光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的逆變器控制策略切換改進(jìn)研究

孫婷婷

(南通理工學(xué)院 電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通)

引言

對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，其在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓跌落的工況下，成功實(shí)現(xiàn)低電壓穿越的關(guān)鍵在于將逆變器直流母線電壓限制在其安全約束范圍內(nèi)[1-2]?？紤]到光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)其在低電壓穿越過(guò)程中需向電網(wǎng)提供的無(wú)功電流支撐做出了規(guī)定[3-4]，實(shí)際低電壓穿越過(guò)程中光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器可輸出的有功相對(duì)受限。為限制逆變器輸入有功與輸出有功不平衡量導(dǎo)致的直流母線電壓變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)可通過(guò)加裝直流母線卸荷電阻與儲(chǔ)能等設(shè)備[5-6]，增強(qiáng)其低電壓穿越能力。

低電壓穿越過(guò)程中光伏發(fā)電系統(tǒng)的逆變器需按照并網(wǎng)導(dǎo)則要求設(shè)定其q 軸無(wú)功電流控制參考值。為盡可能抑制直流母線電壓的增長(zhǎng)，逆變器的d 軸有功電流由常規(guī)工況下的功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制切換為單內(nèi)環(huán)直接電流控制，d 軸有功電流參考值在q 軸無(wú)功電流參考值與逆變器電流最大允許值限定的范圍內(nèi)取最大值，以最大化逆變器的有功功率輸出[7]。

現(xiàn)有研究對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間的低電壓穿越能力的改善關(guān)注較多，對(duì)于電網(wǎng)故障消除、光伏并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)后的暫態(tài)過(guò)程研究則較少。光伏發(fā)電系統(tǒng)由故障狀態(tài)運(yùn)行恢復(fù)至常規(guī)工況運(yùn)行的暫態(tài)過(guò)程涉及到逆變器的控制策略切換，即逆變器需由故障狀態(tài)下的直接電流內(nèi)環(huán)控制切換至對(duì)應(yīng)常規(guī)工況的功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制，該切換過(guò)程對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的沖擊大小取決于其切換方法。現(xiàn)有研究在檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓回升后隨即對(duì)逆變器控制策略進(jìn)行切換，為進(jìn)一步促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)向故障消除后常規(guī)運(yùn)行工況的平滑過(guò)渡，控制策略切換方法仍存在改進(jìn)空間。

針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過(guò)程中逆變器的控制策略切換，本文對(duì)故障清除后逆變器由單內(nèi)環(huán)電流控制切換回雙環(huán)控制的方法進(jìn)行了優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)向故障后穩(wěn)態(tài)工況的平滑過(guò)渡，并基于搭建的MATLAB/Simulink 仿真模型進(jìn)行了效果驗(yàn)證。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制策略

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中光伏電池產(chǎn)生的直流電經(jīng)前級(jí)DC/DC 變換器實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出的調(diào)制以匹配并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓大小，然后并網(wǎng)逆變器進(jìn)一步將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸送至交流電網(wǎng)。

圖1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

1.1 常規(guī)工況逆變器雙環(huán)控制策略

光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器采用矢量控制策略，基于并網(wǎng)點(diǎn)電壓d 軸定位，實(shí)現(xiàn)輸出有功與無(wú)功的解耦控制，即通過(guò)控制d 軸電流調(diào)節(jié)有功輸出；通過(guò)控制q軸電流調(diào)節(jié)無(wú)功輸出。

光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的d 軸電流控制參考值通過(guò)直流母線電壓外環(huán)控制得到，即通過(guò)調(diào)節(jié)d 軸電流使逆變器輸出有功與光伏電池發(fā)出的有功平衡。為充分利用逆變器容量，其通常采用單位功率因數(shù)運(yùn)行模式，即逆變器輸出無(wú)功為零，對(duì)應(yīng)的q 軸無(wú)功電流參考值也設(shè)定為零。綜上，常規(guī)工況下逆變器采用的雙環(huán)控制策略如圖2 所示，圖中VDC為直流母線電壓，VPCC為并網(wǎng)點(diǎn)電壓，XL為逆變器與并網(wǎng)點(diǎn)間線路的電抗，下標(biāo)d、q 分別代表d 軸與q 軸分量，下標(biāo)ref 代表控制參考值。

圖2 常規(guī)工況逆變器雙環(huán)控制策略

1.2 故障工況逆變器單內(nèi)環(huán)控制策略

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)后，并網(wǎng)導(dǎo)則要求逆變器需依照并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落深度，按比例向電網(wǎng)提供無(wú)功電流支撐，其大小為：

式中：k 為電網(wǎng)故障條件下并網(wǎng)點(diǎn)電壓的標(biāo)幺值。

為最大化逆變器有功輸出，逆變器d 軸有功電流參考值不再由圖2 中的直流母線電壓外環(huán)得到，而是參照式（2）直接設(shè)定以最大化低電壓穿越過(guò)程中的逆變器輸出電流。

