歐陽(yáng)森，馬文杰

華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

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。

1 光伏逆變器的LVRT要求

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

2 具備柔性電壓支撐能力的LVRT控制策略

2.1 電流指令計(jì)算方法

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。

2.2 電壓無(wú)功支撐原理分析

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。

2.3 功率指令計(jì)算方法

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)

2.4 LVRT控制綜合策略

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)。

3 仿真驗(yàn)證

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。

3.1 對(duì)稱故障下的仿真分析

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。

3.2 不對(duì)稱故障下的仿真分析

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。

4 結(jié)論

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。