摘要：并網(wǎng)逆變器作為光伏并網(wǎng)運行過程中關鍵的電力電子裝置，其控制策略的優(yōu)劣將影響整個并網(wǎng)系統(tǒng)的性能。研究電網(wǎng)電壓故障時的低電壓穿越控制策略，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高系統(tǒng)的可靠性，具有很大的現(xiàn)實意義和實用價值。針對光伏并網(wǎng)逆變器，本文重點研究了包括電網(wǎng)電壓正常以及故障時的控制策略。本文在并網(wǎng)逆變器坐標系下設計了準比例諧振（準PR）控制器。當電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障致使電壓跌落時，引入直流側卸荷電路以抑制直流母線電壓的升高，保證滿足低壓電穿越規(guī)定下的持續(xù)并網(wǎng)。在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障致使電壓跌落時引入了準PR的控制器簡化了控制系統(tǒng)設計，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。仿真結果表明所設計的準PR控制器的控制策略能使光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不對稱故障時在滿足規(guī)定要求的情況下繼續(xù)并網(wǎng)運行，實現(xiàn)低電壓穿越。

1引言

所謂光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的低電壓穿越技術是指當并網(wǎng)點電壓跌落時，光伏陣列依然可以繼續(xù)穩(wěn)定的并網(wǎng)運行，同時還可向電網(wǎng)注入無功功率用以支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)運行恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區(qū)域）。為了使系統(tǒng)在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落時仍繼續(xù)運行在并網(wǎng)模式，低電壓穿越能力已經(jīng)成為光伏電站必不可少的一項功能，這也是光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的必要條件。

對于大型光伏電站中的高壓型逆變器應具備一定的耐受異常電壓的能力，避免在電網(wǎng)異常時脫離，加劇電網(wǎng)電源的不穩(wěn)定。為了防止光伏電站因電網(wǎng)發(fā)生故障導致電壓跌落時引起整個電網(wǎng)崩潰，導致大面積停電。在電網(wǎng)因故障發(fā)生短路，電壓跌落到零時，光伏并網(wǎng)逆變器必須保持不脫網(wǎng)，同時按照電網(wǎng)調(diào)度的指令向電網(wǎng)注入一定的有功和無功功率，幫助電網(wǎng)恢復，提供動態(tài)電壓支撐，保障電網(wǎng)穩(wěn)定正常的運行。

逆變器執(zhí)行低電壓穿越保護功能應滿足GB/T19964-2012：8.1的要求，電壓耐受能力要求如圖1所示。逆變器交流側電壓跌至0時，逆變器能夠保證不間斷并網(wǎng)運行0.15s后恢復至標稱電壓的20%；再從20%標稱電壓點0.15s時刻開始，時間持續(xù)至0.625s時刻后逆變器交流側電壓開始恢復，并且電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%時，逆變器能夠保證不間斷并網(wǎng)運行。

對電力系統(tǒng)故障期間沒有切出的逆變器，其有功功率在故障清除后應快速恢復，自故障清除時刻開始，以至少10％額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。

零電壓穿越過程中逆變器宜提供動態(tài)無功支撐。

當并網(wǎng)點電壓在圖1中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，該類逆變器必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖1中電壓輪廓線以下時，允許停止向電網(wǎng)線路送電。

圖1中高壓逆變器低電壓耐受能力要求

UL0：為正常運行的最低電壓限值；

UL1：需要耐受的電壓下限；

T1:電壓跌落到0時需要保持并網(wǎng)的時間；

T2：電壓跌落到UL1時需要保持并網(wǎng)的時間；

T3：電壓跌落到UL0時需要保持并網(wǎng)的時間。

UL1、T1、T2、T3數(shù)值的確定需考慮保護和重合閘動作時間等實際情況。實際的限制

應依據(jù)接入電網(wǎng)主管部門的相應技術規(guī)范要求設定。

2基于準比例諧振控制器的控制策略

在dq同步旋轉坐標系下采用PI控制器雖可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但不能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)無靜差跟蹤。傳統(tǒng)PR控制雖然在理論上可行，但考慮到實際中元件的參數(shù)以及數(shù)字控制系統(tǒng)的精度難以達到設計要求，使得PR控制難以實現(xiàn)，且PR控制器的高增益只體現(xiàn)在基頻附近，在其他頻率處的卻非常的小。而實際系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓頻率很難保持工頻不變，一旦頻率波動就不能有效地抑制諧波。為此系統(tǒng)使用準PR控制器(Quasi-PR)使得在保留高增益的同時，還能減弱頻率波動對并網(wǎng)電流的不利影響。同時不會使控制器的設計復雜化，并且能夠對交流信號實現(xiàn)零誤差跟蹤，還使得并網(wǎng)電流中諧波的含量得到有效的抑制，進而提高了電能質量。

