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 李承堯，楊勇，朱彬彬

（1．蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州  215006;

2．蘇州大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州  215006）

摘要：具有低電壓穿越能力的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)已成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。以單相兩級(jí)式系統(tǒng)為對(duì)象，提出了一種新型控制策略：為了最大限度減少直流母線電壓在電網(wǎng)故障期間抬升，直流母線在兩級(jí)之間靈活控制；在低電壓穿越階段，電網(wǎng)電流采用恒定峰值電流控制方法以避免觸發(fā)過(guò)流保護(hù)，其中無(wú)功電流的幅值取決于電網(wǎng)跌落的深度：控制同路增加給定并網(wǎng)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)，最大限度減少給定并網(wǎng)電流幅值中的兩倍頻擾動(dòng)，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量，所提控制策略的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性得到仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)：低電壓穿越；直流母線電壓控制；恒定峰值電流策略；兩倍頻擾動(dòng)補(bǔ)償

0引言

 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗逐年增加，常規(guī)能源口益枯竭，環(huán)境問(wèn)題日益突出，迫切需要發(fā)展可再生清潔能源。越來(lái)越多的分布式發(fā)電系統(tǒng)( DPGS)并入電網(wǎng)使得可再生能源發(fā)電在電網(wǎng)中的比重逐年增加。近幾年光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無(wú)論是在安裝的數(shù)量上還是規(guī)模上都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示估計(jì)，光伏發(fā)電所占比重在2050年將達(dá)到1 1%。因此，分布式電源(特別是光伏發(fā)電系統(tǒng)）的質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定起到至關(guān)重要的作用。

 中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司201 1年5月6日發(fā)布實(shí)施的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中首次明確對(duì)大中型光伏電站提出低電壓穿越要求，包括：(1)電力系統(tǒng)發(fā)生不同類(lèi)型故障時(shí)，當(dāng)光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)考核電壓在圖1電壓輪廓線以上區(qū)域時(shí)，光伏電站應(yīng)保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，否則停止向電網(wǎng)線路送電；(2)對(duì)電力系統(tǒng)故障期間沒(méi)有切除的光伏電站．其有功功率在故障清除后應(yīng)該快速恢復(fù)；(3)低電壓穿越過(guò)程中光伏電站宜提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐。

 在低電壓穿越過(guò)程中向電網(wǎng)提供無(wú)功電流有助于電網(wǎng)的恢復(fù)，德國(guó)的E.ON標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此有定量的要求：當(dāng)電壓跌落到90%以下，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)就需要提供無(wú)功電流來(lái)支持電網(wǎng)恢復(fù)，無(wú)功分量與電網(wǎng)跌落深度成正比：當(dāng)電壓跌落到50%以下，需要提供100%無(wú)功電流。

 目前．有關(guān)低電壓穿越的研究主要針對(duì)的是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)．光伏系統(tǒng)尤其是單相系統(tǒng)的研究還比較少。學(xué)者Frede Blaabjerg在單相光伏系統(tǒng)低電壓穿越方面做了較為細(xì)致的研究。文獻(xiàn)[6]將單級(jí)式系統(tǒng)作為研究對(duì)象，但單級(jí)式系統(tǒng)與兩級(jí)式系統(tǒng)相比．輸入電壓范圍小且控制較為復(fù)雜。

 從光伏陣列傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的有功功率取決于光伏陣列的工作狀態(tài)：當(dāng)電網(wǎng)未發(fā)生故障時(shí)，要求光伏陣列工作于最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)；一旦電網(wǎng)跌落，此時(shí)并網(wǎng)逆變器的輸入功率遠(yuǎn)大于輸出功率，光伏陣列產(chǎn)生的額外功率將堆積在直流母線電容上．導(dǎo)致母線電壓升高。此時(shí)逆變部分若采用傳統(tǒng)的直流電壓外環(huán)，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，并網(wǎng)電流給定幅值將隨著母線電壓的上升而增加。文獻(xiàn)[8]采用的是恒定有功電流控制策略，在電網(wǎng)跌落較深時(shí)可能會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。

 傳統(tǒng)的兩級(jí)式系統(tǒng)中直流母線處并聯(lián)大容量電容．為前級(jí)與后級(jí)提供功率解耦。不考慮氣溫和光強(qiáng)變化．當(dāng)前級(jí)工作于最大功率點(diǎn)跟蹤( MPPT)模式，輸出功率近似恒定；后級(jí)DC/AC

逆變器輸出電壓和電流均為工頻，兇此輸出瞬時(shí)功率含有2倍頻的交流變量，母線電壓不可避免地存在2倍頻交流分量擾動(dòng)。當(dāng)采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)．給定并網(wǎng)電流幅值中會(huì)引入含有2倍頻交流擾動(dòng)．降低并網(wǎng)電流質(zhì)量。

