光伏并网逆变器LVRT技术仿真研究_张泽斌

电气传动 2016年 第 46卷 第 2 期光伏并网逆变器 LVRT 技术仿真研究张泽斌 1， 王金梅 1， 2， 杜家宁 1（ 1. 宁夏大学 物理电气信息学院， 宁夏 银川 750021；2. 宁夏沙漠信息智能感知自治区重点实验室， 宁夏 银川 750021）摘要 针对电网电压跌落造成的电网不稳定运行， 以抑制光伏并网逆变器输出过电流为控制目标， 提出了基于无功支撑的 LVRT 技术。在对光伏并网逆变器建模和分析双闭环控制策略的基础上， 建立了逆变器输出无功电流和电压跌落深度的关系， 电网电压跌落时， 通过对有功、 无功电流的协调控制， 实现 LVRT ， 输出无功支撑电网电压恢复， 增强了并网系统的稳定性。 Simulink 仿真研究验证了该 LVRT 技术的有效性和可行性。关键词 光伏并网逆变器； 电压跌落； 低电压穿越； Simulink 仿真中图分类号 TM615 文献标识码 ASimulation Research on LVRT of Photovoltaic Grid -connected InverterZHANG Zebin1， WANG Jinmei 1， 2， DU Jianing1（ 1. Schoolof Physical and Electrical Information Engineering， Ningxia University， Yinchuan750021， Ningxia， China；2. Ningxia Key Laboratory of Intelligent Sensingfor DesertInformation ， Yinchuan 750021， Ningxia ， China）Abstract Aiming at the grid′ s instability causingby voltage dips， a low voltageride through technologybasedonsupport of reactive power wasproposedto restrain over-current of photovoltaic grid-connectedinverters. PV inverter′ smodeling wasset and double closed-loop control strategywas analyzed， basedon which built the relationship betweeninverter′ s reactive current and amplitude of grid voltage dips. Coordinatedreactive and active current when voltagedips occured. Thus， provided reactive power support to the grid， realized low voltage ride through of PV connectedinverters and enhanced stability of the grid-connected system.Simulink simulation results showthe effectivenessandfeasibility of the technology.Key words photovoltaic grid-connectedinverter； voltagedip； low voltageride through（ LVRT） ； Simulink simulation基金项目 国家自然科学基金资助项目 （ 51167015） ； 科技部国际合作项目 （ 2011DFA11780 ）作者简介 张泽斌 （ 1991- ） ， 女， 硕士研究生， Email binno1991163.com随着光伏穿透能力的不断增大， 大型光伏电站必须具备低电压穿越能力。低电压穿越是指并网点电压跌落时， 并网逆变器不脱网、 不过流正常运行， 甚至向电网输送无功功率支撑电网恢复 ［ 1］ 。并网点电压跌落时， 光伏逆变器输出功率突然减小， 输出电流瞬间增大 ［ 2］ ， 达到过流保护值后逆变器会脱网， 影响电力系统安全稳定运行。风电系统中传统的 LVRT 实现方式是在并网点加入动态电压补偿装置即输出一个幅值和相位均可控的电压来补偿跌落电压， 减小电网电压跌落对光伏发电系统的冲击 ［ 3］ 。基于静止同步补偿器的无功补偿方式可提高电能质量，支撑电网电压， 但同时增加了硬件成本， 且支撑程度取决于电网容量。本文所采用的基于无功支撑的 LVRT 技术是通过改变逆变器的控制策略来实现的， 通过对光伏逆变器的解耦控制， 可动态调节光伏电站的无功输出能力帮助电网电压恢复， 并抑制了逆变器输出过电流 ［ 4］ 。与其他LVRT 方法 （如功率限制的方法） 相比， 该方法响应速度快， 无需改动或增加硬件设备， 控制灵活， 易于实现。1 光伏并网逆变器建模光伏阵列及直流侧升压环节等效为恒压源，ELECTRIC DRIVE 2016 Vol.46 No.226网络出版时间 2016-02-19 093631网络出版地址 http//www.cnki.net/kcms/detail/12.1067.TP.20160219.0936.012.html电气传动 2016 年 第 46卷 第 2期逆变器拓扑结构如图 1所示。