歐陽(yáng)森,馬文杰
華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣東 廣州 510640)
為應(yīng)對(duì)能源危機(jī)問(wèn)題,各種可再生能源在電力系統(tǒng)中所占的比例越來(lái)越大[1-2]。其中,光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)一直為關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著分布式光伏發(fā)電單元數(shù)量的增多,為保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均要求光伏逆變器具備一定的低電壓穿越(LVRT)能力。因此,進(jìn)行光伏逆變器的LVRT控制策略研究具有重要的實(shí)際意義[3]。
文獻(xiàn)[4]針對(duì)大功率單級(jí)式光伏逆變器,提出了基于正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系的以抑制網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流為控制目標(biāo)的LVRT控制策略。該策略能在保證故障期間并網(wǎng)電流波形品質(zhì)的前提下,實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功電流的獨(dú)立控制,為系統(tǒng)提供電壓支撐。但是,該策略中需要4個(gè)電流PI控制器,整定控制參數(shù)較為困難。根據(jù)逆變器的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)全電壓前饋補(bǔ)償項(xiàng),文獻(xiàn)[5]提出一種基于全電壓前饋的LVRT控制策略,可有效應(yīng)對(duì)LVRT期間的過(guò)電流和諧波問(wèn)題。為加快故障期間光伏逆變器輸出電流響應(yīng)的速度,文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)LVRT控制策略的基礎(chǔ)上,將基于模型電流預(yù)測(cè)控制的方法運(yùn)用到單級(jí)式光伏逆變器的LVRT控制中,可實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功功率的快速控制。針對(duì)兩級(jí)式光伏逆變器LVRT問(wèn)題,文獻(xiàn)[7-8]分別提出基于超級(jí)電容和直流側(cè)卸荷電路的LVRT控制策略。通過(guò)增加額外的硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)LVRT期間交、直流側(cè)有功功率的平衡,達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓和防止逆變器過(guò)電流的目的。但是,硬件電路的引入會(huì)增加系統(tǒng)體積,導(dǎo)致安裝不方便、成本上升等問(wèn)題。為此,文獻(xiàn)[9]從軟件層面提出變功率跟蹤軌跡的光伏逆變器LVRT控制策略。該策略通過(guò)對(duì)功率跟蹤軌跡進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)時(shí)改變光伏電池端電壓,進(jìn)而快速有效地控制光伏電池的輸出功率,實(shí)現(xiàn)交、直流側(cè)的有功平衡。在保證發(fā)生故障時(shí)光伏逆變器不脫網(wǎng)運(yùn)行的前提條件下,為提升LVRT期間光伏逆變器的并網(wǎng)電能質(zhì)量,文獻(xiàn)[10]針對(duì)有功功率提出一種基于快速電流控制器和可重構(gòu)參考電流選擇器的靈活有功控制策略。類(lèi)似地,文獻(xiàn)[11]針對(duì)無(wú)功功率的控制也做出了相應(yīng)的研究。更進(jìn)一步地,為靈活調(diào)整故障期間并網(wǎng)有功、無(wú)功功率中正、負(fù)序分量的占比,文獻(xiàn)[12]提出一種基于功率加權(quán)分配的LVRT控制策略。文獻(xiàn)[13]提出一種基于正、負(fù)序電壓加權(quán)分配的無(wú)功控制策略,可提升光伏逆變器應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型電壓故障的能力,但文獻(xiàn)[13]并未對(duì)策略中有功、無(wú)功功率指令的計(jì)算方法進(jìn)行討論。文獻(xiàn)[14]借鑒文獻(xiàn)[13]提出的電流指令計(jì)算方法,提出一種以有功功率輸出最大化為目標(biāo)且兼顧有功功率波動(dòng)抑制功能的故障穿越控制策略。