在兩相靜止坐標系中，軸為沒有耦合且相互獨立的軸，因此可分別對各軸的電流實施控制。圖2為坐標下電流環(huán)控制結構圖。

圖2基于準PR控制器的電流環(huán)控制圖

準PR控制的并網(wǎng)系統(tǒng)中，只需將特定次諧的補償項疊加在基于準PR的控制器上。由于各次諧波的有效值與其諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值是諧波次數(shù)的倒數(shù)。因此，一般只需要抵消3、5、7次諧波。則電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

(1)

圖3為基于準PR控制器的電網(wǎng)電壓定向的矢量控制圖。

圖3基于準諧振控制器電網(wǎng)電壓定向的矢量控制圖

3抑制電網(wǎng)電壓跌落時直流側電壓升高

當電壓降低的幅度比較小的時候，輸出電流的增大不會超過限流值，此時的并網(wǎng)逆變器依然可以保持直流側電壓的穩(wěn)定。但是當電壓的降低幅值比較大的時候，逆變器對直流側電壓的調(diào)節(jié)作用無法滿足要求，這時有可能會將直流電壓外環(huán)直接切除，若不采取相應的合理的保護措施，電容及逆變器的安全運行都將受到嚴重的威脅。當電壓發(fā)生故障或跌落時，引起直流側電壓升高的根本原因就在于能量的不匹配，從而導致中間部分的直流側能量產(chǎn)生積累。

3.1基于卸荷電路的低電壓保護策略

為了抑制直流端電壓的升高，針對故障時功率不匹配導致過剩的那部分能量堆積在電容上這一根本問題，需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的跌落程度在適當?shù)臅r候加入額外的硬件設備發(fā)揮保護作用并與原有控制進行配合控制，確保不會出現(xiàn)過壓問題。該方法在理論研究和實際應用中都取得了不錯的控制效果，如圖4所示。

圖4卸荷電路結構圖

3.2卸荷電路的控制策略

在電網(wǎng)電壓正常運行的情況下，卸荷電路不參與工作。當電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落的時候，若并網(wǎng)逆變器的輸入和輸出的功率不匹配，則需要投入卸載電阻用來吸收過剩的能量以保證直流端電壓的穩(wěn)定。因此卸荷電路的作用是吸收直流端電容因功率不匹配產(chǎn)生的多余能量，從而達到調(diào)節(jié)直流端電壓的目的，增強光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓運行能力。而對卸荷電路的投入和切除都是通過功率控制元件來實現(xiàn)的。如圖4所示，位于直流端的卸荷電路與直流母線并聯(lián)，并且由全控型開關器件和卸荷電阻Rd串聯(lián)而成，其電路的工作狀態(tài)是由卸荷電路控制器來決定的。

直流卸荷電路控制器以功率偏差作為首要判斷條件。首先比較釆集到的光伏陣列輸出功率PPV和逆變器輸出功率Pg，然后由PI控制器根據(jù)功率偏差算出開關元件的導通占空比，以此來決定卸荷回路的投切狀態(tài)。同時，把直流端電壓當作判斷的輔助條件，在產(chǎn)生的功率偏差對卸載電路的控制有較大的滯后或是直流端電壓升高過快時，將由直流端電壓作為判斷的條件實施控制。若以直流端電壓作為判斷投入的條件時，則必須繼續(xù)以直流端電壓作為判斷切出的條件，以防止兩種判斷條件之間產(chǎn)生沖突。

