1引言

隨著傳統(tǒng)能源資源的不斷枯竭，新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)已成為電力能源中的重要組成部分。隨著光伏發(fā)電穿透功率的增加，將對(duì)電網(wǎng)的安穩(wěn)性帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)故障時(shí)，如果大容量的光伏發(fā)電單元不能維持電網(wǎng)的電壓和頻率，這對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。

具有波動(dòng)性特點(diǎn)電站大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，如果其不具備低電壓穿越能力(LowVoltageRide-Through，LVRT)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患，故LVRT能力顯得尤為重要。低電壓穿越（LVRT），是指當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，支持電網(wǎng)故障恢復(fù)直到電壓達(dá)到正常水平，從而穿越低電壓這個(gè)區(qū)域。在國(guó)內(nèi)外風(fēng)電系統(tǒng)中，已經(jīng)相應(yīng)制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，規(guī)定了風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行條件中必須具有低電壓穿越能力。國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，已經(jīng)制定了相關(guān)準(zhǔn)則對(duì)低電壓穿越能力提出要求。國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院率先展開(kāi)了低電壓穿越和相關(guān)檢測(cè)裝置的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。并在低電壓穿越基礎(chǔ)上根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際要求提出了零電壓穿越能力光伏逆變器入網(wǎng)要求。

本文在介紹低電壓穿越控制基礎(chǔ)上分析零電壓穿越相關(guān)要求的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了零電壓穿越試驗(yàn)的控制研究工作，給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形。

2技術(shù)要求

根據(jù)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T19964-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍內(nèi)和時(shí)間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

圖1為光伏發(fā)電站應(yīng)滿(mǎn)足的低電壓穿越要求

（1）光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至0時(shí)，光伏發(fā)電站應(yīng)能不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行0.15s；

（2）光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至曲線(xiàn)1以下時(shí)，光伏發(fā)電話(huà)可以從電網(wǎng)切出。

圖1光伏發(fā)電站的零電壓穿越能力要求

3動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力

電力系統(tǒng)發(fā)生不同類(lèi)型故障時(shí)，若光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)考核電壓全部在圖1中電壓輪廓線(xiàn)及以上的區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電站應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；否則，允許光伏發(fā)電站切出。針對(duì)不同故障類(lèi)型的考核電壓如表1所示。

表1光伏發(fā)電站低電壓穿越考核電壓

對(duì)于通過(guò)220kV（或330kV）光伏發(fā)電匯集系統(tǒng)升至500kV（或700kV）電壓等級(jí)接入電網(wǎng)的光伏發(fā)電站群中的光伏發(fā)電站，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障引起電壓跌落時(shí)，光伏發(fā)電站注入電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：

（1）自并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)刻起，動(dòng)態(tài)無(wú)功電流的響應(yīng)時(shí)間不大于30ms。

（2）自動(dòng)態(tài)無(wú)功電流響應(yīng)起直到電壓恢復(fù)至0.9pu期間，光伏發(fā)電站注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流IT應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤并網(wǎng)點(diǎn)電壓變化，并應(yīng)滿(mǎn)足：

4鎖相環(huán)處理

傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)一般由鑒相器、環(huán)路濾波器和振蕩器構(gòu)成。傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2傳統(tǒng)三相鎖相環(huán)原理

首先通過(guò)坐標(biāo)變換將三相電壓轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，為使d軸分量與電壓矢量完全同相，設(shè)定q軸電壓參考值Uq_ref=0，將q軸電壓偏差值Uq_err作為鑒相器輸出的角度偏差。經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出得到頻率，再經(jīng)一個(gè)積分環(huán)節(jié)得到角度值。當(dāng)電網(wǎng)電壓中只存在正序基波分量時(shí)，其dq坐標(biāo)系下的穩(wěn)態(tài)值為直流量，通過(guò)控制q軸分量為零可以實(shí)現(xiàn)相位頻率鎖定。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡故障時(shí)，電網(wǎng)電壓中除正序分量外，還存在負(fù)序和零序分量。對(duì)于三相無(wú)中線(xiàn)系統(tǒng)，一般不考慮零序電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)電網(wǎng)電壓可以表示為:

式中，u+、u-分別表示正序負(fù)序電壓幅值，θ0-表示負(fù)序電壓相對(duì)于正序電壓初始相角。經(jīng)3/2變換后，得到αβ靜止坐標(biāo)系下電壓表達(dá)式為:

電網(wǎng)電壓的正序和負(fù)序分量可以在αβ靜止坐標(biāo)系下表示為:

通過(guò)dq變換轉(zhuǎn)換到同步坐標(biāo)系下可得

通過(guò)上面公式可以得到

當(dāng)鎖相環(huán)正常工作時(shí)，wt≈θ，因此上式可以表示為:

由上式可以看出，在正序同步坐標(biāo)系下，正序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，負(fù)序分量轉(zhuǎn)化為兩倍電網(wǎng)頻率的分量。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器只能對(duì)直流量進(jìn)行無(wú)靜差的控制，因此負(fù)序電壓分量會(huì)對(duì)鎖相環(huán)的輸出帶來(lái)很大的擾動(dòng)。

針對(duì)傳統(tǒng)的三相電網(wǎng)相角檢測(cè)方法在電網(wǎng)波動(dòng)及故障情況下的不足，本文提出了一種新型的數(shù)字鎖相環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3改進(jìn)的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)