上述大部分文獻(xiàn)所提策略均能實(shí)現(xiàn)發(fā)生低壓故障時(shí)光伏逆變器的不脫網(wǎng)運(yùn)行,且考慮了對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功支撐。但是所提的無(wú)功補(bǔ)償策略并沒(méi)有針對(duì)具體的電壓故障類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此,本文在文獻(xiàn)[13-15]的研究基礎(chǔ)上,提出一種基于電壓正、負(fù)序分量加權(quán)分配的無(wú)功支撐策略,并以優(yōu)先輸出無(wú)功功率為原則設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功率指令計(jì)算方法,可提升光伏逆變器應(yīng)對(duì)不同類(lèi)型電壓故障的LVRT能力,通過(guò)仿真驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)策略的有效性。
根據(jù)NB/T 32004—2013《光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變器技術(shù)規(guī)范》要求,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至圖1中的曲線1以下時(shí),光伏逆變器可以從電網(wǎng)切除,圖中光伏并網(wǎng)點(diǎn)(PCC)電壓為標(biāo)幺值。在LVRT期間,光伏逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行需要滿足:在電壓跌落瞬間,光伏逆變器在保證自身安全的前提下應(yīng)能不間斷并網(wǎng)運(yùn)行;在LVRT期間,光伏逆變器應(yīng)能對(duì)電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支撐。
圖1 光伏電站的LVRT能力要求Fig.1 LVRT capacity requirement of photovoltaic power station
根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論,為實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的并網(wǎng)功率控制,在不平衡電網(wǎng)下的電流指令為[16]:
(1)
根據(jù)對(duì)稱分量法,式(1)中的分母部分為:
(2)
其中,V為PCC電壓幅值;ω為電壓基頻;φ為電壓相位。
由于式(2)中存在2倍頻分量,為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)恒功率控制而按照式(1)進(jìn)行電流指令計(jì)算,則會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)電流中含較多的諧波分量。根據(jù)文獻(xiàn)[17],由于光伏發(fā)電系統(tǒng)中不存在機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分,因此由電網(wǎng)負(fù)序電壓所引起的直流母線電壓波動(dòng)并不會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。從而,以保證電流波形質(zhì)量為目標(biāo),而不抑制并網(wǎng)功率波動(dòng),產(chǎn)生另一種電流指令計(jì)算方法如下:
(3)
為控制光伏逆變器實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型電壓故障下的柔性電壓支撐,本文提出一種基于正、負(fù)序電壓分量加權(quán)分配的無(wú)功電流指令計(jì)算方法如下:
(4)
其中,k+、k-為加權(quán)分配因子。兩者關(guān)系如下:
k++k-=1k+∈(0,1)
(5)
在LVRT期間,有功電流需根據(jù)電壓跌落深度來(lái)設(shè)定,在跌落深度較深時(shí)可設(shè)置為0[9]。且由于線路電阻一般較小,其對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐作用并不明顯,故本文在計(jì)算有功電流指令時(shí)只考慮電網(wǎng)電壓正序分量,具體計(jì)算公式如下:
(6)
綜上,總電流指令為:
(7)
對(duì)比式(7)與式(1)、(3)可知,在各種類(lèi)型的電壓故障情況下,傳統(tǒng)LVRT控制策略中的無(wú)功電流指令計(jì)算方式都是固定不變的,而本文策略中可通過(guò)調(diào)整分配因子大小來(lái)改變無(wú)功電流中所含正、負(fù)序分量的比重。
光伏逆變器的并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。圖中,i為逆變器并網(wǎng)電流瞬時(shí)值;v為PCC電壓瞬時(shí)值;vdc為直流母線電壓。為分析光伏逆變器的無(wú)功輸出電流對(duì)PCC電壓的支撐作用,可將PCC電壓表示如下:
