基于多功能有源濾波器光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT控制策略研究

李智，謝宇哲，吳越，鄭峰

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315020；2.福州大學(xué)電氣工程自動化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

光伏發(fā)電技術(shù)在我國得到了迅猛發(fā)展[1]，但隨著高滲透率光伏系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，使其與大電網(wǎng)系統(tǒng)間的聯(lián)系越發(fā)緊密。而當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起系統(tǒng)電壓跌落時，若將大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)瞬間切除則會對大電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響[2-3]。為增強(qiáng)含高滲透率光伏能源電力系統(tǒng)的安全性能，國家電網(wǎng)公司在分布式電源并網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)中明確要求光伏電站應(yīng)具備LVRT能力[4]。

目前，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果。文獻(xiàn)[5-9]利用坐標(biāo)變換將電壓電流轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系中來實現(xiàn)逆變器有功和無功的解耦控制。文獻(xiàn)[10-11]則在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱性跌落時利用正負(fù)序分解對正序分量進(jìn)行單獨控制，保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在不對稱情況下輸出對稱故障電流。文獻(xiàn)[12]與文獻(xiàn)[11]相似，在電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱跌落時，三相并網(wǎng)逆變器采用PR控制實現(xiàn)了其輸出故障電流的對稱性。但上述策略均忽略了并網(wǎng)逆變器限幅作用所產(chǎn)生的并網(wǎng)逆變器交、直流兩側(cè)功率不平衡問題，以及由此引起的直流側(cè)電容過壓問題。文獻(xiàn)[13-14]在逆變器直流側(cè)加裝卸負(fù)荷設(shè)備，在故障期間通過卸荷電阻消耗光伏陣列發(fā)出的功率來維持逆變器兩側(cè)的功率平衡，進(jìn)而維持直流母線電壓的穩(wěn)定，并限制交流側(cè)并網(wǎng)電流的過流。文獻(xiàn)[15]通過在故障點與公共連接點動態(tài)地插入電阻來提升并網(wǎng)點的電壓，改善故障期間的有功平衡，進(jìn)而阻止直流側(cè)電壓驟升。雖然上述策略通過加入硬件設(shè)備可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT，但所引硬件設(shè)備只在故障情況下工作，系統(tǒng)正常運(yùn)行時處于閑置狀態(tài)，利用率低下且成本高。文獻(xiàn)[16]通過將儲能系統(tǒng)和靜止同步補(bǔ)償器相結(jié)合，實現(xiàn)有功和無功功率的靈活控制，但是整體成本顯高且控制復(fù)雜。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上提出了一種基于三相級聯(lián)H橋多功能柔性限流器的光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT控制策略。通過在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器交流側(cè)并聯(lián)引入多功能級聯(lián)H橋，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，級聯(lián)H橋基于模型預(yù)測控制實時補(bǔ)償光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電流諧波，提高并網(wǎng)電流電能質(zhì)量，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障電壓發(fā)生跌落時，級聯(lián)H橋則依據(jù)電網(wǎng)電壓跌落程度向電網(wǎng)注入一定的無功功率來支撐電網(wǎng)電壓，提高提高光伏發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)恢復(fù)水平，同時通過Boost變換器依據(jù)系統(tǒng)電壓跌落比，執(zhí)行Non-MPPT，降低光伏陣列輸出功率，維持并網(wǎng)逆變器交、直兩側(cè)功率平衡，最終實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)LVRT。

2 光伏電站低電壓穿越的要求

國家電網(wǎng)公司《光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》明確要求光伏發(fā)電站應(yīng)具備LVRT能力，并給出對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖1所示，當(dāng)光伏電站并網(wǎng)點電壓跌至0時，光伏發(fā)電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.15s；當(dāng)并網(wǎng)點電壓跌至曲線0.9以下時，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)具備一定的動態(tài)無功支撐能力，且光伏發(fā)電站注入電網(wǎng)系統(tǒng)的無功電流Iq應(yīng)實時跟蹤并網(wǎng)點電壓變化[4]，并滿足:

圖1 光伏電站LVRT能力要求

式中，UT為光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓標(biāo)幺值；IN為光伏電站輸出額定電流。

3 級聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

圖2為級聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖2所示，每個級聯(lián)H橋由n×m個子單元組成，并以串、并聯(lián)方式聯(lián)接。其中，級聯(lián)H橋每個子單元均為全橋結(jié)構(gòu)，且通過4個高頻開關(guān)控制橋臂開斷。而子單元串、并聯(lián)亦可分別實現(xiàn)分壓、分流功能。根據(jù)圖2可知，串聯(lián)式級聯(lián)H橋第i個子單元的邏輯開關(guān)函數(shù):

