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采用双环控制的光伏并网逆变器低电压穿越
张雅静;郑琼林;马亮;卢远宏
【期刊名称】《电工技术学报》
【年(卷),期】2013(028)012
【摘要】依据国网电力科学研究院公布的《光伏电站接入电网技术规定》,提出了光伏并网系统基于前馈控制的低电压穿越优化控制策略.前馈控制策略通过将电网电压以及负载电流的变化引入电流环,能有效加快电流环对扰动的反应速率,抵消电网的影响.500kW光伏逆变器的试验结果表明,本文所采用的控制策略有良好的动态性能,能抑制电网电压跌落时的逆变器过电流,保障系统正常运行.
【总页数】6页(P136-141)
【作者】张雅静;郑琼林;马亮;卢远宏
【作者单位】北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京交通大学电气工程学院北京 100044;北京京仪绿能电力系统工程有限公司北京 100009;北京交通大学电气工程学院北京 100044
【正文语种】中文
【中图分类】TM615
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![[gb18030] 低电压穿越](https://img.taocdn.com/s1/m/9cfcfbc95022aaea998f0f64.png)
基于虚拟同步机技术的光伏发电系统低电压穿越控制方法赵培羽;张节潭;南海鹏;郭树锋;王宏业【期刊名称】《青海电力》【年(卷),期】2017(036)004【摘要】低电压穿越控制是保证光伏发电系统安全稳定并网运行的技术难题之一,提出了一种改进型虚拟同步发电机控制方法,以实现光伏发电系统低电压穿越控制.该策略针对对称故障和不对称故障两种情况,加入了限幅环节,并通过超级电容器储能单元控制直流母线电压并吸收过剩功率.利用Matlab/Simulink仿真软件搭建了光伏发电系统的仿真模型,分别对对称故障和不对称故障情况下改进型虚拟同步发电机控制策略进行了仿真研究,仿真结果验证了所提出控制方法的有效性和可行性.【总页数】9页(P12-20)【作者】赵培羽;张节潭;南海鹏;郭树锋;王宏业【作者单位】国网青海省电力公司检修公司,青海西宁810003;国网青海省电力公司电力科学研究院,青海西宁810008;青海省光伏发电并网技术重点实验室,青海西宁810008;西安理工大学水利水电学院,陕西西安710000;国网青海省电力公司经济技术研究院,青海西宁810008;青海省光伏发电并网技术重点实验室,青海西宁810008;国网青海省电力公司检修公司,青海西宁810003【正文语种】中文【中图分类】TM743【相关文献】1.基于虚拟仪器技术的光伏逆变器低电压穿越测试系统 [J], 曹磊;秦筱迪;夏烈;徐亮辉;孙耀杰2.基于混合型算法的光伏发电系统低电压穿越控制策略 [J], 杨春波; 王晶晶; 康鹏; 曾琳枫; 郑峰3.基于低电压穿越试验的光伏发电系统建模研究 [J], 曹斌;刘文焯;原帅;许冰;贾焦心;颜湘武4.基于虚拟同步机的三相整流器低电压穿越控制 [J], 马龙飞;张禄;李香龙;王雪瑞5.计及虚拟惯量控制与低电压穿越的光伏发电系统暂态稳定分析 [J], 田雨果;王彤;邢其鹏;王增平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
并网逆变器低电压穿越能力图文分析(1)低电压穿越能力在电力系统发生的故障中有很多都属于瞬时性，例如：雷击过电压引起的绝缘子表面闪烁；大风时的短时碰线；通过鸟类身体的放电；风筝绳索或树枝落在导线上引起的短路等。
这些故障，当被继电保护迅速切除后，电弧即可熄灭，故障点的绝缘可恢复，故障随即自行消除。
此时若重新使断路器合上，往往能恢复供电，因而可减小用户停电的时间，提高供电可靠性。
为此，在电力系统中，往往采用自动重合闸装置。
自动重合闸在输、配电线路中，尤其在高压输电线路上，大大提高供电可靠性，并已得到极其广泛的应用。
