1引言

隨著傳統(tǒng)能源資源的不斷枯竭，新能源技術的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已成為電力能源中的重要組成部分。隨著光伏發(fā)電穿透功率的增加，將對電網(wǎng)的安穩(wěn)性帶來新的挑戰(zhàn)。當電網(wǎng)發(fā)生瞬時故障時，如果大容量的光伏發(fā)電單元不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。

具有波動性特點電站大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電時，如果其不具備低電壓穿越能力(LowVoltageRide-Through，LVRT)，將會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來極大的隱患，故LVRT能力顯得尤為重要。低電壓穿越（LVRT），是指當電力系統(tǒng)事故或擾動引起電網(wǎng)電壓跌落時，光伏發(fā)電系統(tǒng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行，支持電網(wǎng)故障恢復直到電壓達到正常水平，從而穿越低電壓這個區(qū)域。在國內(nèi)外風電系統(tǒng)中，已經(jīng)相應制定了新的電網(wǎng)運行準則，規(guī)定了風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行條件中必須具有低電壓穿越能力。國內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，已經(jīng)制定了相關準則對低電壓穿越能力提出要求。國網(wǎng)電力科學研究院率先展開了低電壓穿越和相關檢測裝置的研究和標準制定工作。并在低電壓穿越基礎上根據(jù)電網(wǎng)實際要求提出了零電壓穿越能力光伏逆變器入網(wǎng)要求。

本文在介紹低電壓穿越控制基礎上分析零電壓穿越相關要求的基礎上，展開了零電壓穿越試驗的控制研究工作，給出了相關實驗結(jié)果波形。

2技術要求

根據(jù)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》GB/T19964-2012標準要求，當電力系統(tǒng)事故或擾動引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍內(nèi)和時間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。

圖1為光伏發(fā)電站應滿足的低電壓穿越要求

（1）光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓跌至0時，光伏發(fā)電站應能不脫網(wǎng)連續(xù)運行0.15s；

（2）光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓跌至曲線1以下時，光伏發(fā)電話可以從電網(wǎng)切出。

圖1光伏發(fā)電站的零電壓穿越能力要求

3動態(tài)無功支撐能力

電力系統(tǒng)發(fā)生不同類型故障時，若光伏發(fā)電站并網(wǎng)點考核電壓全部在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電站應保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；否則，允許光伏發(fā)電站切出。針對不同故障類型的考核電壓如表1所示。

表1光伏發(fā)電站低電壓穿越考核電壓

對于通過220kV（或330kV）光伏發(fā)電匯集系統(tǒng)升至500kV（或700kV）電壓等級接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站群中的光伏發(fā)電站，當電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落時，光伏發(fā)電站注入電網(wǎng)的動態(tài)無功電流應滿足以下要求：

（1）自并網(wǎng)點電壓跌落的時刻起，動態(tài)無功電流的響應時間不大于30ms。

（2）自動態(tài)無功電流響應起直到電壓恢復至0.9pu期間，光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動態(tài)無功電流IT應實時跟蹤并網(wǎng)點電壓變化，并應滿足：

4鎖相環(huán)處理

傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器和振蕩器構成。傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)結(jié)構如圖2所示。

圖2傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)原理

首先通過坐標變換將三相電壓轉(zhuǎn)換到dq坐標系下，為使d軸分量與電壓矢量完全同相，設定q軸電壓參考值Uq_ref=0，將q軸電壓偏差值Uq_err作為鑒相器輸出的角度偏差。經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出得到頻率，再經(jīng)一個積分環(huán)節(jié)得到角度值。當電網(wǎng)電壓中只存在正序基波分量時，其dq坐標系下的穩(wěn)態(tài)值為直流量，通過控制q軸分量為零可以實現(xiàn)相位頻率鎖定。

當電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡故障時，電網(wǎng)電壓中除正序分量外，還存在負序和零序分量。對于三相無中線系統(tǒng)，一般不考慮零序電動勢。此時電網(wǎng)電壓可以表示為:

式中，u+、u-分別表示正序負序電壓幅值，θ0-表示負序電壓相對于正序電壓初始相角。經(jīng)3/2變換后，得到αβ靜止坐標系下電壓表達式為:

電網(wǎng)電壓的正序和負序分量可以在αβ靜止坐標系下表示為:

通過dq變換轉(zhuǎn)換到同步坐標系下可得

通過上面公式可以得到

當鎖相環(huán)正常工作時，wt≈θ，因此上式可以表示為:

由上式可以看出，在正序同步坐標系下，正序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，負序分量轉(zhuǎn)化為兩倍電網(wǎng)頻率的分量。因為傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器只能對直流量進行無靜差的控制，因此負序電壓分量會對鎖相環(huán)的輸出帶來很大的擾動。