圖2 級聯(lián)H橋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

則級聯(lián)H橋的輸出電壓可以表示為:

由于三相級聯(lián)H橋的獨立控制，若假定單相并聯(lián)間的級聯(lián)H橋采用均流方式控制，則只需分析單相、單串級聯(lián)H橋接入情況，如圖3所示。圖3中，ih為級聯(lián)H橋的輸出電流，u為接入點電壓，Rh為線路電阻，Lh為濾波電感。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，級聯(lián)H橋輸出動態(tài)微分方程為:

圖3 級聯(lián)H橋并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

設(shè)控制系統(tǒng)采樣周期為T，在(tk，tk＋1)時間內(nèi)，對式(4)進(jìn)行離散化處理，得到:

由式(5)可得tk＋1時刻，級聯(lián)H橋輸出電流為:

根據(jù)式(2)與式(3)可知，單串級聯(lián)H橋不同開關(guān)組合方式，就可得到不同輸出電壓u0，將不同的u0帶入式(6)，則可得到不同的輸出電流ih。若并聯(lián)級聯(lián)H橋每個串聯(lián)單元采用均分控制模式，則只需分析單個串聯(lián)單元的控制模式即可，則第i串級聯(lián)H橋輸出電流為:

串聯(lián)級聯(lián)H橋每個子單元采用均壓控制方式，則子單元第i個H橋的輸出電壓為:

將式(7)與式(8)帶入式(6)，則:

根據(jù)式(3)可知，級聯(lián)H橋每個子單元4個高頻開關(guān)，具有22種開關(guān)狀態(tài)，而每一種開關(guān)狀態(tài)分別對應(yīng)于一個輸出電壓。因此，若將第i個子單元的4個不同輸出電壓值u0_i帶入式(9)，即可求得4個不同的輸出電流值ih_i。

假設(shè)以光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流ig_ref為級聯(lián)H橋的控制目標(biāo)，構(gòu)建價值函數(shù)c[17]:

通過評價每個子單元H橋的邏輯開關(guān)函數(shù)，選取可使價值函數(shù)c取得最小值的開關(guān)函數(shù)值，并將該函數(shù)值所對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)動作于下一個周期。經(jīng)過不斷的重復(fù)計算，若開關(guān)頻率較高，則可使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電流實時、快速追蹤控制目標(biāo)值。若以光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn)電流為其控制目標(biāo)，則可消除其輸出電流所含諧波分量；若以增強(qiáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)恢復(fù)性能為其控制目標(biāo)，則可根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越中所需無功電流為級聯(lián)H橋柔性限流器的控制目標(biāo)，為電力系統(tǒng)提供無功支撐，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓，增強(qiáng)其動態(tài)恢復(fù)性能。

4 級聯(lián)H橋的參數(shù)設(shè)計

除了級聯(lián)H橋的控制策略外，多功能柔性限流器設(shè)備參數(shù)如何設(shè)置，也將對其控制效果產(chǎn)生影響。級聯(lián)H橋的相關(guān)設(shè)備參數(shù)設(shè)計主要分為以下幾個方面:

(1)如何確定級聯(lián)H橋兩端的最大輸出電壓Um。根據(jù)上一節(jié)的分析可知，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時，級聯(lián)H橋需要向接入點注入電流消除入網(wǎng)電流的諧波成分，當(dāng)發(fā)生低電壓穿越故障時，級聯(lián)H橋需要向接入點注入無功電流來支撐并網(wǎng)點電壓的恢復(fù)，同時抑制故障電流的增大。為了保證級聯(lián)H橋的注入電流能夠?qū)崟r追蹤目標(biāo)值，考慮到可能發(fā)生的最極端的情況，最大輸出電壓Um應(yīng)大于接入點相電壓的峰值:

其中，Upeak為接入點相電壓峰值，KM為電壓裕度系數(shù)，可根據(jù)目標(biāo)注入電流大小進(jìn)行調(diào)整。

(2)如何確定級聯(lián)H橋中并、串聯(lián)支路數(shù)m、n。當(dāng)級聯(lián)H橋并入大電網(wǎng)，需要考慮該設(shè)備耐壓水平，為防止級聯(lián)H橋高頻開關(guān)因為過壓而被擊穿，因此:

其中，Uwv為單個H橋子模塊耐壓水平，KO為過電壓系數(shù)。

同時，還要考慮設(shè)備的耐受電流水平，防止級聯(lián)H橋因為注入電流過大而發(fā)生過流故障，因此:

