大功率光伏并網(wǎng)電流控制器的RTDS建模與仿真

黃 鑫，易映萍，范麗君

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

大功率光伏并網(wǎng)電流控制器的RTDS建模與仿真

黃 鑫，易映萍，范麗君

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS)，提出了一種檢驗(yàn)大功率光伏并網(wǎng)電流控制器控制性能的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真方案。利用RTDS構(gòu)建了100 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，并分別搭建了基于比例積分(PI)和比例諧振(PR)兩種控制算法的電流控制器模型。模擬實(shí)際工況設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)仿真試驗(yàn)，對(duì)兩種控制器的控制性能進(jìn)行了考察。仿真結(jié)果有效驗(yàn)證了兩種電流控制器的有效性和局限性，也為相關(guān)控制器性能的檢測(cè)提供了借鑒。

大功率光伏；RTDS；電流控制器

隨著我國(guó)光伏發(fā)電并網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，功率等級(jí)也在不斷提升，為滿足電網(wǎng)對(duì)大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)饋入其中電流的嚴(yán)格要求，需對(duì)并網(wǎng)電流控制器的控制性能進(jìn)行深入考察。對(duì)于工程上常用的基于獨(dú)立脈寬調(diào)制技術(shù)的線性電流控制器，已有不少理論方面的研究，典型的如基于比例積分(PI)和基于比例諧振(PR)的電流控制策略，這些控制策略已在小功率試驗(yàn)樣機(jī)上完成了測(cè)試。但對(duì)于100 kW及以上的大功率光伏并網(wǎng)電流控制器在實(shí)際工況下控制性能的檢測(cè)方面存在諸多困難，主要有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)耗資大、周期長(zhǎng)，一般仿真軟件過(guò)于理想化、運(yùn)算速度不滿足實(shí)時(shí)輸出的需求等[1]。實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS)是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，擁有先進(jìn)的并行處理技術(shù)和精確的電力系統(tǒng)元件模型，在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)的模擬和對(duì)控制算法精細(xì)仿真及性能驗(yàn)證上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。本文利用RTDS構(gòu)建了100 kW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)，并分別搭建了基于PI和PR兩種控制算法的電流控制器模型，基于該平臺(tái)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)仿真試驗(yàn)，檢驗(yàn)這兩種控制器在接近實(shí)際工況下的控制性能。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一次部分建模

1.1 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

采用典型的兩級(jí)式三相光伏并網(wǎng)逆變器為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]，如圖1所示，光伏陣列發(fā)出的直流電能經(jīng)前級(jí)Boost電路升壓后，通過(guò)三相逆變橋轉(zhuǎn)化為50 Hz的交流電能，經(jīng)濾波電感并入電網(wǎng)。為光伏并網(wǎng)逆變器直流母線電壓，表示公共連接點(diǎn)的三相相電壓，為光伏逆變器三相并網(wǎng)電流，為濾波電感，表示并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓。

圖1 三相光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)逆變器在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)描述為：

這里在對(duì)升壓電路和三相逆變橋電路RTDS建模時(shí)，采用建立電壓源型電力電子裝置的小步長(zhǎng)(<2 μs)模型的方法，以確保高頻開(kāi)關(guān)器件的仿真精度及速度，光伏陣列、三相電網(wǎng)等交直流電氣模塊則采用大步長(zhǎng)50 μs模型，大步長(zhǎng)和小步長(zhǎng)模型之間用三臺(tái)單相隔離變壓器相連，使不同仿真步長(zhǎng)的電路元件能夠協(xié)調(diào)工作。

1.2 外接電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)RTDS模擬實(shí)際電力系統(tǒng)搭建的測(cè)試系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，將輸出功率約為100 kW的光伏組件經(jīng)升壓電路并聯(lián)至100 kW光伏逆變器，與一臺(tái)變比為0.4/10 kV的變壓器組成一個(gè)容量為100 kVA的發(fā)電單元，其發(fā)出電能在10 kV母線匯流后經(jīng)變比為10/35 kV的變壓器升壓變送到35 kV母線。架空線路全長(zhǎng)15 km，選用Chukar鋼芯鋁絞線，交流阻抗為0.040 3 Ω/km，負(fù)荷側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的輸電線路長(zhǎng)度比任意可調(diào)分別為與之對(duì)應(yīng)的輸電線路等效阻抗。

