0 引言

    隨著光伏發電在電力系統中所占的比例日漸升高，其對電力系統的安全穩定運行帶來了新的影響與挑戰。相關標準中要求光伏逆變器具有一定的低電壓穿越能力^[1]。

    目前，國內對于光伏逆變器的低電壓穿越研究正處于發展中。常用光伏逆變器可劃分為單極式和雙極式兩類。其中，文獻[2]設計了基于正、負序雙同步坐標系下抑制逆變側輸出有功功率波動的LVRT控制策略；文獻[3]提出了抑制對稱故障的直接功率控制策略和抑制不對稱故障的基于正序、負序電流的雙閉環矢量控制策略；文獻[4]和[5]以抑制并網負序電流為控制目標，提出了基于前饋解耦的正負序雙電流閉環控制的LVRT策略；文獻[2]～[5]所提出的方法雖能取得較好的效果，但均是針對單級式光伏逆變器進行設計，并不適用于兩級式光伏逆變器。為實現兩級式光伏逆變器的低電壓穿越，文獻[6]和文獻[7]設計了基于電網正序電壓定向的矢量控制策略，結合直流側卸荷電路，保證電網發生各種不對稱故障時光伏逆變器的穩定運行；文獻[8]和文獻[9]通過控制超級電容吸收有功功率，穩定直流母線電壓，減少光伏陣列注入逆變器的功率，來實現低電壓穿越。文獻[6]～文獻[9]均是通過附加的硬件輔助電路來實現兩級式光伏逆變器的LVRT。

    綜上，本文從改進策略的層面上，研究了不對稱電壓故障下基于Boost升壓電路的兩級式光伏逆變器的低電壓穿越控制策略，在LVRT期間，通過引入一個基于故障前最大功率點電壓前饋的母線電壓控制外環改變Boost部分的電壓控制模式，由其負責調節光伏陣列的輸出功率，以消除逆變器交、直流側功率差異，從而達到穩定直流母線電壓和防止逆變器過流的目的；設計了以抑制負序電流為目標的基于電網負序電壓前饋的電流控制策略，結合給定有功、無功電流指令的方式控制輸出電流，在故障期間為電網提供無功功率支撐，幫助系統恢復。利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗證了本文理論研究的正確性。并利用100 kW的光伏逆變器PSCAD仿真模型，驗證了本文理論研究的正確性。

1 兩級式光伏逆變器

1.1 低電壓穿越要求

    根據國家電網公司2011年頒布的《光伏電站接入電網技術規定》要求，當電網電壓跌落至圖1所示的曲線1以下時，光伏逆變器可以從電網切出。

1.2 系統結構

    本文所研究的兩級式光伏逆變器由前級Boost升壓電路和后級DC/AC逆變電路構成，其電路拓撲如圖2所示^[10]。

1.3 常規電流控制策略

    據圖2建立光伏逆變器理想電網下同步坐標系中的數學模型：

2 不對稱故障下的LVRT控制策略

2.1 不對稱故障下的直流側電壓控制策略設計

    根據前文分析，對于兩級式光伏逆變器而言，實現LVRT的關鍵在于電壓跌落時應快速消除交、直流側功率差異。為此，引入一個基于故障前最大功率點電壓前饋的母線電壓控制外環，改變Boost部分的電壓控制模式，將穩定直流母線電壓作為控制目標，此時，Boost控制框圖如圖4所示。

    圖中，U_dc為直流母線電壓，U_max為故障發生之前采用MPPT算法所獲得的光伏陣列最大功率點電壓參考值。分析上圖有：

    (1)在電壓跌落時，直流母線電壓U_dc將會上升，從而圖4中虛線框內的外環電壓PI控制器會輸出正的控制量，疊加到U_max上將會使得光伏陣列的工作點偏移到最大功率點右側；

    (2)對于光伏陣列，當實際工作電壓分別向左、向右偏離最大功率點電壓時的功率變化如圖 5所示。

    根據光伏陣列的P-U特性，其最大功率點電壓U_max一般處在其開路電壓的0.8倍位置處^[10]，因此，光伏陣列最大功率點電壓右側的輸出功率對電壓的平均變化率較左側要大，當圖5中的ΔU₁=ΔU₂時，存在關系P_left>P_right。