其中，Iwi為每個H橋子模塊的耐受電流水平，IN為并網(wǎng)點的額定電流。

由式(12)與(13)可知，級聯(lián)H橋并、串聯(lián)支路數(shù)m、n越大，H橋子單元耐壓、耐流水平越高，同時亦可減小直流側(cè)電容容量及其電壓Udc。但出于成本考慮，根據(jù)實際情況決定H橋子單元并、串聯(lián)支路數(shù) m、n。

(3)如何確定限流電阻Rh、濾波電感Lh。限流電阻Rh主要作用是防止暫態(tài)過程中級聯(lián)H橋注入電流過大，但Rh過大會消耗大量功率，因此根據(jù)目標(biāo)注入電流大小來確定Rh。濾波電感Lh主要作用是抑制級聯(lián)H橋注入的沖擊電流，一般來說，Lh越大抑制效果越好，但級聯(lián)H橋追蹤目標(biāo)電流的動態(tài)性能會隨之降低。為了適應(yīng)目標(biāo)電流的變化率，持續(xù)追蹤目標(biāo)電流，根據(jù)式(5)，注入電流ih應(yīng)當(dāng)滿足以下要求:

因此，可根據(jù)式(13)取電感Lh預(yù)估值，為平衡限流器動態(tài)性能與抑制沖擊電流作用效果，電感Lh則可依據(jù)限流器實際需求設(shè)置其數(shù)值大小。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)控制策略

5.1 并網(wǎng)器控制策略

當(dāng)并網(wǎng)逆變器采用單dq坐標(biāo)系時，若電網(wǎng)發(fā)生不對稱性故障，則控制系統(tǒng)引入的電壓正、負(fù)序分量在負(fù)、正序dq坐標(biāo)中的投影將分別出現(xiàn)兩倍頻交流量[18]，而該兩倍頻交流量存在將使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)失效。為順利實現(xiàn)控制目標(biāo)，逆變器控制系統(tǒng)采用正負(fù)序dq坐標(biāo)，則并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型:

其中，ω表示坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)頻率。ki_P/ki_I、ki_P/ki_I分別為電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)PI控制器參數(shù)。

5.2 自適應(yīng)Non-MPPT算法

設(shè)定光伏陣列輸出功率:Ppv；并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓:udc；并網(wǎng)逆變器輸出功率:P。根據(jù)逆變器直、交兩側(cè)能量傳函，則:

式中:C為逆變器直流側(cè)電容。依據(jù)正序、負(fù)序dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使并網(wǎng)逆變器輸出三相對稱電流。則不同運(yùn)行工況下，逆變器輸出功率P為:

式中:Ug為并網(wǎng)點額定電壓，r為電壓跌落程度。若故障期間保持光伏陣列輸出功率Ppv不變，則直流側(cè)電容C上的功率變化為:

而故障期間:

由于故障時逆變器直、交兩側(cè)不平衡能量無消耗或存儲路徑，則直流電容電壓udc升高，造成C過壓。倘若此時將Ppv調(diào)節(jié)為:，則可使直、交兩側(cè)輸出功率平衡。光伏發(fā)電系統(tǒng)前級Boost變換器占空比[20]:

式中，Isc為短路電流；Uoc為開路電壓；Im為最大功率輸出電流；UPV_(k-1)/UPV_(k-2)與IPV_(k-1)/IPV_(k-2)分別為k-1、k-2時刻采樣電壓、電流。根據(jù)式(21)與式(22)可知，只需根據(jù)k-1、k-2時刻采樣電壓、電流即可求得當(dāng)前環(huán)境條件下的最大最大功率輸出電壓Um，進(jìn)而通過PI控制實現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)，使光伏陣列輸出電壓Upv接近于Um，實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出。當(dāng)外部系統(tǒng)發(fā)生故障時，需將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率Ppv調(diào)節(jié)為。 此時，光伏陣列輸出電壓Upv則需調(diào)整為:

因此，基于自適應(yīng)Non-MPPT算法，可使光伏發(fā)電系統(tǒng)在外部發(fā)生故障時，快速、精確調(diào)節(jié)光伏陣列輸出功率，保證其輸出故障電流在控制范圍內(nèi)。

6 仿真驗證

6.1 算例參數(shù)說明

依據(jù)圖4，在Matlab/Simulink仿真平臺搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，對含多功能柔性限流器的光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)特性進(jìn)行定性分析。表1給出系統(tǒng)仿真參數(shù)。為了便于仿真分析，在此假定光伏陣列處于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(S＝1000W/m2，t＝25℃)。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