 本文以單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種基于電網(wǎng)跌落檢測(cè)的新型逆變控制策略：為了減少直流母線電壓在低電壓穿越過(guò)程中抬升，避免并網(wǎng)電流高于過(guò)流值，根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)，前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)逆變器運(yùn)行于不同模式，實(shí)現(xiàn)直流母線在兩級(jí)之問(wèn)的靈活控制；在電網(wǎng)故障階段，電網(wǎng)電流采用恒定峰值電流控制方法，避免觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，在傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制器上增加給定并網(wǎng)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)．可減少給定并網(wǎng)電流幅值中的兩倍頻擾動(dòng)。最后通過(guò)仿真建模，驗(yàn)證所提控制策略的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性。

1  單相兩級(jí)式光伏系統(tǒng)

圖1是單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與單級(jí)式系統(tǒng)相比，兩級(jí)式系統(tǒng)增加r一級(jí)DC/DC變換電路，各部分作用如下：(1)光伏陣列，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能；(2) DC/DC變換器，此處采用升壓型( Boost)變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤；(3)DC/AC變換器和濾波電路，圖示采用最常見(jiàn)的H橋拓?fù)浜蚅CL濾波器．將直流電逆變?yōu)楦哔|(zhì)量交流電并送往電網(wǎng)。

 兩級(jí)式系統(tǒng)控制靈活，通常采用圖1中的傳統(tǒng)控制策略：(1)前級(jí)采用MPPT控制器從光伏陣列獲得最多的能量；(2)后級(jí)采用直流電壓外環(huán)，并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制器．實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定和并網(wǎng)電流控制（網(wǎng)側(cè)單位功率兇數(shù)并網(wǎng)或根據(jù)指令向電網(wǎng)提供無(wú)功功率）．此處采用鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓鎖相。

2給定并網(wǎng)電流幅值補(bǔ)償

式(4)說(shuō)明母線電壓存在兩倍頻交流分量擾動(dòng)。圖2反映了光伏系統(tǒng)各部分瞬時(shí)功率、母線電壓擾動(dòng)以及相互關(guān)系。從t1時(shí)刻到t2時(shí)刻，逆變器輸出功率小于光伏陣列輸入功率(pin。<P,，。)，多余的功率對(duì)直流母線電容C．．．充電，母線電壓從Udcmii,上升到Mm．。；同理從t2時(shí)刻到t1時(shí)刻，逆變器輸出功率大于光伏陣列輸入功率(pin。>P。)，直流母線電容C．，。儲(chǔ)存的能量釋放，母線電壓從Udc:inL.下降到Uciciiim,，整個(gè)過(guò)程周而復(fù)始。

 當(dāng)后級(jí)逆變環(huán)節(jié)采用圖1所示雙閉環(huán)控制策略時(shí)．實(shí)際母線電壓與電壓給定的偏差值經(jīng)比例積分( proportional  integral，PI)調(diào)節(jié)器輸出作為并網(wǎng)電流的幅值．使得給定并網(wǎng)電流的幅值同樣含有2倍頻交流分量。根據(jù)文獻(xiàn)[7]分析，并網(wǎng)電流將存在一定比例的三次諧波，造成諧波污染。

本文采用圖3所示的改進(jìn)雙閉環(huán)控制策略：實(shí)際直流母線電壓含有2倍頻的交流分量，因此直流母線給定電壓和實(shí)際電壓的差值為兩倍頻交流量。將該偏差減去式(4)的兩倍頻擾動(dòng)補(bǔ)償，再將此處獲得的差值送入PI控制器。此時(shí)PI控制器輸出（給定并網(wǎng)電流幅值I…）中的2倍頻交流擾動(dòng)將大大減少，在不改變系統(tǒng)拓?fù)淝闆r下最大限度地減少了給定并網(wǎng)電流幅值中的兩倍頻交流擾動(dòng)。

3  LVRT階段控制策略

 一旦電網(wǎng)電壓跌落，并網(wǎng)逆變器的輸出功率將遠(yuǎn)小于光伏陣列產(chǎn)生的輸入功率，額外功率將堆積在直流母線電容上，導(dǎo)致母線電壓升高。母線電壓抬升會(huì)帶來(lái)的一系列問(wèn)題：(1)母線電容耐壓值提高，增加系統(tǒng)成本；(2)母線電壓擾動(dòng)劇烈，造成能量損耗。另外，母線電壓的上升勢(shì)必會(huì)帶來(lái)并網(wǎng)電流給定幅值增加，在電網(wǎng)跌落較深時(shí)可能會(huì)觸發(fā)過(guò)流保護(hù)。

為了最大限度減少直流母線電壓在電網(wǎng)故障期間抬升，避免觸發(fā)并網(wǎng)電流過(guò)流保護(hù)，在LVRT階段采用圖l中LVRT階段控制策略：當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)跌落后，第1級(jí)用直流電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制器取代MPPT控制器，保持直流母線電壓在低電壓穿越過(guò)程中穩(wěn)定：第2級(jí)將采用并網(wǎng)電流單閉環(huán)控制器。根據(jù)E．ON標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)功電流的幅值由電網(wǎng)跌落深度決定（不考慮電網(wǎng)升高的情形），滿足