(8)
圖2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.2 Photovoltaic grid-connected system
圖3 正、負(fù)序電壓相量圖Fig.3 Phasor graph of positive- and negative-sequence voltage
當(dāng)忽略線路電阻時(shí),若按照式(4)計(jì)算無(wú)功電流指令,可得電壓相量圖如圖3所示。根據(jù)圖3可得PCC電壓正、負(fù)序分量的計(jì)算公式如下:
(9)
分析式(9)可知,當(dāng)設(shè)定因子k+→1時(shí),可提升PCC電壓正序分量幅值,而電壓負(fù)序分量幅值基本保持不變;當(dāng)設(shè)定k+→ 0時(shí),可減小PCC電壓負(fù)序分量幅值,而電壓正序分量幅值基本保持不變。
為保證光伏逆變器的正常運(yùn)行,其輸出電流應(yīng)該小于其最大允許值。設(shè)逆變器的實(shí)際輸出電流可基本跟隨指令,根據(jù)本文策略中電流計(jì)算公式(式(7)),可得到LVRT期間光伏逆變器的三相輸出電流如下:
(10)
將式(4)、(6)代入式(10),可得各相電流峰值為:
(11)
(12)
根據(jù)文獻(xiàn)[18],本文定義電壓跌落深度D如下:
D=1-Vmin/VN
(13)
Vmin=min(Va,Vb,Vc)
其中,Va、Vb、Vc為電網(wǎng)三相電壓有效值;VN為PCC電壓額定值。當(dāng)D< 0.1時(shí),光伏逆變器正常運(yùn)行;一旦檢測(cè)到D>0.1,光伏逆變器即進(jìn)入故障穿越模式。
根據(jù)式(11)可知,故障情況下因逆變器電流容量受限,功率指令P*和Q*不能過(guò)大。本文策略中對(duì)P*和Q*的分配關(guān)系如下:
(14)
當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時(shí),在LVRT期間,控制光伏逆變器向電網(wǎng)注入無(wú)功功率可達(dá)到提升PCC電壓的效果。根據(jù)2.2節(jié)分析可知,當(dāng)設(shè)定因子k+→1時(shí),可提升三相電壓有效值,若發(fā)生單相接地短路等不對(duì)稱故障,采取此方法將導(dǎo)致各相電壓有效值之間的差異增大,有可能導(dǎo)致未發(fā)生故障的一相或兩相的電壓越限,因此,宜在發(fā)生三相對(duì)稱故障時(shí)設(shè)定k+=1。當(dāng)設(shè)定因子k+→ 0時(shí),逆變器的并網(wǎng)無(wú)功電流主要為負(fù)序分量,可減小PCC電壓的負(fù)序分量幅值。因此,當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),設(shè)定因子k+=0.1可取得較大程度的三相電壓不平衡補(bǔ)償效果。因此,通過(guò)調(diào)整分配因子k+的值即可取得不同的電壓支撐效果。
綜上,采用本文所設(shè)計(jì)的基于正、負(fù)序電壓分量加權(quán)分配可實(shí)現(xiàn)柔性電壓支撐的LVRT控制策略的光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)示意圖如圖4所示。需要指出的是,本文所提LVRT控制策略在強(qiáng)電網(wǎng)和弱電網(wǎng)中均能在故障期間為系統(tǒng)提供電壓支撐。但是,本文策略在強(qiáng)電網(wǎng)環(huán)境下所能取得的電壓支撐效果較弱,在弱電網(wǎng)環(huán)境下更具實(shí)際意義,且策略效果還與光伏逆變器的容量相關(guān)。
本文基于PSCAD仿真平臺(tái)對(duì)額定容量為100 kW的單級(jí)式光伏逆變器進(jìn)行了當(dāng)電網(wǎng)側(cè)(圖4中Vg位置)發(fā)生三相對(duì)稱故障、單相短路接地故障和兩相短路接地故障的仿真研究,以驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)策略的有效性,在各個(gè)仿真研究中均采用電壓前饋來(lái)抑制故障瞬間的電流沖擊。具體仿真參數(shù)如下:PCC電壓頻率為50 Hz,額定有效值為220 V;光伏逆變器的額定輸出電流有效值為155.6 A;濾波器橋臂側(cè)電感L1=0.17 mH,濾波電容C=200 μF,網(wǎng)側(cè)電感L2=0.05 mH;直流側(cè)母線電容為6 000 μF;開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz;電網(wǎng)線路電阻為0.001 Ω,電感為0.5 mH。
電網(wǎng)側(cè)在0.3 s時(shí)發(fā)生三相對(duì)稱故障,在0.3~0.4 s 內(nèi)光伏逆變器只輸出有功功率,在0.4 s后設(shè)定k+=1,輸出無(wú)功功率,仿真結(jié)果如圖5所示。