    綜上，在電壓跌落時，通過圖4中所示的故障前最大功率點電壓前饋的控制方式，配以適當的控制器參數可快速抬升光伏輸出電壓U_pv來減小其輸出功率，從而控制直流母線電壓處在安全范圍內。

2.2 不對稱電壓的正負序分離鎖相

    對于三相不對稱電壓，根據對稱分量法可得：

    基于上圖推知SOGI的傳遞函數為：

    據圖可知，當SOGI的中心頻率與輸入信號的頻率相同時，則輸出信號v′與v具有相同的幅值和相位，qv′與v幅值相同，但是相位滯后90°。因此，SOGI可實現對輸入信號的正交處理，從而利用其可實現正負序分離。

2.3 不對稱故障下的電流控制策略設計

    電網電壓三相不平衡時，根據對稱分量法可建立光伏逆變器的交流側數學模型：

    根據式(7)，做出系統等效電路圖如圖8所示。

    根據前述分析，為抑制負序電流，本文采取電網負序電壓前饋的控制策略。

    定義K=U_{d_fault}^P/U_N(其中U_{d_fault}^P為故障時正序電壓，U_N為并網點額定電壓)為電壓跌落深度。為實現對電網的無功支撐，本文所采取的方法為根據電壓跌落深度給定電流指令i_{d_fault}^*(本文取i_max=I_N)的方式，具體如圖9所示。

    圖中t₀為檢測到電壓故障(即K<0.9)時刻，t₁到t₂為電流調整過程，t₃為故障開始恢復的時刻；其中，i_{d_fault}^*保持為i_max的時間設定為5 ms。在不過流的前提下，輸出最大的無功電流。兩者的計算公式具體如下：

    按照上式所示關系，最終將有功電流調至Ki_max。綜上，本文所設計LVRT策略的總體控制結構如圖10所示。

3 仿真驗證及分析

    利用PSCAD/EMTDC搭建100 kW兩級式并網光伏系統模型，具體仿真參數如表1所示。

    分析仿真結果可知：

(1)圖11(a)顯示出，采用常規控制策略的光伏逆變器，在電網發生不對稱故障時，由于電網負序電壓存在，導致逆變器的輸出電流三相不對稱，且諧波含量增大；通過圖11(b)可知，由于常規控制策略下，在電網低電壓故障時，Boost部分仍進行MPPT算法，致使P_pv>P_out，在外環電壓控制器的作用下，使得逆變器輸出電流大增，最大值達482 A，遠超出安全范圍；圖11(c)表明由于負序分量的存在，導致并網功率產生二倍頻波動，因此，直流母線電壓也存在二次諧波分量，與式(3)相符，此時母線電壓最大值達880 V，波動分量幅值為70 V左右。

    (2)圖12(a)和圖12(b)表明采用本文所設計的LVRT策略在電網發生不對稱故障時，逆變器的輸出電流仍保持三相對稱，且未出現過流現象；在電網低壓故障期間，逆變器輸出220 A左右的無功電流，為電網提供一定的無功功率支撐；由于本文采用電網負序電壓前饋的控制手段，抑制了并網電流的負序分量，有效抑制了并網功率的二倍頻波動，從而使得直流母線電壓的波動減小，由圖12(c)可知此時波動幅值僅為30 V左右；圖12(c)顯示出，在故障發生5 ms后，直流母線電壓的升高即被抑制，最大為865 V，隨后減小穩定在785 V到820 V之間，充分說明了圖4所示控制結構能有效調節光伏陣列的輸出功率，控制直流母線電壓在安全范圍內。

4 結論

    本文針對基于Boost電路的兩級式光伏逆變器提出了不對稱電壓故障下的LVRT策略：設計了基于網側負序電壓前饋的電流控制策略，結合給定有功、無功電流參考值的方式，在保證故障期間電流品質的同時能為電網提供無功功率支撐；設計了基于故障前最大功率點電壓前饋的Boost母線電壓控制環，可在LVRT期間將直流母線電壓控制在安全范圍內；本文所設計控制策略不改動現有兩級式逆變器硬件結構，具備優良的適應性。

參考文獻

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[10] 張興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制[M].北京：機械工業出版社，2011.

作者信息：

甘德樹1，裴星宇1，柯清派2，吳海雄1，林桂輝1，程  旭1

(1.廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海519000；2.蘇州華天國科電力科技有限公司，江蘇 蘇州215000）