率、相位相匹配，并達(dá)到相應(yīng)的功率因數(shù)。在光伏逆變器LC濾波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用電流雙環(huán)PI調(diào)節(jié)方式，以實(shí)現(xiàn)對三相逆變橋的精確控制，圖3為控制框圖。

圖3 電流雙環(huán)PI調(diào)節(jié)

逆變器通過MPPT算法得到電流d軸分量參考值Id，Id與逆變器輸出端測得的電流d軸分量之間的誤差信號經(jīng)過兩次電流環(huán)PI 調(diào)節(jié)、dq解耦過程，最終得到逆變器PWM 調(diào)制波Ud。同理對逆變器輸出的無功電流進(jìn)行控制，無功電流的給定值為Iq_ref。

2.2 基于直流母線電壓控制的最大功率跟蹤策略

PV陣列特性決定了光伏逆變器的功率控制策略，光伏陣列特性曲線如圖4所示。其中，P為功率，I為電流，MPP為最大功率點(diǎn)。逆變器在正常運(yùn)行的過程中一般處于最大功率跟蹤(MPPT)階段，MPPT的效率決定逆變器的性能，而在遇到電網(wǎng)電壓跌落過程前后，逆變器需要在MPPT狀態(tài)和低電壓穿越狀態(tài)之間進(jìn)行切換。切換的速度和MPPT策略的合理性決定了逆變器是否能夠滿足低電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 太陽能電池輸出特性曲線(不同光照強(qiáng)度下)

光伏逆變器常用的MPPT策略是基于并網(wǎng)電流直接控制的擾動(dòng)法[9]，即直接將逆變器的并網(wǎng)電流的給定值進(jìn)行周期性改變，通過計(jì)算逆變器輸入功率隨并網(wǎng)電流改變而產(chǎn)生的變化來確定并網(wǎng)電流給定值的變化趨勢。

常規(guī)的MPPT策略在光照正常時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對PV陣列輸入功率較為準(zhǔn)確的跟蹤，但在天氣復(fù)雜、光照強(qiáng)弱變化較快時(shí)，尤其是光照迅速減弱，PV陣列輸入功率瞬降的情況下，容易發(fā)生直流母線電壓崩潰的現(xiàn)象[10]。崩潰后逆變器常工作于功率曲線的低電壓、小功率部分，無法回到最大功率點(diǎn)處，導(dǎo)致輸出效率嚴(yán)重降低且波形畸變。

為了防止直流母線電壓崩潰，改進(jìn)的MPPT策略有電導(dǎo)增量法、變步長擾動(dòng)法[10]等，這些方法在普通擾動(dòng)法的基礎(chǔ)上利用更快速、更精確的運(yùn)算使得逆變器的輸出在最大功率點(diǎn)處形成更小幅度的功率波動(dòng)，在PV陣列的輸入功率產(chǎn)生變化時(shí)能夠計(jì)算得到并網(wǎng)給定電流值的正確變化趨勢。然而這些方法普遍對系統(tǒng)的采樣精度提出了更高的要求，使硬件的成本提高，且變步長的擾動(dòng)方法在每一次功率大幅度變化之后都要重新進(jìn)行步長的調(diào)整，難以滿足低電壓穿越后的功率恢復(fù)的速度要求。

該光伏逆變器使用基于直流母線電壓控制的擾動(dòng)法進(jìn)行MPPT，即將擾動(dòng)的對象改為直流母線的給定值，在電流雙環(huán)PI控制之外，加入直流母線電壓PI外環(huán)，通過對直流母線電壓給定值的擾動(dòng)和對功率變化趨勢的計(jì)算，獲得每一時(shí)刻盡量靠近最大功率點(diǎn)附近的電壓值，并通過外環(huán)的PI調(diào)節(jié)獲取并網(wǎng)電流的給定值。

使用基于電壓外環(huán)的擾動(dòng)法進(jìn)行MPPT，在PV陣列輸入功率快速變化的情況下，也能避免直流母線電壓崩潰的現(xiàn)象，且通過對外環(huán)PI的調(diào)整，可以直接調(diào)節(jié)功率跟蹤的速度，是低電壓穿越后進(jìn)行功率恢復(fù)速度的保證。