6.2 基于級聯(lián)H橋的諧波補(bǔ)償

在不投入級聯(lián)H橋的情況下，光伏電站正常運(yùn)行。如圖5所示，為了更好地證明級聯(lián)H橋的諧波補(bǔ)償功能，在光伏逆變器交流側(cè)a相加入幅值為20A的3次諧波，在b相加入幅值為40A的6次諧波，在c相加入幅值為60A的3次諧波。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)入網(wǎng)電流

在0.5s時，在接入點投入級聯(lián)H橋。級聯(lián)H投切前后各相電流諧波幅值的對比如圖6所示。a相的總諧波失真從21.20%下降為1.69%，b相的總諧波失真從28.62%下降到1.68%，c相的總諧波失真從41.79%下降到1.67%?？擅黠@看出，級聯(lián)H橋的投入對并網(wǎng)電流的諧波補(bǔ)償效果十分明顯，各相的諧波分量基本被消除。

圖6 級聯(lián)H橋投切前后諧波幅值對比

6.3 不同故障場景下仿真分析

假定光伏發(fā)電系統(tǒng)以額定功率運(yùn)行，功率因數(shù)為1，0.5s時K1處發(fā)生三相短路故障，0.6s時故障消除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生對稱性故障時，根據(jù)并網(wǎng)點電壓跌落程度，設(shè)置目標(biāo)有功電流和無功電流，然后通過dq/abc坐標(biāo)變換得到三相參考電流，再進(jìn)一步得到級聯(lián)H橋的目標(biāo)注入電流，將其帶入價值函數(shù)，得到級聯(lián)H橋的開關(guān)信號。

如圖7所示，并網(wǎng)點電壓在故障期間下降了50%。入網(wǎng)電流在跌落開始和跌落結(jié)束時有幅值和相位上的波動，其他時間基本保持不變，因此不會因為并網(wǎng)電流過流而損壞器件或觸動保護(hù)使斷路器關(guān)斷。當(dāng)并網(wǎng)點電壓發(fā)生跌落后，級聯(lián)H橋根據(jù)電壓跌落程度立即向并網(wǎng)點注入21kW左右的無功功率，滿足了低電壓穿越的要求。并網(wǎng)逆變器a相輸出電流在故障發(fā)生時會短暫升高，隨后迅速跌落，故障結(jié)束后又恢復(fù)到正常水平。逆變器直流側(cè)電壓在故障期間保持額定值基本不變。從并網(wǎng)點電壓對比圖可以看出，采用LVRT策略之后并網(wǎng)點電壓得到了明顯的提升。

圖7 平衡故障下的光伏系統(tǒng)低電壓穿越仿真結(jié)果

非平衡故障包括單相短路接地故障，兩相短路故障以及兩相短路接地故障，這里以單相短路接地故障為例進(jìn)行分析。

系統(tǒng)0.5s時在K1處發(fā)生單相短路接地故障，0.6s時故障消失，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。如圖8所示，發(fā)生單相接地故障時，并網(wǎng)點a相電壓發(fā)生跌落，其他兩相不變。由于整體電壓的跌落程度較低，入網(wǎng)電流在故障瞬間的波動較小，幅值始終維持在額定值。故障發(fā)生后，級聯(lián)H橋快速動作。向電網(wǎng)注入一定的無功功率來支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，但是由于電網(wǎng)電壓的不對稱，注入的功率產(chǎn)生了二次頻波動。并網(wǎng)逆變器交流側(cè)在故障期間沒有出現(xiàn)過流現(xiàn)象，直流側(cè)維持額定電壓不變。采用LVRT策略之后并網(wǎng)點電壓在故障期間得到了提升，故障結(jié)束后，系統(tǒng)恢復(fù)正常，較好地實現(xiàn)了非平衡故障下的低電壓穿越。

圖8 非平衡故障下的光伏系統(tǒng)低電壓穿越仿真結(jié)果

7 結(jié)論

隨著越來越多的光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行，新的光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求大容量光伏電站具有一定的低電壓穿越能力。本文提出了一種基于三相級聯(lián)H橋的光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行時，級聯(lián)H橋基于模型預(yù)測控制向并網(wǎng)點注入目標(biāo)電流來消除并網(wǎng)電流中的諧波成分，為并網(wǎng)電流提供諧波補(bǔ)償，提高并網(wǎng)電流的質(zhì)量。當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，級聯(lián)H橋根據(jù)并網(wǎng)點電壓的跌落狀況向大電網(wǎng)注入無功功率來支撐電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，最終實現(xiàn)了光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越。在光伏并網(wǎng)滲透率越來越高的背景下采用文中提出的方法可以有效的降低電網(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。