光伏并网逆变器零电压穿越技术研究

光伏并网逆变器零电压穿越技术研究媒体控制与传动 发布时间 2014-1-21 134027 1 引言随着传统能源资源的不断枯竭，新能源技术的不断发展，光伏发电系统已成为电力能源中的重要组成部分。随着光伏发电穿透功率的增加，将对电网的安稳性带来新的挑战。当电网发生瞬时故障时，如果大容量的光伏发电单元不能维持电网的电压和频率，这对电力系统的稳定性造成很大的影响。具有波动性特点电站大规模并网发电时，如果其不具备低电压穿越能力LowVoltageRide-Through ， LVRT ， 将会对电网的安全稳定运行带来极大的隐患，故 LVRT 能力显得尤为重要。低电压穿越（ LVRT ），是指当电力系统事故或扰动引起电网电压跌落时，光伏发电系统保证不脱网连续运行，支持电网故障恢复直到电压达到正常水平，从而穿越低电压这个区域。在国内外风电系统中，已经相应制定了新的电网运行准则，规定了风电系统并网运行条件中必须具有低电压穿越能力。国内光伏发电系统中，已经制定了相关准则对低电压穿越能力提出要求。国网电力科学研究院率先展开了低电压穿越和相关检测装置的研究和标准制定工作。并在低电压穿越基础上根据电网实际要求提出了零电压穿越能力光伏逆变器入网要求。本文在介绍低电压穿越控制基础上分析零电压穿越相关要求的基础上，展开了零电压穿越试验的控制研究工作，给出了相关实验结果波形。2 技术要求根据 光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T19964-2012 标准要求，当电力系统事故或扰动引起光伏发电站并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围内和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。图 1 为光伏发电站应满足的低电压穿越要求（ 1） 光伏发电站并网点电压跌至 0 时， 光伏发电站应能不脱网连续运行0.15s ；（ 2） 光伏发电站并网点电压跌至曲线 1 以下时， 光伏发电话可以从电网切出。图 1 光伏发电站的零电压穿越能力要求3 动态无功支撑能力电力系统发生不同类型故障时，若光伏发电站并网点考核电压全部在图1 中电压轮廓线及以上的区域内光伏发电站应保证不脱网连续运行；否则，允许光伏发电站切出。针对不同故障类型的考核电压如表 1 所示。表 1 光伏发电站低电压穿越考核电压故障类型 考核电压三相短路故障 并网点线电压两相短路故障 并网点线电压单相短路故障 并网点相电压对于通过 220kV （或 330kV ）光伏发电汇集系统升至 500kV （或700kV ）电压等级接入电网的光伏发电站群中的光伏发电站，当电力系统发生短路故障引起电压跌落时，光伏发电站注入电网的动态无功电流应满足以下要求（ 1）自并网点电压跌落的时刻起，动态无功电流的响应时间不大于30ms 。（ 2） 自动态无功电流响应起直到电压恢复至 0.9pu 期间， 光伏发电站注入电力系统的动态无功电流 IT 应实时跟踪并网点电压变化，并应满足4 锁相环处理传统三相锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和振荡器构成。传统三相锁相环结构如图 2 所示。图 2 传统三相锁相环原理首先通过坐标变换将三相电压转换到 dq 坐标系下，为使 d 轴分量与电压矢量完全同相，设定 q 轴电压参考值 Uq_ref0 ，将 q 轴电压偏差值Uq_err 作为鉴相器输出的角度偏差。经 PI 调节器输出得到频率，再经一个积分环节得到角度值。 当电网电压中只存在正序基波分量时，其 dq坐标系下的稳态值为直流量，通过控制 q 轴分量为零可以实现相位频率锁定。当电网出现不平衡故障时，电网电压中除正序分量外，还存在负序和零序分量。对于三相无中线系统，一般不考虑零序电动势。