光伏并网逆变器选用三相桥式电压型拓扑结构 ［ 5］ ， 采用 SVPWM ［ 6］ 调制方式。图 1 中， U dc为直流等效电压； ua, ub, uc 为逆变器输出电压； C 为稳压电容； i a, i b, i c 为逆变器输出电流； L 为滤波电感； R 为开关管等效内阻；ea, eb, ec 为电网电压。dq同步旋转坐标系下并网逆变器数学模型为ud Ldiddt Rid - ω Li q eduq Ldiqdt Riq ω Li d eq（ 1）2 逆变器双闭环控制策略双闭环控制系统由逆变器直流电压外环和交流有功、 无功电流内环组成， 如图 2 所示。电压外环控制直流电压 U dc ， 引入直流电压负反馈并通过 PI 调节器控制直流电压， 其输出作为内环有功电流参考值 i *d 。光伏逆变器并网时， 要求其只向电网输送有功功率， 故内环无功电流参考值i *q 为 0。由式 （ 1） 知， i d, i q 相互耦合， 不利于控制器的设计， 电流内环采用前馈解耦控制策略， 对于 PI 电流调节器， dq同步旋转坐标系下电压指令 ［ 1］ ud - kip kiisi*d- i d - ω Li q eduq - kip kiisi*q- i q - ω Li d eq（ 2）结合式 （ 1） 和式 （ 2） 可得L di ddt - kip kiisi*d kip kiis- R i dL di qdt - kip kiisi*q kip kiis- R i q（ 3）由式 （ 3） 知， i d, i q 实现了解耦和独立控制 ［ 7］ 。在双闭环控制策略下， 若要使系统能具有LVRT 保护能力， 通常对逆变器输出电流值限幅，以保证逆变器在电网电压跌落时不因发生过电流而脱离电网。3 基于无功支撑的 LVRT 控制策略常规的 LVRT 解决方法是在光伏电站中加装无功补偿装置， 忽略了光伏逆变器本身的无功输出能力， 造成了一定的浪费。逆变器是光伏并网发电系统的核心部件， 当电网电压跌落时， 通过改变其控制策略使其具有无功输出的能力， 帮助完成 LVRT 。基于无功支撑的 LVRT 控制策略是根据电压跌落深度重新分配有功、 无功电流参考值来实现的。电网电压跌落时， 逆变器的控制由电压电流双闭环变为单电流闭环， 并增加一个电网电压前馈控制环节 ［ 8］ ， 通过电网电压前馈控制环节计算得到无功电流参考值， 光伏并网逆变器向电网提供无功以支撑电网电压恢复， 并限制了逆变器输出过电流， 完成了 LVRT 。 LVRT 控制框图如图 3 所示。图 1 光伏并网逆变器拓扑结构Fig.1 Topological structure of PV grid -connected inverter图 2 双闭环控制结构图Fig.2 Double closed-loop control structure diagram图 3 低电压穿越控制策略流程图Fig.3 Flow chart of LVRT control strategy张泽斌， 等 光伏并网逆变器 LVRT 技术仿真研究27电气传动 2016年 第 46卷 第 2 期逆变器正常并网时， 无功电流参考值 i *q 为 0，i *d 由电压外环给定， 逆变器仅向电网提供有功功率， 即逆变器以单位功率因数运行； 当电网发生跌落时， 向电网输送无功功率可提升电网电压幅值， 支撑电网电压恢复 ［ 9］ 。当检测到电网电压跌落时， 断开电压外环， 逆变器变为单电流闭环控制， 电网电压前馈开始工作， 根据电压跌落深度计算无功电流参考值 i *q 。并网点电压跌落前， 有功电流 i d i e ； 电压跌落后， 要求并网电流最大限值为 1.1i。根据 LVRT技术要求， 无功补偿斜率为 ［ 5］k Δ I q/I NΔ U/UN（ 4）Δ Iq I q - I q0 Δ U U0 - U式中 UN 为电网额定电压； U0 为跌落前电压； U为跌落后电压； I N为额定电流；I q0 为跌落前无功电流； Iq 为跌落后无功电流。根据电网电压跌落深度， 无功电流参考值为i *q I q k1- UUNIN1- 1.1k UN ≤ U ≤ 0.9U N1.1I N 0.2UN ≤ U ≤ 1- 1.1k U N（ 5）式中 U 由电网电压前馈控制得到。为保证光伏逆变器不脱网需限制其输出电流 I q ≤ I max 1.1I N。 根据 LVRT 标准关于无功支撑的要求， k 应满足 k ≥ 2 ， 本文取 k 2 ， 电压跌落深度超过 55时， Δ I B ≥ 2 55 IN， 光伏并网逆变器向电网只输出无功电流。有功电流参考值为i *d i 2e - i *2q （ 6）图 4 所示的电压发生三相对称跌落时 LVRT单电流闭环控制结构图中的 i *d 和 i *q 可由式 （ 5） 、式 （ 6） 计算得到。4 仿真研究在 Simulink 中搭建并网系统模型。光伏阵列工作在标准条件下， 参数为 最大功率点功率Pm 70 kW ， 电 压 U m 350 V， 环 境 温 度 Tref 25 C， 光 照 条 件 Rref 1 000 W/m2； 电 网 采 用Three-phase Source 模拟理想电网。