基于直接電流控制的ZVRT控制方法

李子然 王永博

【摘?要】ZVRT是由我國率先提出的光伏并網(wǎng)要求，本論文在充分了解光伏發(fā)電原理和并網(wǎng)控制的基礎(chǔ)上，對單級式并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)側(cè)不同故障下的響應(yīng)特性進(jìn)行全面深入的分析。根據(jù)并網(wǎng)規(guī)定要求，提出一種基于直接電流控制的ZVRT方法。

【關(guān)鍵詞】光伏電站;ZVRT技術(shù)要求;ZVRT控制方法

1 光伏電站ZVRT技術(shù)要求

ZVRT是指當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓出現(xiàn)跌落乃至為0時，光伏電站依然能夠保持并網(wǎng)運行一段時間，并向電網(wǎng)提供一定的無功支撐以幫助跌落電壓恢復(fù)。國家電網(wǎng)公司出臺的《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中要求光伏電站的ZVRT能力應(yīng)滿足：

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

（2）并網(wǎng)點電壓跌至曲線1下方時才可以從電網(wǎng)切出。

并對有功功率的恢復(fù)速度有具體要求為：自故障清除時刻算起，以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前水平。同時根據(jù)ZVRT要求，當(dāng)電網(wǎng)故障導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓跌落時，光伏電站注入電網(wǎng)的動態(tài)無功電流應(yīng)滿足：

（1）自電壓跌落時刻起，的響應(yīng)時間不大于30ms;

（2）自響應(yīng)時刻起直到電壓恢復(fù)至0.9pu期間，注入電網(wǎng)的應(yīng)實時跟蹤并網(wǎng)點電壓變化，并滿足：

其中，為光伏電站并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值，為并網(wǎng)側(cè)額定輸出電流。

ZVRT要求當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落至0時光伏電站仍并網(wǎng)運行0.15s。而之前的LVRT則要求電網(wǎng)電壓跌落時允許光伏電站并網(wǎng)運行的最低電壓為0.15倍的額定電壓，當(dāng)并網(wǎng)電壓低于該值時，光伏電站須從電網(wǎng)切除。因此相比于LVRT，ZVRT對光伏電站的穩(wěn)定運行提出了更高的要求。

2 基于直接電流控制的ZVRT方法

2.1 直接電流控制原理

逆變器的電流控制方式有直接控制和間接控制。間接電流控制就是把逆變器當(dāng)作交流電壓源看待，通過對逆變器輸出側(cè)交流電壓相位和幅值的間接控制來改變并網(wǎng)電流。而直接電流控制是在dq坐標(biāo)系中采用跟蹤型PWM技術(shù)直接實現(xiàn)對并網(wǎng)電流瞬時值的反饋控制。跟蹤型PWM技術(shù)通過實時計算實際電流與給定電流的偏差并將其與高頻三角載波進(jìn)行比較，從而輸出對應(yīng)的PWM信號，以便控制逆變器得到所需要的電流波形。直接電流控制的響應(yīng)速度快，控制精度高，由于引入了實時負(fù)反饋，其能對交流側(cè)電網(wǎng)電壓和直流側(cè)電壓的波動迅速做出反應(yīng)，由此來保持并網(wǎng)電流對參考值的及時跟蹤。而間接電流控制雖控制原理簡單、易于實現(xiàn)，但響應(yīng)速度慢，但對外界干擾較為敏感，且控制精度低。因此在逆變器控制中，直接電流控制的應(yīng)用較為廣泛。

2.2 電流給定值的計算

在電網(wǎng)電壓跌落期間，導(dǎo)致逆變器脫網(wǎng)的主要原因是逆變器并網(wǎng)電流過流，而非直流側(cè)電壓的上升。因此在直接電流控制ZVRT的方法中，不考慮逆變器直流側(cè)電壓，只考慮并網(wǎng)電流。并且由于電網(wǎng)發(fā)生非對稱故障時，傳統(tǒng)dq變換中有二倍頻交流量，因此在輸出電流的給定及控制中，應(yīng)該在正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進(jìn)行。

根據(jù)國家電網(wǎng)對輸出電流的要求，在ZVRT期間，為滿足分段不等式（公式1），將故障期間注入的無功電表示為：

為確保并網(wǎng)電流在電網(wǎng)電壓跌落期間對稱不過流，令其負(fù)序電流分量的指令值、為0，即

為確保并網(wǎng)電流按《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求向電網(wǎng)注入無功電流，無功電流的指令值可給定為：

同時，為確保并網(wǎng)電流不過流，有功電流的指令值可給定為：

綜上，ZVRT期間并網(wǎng)電流的指令值可如下表示：

2.3 控制參數(shù)的整定

在直接電流控制的ZVRT過程中，為了使實際電流較快地跟隨給定值，需對電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計。由于光伏系統(tǒng)中的SPWM模塊存在數(shù)據(jù)采樣延遲環(huán)節(jié)及控制延遲環(huán)節(jié)，所以可將逆變器的傳遞函數(shù)等效成一個高增益的慣性環(huán)節(jié)，即

其中，為橋路PWM的等效增益;為開關(guān)周期（采樣周期）。

根據(jù)基爾霍夫定律，濾波電路的傳遞函數(shù)為：

為簡化分析，將PI控制器的傳遞函數(shù)寫成零極點的形式，即

從而得到ZVRT中電流環(huán)的控制框圖如圖1所示。

在設(shè)計電流環(huán)時，要讓其具有較快電流響應(yīng)速度，在此按照典型型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。由圖3可以看出，只需用PI控制器的零點抵消控制對象傳遞函數(shù)中的極點即可，即。經(jīng)校正后電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

公式2為直接電流控制的ZVRT中PI控制器參數(shù)的計算公式。

2.4 直接電流控制的ZVRT方法

為確保光伏電站在電網(wǎng)故障期間滿足ZVRT規(guī)定要求，同時保證并網(wǎng)電流對稱、及時向電網(wǎng)注入無功功率，需對并網(wǎng)電流的正、負(fù)序分量分別進(jìn)行控制。首先，正負(fù)序分離模塊分解出逆變器并網(wǎng)電壓和輸出電流的正負(fù)序dq分量;其次，電壓跌落深度檢測模塊根據(jù)故障電壓的跌落程度來確定逆變器在ZVRT期間的輸出電流，并將其作為輸出電流的參考值;最后經(jīng)前饋解耦抵消前饋量和耦合量，通過PI控制器得到SPWM發(fā)生器的脈沖信號，將其作用逆變器，使得輸出電流跟隨參考電流變化，從而實現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的ZVRT。

3 小結(jié)

本章詳細(xì)介紹了光伏電站ZVRT的相關(guān)要求，提出了直流電流控制的ZVRT方法。該方法根據(jù)規(guī)定要求和跌落深度給定指令電流，通過雙閉環(huán)控制實現(xiàn)對正、負(fù)序電流有功無功分量的解耦和對指令值的快速跟蹤，從而抑制負(fù)序電流并向電網(wǎng)提供一定的無功電流，保證并網(wǎng)電流不過流，確保光伏電站在電壓跌落期間繼續(xù)并網(wǎng)運行。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司）