此时电网电压可以表示为 式中， u、 u-分别表示正序负序电压幅值， θ0 -表示负序电压相对于正序电压初始相角。经 3/2 变换后，得到 αβ 静止坐标系下电压表达式为 电网电压的正序和负序分量可以在 αβ 静止坐标系下表示为 通过 dq 变换转换到同步坐标系下可得通过上面公式可以得到当锁相环正常工作时， wt≈θ ，因此上式可以表示为 由上式可以看出， 在正序同步坐标系下， 正序电压分量转化为直流分量，负序分量转化为两倍电网频率的分量。 因为传统的 PI 调节器只能对直流量进行无静差的控制，因此负序电压分量会对锁相环的输出带来很大的扰动。针对传统的三相电网相角检测方法在电网波动及故障情况下的不足，本文提出了一种新型的数字锁相环，其结构如图 3 所示。图 3 改进的锁相环结构为消除电网电压不平衡带来的扰动，这里采用移相控制器来消除两倍电网频率的扰动。移相控制器的基本原理可以表示为由上式可以看出，两倍电网频率的扰动可以通过延迟 1/4 电网周期后相加消除。在控制系统中，移相控制器必须表示为离散形式，其离散结构如图 4 所示。图 4 移相控制离散结构图 4 中， N 为一个电网周期内的采样次数。经过移相控制器后，所提出锁相环输出的正序分量为在电网不平衡情况下，同样需要准确获取电网电压负序分量的幅值和相位信息。负序分量在负序同步坐标系下获得。电网电压的正序负序分量及正序负序同步坐标系的关系如图 5 所示。图 5 电网正负序电压在双同步坐标系下的关系负序坐标变换的原理可以表示为当锁相环正常工作时， wt≈θ ，因此上式可以表示为由上式可以看出， 在负序同步坐标系下， 负序电压分量转化为直流分量，正序分量转化为两倍电网频率的分量。因此同样可以通过移相控制来消除两倍电网频率扰动。通过移相控制后可以得到负序电压在负序同步坐标系下的表达式为5 控制方法电网电压瞬降时， 由于电网电压和并网变换器输出电压电位差突然增大，全功率变换器在瞬间来不及对输出电压作出调整，导致全功率变换器向电网输出电流瞬时增大，当电网电压降落程度较大时，输出电流增大到正常输出电流的 2-3 倍，如果此时不采取合理的低电压穿越控制方法会导致全功率变换器过流，直流母线过压。流向电网的输出电流突然增大引起光伏电源的输出电流增大，从而偏离光伏电源的最大功率点，如果此时仍采用最大功率点跟踪控制，可能出现正反馈现象导致电流继续增大，因此在检测到电网电压突降时，立刻停止最大功率点跟踪控制。为了控制电网电压瞬降时出现的冲击电流，本文采用直接调节前馈补偿电压 Ud 的控制方法。 具体分析如下 Ud 经滤波后补偿至 d 轴电流调节器输出端当电网电压下降时， Ud 也随之下降， 从而使并网变换器输出电压下降， 进而控制流向电网的电流大小， 但是电网电压经过 abc/dq 变换后得到的 Ud 需要经过低通滤波环节，影响了系统的实时响应速度，无法有效抑制电流增加，考虑到这一点，本文通过检测电网电压突降的程度，对 Ud 进行实时调节，加快并网变换器输出电压的调节速度，进而控制流向电网的电流和直流母线电压的稳定。 具体控制方法如图 6 所示。图 6 低电压穿越控制框图6 试验结果分析根据以上 LVRT 标准的要求，根据现有跌落源平台条件与软件程序进行验证与实现对锁相进行改进后，观察电网电压 park 变换后的 d、 q 分量情况。正常运行时， d 轴分量平稳， q 轴分量在 0 附近；在平衡跌落情况下 d 轴分量平稳，但 q 轴分量较大，会对低电压穿越控制造成影响。不平衡跌落时 q 轴分量会变得更大。 90跌落深度和 75跌落深度还可正常运行，其它跌落深度出现故障停机。正负序分量不稳。分析原因程序中只对正序分量进行了滤波提取，但对负序分量没有处理，负序分量变化很大。针对此现象需进行正负序分别提取。在电网电压发生跌落时，要及时改变逆变器输出的控制电压，为了不脱网需要控制电压又快又准的跟踪电网电压，所以一般采用矢量控制，即把三相交流量分别变换到正序旋转坐标系和负序旋转坐标系，然后正负序电流分别控制。