分别釆用双闭环控制时交流电流限幅法和基于无功支撑的LVRT 控制策略进行仿真实验。1） 电压跌落 25时， 仿真波形如图 5 图 7所示。由图 5a可知， 当采用交流电流限幅法时， 逆变器输出电流被限制在额定电流的 1.1 倍以内，保证了逆变器不脱网运行； 而并网点电压仅上升了 0.02（标幺值） ， 且在规定的低电压穿越时间（ 1.1 s内 ） 未上升至额定电压的 90， 没有较好地完成 LVRT 。模拟并网点电压在 0.2 s 时发生三相对称跌落， 1.3 s 时恢复正常。由图 5b可知， 当采用基于无功支撑的 LVRT控制策略时， 逆变器输出 a 相电压在 20 ms之内开始上升， 在 0.8 s达到额定电压的 90， 具有很好的动态特性， 且能够继续支撑电压 500 ms； 逆变器输出电流被限制在额定电流的 1.1 倍以内。电网故障切除 （ 1.3 s） 后， 逆变器输出电流可快速恢复至额定值， 并保持稳定， 较好地完成了 LVRT 。图 4 LVRT 单电流闭环控制结构图Fig.4 Single current closed-loop control structure diagram图 5 电压跌落 25时， 并网点电压 ua和电流 ia波形Fig.5 Waveforms of voltage and current of grid-connectedpoint when the voltage drops 25张泽斌， 等 光伏并网逆变器 LVRT 技术仿真研究28电气传动 2016 年 第 46卷 第 2期由图 6 和图 7 可知， 电网电压跌落时， 逆变器输出有功电流减小， 无功电流增大； 逆变器向电网提供了无功功率支撑电网电压恢复， 在规定时间内完成了 LVRT 。2） 电压跌落 75时， 仿真波形见图 8～图 10所示。由图 8a可知， 当采用交流电流限幅法时， 并网点电压在 LVRT 规定时间 （ 2.5 s） 内上升了约0.3（ 标幺值 ） ； 逆变器输出过电流被限制， 但电流波形失真， 未能较好地完成 LVRT 。模拟并网点电压在 0 s发生三相对称跌落，在 0.6 s恢复正常。由图 8b可知， 电网电压跌落 75， 当采用基于无功支撑的 LVRT 控制策略时， 逆变器向电网完全输送无功功率， 并网点电压在 0.1 s达到额定电压的 90且保持稳定， 能够继续支撑电压 500ms（ 0.6 s时电压恢复正常 ） ； 逆变器输出电流被限制在额定电流的 1.1倍以内， 满足 LVRT 要求。由图 9 和图 10 可知， 电网电压跌落时， 逆变器输出有功电流为零， 无功电流增大； 逆变器向电网提供了无功功率支撑电网电压恢复， 在 0.1s内完成了 LVRT 。图 6 电压跌落 25时， 并网电流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid-connected currentwhen the voltage drops 25图 7 电压跌落 25时， 逆变器输出功率仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of inverter output powerwhen the voltage drops 25张泽斌， 等 光伏并网逆变器 LVRT 技术仿真研究图 8 电压跌落 75时， 并网点电压 ua和电流 i a波形Fig.8 Waveforms of voltage and current of grid-connectedpoint when the voltage drops 75图 9 电压跌落 75时， 并网电流仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of grid -connected currentwhen the voltage drops 75图 10 电压跌落 75时， 逆变器输出功率仿真波形Fig.10 Simulation waveforms of inverter output powerwhen the voltage drops 75 29电气传动 2016年 第 46卷 第 2 期5 结论针对电网电压跌落， 研究基于无功支撑的LVRT 技术。在双闭环控制策略的基础上， 根据电压跌落深度对有功电流、 无功电流参考值重新分配。在 Simulink 下搭建仿真模型， 仿真结果表明， 基于无功支撑的 LVRT 控制策略在电网电压跌落深度较小和较大时， 均能抑制逆变器输出电流增大， 输出无功支撑电网恢复， 对完成低电压穿越， 保证电网稳定运行具有重要的应用价值。参考文献［ 1］ 程永乐， 王冰， 周建良 . 两级式光伏系统的低电压穿越控制技术 ［ J］ .科学技术与工程， 2014， 14（ 1） 36-40.［ 2］ 张雅静， 郑琼林， 卢远宏， 等 . 光伏并网逆变器低电压穿越优化设计研究 ［ J］ . 太阳能学报， 2013， 34（ 6） 984-990.［ 3］ 洪芦诚， 魏应冬， 姜齐荣， 等 . 基于动态电压调节器的风电机组低电压穿越策略 ［ J］ . 电力系统自动化， 2011， 35（ 16） 32-37.