根据运行资料统计，输电线自动重合闸的动作成功率（重合闸成功的次数／总的重合次数）相当高，在60%～90%之间。
因此，大型新能源发电站，包括风力发电站和光伏电站都应具备承受自动重合闸的能力。
然而，风力发电站和光伏发电站所采用的大功率电力电子装置进行并网，与传统的大型交流同步发电机和变压器系统相比，其器件短路和瞬时过电流耐受能力十分腕弱。
早期新能源系统的设计为了保护发电站本身，在遇到接地或者相间短路故障时，继电保护采用的是全部脱网切除的工作模式，这样保护的结果大幅度降低电力系统运行的稳定性，在新能源比重较大的情况下会造成电力系统振荡甚至电网解列的后果。
因此，世界各国在大型新能源发电站的并网技术条件中，都规定低电压穿越的条款。
所谓低电压穿越，就是在瞬时接地短路或者相间短路时，由于短路点与并网点的距离不同，将导致某相的并网点相电压低于某一个阈值（一般等于或低于20%）。
此时，大型风力或者光伏电站不能够解列或者脱网；需要带电给系统提供无功电流；能够自动跟踪电力系统的电压、频率、相位；在自动重合闸时不产生有害的冲击电流。
能够快速并网恢复供电，这就是低电压穿越功能。
(2)光伏电站接入电网技术规定大型和中型光伏电站应具备一定的耐受电压异常的能力，避免在电网电压异常时脱离，引起电网电源的损失。
根据国家电网公司《光伏电站接人电网技术规定（试行）》要求，当并网点电压在电压轮廓线及以上的区域内时，光伏电站必须保证不间断并网运行；并网点电压在电压轮廓线以下时，允许光伏电站停止向电网线路送电，如图5-18所示。
ELECTRICDRIVE2013Vol.43No.2电气传动2013年第43卷第2期
基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略
郭培健，伍丰林，田凯，张超（天津电气传动设计研究所，天津300180）
摘要：低电压穿越技术已成为大功率光伏并网逆变器的重要技术之一。提出一种电网电压直接前馈的控制方法，能有效抑制电网电压跌落过程的逆变器输出过流，并尽可能向电网提供无功支撑。经试验证明该方法快速准确判断电网电压低电压故障，实现光伏并网逆变器的低电压安全穿越。关键词：低电压穿越；光伏逆变器；电压直接前馈中图分类号：TM615文献标识码：A
LVRTControlStrategyofPVBasedonVoltageFeed-forwardControlGUOPei-jian，WUFeng-lin，TIANKai，ZHANGChao（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China)
Abstract:LowvoltageridethroughtechniquehasbecomeoneofthemostimportanttechnologiesofPVinverter.Agridvoltagefeed-forwardcontrolmethodwaspresentd，whichcaneffectivelyrestraintheover-currentwhilegridvoltagedropdown，andasfaraspossibletothepowergridtoprovidereactivepowersupport.Experimentsprovethatthemethodisrapidandaccuratejudgmentvoltagelowvoltagefault，realizeslowvoltagesafetythroughofthePVinverter.Keywords:lowvoltageridethrough（LVRT）；PVinverter；voltagefeed-forwardcontrol
1引言
光伏发电系统所发出的电能随太阳光照强度变化而变化，一般不能提供持续稳定的电能。随着近年来光伏发电产业的快速发展，尤其是大规模光伏并网电站的大量投入使用，对电网运行的稳定性构成一定问题，特别是在电网出现低电压跌落情况下如果许多这类电源出现集体瞬间脱网，将加剧电网振荡，甚至导致电网崩溃的重大事故［1］。因此许多国家对光伏并网发电系统的