目前常见的正负序提取方法可分为解析法和滤波法。解析法速度较快但对谐波或突变太敏感。滤波法通过坐标变换后再滤波而得到正序或负序分量，得到的结果较为平稳，由于加入滤波处理会产生一定的延时速度会慢些。通过 Park 变换， 将三相瞬时值变换到正负序旋转坐标系下， 得到正负序旋转坐标系下正负序电压矢量的 dq 轴分量。正序旋转坐标系下的 dq 分量由正序对应的直流量和负序对应的以 2 倍频角速度顺时针旋转的交流量构成。 负序旋转坐标系下的 dq 分量由负序对应的直流量和正序对应的以 2 倍频角速度顺时针旋转的交流量构成。然后通过滤波处理后得到正序旋转坐标系下的正序分量和负序旋转坐标系下的负序分量。以下是 500kW 光伏并网逆变器具体的实验波形图 （上面两条线为正序的d 轴分量和 q 轴分量；下面两条线为负序的 q 轴分量和 d 轴分量）。图 7 为三相电压平衡跌落，电压跌落深度为 1V 时（即零电压穿越跌落深度） 。 70额定功率时的试验波形。 从波形可看出正负序 dq 分量都很平稳，并且 q 轴分量数值小基本在 0 附近。负序分量基本为 0。图 8 为单相电压跌落， 跌落深度为 1V， 70额定功率时的试验波形。 从波形可看出正负序 dq 分量都很平稳，并且 q 轴分量数值小基本在 0 附近。负序分量基本为 0。图 7 三相电压平衡跌落图 8 为单相电压跌落7 实际测试分析光伏逆变器直流侧连接 PV 模拟电源，试验逆变器采用九州电气自主研发的 500kW 光伏并网逆变器在低电压跌落试验平台进行验证。 电网线电压有效值为 270V ，电网频率 50Hz，根据光伏发电站接入电力系统技术规定 GB/T19964-2012 标准要求，当电力系统事故或扰动引起光伏发电站并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围内和时间间隔内，光伏发电站能够保证不脱网连续运行。下表为跌落电压值和时间规定。电压等级 UN 额定电压 电压值 V时间 ms 电压等级 UN额定电压 电压值 V 时间ms 0UN 1 150 在光伏逆变器满功率运行时发生电网电压瞬间跌落至零，此时对光伏逆变器运行影响较大，故此次试验选择逆变器运行在 70额定功率，光伏逆变器并网侧三相电网零电压跌落至按上表所表明的最严酷工况时，采用 LVRT 控制方法的三相和单相跌落试验波形分别如图 9 和图 18 所示。黄色线为直流母线电压 500V/div; 绿色线为电网线电压 200V/div; 紫色线为 A 相电网电流 500V/div 。图 90UN 时三相电压跌落图 100UN 时 A 相电压单相跌落由图 9 和图 18 可知，采用 LVRT 控制时，逆变器输出电流实现了平稳过渡，有效抑制电流上升，保证逆变器继续并网运行 ;逆变器输出有功功率减小，中间能量的积累导致中间直流电压升高 ;PV 模拟电源输出功率减小，直流侧电流减小，有利于 LVRT 的实现 ;PV 模拟电源输出功率下降直至与并网功率相等，重新达到稳定运行状态 ;当电网电压恢复正常时， 中间直流电压随并网功率的增加而减小， PV 模拟电源输出功率增大，直流侧电流增大，直至恢复正常运行状态。电网故障期间，逆变器向电网发送一定的无功功率，支撑并网点电压，有助于电网电压的恢复。试验结果验证了正负序分离 LVRT 控制策略可有效抑制电网零电压跌落时引起的逆变器输出电流的上升，不至于因过流保护而停机脱网，保证了光伏逆变器并网运行的可靠性。8 结束语本文分别介绍了光伏并网逆变器 LVRT 的零电压跌落控制方式，详细分析了光伏并网逆变器在电网故障前后并网模式，根据电网电压跌落深度来判断需要向电网发出无功电流的量值。试验结果验证了 LVRT 控制方法的有效性，为大规模光伏发电接入电网提供了理论和实验指导。