針對傳統(tǒng)的三相電網(wǎng)相角檢測方法在電網(wǎng)波動及故障情況下的不足，本文提出了一種新型的數(shù)字鎖相環(huán)，其結(jié)構如圖3所示。

圖3改進的鎖相環(huán)結(jié)構

為消除電網(wǎng)電壓不平衡帶來的擾動，這里采用移相控制器來消除兩倍電網(wǎng)頻率的擾動。移相控制器的基本原理可以表示為

由上式可以看出，兩倍電網(wǎng)頻率的擾動可以通過延遲1/4電網(wǎng)周期后相加消除。在控制系統(tǒng)中，移相控制器必須表示為離散形式，其離散結(jié)構如圖4所示。

圖4移相控制離散結(jié)構

圖4中，N為一個電網(wǎng)周期內(nèi)的采樣次數(shù)。經(jīng)過移相控制器后，所提出鎖相環(huán)輸出的正序分量為

在電網(wǎng)不平衡情況下，同樣需要準確獲取電網(wǎng)電壓負序分量的幅值和相位信息。負序分量在負序同步坐標系下獲得。電網(wǎng)電壓的正序負序分量及正序負序同步坐標系的關系如圖5所示。

圖5電網(wǎng)正負序電壓在雙同步坐標系下的關系

負序坐標變換的原理可以表示為

當鎖相環(huán)正常工作時，wt≈θ，因此上式可以表示為：

由上式可以看出，在負序同步坐標系下，負序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，正序分量轉(zhuǎn)化為兩倍電網(wǎng)頻率的分量。因此同樣可以通過移相控制來消除兩倍電網(wǎng)頻率擾動。通過移相控制后可以得到負序電壓在負序同步坐標系下的表達式為

5控制方法

電網(wǎng)電壓瞬降時，由于電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)變換器輸出電壓電位差突然增大，全功率變換器在瞬間來不及對輸出電壓作出調(diào)整，導致全功率變換器向電網(wǎng)輸出電流瞬時增大，當電網(wǎng)電壓降落程度較大時，輸出電流增大到正常輸出電流的2-3倍，如果此時不采取合理的低電壓穿越控制方法會導致全功率變換器過流，直流母線過壓。流向電網(wǎng)的輸出電流突然增大引起光伏電源的輸出電流增大，從而偏離光伏電源的最大功率點，如果此時仍采用最大功率點跟蹤控制，可能出現(xiàn)正反饋現(xiàn)象導致電流繼續(xù)增大，因此在檢測到電網(wǎng)電壓突降時，立刻停止最大功率點跟蹤控制。

為了控制電網(wǎng)電壓瞬降時出現(xiàn)的沖擊電流，本文采用直接調(diào)節(jié)前饋補償電壓Ud的控制方法。具體分析如下：Ud經(jīng)濾波后補償至d軸電流調(diào)節(jié)器輸出端當電網(wǎng)電壓下降時，Ud也隨之下降，從而使并網(wǎng)變換器輸出電壓下降，進而控制流向電網(wǎng)的電流大小，但是電網(wǎng)電壓經(jīng)過abc/dq變換后得到的Ud需要經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)，影響了系統(tǒng)的實時響應速度，無法有效抑制電流增加，考慮到這一點，本文通過檢測電網(wǎng)電壓突降的程度，對Ud進行實時調(diào)節(jié)，加快并網(wǎng)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)速度，進而控制流向電網(wǎng)的電流和直流母線電壓的穩(wěn)定。具體控制方法如圖6所示。

圖6低電壓穿越控制框圖

6試驗結(jié)果分析

根據(jù)以上LVRT標準的要求，根據(jù)現(xiàn)有跌落源平臺條件與軟件程序進行驗證與實現(xiàn)：

對鎖相進行改進后，觀察電網(wǎng)電壓park變換后的d、q分量情況。正常運行時，d軸分量平穩(wěn)，q軸分量在0附近；在平衡跌落情況下d軸分量平穩(wěn)，但q軸分量較大，會對低電壓穿越控制造成影響。不平衡跌落時q軸分量會變得更大。90%跌落深度和75%跌落深度還可正常運行，其它跌落深度出現(xiàn)故障停機。正負序分量不穩(wěn)。分析原因程序中只對正序分量進行了濾波提取，但對負序分量沒有處理，負序分量變化很大。針對此現(xiàn)象需進行正負序分別提取。

在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，要及時改變逆變器輸出的控制電壓，為了不脫網(wǎng)需要控制電壓又快又準的跟蹤電網(wǎng)電壓，所以一般采用矢量控制，即把三相交流量分別變換到正序旋轉(zhuǎn)坐標系和負序旋轉(zhuǎn)坐標系，然后正負序電流分別控制。

