基于电压定向的光伏LVRT控制策略

摘 "要： 为提高光伏发电系统的低电压穿越（LVRT）能力，提出了一种单级三相系统下的LVRT控制策略。该控制策略运用电压前馈并引入PI调节器，实现电流内环的解耦控制。在LVRT期间采用卸荷电路来稳定直流侧电压，并根据电网电压的跌落深度发出相应的无功功率，支撑电压的恢复。在Matlab/SIMULINK中建立了仿真模型，仿真表明该控制策略具有可行性。

关键词： 光伏发电系统; LVRT; 卸荷电路; 解耦控制

中图分类号： TN710⁃34 " " " " " " " " " 文献标识码： A " " " " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2015）02⁃0145⁃04

PV LVRT control strategy based on voltage orientation

YANG Xin⁃hua1， 2， WANG Long⁃wei1， SUN Yan⁃jun1

（1. Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China; 2. Gansu Key Laboratory of Advanced Control for Industrial Process， Lanzhou 730050， China）

Abstract： To improve the low voltage ride⁃through （LVRT） capability of photovoltaic （PV） power generation system， "a LVRT control strategy under the single⁃stage three⁃phase system is proposed. The control strategy using the grid voltage feed⁃forward and introduced the PI regulator， achieve decoupling control of the current internal ring. During LVRT， the unloading circuit is used to stabilize the DC voltage， and issue the corresponding reactive power according to the depth of the grid voltage drop to support voltage recovery. The simulation model is established in Matlab / SIMULINK， and the simulation shows that the control strategy is feasible.

Keywords： photovoltaic power generation system; LVRT; unloading circuit; decoupling control

随着光伏电站数量和容量的不断增加，光伏并网对电网系统稳定运行产生的威胁也逐渐增大，特别是在电网出现电压跌落的情况下，如果大量光伏电站集体脱网，将加剧电网震荡，甚至导致电网崩溃的重大事故[1]。

目前，针对光伏低电压穿越的研究多集中在限制交流电流幅值的双闭环控制策略[2⁃3]。该策略虽能在一定程度上限制电压跌落时交流电流的过冲，但当电压跌落深度较大时，由于系统本身特性以及PI控制器的控制效果所限，实际系统仍会产生不稳定运行情况[4]。为有效应对电网低电压故障，本文提出了基于电网电压定向的低电压穿越控制策略，并采用卸荷电路抑制电网电压对称跌落期间直流侧电压的波动，且根据电网电压的跌落深度发出一定的无功功率以支撑电压的恢复。

1 "光伏电站LVRT要求

光伏发电领域LVRT是指在光伏并网点电压短时跌落时，光伏并网发电设备能够保持并网，必要时能向电网提供无功功率以支持电网恢复，直到电网恢复正常。我国在2011年发布了国网公司企业标准《光伏电站接入电网技术规定》[5]，文中对电网故障或异常时光伏系统的响应做了明确规定。LVRT要求如图 1 所示，光伏电站只有在并网点电压低于20%额定电压时或并网点电压低于90%额定电网电压并且超出曲线规定的1 s时，逆变器才可脱网运行。

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图1 光伏并网标准中的LVRT要求

2 "光伏并网系统低电压穿越控制策略

单级式光伏并网逆变器的拓扑结构如图2所示[6]，在数学建模前先做如下假设：

（1） 三相光伏逆变器并网运行时，电网输出三相平衡、且稳定性较高;

（2） 电感电容等元器件为理想器件;

（3） 功率开关管为理想器件，忽略死区时间及开关过程。

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图2 单级式三相光伏并网发电系统拓扑结构图

图中[ipv]为光伏阵列输出电流，[Udc]、[idc]为逆变器直流端输入电压、电流。

在三相静止abc坐标系下，根据基尔霍夫定律，三相光伏并网逆变器的数学模型可描述为：

[LdiadtLdibdtLdicdt=-r000-r000-riaibic+100010001uaubuc-100010001eaebec] " " （1）

式中：[ea]，[eb]，[ec]为三相电网电压;[ua]，[ub]，[uc]为逆变器输出电压;[ia]，[ib]，[ic]为逆变器输出电流;[L]为交流端滤波电感;[R]为逆变器输出阻抗。

经同步坐标变换可得到三相并网逆变器在同步旋转d⁃q坐标系下的数学模型，如下所示：

[Ldiddt=ud-ed-Rid+ωLiqLdiqdt=uq-eq-Riq-ωLidCdudcdt=ipv-idc] " （2）

采用前馈解耦控制策略，并引入PI调节，可得在d⁃q坐标系下三相并网逆变器的电流前馈解耦公式为：

[ud=PI*（i*d-id）+ed-ωLiquq=PI*（i*q-iq）+eq+ωLid] （3）

由此可得三相并网逆变器的控制策略如图3所示。

光伏并网逆变器通过MPPT算法得到[V*dc]，并与直流侧母线电压[Vdc]做差，将误差信号经PI调节得到有功电流的参考值[i*d]。有功无功电流参考值[i*d]、[i*q]与逆变器输出有功无功电流的采样值做差，并将误差经PI调节和解耦控制，得到[ud]、[uq]，然后再经过SVPWM变换，得到逆变器需要的PWM波。