低电压穿越（LVRT）能力提出强制标准。LVRT是指在电网电压跌落处于一定范围内，并网逆变器必须保持和电网的连接，并尽可能向电网提供超前无功功率支持［2］。
电网电压的跌落包括单相跌落、两相跌落、三相对称和不对称跌落，其中三相对称电压跌落出现的概率很小。非对称电压跌落（即除三相对称电压跌落之外的其他电压跌落）使得电网电压
中出现较大负序分量。目前，针对电网电压多数跌落过程含有负序分量的情况，通常采用双同步旋转坐标系控制[3-5]，
即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，并分别对正、负序电流进行前馈解耦控制[6-8]。但是该控制方法在数字
信号处理器进行运算的过程中，由于采样及运算带来控制延迟，通过角度补偿的办法可以在稳态较好跟踪电网电压，实现电网电压前馈解耦控制；而在电网电压幅值发生快速变化（例如跌落）时，上述延迟使得前馈电压的幅值在动态滞后于实际电压幅值，电流调节器可以在发生电网电压跌落起到一定调节作用，但一般情况下按负载模型设计的电流调节器比例比较小，主要依靠电压前馈解耦控制。此外，由于电网电压跌落多为三相非对称，电网电压在同步旋转坐标系下直流信号（包括正序和负序分量）中存在二次谐波分量，一方面产生的二次谐波难于彻底滤除，另一方面
作者简介：郭培健（1979-），男，工程师，Email：guopj@hotmail.com３１滤波（包括一阶惯性滤波、二阶陷波滤波、移相滤波等）均使前馈电压信号产生滞后，不仅使初始响应滞后，且即使在电网电压处于跌落的稳态时三相电流幅值仍可能有较大脉动。因此，仅采用双旋转同步坐标系的解耦控制方法，只能解决电网电压跌落后的稳态（即电压幅值变化率相对小一些的区域）的电流控制，在较大电压跌落情况下逆变器仍可能因初始较大过电流而脱网。在电网正常情况下过多超前无功使得电网电压升高，特别在LVRT结束时如果并网的逆变器响应滞后，仍然维持数个采样周期输出超前无功，可能导致电网过电压，也可能使逆变器输出过流和脱网。因此必须研究有效的控制方法，防止逆变器在电网电压跌落过程过流，才能实现并网逆变器LVRT。2常规并网三相光伏逆变器控制系统及其LVRT能力2.1常规光伏并网三相逆变器控制系统及其LVRT能力常规光伏并网三相逆变器控制系统如图1所示，其中PV为光伏电池阵列，PB为三相逆变器，L1为三相输出滤波电抗器，C1为三相输出滤波电容。光伏逆变器将光伏电池阵列的直流电能变换为三相交流电能，并输向电网。控制回路通常采用锁相环PLL检测电网电压（正序）矢量。用PLL计算出的电网电压旋转角度φs将逆变器输出交流电流经过矢量变换，分解为有功（d轴）和无功（q轴）的直流分量，以便对有功和无功功率分别进行控制。图1常规光伏并网逆变器控制系统框图Fig.1PVinvertercontrolsystemblockdiagram控制系统采用MPPT（最大功率点跟踪）计算逆变器直流电压给定U*
dc，经直流电压调节器计
算出有功电流给定I*
d，d轴电流调节器计算出
d
轴电压调节量△Ud。电网电压正序幅值Ud和逆变器输出无功电流在q轴的电抗压降作为电压给定的前馈解耦分量，用于提高逆变器输出响应。大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，外环为无功功率调节器，用于控制输出的无功功率，其输出为无功电流给定I*
q，通过q轴电流调
节器计算出q轴电压调节量△Uq。逆变器输出有
功电流在q轴的电抗压降作为q轴电压给定的前馈解耦分量。图1所示系统适用于三相电压对称跌落情况下的LVRT，存在控制响应之后问题，在较大电压跌落情况下逆变器会在初始产生过电流。而对于三相电压不对称跌落，则因负序分量失于控制而产生较大过电流以致脱网。2.2双旋转坐标系控制的光伏并网三相逆变器
