李子然 王永博

【摘?要】ZVRT是由我國(guó)率先提出的光伏并網(wǎng)要求，本論文在充分了解光伏發(fā)電原理和并網(wǎng)控制的基礎(chǔ)上，對(duì)單級(jí)式并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)側(cè)不同故障下的響應(yīng)特性進(jìn)行全面深入的分析。根據(jù)并網(wǎng)規(guī)定要求，提出一種基于直接電流控制的ZVRT方法。

【關(guān)鍵詞】光伏電站;ZVRT技術(shù)要求;ZVRT控制方法

1 光伏電站ZVRT技術(shù)要求

ZVRT是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)跌落乃至為0時(shí)，光伏電站依然能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行一段時(shí)間，并向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功支撐以幫助跌落電壓恢復(fù)。國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)的《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求光伏電站的ZVRT能力應(yīng)滿足：

（1）并網(wǎng)電壓跌至0時(shí)，光伏發(fā)電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.15s;

（2）并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至曲線1下方時(shí)才可以從電網(wǎng)切出。

并對(duì)有功功率的恢復(fù)速度有具體要求為：自故障清除時(shí)刻算起，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前水平。同時(shí)根據(jù)ZVRT要求，當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，光伏電站注入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流應(yīng)滿足：

（1）自電壓跌落時(shí)刻起，的響應(yīng)時(shí)間不大于30ms;

（2）自響應(yīng)時(shí)刻起直到電壓恢復(fù)至0.9pu期間，注入電網(wǎng)的應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并滿足：

其中，為光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值，為并網(wǎng)側(cè)額定輸出電流。

ZVRT要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至0時(shí)光伏電站仍并網(wǎng)運(yùn)行0.15s。而之前的LVRT則要求電網(wǎng)電壓跌落時(shí)允許光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行的最低電壓為0.15倍的額定電壓，當(dāng)并網(wǎng)電壓低于該值時(shí)，光伏電站須從電網(wǎng)切除。因此相比于LVRT，ZVRT對(duì)光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。

2 基于直接電流控制的ZVRT方法

2.1 直接電流控制原理

逆變器的電流控制方式有直接控制和間接控制。間接電流控制就是把逆變器當(dāng)作交流電壓源看待，通過(guò)對(duì)逆變器輸出側(cè)交流電壓相位和幅值的間接控制來(lái)改變并網(wǎng)電流。而直接電流控制是在dq坐標(biāo)系中采用跟蹤型PWM技術(shù)直接實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流瞬時(shí)值的反饋控制。跟蹤型PWM技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)際電流與給定電流的偏差并將其與高頻三角載波進(jìn)行比較，從而輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，以便控制逆變器得到所需要的電流波形。直接電流控制的響應(yīng)速度快，控制精度高，由于引入了實(shí)時(shí)負(fù)反饋，其能對(duì)交流側(cè)電網(wǎng)電壓和直流側(cè)電壓的波動(dòng)迅速做出反應(yīng)，由此來(lái)保持并網(wǎng)電流對(duì)參考值的及時(shí)跟蹤。而間接電流控制雖控制原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但響應(yīng)速度慢，但對(duì)外界干擾較為敏感，且控制精度低。因此在逆變器控制中，直接電流控制的應(yīng)用較為廣泛。

2.2 電流給定值的計(jì)算

在電網(wǎng)電壓跌落期間，導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)的主要原因是逆變器并網(wǎng)電流過(guò)流，而非直流側(cè)電壓的上升。因此在直接電流控制ZVRT的方法中，不考慮逆變器直流側(cè)電壓，只考慮并網(wǎng)電流。并且由于電網(wǎng)發(fā)生非對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，傳統(tǒng)dq變換中有二倍頻交流量，因此在輸出電流的給定及控制中，應(yīng)該在正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行。

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)對(duì)輸出電流的要求，在ZVRT期間，為滿足分段不等式（公式1），將故障期間注入的無(wú)功電表示為：

為確保并網(wǎng)電流在電網(wǎng)電壓跌落期間對(duì)稱(chēng)不過(guò)流，令其負(fù)序電流分量的指令值、為0，即

為確保并網(wǎng)電流按《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求向電網(wǎng)注入無(wú)功電流，無(wú)功電流的指令值可給定為：

同時(shí)，為確保并網(wǎng)電流不過(guò)流，有功電流的指令值可給定為：

綜上，ZVRT期間并網(wǎng)電流的指令值可如下表示：

2.3 控制參數(shù)的整定

在直接電流控制的ZVRT過(guò)程中，為了使實(shí)際電流較快地跟隨給定值，需對(duì)電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于光伏系統(tǒng)中的SPWM模塊存在數(shù)據(jù)采樣延遲環(huán)節(jié)及控制延遲環(huán)節(jié)，所以可將逆變器的傳遞函數(shù)等效成一個(gè)高增益的慣性環(huán)節(jié)，即

其中，為橋路PWM的等效增益;為開(kāi)關(guān)周期（采樣周期）。

根據(jù)基爾霍夫定律，濾波電路的傳遞函數(shù)為：

為簡(jiǎn)化分析，將PI控制器的傳遞函數(shù)寫(xiě)成零極點(diǎn)的形式，即

從而得到ZVRT中電流環(huán)的控制框圖如圖1所示。

在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，要讓其具有較快電流響應(yīng)速度，在此按照典型型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖3可以看出，只需用PI控制器的零點(diǎn)抵消控制對(duì)象傳遞函數(shù)中的極點(diǎn)即可，即。經(jīng)校正后電流環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

公式2為直接電流控制的ZVRT中PI控制器參數(shù)的計(jì)算公式。

2.4 直接電流控制的ZVRT方法

為確保光伏電站在電網(wǎng)故障期間滿足ZVRT規(guī)定要求，同時(shí)保證并網(wǎng)電流對(duì)稱(chēng)、及時(shí)向電網(wǎng)注入無(wú)功功率，需對(duì)并網(wǎng)電流的正、負(fù)序分量分別進(jìn)行控制。首先，正負(fù)序分離模塊分解出逆變器并網(wǎng)電壓和輸出電流的正負(fù)序dq分量;其次，電壓跌落深度檢測(cè)模塊根據(jù)故障電壓的跌落程度來(lái)確定逆變器在ZVRT期間的輸出電流，并將其作為輸出電流的參考值;最后經(jīng)前饋解耦抵消前饋量和耦合量，通過(guò)PI控制器得到SPWM發(fā)生器的脈沖信號(hào)，將其作用逆變器，使得輸出電流跟隨參考電流變化，從而實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的ZVRT。

3 小結(jié)

本章詳細(xì)介紹了光伏電站ZVRT的相關(guān)要求，提出了直流電流控制的ZVRT方法。該方法根據(jù)規(guī)定要求和跌落深度給定指令電流，通過(guò)雙閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)正、負(fù)序電流有功無(wú)功分量的解耦和對(duì)指令值的快速跟蹤，從而抑制負(fù)序電流并向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功電流，保證并網(wǎng)電流不過(guò)流，確保光伏電站在電壓跌落期間繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

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（作者單位：中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）