3 光伏逆變器的低電壓穿越的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)光伏逆變器運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，電網(wǎng)電壓跌落瞬間時(shí)，由功率平衡原理可知，直流母線電壓Udc將瞬間升高；由PV曲線可知，電壓的升高導(dǎo)致光伏陣列輸出功率減小，直到達(dá)到新的功率平衡點(diǎn)，直流母線將維持穩(wěn)定，且Udc最大不會(huì)超過開路電壓，所以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中直流母線的保護(hù)具有固有優(yōu)勢，光伏逆變器低電壓穿越的重點(diǎn)在于對跌落電壓深度的測量，及時(shí)給予滿足要求的無功電流支撐以及跌落結(jié)束后快速的功率恢復(fù)。

3.1 電網(wǎng)電壓的檢測

電網(wǎng)電壓的跌落分為平衡跌落和不平衡跌落，可以通過正負(fù)序分解的方法獲取電網(wǎng)電壓的幅值和不平衡度。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生平衡跌落時(shí)，負(fù)序分量較小，從電網(wǎng)電壓正序分量可以直接分解出電網(wǎng)的跌落深度。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不平衡跌落時(shí)，負(fù)序分量較大，此時(shí)從電網(wǎng)電壓的正序分量中不能判斷出是哪一相發(fā)生的跌落及跌落的深度。如圖5所示，采用單相電網(wǎng)電壓虛擬構(gòu)建的方法，獲取每一相電網(wǎng)電壓的幅值。

圖5 利用單相電壓虛擬構(gòu)建三相電壓的方法

在任意時(shí)刻，對每一相電壓，將此刻所采集到的此相電壓的幅值作為虛擬A相電壓、緩存的1/6周期之前的該相電壓幅值作為虛擬B相電壓、將前兩者的反向和作為虛擬的C相電壓，直接求取此虛擬的三相電壓的正序分量，即可得到該電壓當(dāng)前時(shí)刻的近似幅值。

3.2 無功電流的支撐

按照低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，逆變器需要在電網(wǎng)電壓跌落期間，向電網(wǎng)發(fā)出相應(yīng)大小的無功電流。按照光伏低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)，對于電網(wǎng)電壓的平衡跌落，需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流幅值須滿足：

其中，Ud*/Ud為電網(wǎng)電壓跌落的深度值，低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求在跌落開始30ms內(nèi)補(bǔ)償?shù)臒o功電流幅值需要達(dá)到要求的幅值的90%以上。故在檢測到電網(wǎng)電壓實(shí)際值為電網(wǎng)理論電壓值的85%時(shí)，就需要根據(jù)公式開始跟隨電壓跌落深度補(bǔ)償無功電流。且逆變器運(yùn)行過程中的有功電流、補(bǔ)償?shù)臒o功電流大小需要滿足：

式中Imax為考慮到逆變器模塊承受能力所允許的最大電流，電壓跌落期間電流的穩(wěn)定控制和無功支撐通過動(dòng)態(tài)改變dq軸電流指令值來實(shí)現(xiàn)，并選取適當(dāng)?shù)目刂破鲄?shù)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 跌落結(jié)束后的功率恢復(fù)過程

對于光伏逆變器，在電網(wǎng)電壓跌落期間減少有功電流提供無功支撐，根據(jù)PV陣列的功率曲線，逆變器工作點(diǎn)將接近于開路電壓點(diǎn)。故在跌落結(jié)束后逆變器功率恢復(fù)的過程近似于逆變器開機(jī)時(shí)從開路電壓點(diǎn)到最大功率點(diǎn)的MPPT過程。

低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求，跌落結(jié)束后的功率恢復(fù)速度需要達(dá)到最大功率的33%/秒。如果僅使用穩(wěn)定工作時(shí)基于直流母線電壓控制的擾動(dòng)法進(jìn)行功率恢復(fù)，恢復(fù)的速度只由開路電壓點(diǎn)和最大功率點(diǎn)的電壓差決定，和功率大小無關(guān)。故逆變器在重載情況下的功率恢復(fù)速度遠(yuǎn)大于輕載情況下的功率恢復(fù)速度。