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一次部分主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 光伏發(fā)電及配網(wǎng)電氣結(jié)構(gòu)

表1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一次部分主要參數(shù)

2 控制系統(tǒng)建模

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)中，電流控制器的結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵。一方面，通過(guò)電流控制器可使并網(wǎng)電流時(shí)刻與并網(wǎng)點(diǎn)電壓保持一定關(guān)系，從而向電網(wǎng)注入特定的有功、無(wú)功功率；另一方面，為避免不必要的過(guò)流保護(hù)，需對(duì)電流瞬時(shí)值進(jìn)行合適的控制。目前應(yīng)用最廣且最具代表性的是基于PI算法的電流控制器和基于PR算法的電流控制器。

2.1 基于PI算法的電流控制器設(shè)計(jì)

基于PI控制算法的電流控制器控制框圖如圖3所示，該控制算法是在兩個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)的，由于PI調(diào)節(jié)器只對(duì)直流分量有無(wú)窮大增益，所以令它們分別以基波頻率在正、負(fù)序方向旋轉(zhuǎn)，最終使電流的正、負(fù)序分量化為直流量加以控制。在電網(wǎng)電壓不平衡條件下，各電磁量在正、反雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中綜合表現(xiàn)為直流量和二倍頻交流量之和，要得到三相電流、電壓的正、負(fù)序直流分量，工程中常使用兩階帶阻陷波器將其中二倍頻分量剔除。陷波器傳遞函數(shù)的頻域表達(dá)式為：

圖3 基于解耦雙同步電流控制器的控制框圖

2.2 基于PR算法的電流控制器設(shè)計(jì)

基于比例諧振電流控制器的控制框圖如圖4所示。在兩相靜止坐標(biāo)系中，電流的正、負(fù)序分量分別以、－的同步速旋轉(zhuǎn)，而諧振頻率為的比例諧振控制器對(duì)角頻率為±的正、負(fù)序交流成分具有無(wú)窮大增益。因此，無(wú)需引入正、負(fù)序電流分解和交叉解耦環(huán)節(jié)，僅需要一個(gè)比例諧振控制器便可同時(shí)控制正序和負(fù)序電流。兩相靜止坐標(biāo)系下并網(wǎng)逆變器矢量形式電壓方程為：

在兩相靜止坐標(biāo)系下，光伏逆變器交流側(cè)電壓參考值為：

圖4 基于比例諧振電流控制器的結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真試驗(yàn)

本文從穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)兩個(gè)方面比較兩種不同電流控制器的控制效果。穩(wěn)態(tài)主要考察并網(wǎng)電流的諧波含量；暫態(tài)主要考察并網(wǎng)電流在電網(wǎng)故障時(shí)的波形狀況。

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真

在理想電網(wǎng)條件下，并網(wǎng)電流的諧波主要由電流控制器和系統(tǒng)非線性造成，利用RTDS三相電壓源模塊提供理想電網(wǎng)電壓，用FFT模塊對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析。

由圖5可知，基于PI電流控制器和基于PR電流控制器的并網(wǎng)電流總諧波畸變率分別為1.913%和1.783%，滿足IEEE Std.1547總諧波畸變率小于5%的標(biāo)準(zhǔn)，且各奇次諧波都在電流諧波限值以內(nèi)，說(shuō)明兩種電流控制器在電網(wǎng)正常情況下都能達(dá)到良好的控制效果。

圖5 并網(wǎng)電流諧波分析圖

3.2 故障仿真

故障仿真主要針對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)生最頻繁的單相短路和造成后果最嚴(yán)重的三相短路，以保持并網(wǎng)電流三相平衡且正弦為控制目標(biāo)，對(duì)比兩種控制器的暫態(tài)性能。短路故障發(fā)生在負(fù)荷側(cè)，距離10 kV母線8 km處。設(shè)短路時(shí)長(zhǎng)為200 ms，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，由觸發(fā)器和控制邏輯在特定時(shí)間觸發(fā)。