圖5表示的直流卸荷電路控制器的原理圖。其中，PPV表示光伏陣列輸出功率，Pg表示逆變器輸出功率，Udc表示直流側電壓，d表示開關器件的導通占空比。

圖5卸荷電路控制器的原理圖

根據(jù)圖5具體的控制策略為：首先通過計算PPV和Pg的差值得出功率偏差，但是不需要馬上投入卸荷電路。因為在正常情況下輸入和輸出的功率也會存在一定的波動，網(wǎng)側逆變器能夠在自身限流保護的范圍內(nèi)自行對直流端電壓進行調(diào)節(jié)。光伏陣列輸出電壓的升高會引起輸出功率的減小，從而部分改善了功率的不平衡狀況，抑制了直流側電壓的升高。當出現(xiàn)逆變器無法對直流端電壓進行控制的情況下，才需及時投入卸荷電路，對此要以功率的偏值差作為首要判斷依據(jù)。

當時，卸荷電路不工作；當時，啟動卸荷電路，此時利用PI控制器對進行控制，PI調(diào)節(jié)器的輸出信號與三角波比較，形成的占空比d用來控制開關元件的通斷狀態(tài)；當再次出現(xiàn)時，將卸荷電路切出。同時，將直流端電壓作為輔助判斷條件，當直流端電壓升高到，則立刻將卸荷電路全部投入運行；當直流端電壓降低到設定的數(shù)值時，再將卸載電路切出。

當電壓發(fā)生跌落導致逆變器的輸入、輸出功率不匹配時，多余的能量靠Rd來吸收，則有：

(2)

從而可推出開關元件的占空比d為：

(3)

在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)正常運行的情況下，d=0，即卸荷電路不參與工作；當超出時，根據(jù)d控制開關元件來投入和切出卸荷電路；當大于時，卸荷電阻馬上完全投入運行，即d=1。

利用MATLAB/Simulink進行仿真實驗。仿真條件為：仿真時間是0~0.5s，其中，在0.2~0.3s的時候，進行三相對稱跌落仿真，跌落深度為60%，其波形如圖6所示。

由圖6可以看出，電網(wǎng)的三相電壓在0.2s時發(fā)生了跌落深度為60%的故障，并在0.3s時恢復了正常。根據(jù)并網(wǎng)技術要求，對這種暫時性的故障，在電壓跌落的這0.1s的時間內(nèi)要保證逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運行。

圖6加入LVRT控制策略的仿真波形圖

a)并網(wǎng)電流

b)直流母線電壓

c)輸出的有功、無功功率

圖7加LVRT控制后的仿真波形圖

圖7為加LVRT控制后的仿真波形圖。如圖7a)所示的并網(wǎng)電流，雖有變大但符合限流要求，且波形基本接近正弦波；如圖7b)所示的直流母線電壓，雖有升高，但并未超過1.1倍Udc(pu)，完全符合低電壓穿越的要求；再如圖7c)所示，采用有功電流控制之后，重新分配了有功、無功電流的給定，系統(tǒng)輸出了一定的無功來支撐電網(wǎng)的恢復，這樣就保證了逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運行，完成了電壓對稱跌落時的低電壓穿越。

4基于兩相靜止坐標系下的準比例諧振控制策略

采用基于兩相靜止坐標系的準PR控制策略，該策略不需要對并網(wǎng)電流進行多次的正負序分解及前饋解耦控制，進而減小了電流內(nèi)環(huán)的時間延遲，提高了不對稱故障條件下的動態(tài)響應性能。另外省去了負序電流控制環(huán)，并在實現(xiàn)了有功和無功解耦控制的同時還省去了多次的坐標變換，大大簡化了控制系統(tǒng)的設計。

根據(jù)不對稱故障下光伏并網(wǎng)逆變器靜止坐標系下有功和無功功率的方程如式(4)所示。同樣以抑制網(wǎng)側負序電流為目標，將各負序電流分量的參考值設置為零，即：，。

則由式(4)可得電網(wǎng)電壓不對稱故障下并網(wǎng)逆變器的正負序電流指令參考值為：

同樣的，因為要求并網(wǎng)逆變器運行在功率因數(shù)為1的理想狀態(tài)，故需將網(wǎng)側無功功率平均值設置為零，即。并網(wǎng)逆變器輸出的平均有功功率仍然經(jīng)由電壓外環(huán)的PI控制器運算后給出，如式(4)所示。