式中：I,Pact，。和，N分別是并網(wǎng)無(wú)功電流和額定電流幅值；I,。和U是并網(wǎng)點(diǎn)電壓和電網(wǎng)額定電壓。為了避免并網(wǎng)電流超過(guò)限流值，采用了恒定峰值電流策略，并網(wǎng)有功電流滿足：

 I。是前級(jí)運(yùn)行在MPPT模式時(shí)的并網(wǎng)電流幅值。當(dāng)電網(wǎng)跌落到500/e以下，有功電流為0．無(wú)功電流幅值Ireactive=IN。這樣既為電網(wǎng)提供了無(wú)功電流，又保證電流幅值不超過(guò)限流值。

4仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證提出的基于電網(wǎng)跌落檢測(cè)的新型逆變控制策略．將該方法應(yīng)用于單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。光伏陣列的參數(shù)設(shè)置如下：開(kāi)路電路y。=221.5 V，短路電流L=15.87 A，最大功率點(diǎn)電壓y MH；179 V，最大功率點(diǎn)電流/WWP=14.67 A。后級(jí)逆變環(huán)節(jié)的一些參數(shù)列在表1中：

 圖4 a）是在電網(wǎng)不同情況下直流母線電壓的波形：0.5 s之前，電網(wǎng)正常，直流母線電壓由后級(jí)并網(wǎng)逆變器的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器控制．直流母線電壓存在一個(gè)2倍于工頻的電壓波動(dòng)：0.5～0.8 s．電網(wǎng)跌落至0.8標(biāo)么值．MPPT控制器將停止工作，直流母線電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制器被啟用．在LVRT階段實(shí)現(xiàn)了直流母線穩(wěn)壓控制；0.8 s以后，電網(wǎng)恢復(fù)正常．此時(shí)要求系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)有功功率，Boost變換器重新進(jìn)入MPPT模式。

圖4b）、c）、d）為在不同工作模式情況下電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形：在電網(wǎng)故障模式下，并網(wǎng)電流幅值保持恒定，避免電流過(guò)流情況的發(fā)生：根據(jù)E．ON標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電網(wǎng)跌落至0.8標(biāo)么值時(shí)．需要補(bǔ)償40%無(wú)功電流，此時(shí)有功分量為0.92/~,，圖6c）與理論分析一致。

圖5為電網(wǎng)電壓標(biāo)么值跌落到0.2情況下波形：0.5 s之前，電網(wǎng)正常，前級(jí)Boost變換器工作在MPPT模式，電網(wǎng)從光伏陣列獲得最大功率：0.5—0.8 s，電網(wǎng)電壓標(biāo)么值跌落至0.2．根據(jù)《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，并網(wǎng)系統(tǒng)需要具備低電壓穿越能力，此時(shí)系統(tǒng)從MPPT模式切換為電網(wǎng)故障模式：0.8 s以后，電網(wǎng)恢復(fù)正常，前級(jí)重新采用MPPT模式。圖5 c）電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流波形：當(dāng)電網(wǎng)電壓標(biāo)么值跌落至0.2時(shí)，需要補(bǔ)償100%無(wú)功電流，此時(shí)有功分量為0。

圖6對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)電流進(jìn)行FFT分析：采用傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制時(shí)，三次諧波分量占基波幅值的比重遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他諧波，總諧波畸變率THD=1.48%圖6a）。圖6b）是增加給定并網(wǎng)電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)后效果，與未補(bǔ)償相比，兩倍頻擾動(dòng)被明顯抵消．并網(wǎng)電流中三次諧波分量占基波幅值的比重降至原先的1／10以下，總諧波畸變率THD=0.19%。

5結(jié)論

 本文以單相兩級(jí)式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種基于電網(wǎng)跌落檢測(cè)的新型控制策略，通過(guò)仿真建模得到結(jié)論：(1)直流母線電壓根據(jù)電網(wǎng)的不同狀況由兩級(jí)式系統(tǒng)靈活控制，在電網(wǎng)故障期間能夠最大限度減少電壓變化；(2)在低電壓穿越過(guò)程，電網(wǎng)電流采用恒定峰值電流控制策略；光伏系統(tǒng)在低電壓穿越過(guò)程向電網(wǎng)提供無(wú)功電流，且無(wú)功電流的大小取決于電網(wǎng)電壓跌落的深度：(3)采用并網(wǎng)電流給定補(bǔ)償方法，在不改變系統(tǒng)拓?fù)涞那疤嵯潞芎玫母纳屏瞬⒕W(wǎng)電流中三次諧波分量，待測(cè)量少，控制簡(jiǎn)便。