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图3 单级式并网逆变器控制策略

由于采用电网电压d轴定向，则[eq=0]。根据瞬时功率的定义，可得逆变器输出瞬时有功和无功功率为：

[P=32（edid+eqiq）=32edidQ=32（eqid-ediq）=-32ediq] （4）

当电网电压跌落时，由功率平衡可知直流侧电压会突增。为抑制直流侧电压的波动，在直流侧增加了卸荷电路，消耗逆变器两侧不平衡功率[7]。其结构如图4所示，虚线框部分为卸荷电路，主要有晶闸管和卸荷电阻[Rd]组成。[Ppv]为光伏阵列输入功率，[Pg]为逆变器输出功率。

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图4 卸荷电路结构图

卸荷电路控制原理如图5所示[8]，主要是通过对逆变器输入功率[Pin]、输出功率[Pout]和直流端电压[Udc]的检测，判断是否将卸荷电路投入运行。

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图5 卸荷电路控制框图

当逆变器两侧的功率不平衡时，可以通过投入卸荷电阻来消耗掉其两侧的功率差。系统正常运行时，即[ΔP]和[Udc]在正常范围中波动，控制电路不投入卸荷电阻。如果功率差[ΔP≥ΔPmin]，则保护电路通过计算占空比并将卸荷电阻投入运行，以消除功率差;若[ΔP≤ΔPmin]，但是直流侧电压[Udc≥Udc_max]，卸荷电阻也同样投入运行，直到直流侧电压降低到一定数值以下，再将卸荷电阻切除。[ΔPmin]为卸荷电路投入运行的最小功率差，[Udc_max]为卸荷电路不投入运行的直流端最大电压。

3 "低电压穿越期间的有功无功协调

大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，特别是当电网电压跌落时，需要对电网进行无功补偿。以德国E.ON并网导则中的低电压穿越为例（见图6），电压跌落幅度超过10%，每1%的电压跌落，光伏电站需提供2%的无功电流以支撑电网电压的恢复[9⁃10]。

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图6 LVRT期间无功的输出

图中0～t1为故障初始阶段，此阶段要求发电系统不脱网;t1～t2为故障保持阶段，此阶段要求发电系统输出一定的无功以支撑电网;t3～t4为故障恢复阶段，此阶段要以一定的速率恢复其有功功率输出至正常值。

根据网侧电流不能超过额定电流的1.1倍的规定，即：

[（I*d）2+（I*q）2≤（1.1IN）2] （5）

式中：[IN]为电网的额定电流;[I*q]为并网逆变器输入无功电流的给定值。

由图6可得出LVRT期间所需的无功为：当跌幅小于10%时，[I*q=0];当跌幅大于10%小于50%时，[I*q=（-2UUN+2）IN];当跌幅大于50%时，[I*q=IN]，[UN]、[IN]分别为电网的额定电压和电流。

4 "仿真研究

用光伏电池模型来模拟光伏电站，并在Matlab/Simulink仿真平台中搭建标况下额定功率为25 kW光伏发电系统，如图7所示，具体参数如表1所示。

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图7 LVRT仿真模型

表1 系统主要参数

电网在0.3 s时发生三相平衡跌落，跌落幅度为50%，在0.5 s时电网电压恢复正常。电压跌落期间采取该LVRT控制策略后并网点a相电压、电流，逆变器输出有功功率和无功功率和直流端电压的波形如图8所示。

由图8（a）可知，电网电压在0.3 s时发生50%跌落，由于该控制策略的无功补偿，支撑了电网电压的恢复，使得电网电压被抬高到61%左右。

由图8（b）可知，LVRT期间由于交流限幅和卸荷电阻的投入，使得并网侧电流虽有些波动，但波动较小，避免了电流的突增，防止了并网逆变器因过流而损坏;由图8（c）、8（d）可知，在LVRT期间并网逆变器根据电网电压的跌落幅度发出一定的无功功率支撑电网电压，实现了有功无功的协调控制。

由图8（e）可知，在LVRT期间，由于并网逆变器输入输出两端的不平衡功率由卸荷电阻来消耗，使得直流端电压基本维持稳定，虽有稍微波动，但在可控范围内。

仿真结果显示该控制策略可以在LVRT期间抑制逆变器输出电流的增大，保持逆变器并网运行，还可以保持直流侧电压的稳定。另外，根据电压的跌落幅度输出一定的无功功率，支持电网电压的恢复。

图8 仿真结果

5 "结 "语

通过对光伏并网逆变器的理论分析，建立其基于电网电压定向的并网数学模型，并结合交流限幅技术、卸荷电路和无功发生策略，实现低电压穿越。仿真表明，该控制策略可有效抑制LVRT期间过电流现象，并能输出一定的无功功率支撑电网电压的恢复。

参考文献

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