控制系统及其LVRT能力为解决三相电压不对称跌落下的LVRT，通常采用双同步旋转坐标系控制，即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，分别对正、负序电流进行前馈解耦控制。参见图2。
图2具有双旋转坐标系控制的光伏并网逆变器控制系统框图Fig.2DoublerotatingcoordinatecontrolofPVinvertercontrolsystemblockdiagram
当电网发生单相、两相、或三相非对称电压跌落时，伴随着电网电压的不对称，电网电压中
电气传动2013年第43卷第2期郭培健，等：基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略３２不仅存在正序分量，同时还存在负序分量和零序分量。本文只考虑三相三线制系统，忽略零序分量［9］，则不平衡三相电压可以表示成以下形式：Va（t）=V+msin（ωt+φ+）+V-msin（-ωt+φ-）=V+msin（φs+）+V-msin（φs-）Vb（t）=V+msin（ωt+φ+-2π3）+V-msin（-ωt+φ--2π3）=V+msin（φs+-2π3）+V-msin（φs--2π3）Vc（t）=V+msin（ωt+φ++2π3）+V-msin（-ωt+φ-+2π3）=V+msin（φs++2π3）+V-msin（φs-+2π3）（1）式中：ω为电网电压角频率；V+m为电网电压正序分量幅值；V-m为电网电压负序分量幅值；φ+为电网电压正序分量的初始相角；φ-为电网电压负序分量的初始相角。经坐标变换，可得到旋转坐标系下的电压矢量为V（t）=ejωtV+dq+e-jωtV-dq（2）其中V+dq=V+d+jV+qV-dq=V-d+jV-q式中：下标d和q分别为同步旋转坐标系下的d，q轴分量；上标+和-分别为正序和负序分量。当负序分量出现时，按常规矢量分解方法得到的正序和负序旋转坐标系d-q轴分量中存在2倍频交变成分，需采用适当的滤波后才可用于调节器反馈或前馈，否则可能导致系统振荡和过电流。图2所示系统可用于所有电压跌落情况下的LVRT，但响应滞后采样周期，在较大电压跌落情况下逆变器可能在初始以及电网电压恢复时产生过电流。3电网电压跌落过程初始过电流分析逆变器所输出的电压矢量与电网电压矢量的差等于加在交流电抗上的电压矢量，逆变器输出电流与加在交流电抗上的电压关系为i=1L∫udt因此，如果交流电感基本不变，逆变器输出电流与加在交流电抗上的电压幅值成正比。导致逆变器在LVRT初始瞬间过电流的主要原因是系统对电网电压跌落的响应时间滞后，在此时间内逆变器给定电压基本仍按原电压矢量幅值输出，使得交流电抗上的电压瞬间异常增大，导致逆变器输出电流异常快速上升，这是LVRT过程初始过电流的主要原因。因此，解决电
网电压前馈滞后问题是保证实现LVRT安全性的关键。
4电网电压直接前馈控制策略本节详细叙述基于电网电压直接前馈的LVRT控制策略，鉴于篇幅，其中涉及光伏逆变器
的一些其他技术问题这里不作过多叙述。4.1控制器硬件组成
光伏逆变器控制器采用数字信号处理器（DSP）和大规模门阵列（FPGA）为核心的硬件结构。通过电压和电流传感器、以及模拟量采集芯片对电网电压、电流以及直流电压和电流进行采样。对电网电压信号采集平均值和瞬时值，其中平均值采样周期与PWM控制周期同步，用于正常情况下的系统控制；瞬时值采样为数μs级平均值，用于LVRT时的控制。4.2系统控制方案
基于前两节中对电网电压跌落故障矢量分析、以及逆变器过流原因分析，改进的系统控制方案如图3所示。
图3电网电压直接前馈的三相并网光伏逆变器系统控制框图Fig.3Voltagedirectlyfeed-forwardPVinvertercontrolsystemblockdiagramDSP主要执行控制运算功能，FPGA主要完
电气传动2013年第43卷第2期郭培健，等：基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略３３