按照對稱分量法，不對稱的三相矢量等于正、負、零序三相對稱的矢量之和。以坐標系下的電流、為例，且考慮到采用的是三相無中線光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，故不再考慮零序分量，則有：

目標，并聯(lián)立式(5)、式(6)，則：

基于準PR控制器的電流控制方程為：

(

基于準PR控制的低電壓穿越控制策略簡述如下：首先，在坐標系下進行功率分析，得出逆變器輸出有功功率P0與電網(wǎng)電壓及并網(wǎng)電流的正負序分量之間的關系，然后通過直流電壓外環(huán)得到平均有功功率P0的參考值，并最終計算出正負序電流分量參考值。然后根據(jù)對稱分量法，將正負序電流指令值相加得到

電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱故障時，基于準PR控制器的并網(wǎng)逆變器LVRT控制策略的結構如圖8所示。軸電流的指令值，各軸電流分別經(jīng)過準PR控制器進行控制，完成對正、負序電流參考值的零誤差跟蹤。不僅能有效的抑制并網(wǎng)電流的負序分量，而且電流內(nèi)環(huán)也不需要經(jīng)過多次坐標變換和正、負序分離，使得控制系統(tǒng)的設計大大簡化，增強了系統(tǒng)的動態(tài)響應，又保證了并網(wǎng)逆變器的LVRT能力。

圖8基于準PR控制器的低電壓穿越控制策略框圖

5仿真與實驗驗證分析

仿真條件是：仿真時間為0~0.5s，為了方便分析，只以兩相跌落為例，在0.2~0.3s之間發(fā)生電網(wǎng)不對稱跌落，深度為60%，其波形如圖9所示。

圖9電網(wǎng)電壓不對稱跌落故障

由圖9可以看出，電網(wǎng)A相與B相電壓在0.2s時發(fā)生了跌落深度為60%的不對稱故障，C相電壓正常。在0.3s時A相與B相電壓恢復了正常。根據(jù)并網(wǎng)技術要求，對這種類型的故障，在電壓跌落的這0.1s的時間內(nèi)要確保逆變器的繼續(xù)并網(wǎng)運行。

    若采用基于坐標系下的準PR控制器的LVRT控制策略，仿真結果如圖10所示。

a)并網(wǎng)電流b)直流母線電壓

c)不對稱跌落故障時A相并網(wǎng)電流及諧波圖

圖10采用基于準PR控制器的LVRT控制后的仿真波形

從圖9、圖10的仿真結果可以看出，采用了LVRT控制后，并網(wǎng)電流雖然都有所增大，但都在可接受的范圍內(nèi)，且波形接近正弦波；基于準PR控制器的LVRT控制策略，避免了多次的正負序分解和前饋解耦控制，減小了電流內(nèi)環(huán)的時間延遲，提高了動態(tài)響應性能，簡化了控制系統(tǒng)設計。在實際工程應用中具有重大的現(xiàn)實意義。

根據(jù)以上理論和仿真的研究，應用在500KW光伏逆變器上進行試驗驗證，試驗以60%Un低電壓穿越測試為例說明。

1)10%Pn≤P≤30%Pn輕載時A相跌落，跌落到60%額定電壓的情形

圖11故障期間，電流基波正序、負序、零序分量有效值

圖12故障恢復時，相電流瞬時值

圖13故障期間，無功電流動態(tài)響應情況

圖14有功功率、無功功率平均值

圖15故障期間，有功功率正序、負序分量

2)測試參數(shù)指標如表1所示。

表160%輕載A相跌落測試參數(shù)

5結論

在兩相靜止坐標系下采用準PR控制器具有控制器結構簡單、設計方便等優(yōu)點，并且無需多次坐標變換，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性，也證明了采用準PR控制器不僅能夠很好地實現(xiàn)并網(wǎng)的控制目標，而且具有更小的諧波畸變率。電網(wǎng)電壓不對稱跌落故障時光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制策略研究，基于

坐標系的準PR控制器的控制策略大大簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計，同時其動態(tài)響應速度得到了較大的提升。經(jīng)由仿真及實驗證明了該控制方案的有效性。雖然基本實現(xiàn)了控制目標，但是依然有待于進一步的優(yōu)化，在不采用硬件設備的條件下有效的穩(wěn)定直流母線電壓等。并進一步驗證零電壓穿越時算法性能的可靠性。