［ 4］ Christian H Benz， W-Toke Franke， Friedrich W Fuchs. LowVoltage Ride Through Capability of a 5 kW Grid -tied Solar Inverter［ C］ //14th International Power Electronics and MotionControl Conference， 2010， 12 13-20.［ 5］ 袁晓玲， 宋鹏飞， 范发靖， 等 . 光伏逆变器低电压穿越控制策略 ［ J］ . 电力电子技术， 2013， 47（ 3） 67-69.［ 6］ Shu Zeliang， Tang Jian， Guo Yuhua ， et al. An Efficient SVPWM Algorithm with Low Computational Overhead forThree-phase Inverters［ J］ . IEEE Trans on Power Electronics ，2007， 22（ 5） 1797-1805.［ 7］ 王京保， 曾国宏， 荆龙 . 光伏并网逆变器及其低电压穿越技术 ［ J］ .低压电器， 2012（ 17） 26-30.［ 8］ 郭培建， 伍丰林， 田凯， 等 . 基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略 ［ J］ . 电气传动， 2013， 43（ 2） 31-35.［ 9］ 陈波， 朱晓东， 朱凌志， 等 . 光伏电站低电压穿越时的无功控制策略 ［ J］ . 电力系统保护与控制， 2012， 40（ 17） 6-12.［ 10］ 王巨波， 鲍伟， 徐文丽， 等 . 不平衡故障下光伏逆变器 LVRT无功控制策略 ［ J］ . 华东电力， 2014， 42（ 8） 1527-1533.收稿日期 2015-04-08修改稿日期 2015-10-21（ 上接第 15页 ）轴电流有 8.2 A 的脉动。引入内模解耦控制后，d- q 轴电流稳态控制精度提高， 突加负载时对 d轴电流的影响明显减小， 而引入改进内模解耦控制后的 d - q 轴电流稳态波动仅有 0.7A ， 解耦效果最好， 且突加负载后， q 轴电流波动明显小于图 10a 和图 10b 中的 q 轴电流波动， 说明转矩脉动减小。实验结果与仿真结果一致， 说明改进后的算法是有效的。4 结论本文以矢量控制为基础， 通过提高控制器调节的自由度， 解决由内模解耦控制器参数单一引起的电流环控制器和解耦网络效果难以同时达到最佳这一问题。对内模解耦控制进行改进， 并通过仿真与实验验证其控制性能， 证实了该方法的可行性。仿真与实验结果表明， 与传统的内模解耦控制相比， 改进内模解耦控制具有更好的解耦效果， 且电流控制更为精准。它继承了传统内模控制良好的鲁棒性， 当参数估计值与实际值存在误差时， 依然具有很好的控制效果。参考文献［ 1］ 李忠明， 刘卫国 . 稀土永磁电机 ［ M］ . 北京 国防工业出版社， 1999.［ 2］ 马小亮 . 大功率交交变频调速及矢量控制技术 ［ M］ 北京 机械工业出版社， 2004.［ 3］ Hao Zhu， Xi Xiao ， LI Yong-dong. PI Type Dynamic Decoupling Control Scheme for PMSM High Speed Operation［ C］ //Applied Power Electronics Conference and Exposition（ APEC） ，2010 Twenty-fifth Annual IEEE ， 2010 1736-1739.［ 4］ 牛里， 杨明， 刘可述， 等 . 永磁同步电机电流预测控制算法［ J］ . 中国电机工程学报， 2012， 32（ 6） 131-137.［ 5］ 郑泽东， 王奎， 李永东， 等 . 采用模型预测控制的交流电机电流控制器 ［ J］ . 电工技术学报， 2013， 28（ 11） 118-123.［ 6］ 赵君， 刘卫国， 骆光照， 等 . 永磁同步电机神经网络逆解耦控制研究 ［ J］ ．电机与控制学报， 2012， 16（ 3） 90-95.［ 7］ Jung J， Nam K. A Dynamic Decoupling Control Scheme forHigh -speed Operation of Induction Motors［ J］ . Industrial Electronics， IEEE Transactions on， 1999， 46（ 1） 100-110.［ 8］ 杨明， 付博， 李钊， 等 . 永磁同步电机矢量控制电压解耦研究 ［ J］ . 电气传动， 2010， 40（ 5） 24－ 28.［ 9］ 王冉珺， 刘恩海 . 小惯量永磁同步电机电流环内模动态解耦 ［ J］ . 微电机， 2010， 14（ 1） 79－ 82．［ 10］ 张 井 岗 . 二 自 由 度 控 制 ［ M］ . 北 京 电 子 工 业 出 版 社 ，2012.［ 11］ 朱希荣， 伍小杰， 周渊深 . 基于内模控制的永磁同步电机变 频 调 速 系 统 的 研 究 ［ J］ . 电 气 传 动 ， 2007， 37（ 12） 46-48.收稿日期 2015-04-09修改稿日期 2015-09-10张泽斌， 等 光伏并网逆变器 LVRT 技术仿真研究30