目前常見的正負序提取方法可分為解析法和濾波法。解析法速度較快但對諧波或突變太敏感。濾波法通過坐標變換后再濾波而得到正序或負序分量，得到的結(jié)果較為平穩(wěn)，由于加入濾波處理會產(chǎn)生一定的延時速度會慢些。

通過Park變換，將三相瞬時值變換到正負序旋轉(zhuǎn)坐標系下，得到正負序旋轉(zhuǎn)坐標系下正負序電壓矢量的dq軸分量。正序旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq分量由正序?qū)闹绷髁亢拓撔驅(qū)囊?倍頻角速度順時針旋轉(zhuǎn)的交流量構成。負序旋轉(zhuǎn)坐標系下的dq分量由負序?qū)闹绷髁亢驼驅(qū)囊?倍頻角速度順時針旋轉(zhuǎn)的交流量構成。然后通過濾波處理后得到正序旋轉(zhuǎn)坐標系下的正序分量和負序旋轉(zhuǎn)坐標系下的負序分量。

以下是500kW光伏并網(wǎng)逆變器具體的實驗波形圖（上面兩條線為正序的d軸分量和q軸分量；下面兩條線為負序的q軸分量和d軸分量）。

圖7為三相電壓平衡跌落，電壓跌落深度為1V時（即零電壓穿越跌落深度）。70%額定功率時的試驗波形。從波形可看出正負序dq分量都很平穩(wěn)，并且q軸分量數(shù)值小基本在0附近。負序分量基本為0。

圖8為單相電壓跌落，跌落深度為1V，70%額定功率時的試驗波形。從波形可看出正負序dq分量都很平穩(wěn)，并且q軸分量數(shù)值小基本在0附近。負序分量基本為0。

圖7三相電壓平衡跌落

圖8為單相電壓跌落

7實際測試分析

光伏逆變器直流側(cè)連接PV模擬電源，試驗逆變器采用九州電氣自主研發(fā)的500kW光伏并網(wǎng)逆變器在低電壓跌落試驗平臺進行驗證。電網(wǎng)線電壓有效值為270V，電網(wǎng)頻率50Hz，根據(jù)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》GB/T19964-2012標準要求，當電力系統(tǒng)事故或擾動引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍內(nèi)和時間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。下表為跌落電壓值和時間規(guī)定。

電壓等級(UN:額定電壓)電壓值(V)時間(ms)

在光伏逆變器滿功率運行時發(fā)生電網(wǎng)電壓瞬間跌落至零，此時對光伏逆變器運行影響較大，故此次試驗選擇逆變器運行在70%額定功率，光伏逆變器并網(wǎng)側(cè)三相電網(wǎng)零電壓跌落至按上表所表明的最嚴酷工況時，采用LVRT控制方法的三相和單相跌落試驗波形分別如圖9和圖18所示。黃色線為直流母線電壓500V/div;綠色線為電網(wǎng)線電壓200V/div;紫色線為A相電網(wǎng)電流500V/div。

圖90%UN時三相電壓跌落

圖100%UN時A相電壓單相跌落

由圖9和圖18可知，采用LVRT控制時，逆變器輸出電流實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡，有效抑制電流上升，保證逆變器繼續(xù)并網(wǎng)運行;逆變器輸出有功功率減小，中間能量的積累導致中間直流電壓升高;PV模擬電源輸出功率減小，直流側(cè)電流減小，有利于LVRT的實現(xiàn);PV模擬電源輸出功率下降直至與并網(wǎng)功率相等，重新達到穩(wěn)定運行狀態(tài);當電網(wǎng)電壓恢復正常時，中間直流電壓隨并網(wǎng)功率的增加而減小，PV模擬電源輸出功率增大，直流側(cè)電流增大，直至恢復正常運行狀態(tài)。電網(wǎng)故障期間，逆變器向電網(wǎng)發(fā)送一定的無功功率，支撐并網(wǎng)點電壓，有助于電網(wǎng)電壓的恢復。

試驗結(jié)果驗證了正負序分離LVRT控制策略可有效抑制電網(wǎng)零電壓跌落時引起的逆變器輸出電流的上升，不至于因過流保護而停機脫網(wǎng)，保證了光伏逆變器并網(wǎng)運行的可靠性。

8結(jié)束語

本文分別介紹了光伏并網(wǎng)逆變器LVRT的零電壓跌落控制方式，詳細分析了光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)故障前后并網(wǎng)模式，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度來判斷需要向電網(wǎng)發(fā)出無功電流的量值。試驗結(jié)果驗證了LVRT控制方法的有效性，為大規(guī)模光伏發(fā)電接入電網(wǎng)提供了理論和實驗指導。