式中：Imax為逆變器最大允許輸出電流。

綜上，故障工況下逆變器的單內(nèi)環(huán)控制策略框圖如圖3 所示。

圖3 故障工況逆變器單內(nèi)環(huán)控制策略

2 逆變器控制策略切換改進(jìn)及仿真驗(yàn)證

2.1 逆變器控制策略切換方法改進(jìn)

通?？蓪⒉⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓的恢復(fù)視作光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過(guò)程的結(jié)束，因而傳統(tǒng)方案是當(dāng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至0.9 標(biāo)幺值后隨即將逆變器由單內(nèi)環(huán)控制切換回雙環(huán)控制。

為使光伏發(fā)電系統(tǒng)盡快恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，可在逆變器控制策略切換后，直流母線電壓首次降至其額定值的時(shí)刻，將直流母線電壓外環(huán)PI 控制中積分環(huán)節(jié)的輸出設(shè)定為0，這有助于直流母線電壓的盡快穩(wěn)定，進(jìn)而使光伏發(fā)電系統(tǒng)盡快恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 仿真模型搭建

在MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)搭建并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型以驗(yàn)證改進(jìn)逆變器控制策略切換方法的效果，其功能實(shí)現(xiàn)模塊如圖4 所示，在0.6～0.8 s 時(shí)間段內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)處于低電壓穿越狀態(tài)，在0.8 s 時(shí)刻，并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至初始額定值。在低電壓穿越暫態(tài)過(guò)程中，在逆變器直流母線電容兩端并聯(lián)卸荷電阻以避免直流母線電壓越限。

圖4 改進(jìn)逆變器控制策略切換方法的功能實(shí)現(xiàn)模塊

如圖4 上方模塊所示，以并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于還是小于0.9 標(biāo)幺值為判據(jù)，逆變器d 軸有功電流參考值分別由直流母線電壓外環(huán)設(shè)定（見圖2）以及在低電壓穿越過(guò)程中直接設(shè)定（式（2））。當(dāng)檢測(cè)到并網(wǎng)點(diǎn)電壓回升至0.9 標(biāo)幺值后，逆變器由單內(nèi)環(huán)控制切換回雙環(huán)控制。

本文改進(jìn)主要體現(xiàn)在下方模塊中，當(dāng)判定低電壓穿越過(guò)程結(jié)束后（左上方Switch 模塊），且直流母線電壓首次降至其控制參考值后（左下方Switch 模塊），此時(shí)將直流母線電壓外環(huán)的積分環(huán)節(jié)輸出置零（輸出由右下角下方PI 模塊切換至上方PI 模塊），以實(shí)現(xiàn)逆變器控制策略切換的改進(jìn)方法。

2.3 仿真結(jié)果驗(yàn)證

基于所搭建仿真模型，對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。對(duì)于機(jī)端電壓跌落消除后的逆變器控制策略切換，分別采用傳統(tǒng)方法以及本文改進(jìn)方法進(jìn)行分析。兩種方法下的直流母線電壓仿真結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。

圖5 直流母線電壓仿真結(jié)果對(duì)比

由圖5 對(duì)比可知，本文方法所起到的改進(jìn)效果主要體現(xiàn)在0.8 s 并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)之后。在0.6～0.8 s 的低電壓穿越期間，直流母線電壓在卸荷電阻的作用下維持在750～800 V 之間。但在并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)之后，傳統(tǒng)方法僅將內(nèi)環(huán)控制切換為雙環(huán)控制，直流母線電壓在1.15 s 時(shí)才重新穩(wěn)定在其額定值700 V，且在此過(guò)程中直流母線電壓出現(xiàn)了大幅波動(dòng)（最低值降低到620 V 左右）。

相對(duì)的，改進(jìn)方法在0.93 s 時(shí)刻直流母線電壓首次回落至其額定值時(shí)將直流母線電壓外環(huán)控制的輸出清零。由圖5 可知，采用改進(jìn)方法可將直流母線電壓快速穩(wěn)定至其控制參考值，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)向其常規(guī)運(yùn)行工況的快速過(guò)渡。

3 結(jié)論

本文針對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越過(guò)程，對(duì)其在并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)后向常規(guī)工況的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了研究。在現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越過(guò)程中由單內(nèi)環(huán)電流控制向雙環(huán)控制切換策略的基礎(chǔ)上，以直流母線電壓的快速穩(wěn)定為目標(biāo)，對(duì)逆變器控制策略切換的方法進(jìn)行了改進(jìn)?；谀Ｐ头抡娼Y(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)故障清除后，光伏發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓迅速恢復(fù)穩(wěn)定可起到的有益效果。