圖4 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)Fig.4 Photovoltaic grid-connected control system
圖5 對(duì)稱故障下的仿真結(jié)果Fig.5 Simulative results under symmetrical fault
分析圖5可知,故障發(fā)生后PCC電壓有效值跌落至66 V左右,光伏逆變器的輸出電流有所增大,最大值約為235 A,小于最大允許電流240 A。在控制光伏逆變器進(jìn)行無(wú)功輸出后,PCC電壓有效值抬升至113 V左右。
為對(duì)比k+取不同值時(shí)的策略效果,以0.1 s為一個(gè)階段,分3個(gè)階段進(jìn)行仿真,具體條件設(shè)定如下:電網(wǎng)側(cè)在0.3 s時(shí)發(fā)生a相接地短路故障,在0.3~0.4 s內(nèi)光伏逆變器只輸出有功功率,0.4 s后輸出無(wú)功功率。在0.4~0.5s內(nèi)設(shè)定k+=0.9,0.5~0.6 s內(nèi)設(shè)定k+=0.1。
為衡量PCC電壓不平衡程度,定義變量n為:
n=V-/V+
(15)
具體仿真結(jié)果如圖6所示。
圖6 單相短路故障下的仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results under single-phase short circuit fault
根據(jù)圖6可知,3個(gè)階段中光伏逆變器各相的輸出電流均未超過(guò)最大允許值,保證了LVRT期間本文所提策略的順利實(shí)現(xiàn),而且在3個(gè)階段中,輸出相電流的最大值基本保持在最大允許值附近,實(shí)現(xiàn)了光伏逆變器容量的充分利用,驗(yàn)證了本文2.3節(jié)中功率指令最值計(jì)算部分理論研究的正確性。故障發(fā)生后,PCC處a相電壓有效值跌落至84.3 V,b、c兩相電壓基本不變。第2階段設(shè)定k+=0.9,此時(shí)光伏逆變器三相電流基本對(duì)稱,無(wú)功電流主要為正序分量。PCC電壓正序分量幅值有近28 V的提升,負(fù)序分量幅值基本保持不變,PCC電壓不平衡度有所下降;a相電壓有效值上升至103 V,b、c相電壓有效值上升至237 V,略高于額定值。第3階段設(shè)定k+=0.1,此時(shí)光伏逆變器三相電流高度不對(duì)稱。PCC電壓正、負(fù)序分量幅值比第2階段小,各相電壓有效值的抬升效果減弱,但三相電壓不平衡度進(jìn)一步降低,表明此時(shí)光伏逆變器的主要作用為平衡三相電壓。
設(shè)定仿真條件與圖6的唯一不同之處是0.3 s時(shí)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生ab兩相短路接地故障,仿真結(jié)果如圖7所示。
圖7 兩相接地短路故障下的仿真結(jié)果Fig.7 Simulative results under two-phase grounding short circuit fault
分析圖7可得到與圖6結(jié)果相似的結(jié)論,此處不再贅述。
綜上,在本文策略的控制作用下,不僅能使光伏逆變器安全地實(shí)現(xiàn)LVRT,而且能根據(jù)電網(wǎng)故障類(lèi)型調(diào)整控制參數(shù)k+來(lái)輸出正序和負(fù)序無(wú)功電流,給PCC電壓提供不同的電壓支撐效果。與傳統(tǒng)的LVRT控制策略相比,將故障類(lèi)型考慮在內(nèi),可實(shí)現(xiàn)更具目的性的電壓支撐功能,增強(qiáng)了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境變化的靈活性。
本文針對(duì)光伏逆變器的LVRT問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的理論研究,通過(guò)仿真驗(yàn)證,得出以下結(jié)論:
a. 本文所提策略在安全實(shí)現(xiàn)光伏逆變器LVRT的同時(shí),可根據(jù)電網(wǎng)故障類(lèi)型實(shí)現(xiàn)對(duì)稱故障下提升PCC正序電壓幅值、不對(duì)稱故障下降低PCC電壓不平衡度等功能,使光伏逆變器在LVRT期間具備柔性電壓支撐能力,增強(qiáng)了光伏發(fā)電單元的并網(wǎng)友好性;
b. 本文所提策略中的電流跟蹤控制是在靜止坐標(biāo)系中實(shí)現(xiàn)的,無(wú)需進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換及電流分序控制,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。
如2.4節(jié)中所述,本文策略效果受電網(wǎng)阻抗影響較大,因此下一步的研究工作是針對(duì)在不同的光伏逆變器并網(wǎng)環(huán)境下如何保證策略有效性的問(wèn)題。