為了使逆變器在輕載情況下也能達(dá)到要求的恢復(fù)速率，逆變器在跌落結(jié)束時(shí)首先采用母線電壓參考值固定的方式，使逆變器運(yùn)行的功率點(diǎn)迅速恢復(fù)到最大功率點(diǎn)附近，再切換至擾動(dòng)參考電壓的MPPT運(yùn)行方式，進(jìn)行較為準(zhǔn)確的功率點(diǎn)定位。

如圖6，根據(jù)光伏陣列的功率曲線，最大功率點(diǎn)處的電壓一般為開環(huán)電壓的80%左右?？紤]到電壓跌落過程中，逆變器發(fā)出的有功電流較小，可以近似認(rèn)為跌落過程中的母線電壓值等同于跌落后開始功率恢復(fù)時(shí)的開路電壓值。故在低電壓跌落結(jié)束時(shí)，可以將固定的母線參考電壓設(shè)定為跌落過程中母線電壓的85%，使逆變器迅速越過低功率的曲線部分，加快功率恢復(fù)。

圖6 光伏逆變器功率恢復(fù)過程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對所提出的控制策略，使用500kW的光伏逆變器在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了驗(yàn)證，逆變器的參數(shù)如下：

附表 逆變器的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)使用艾普斯的交流側(cè)模擬裝置和Kewell的PV模擬器，驗(yàn)證逆變器在正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率輸出策略和低電壓穿越能力。

4.1 最大功率跟蹤效果

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定模擬單晶硅光伏陣列，在不同光照條件下逆變器進(jìn)行最大功率跟蹤的直流電壓范圍為450～650V，采用基于母線電壓擾動(dòng)的MPPT策略，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬光照穩(wěn)定的條件下，逆變器的母線電壓、輸出的電流波形和功率曲線如圖7。

圖7 光伏逆變器平穩(wěn)運(yùn)行的電壓、電流、功率情況

其中，直流母線電壓因擾動(dòng)策略造成的波動(dòng)在正負(fù)10V之內(nèi)，符合一般光伏逆變器標(biāo)準(zhǔn)的要求。逆變器的靜態(tài)MPPT效率在99.3%以上。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬光照條件變化的情況，在變化最劇烈的情況下，最大功率點(diǎn)處的輸出功率由額定功率的30%至100%在10s之內(nèi)來回變化，逆變器仍能保持對最大功率點(diǎn)處迅速準(zhǔn)確的跟蹤。

此時(shí)，動(dòng)態(tài)MPPT的效率仍能保持在98.8%以上，即表明在光照劇烈變化的條件下，逆變器不會(huì)發(fā)生直流母線崩潰的現(xiàn)象，仍能保持高效率的功率輸出。

4.2 低電壓穿越的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖8，逆變器進(jìn)行電網(wǎng)電壓平衡跌落，逆變器對跌落迅速作出反應(yīng)并給予無功電流的支撐，在跌落結(jié)束之后的有功功率恢復(fù)速度>90%/秒，滿足低電壓穿越要求。

圖8 光伏逆變器低電壓穿越平衡跌落的情況

如圖9，逆變器正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行電網(wǎng)不平衡跌落，逆變器對跌落作出反應(yīng)并給予無功電流的支撐。其中，單相跌至80%的情況僅用三相電壓正序分量難以判斷出跌落的發(fā)生，用單相電壓虛擬構(gòu)建的方式可以及時(shí)判斷出跌落并進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖9 光伏逆變器低電壓穿越不平衡跌落的情況

5 結(jié)語

筆者介紹了一款光伏逆變器低電壓穿越過程的實(shí)現(xiàn)方法。利用對直流母線電壓的擾動(dòng)進(jìn)行最大功率跟蹤，能夠防止在光照變化的情況下逆變器可能發(fā)生的直流母線崩潰，保持逆變器運(yùn)行過程中的高效率，是低電壓穿越過程結(jié)束后快速進(jìn)行功率恢復(fù)的基礎(chǔ)，此外依靠對電網(wǎng)單相電壓的虛擬構(gòu)建方法，可以對不平衡跌落進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了逆變器低電壓穿越策略的有效性。

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