3.2.1 單相短路故障

圖6(a)為經(jīng)過(guò)0.4/10 kV變壓器后的三相電壓波形，即光伏逆變器并網(wǎng)點(diǎn)處電壓波形，測(cè)得A相、B相電壓分別跌落至80%和74%額定值，同時(shí)相角存在躍變。

圖6(b)為采用基于PI電流控制器的單相短路故障試驗(yàn)波形，由于該控制器可分別對(duì)電流的正、負(fù)序分量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，故負(fù)序電流能夠得到抑制，故障瞬間最大電流值為1.089倍額定電流，電流三相平衡且正弦，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

采用基于PR電流控制器的控制系統(tǒng)單相短路故障試驗(yàn)波形如圖6(c)所示，由于以電網(wǎng)頻率作為基準(zhǔn)值，省去了正、負(fù)序分解環(huán)節(jié)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，同樣達(dá)到了良好的控制效果。且三相電流更為平滑，故障瞬間最大電流值為1.042倍額定電流。相比前者，該控制器更好地實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

圖6 單相短路時(shí)故障電壓和并網(wǎng)電流波形

3.2.2 三相短路故障

當(dāng)發(fā)生電力系統(tǒng)中最為嚴(yán)重的三相短路故障時(shí)，基于PI電流控制器與基于PR電流控制器的控制性能相比則有所差異。對(duì)比圖7(a)與圖7(b)可知，在并網(wǎng)點(diǎn)處電壓瞬間跌落至18%的嚴(yán)峻考驗(yàn)下，基于PI電流控制器的電流過(guò)沖現(xiàn)象非常明顯。實(shí)際工程中，若滿功率條件下發(fā)生跌落，過(guò)沖電流會(huì)導(dǎo)致硬件保護(hù)動(dòng)作，使得電網(wǎng)側(cè)斷路器跳閘，從而與電網(wǎng)斷開(kāi)，甚至有燒毀短路器的危險(xiǎn)。三相電流嚴(yán)重不平衡，故障切除后并網(wǎng)電流恢復(fù)緩慢。因此，沒(méi)有達(dá)到控制目標(biāo)。

基于PR電流控制器的單相電流仍存在一定的過(guò)沖，但幅值較前者明顯減小，且三相電流基本保持平衡，故障切除后電流迅速恢復(fù)到正常狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)。

圖7 三相短路時(shí)故障電壓和并網(wǎng)電流波形

4 結(jié)論

本文基于RTDS對(duì)大功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及其電流控制器進(jìn)行了建模，并模擬實(shí)際工況對(duì)兩種電流控制器的控制性能進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。通過(guò)仿真波形的對(duì)比分析，說(shuō)明基于RTDS的光伏并網(wǎng)仿真平臺(tái)很好地滿足了控制策略的驗(yàn)證需求，提出的兩種電流控制器中，基于PR的電流控制器具有更好的暫態(tài)性能，能更高效地實(shí)現(xiàn)大功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)。

[1]王多，?？?，薛峰，等.基于RTDS與MATLAB的雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)特性仿真比較[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2012，32(12)：80-86.

[2]常浩，張民，馬為民.實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器的應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2006，39(7)：56-60.

[3]張興，曹仁賢.太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：84-91.

RTDS modeling and simulation of high power photovoltaic grid-connected current controller

Based on real time digital simulator(RTDS)， a real time digital simulation scheme was presented for examining the control performance of high power photovoltaic(PV)grid-connected current controller.A set of 100 kW grid-connected PV power generation system simulation platform was established by RTDS，then two different current controllers namely PI and PR current controller were built.The evaluations for the two current controllers were made in steady state test and transient test.The results illustrate that the platform which is very familier with the real situation is suitable for anglicizing the controllers'performance.

high power PV;RTDS;current controller

TM 57

A

1002-087 X(2016)04-0895-04

2015-09-11

國(guó)家“863”高技術(shù)基金項(xiàng)目(2012AA050206)

黃鑫(1990—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向?yàn)榉植际侥茉床⒕W(wǎng)發(fā)電及故障穿越技術(shù)。