為消除電網(wǎng)電壓不平衡帶來(lái)的擾動(dòng)，這里采用移相控制器來(lái)消除兩倍電網(wǎng)頻率的擾動(dòng)。移相控制器的基本原理可以表示為

由上式可以看出，兩倍電網(wǎng)頻率的擾動(dòng)可以通過(guò)延遲1/4電網(wǎng)周期后相加消除。在控制系統(tǒng)中，移相控制器必須表示為離散形式，其離散結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4移相控制離散結(jié)構(gòu)

圖4中，N為一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)的采樣次數(shù)。經(jīng)過(guò)移相控制器后，所提出鎖相環(huán)輸出的正序分量為

在電網(wǎng)不平衡情況下，同樣需要準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的幅值和相位信息。負(fù)序分量在負(fù)序同步坐標(biāo)系下獲得。電網(wǎng)電壓的正序負(fù)序分量及正序負(fù)序同步坐標(biāo)系的關(guān)系如圖5所示。

圖5電網(wǎng)正負(fù)序電壓在雙同步坐標(biāo)系下的關(guān)系

負(fù)序坐標(biāo)變換的原理可以表示為

當(dāng)鎖相環(huán)正常工作時(shí)，wt≈θ，因此上式可以表示為：

由上式可以看出，在負(fù)序同步坐標(biāo)系下，負(fù)序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，正序分量轉(zhuǎn)化為兩倍電網(wǎng)頻率的分量。因此同樣可以通過(guò)移相控制來(lái)消除兩倍電網(wǎng)頻率擾動(dòng)。通過(guò)移相控制后可以得到負(fù)序電壓在負(fù)序同步坐標(biāo)系下的表達(dá)式為

5控制方法

電網(wǎng)電壓瞬降時(shí)，由于電網(wǎng)電壓和并網(wǎng)變換器輸出電壓電位差突然增大，全功率變換器在瞬間來(lái)不及對(duì)輸出電壓作出調(diào)整，導(dǎo)致全功率變換器向電網(wǎng)輸出電流瞬時(shí)增大，當(dāng)電網(wǎng)電壓降落程度較大時(shí)，輸出電流增大到正常輸出電流的2-3倍，如果此時(shí)不采取合理的低電壓穿越控制方法會(huì)導(dǎo)致全功率變換器過(guò)流，直流母線(xiàn)過(guò)壓。流向電網(wǎng)的輸出電流突然增大引起光伏電源的輸出電流增大，從而偏離光伏電源的最大功率點(diǎn)，如果此時(shí)仍采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制，可能出現(xiàn)正反饋現(xiàn)象導(dǎo)致電流繼續(xù)增大，因此在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓突降時(shí)，立刻停止最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

為了控制電網(wǎng)電壓瞬降時(shí)出現(xiàn)的沖擊電流，本文采用直接調(diào)節(jié)前饋補(bǔ)償電壓Ud的控制方法。具體分析如下：Ud經(jīng)濾波后補(bǔ)償至d軸電流調(diào)節(jié)器輸出端當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，Ud也隨之下降，從而使并網(wǎng)變換器輸出電壓下降，進(jìn)而控制流向電網(wǎng)的電流大小，但是電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)abc/dq變換后得到的Ud需要經(jīng)過(guò)低通濾波環(huán)節(jié)，影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，無(wú)法有效抑制電流增加，考慮到這一點(diǎn)，本文通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)電壓突降的程度，對(duì)Ud進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，加快并網(wǎng)變換器輸出電壓的調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而控制流向電網(wǎng)的電流和直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定。具體控制方法如圖6所示。

圖6低電壓穿越控制框圖

6試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上LVRT標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)現(xiàn)有跌落源平臺(tái)條件與軟件程序進(jìn)行驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)：

對(duì)鎖相進(jìn)行改進(jìn)后，觀(guān)察電網(wǎng)電壓park變換后的d、q分量情況。正常運(yùn)行時(shí)，d軸分量平穩(wěn)，q軸分量在0附近；在平衡跌落情況下d軸分量平穩(wěn)，但q軸分量較大，會(huì)對(duì)低電壓穿越控制造成影響。不平衡跌落時(shí)q軸分量會(huì)變得更大。90%跌落深度和75%跌落深度還可正常運(yùn)行，其它跌落深度出現(xiàn)故障停機(jī)。正負(fù)序分量不穩(wěn)。分析原因程序中只對(duì)正序分量進(jìn)行了濾波提取，但對(duì)負(fù)序分量沒(méi)有處理，負(fù)序分量變化很大。針對(duì)此現(xiàn)象需進(jìn)行正負(fù)序分別提取。

在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，要及時(shí)改變逆變器輸出的控制電壓，為了不脫網(wǎng)需要控制電壓又快又準(zhǔn)的跟蹤電網(wǎng)電壓，所以一般采用矢量控制，即把三相交流量分別變換到正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后正負(fù)序電流分別控制。

目前常見(jiàn)的正負(fù)序提取方法可分為解析法和濾波法。解析法速度較快但對(duì)諧波或突變太敏感。濾波法通過(guò)坐標(biāo)變換后再濾波而得到正序或負(fù)序分量，得到的結(jié)果較為平穩(wěn)，由于加入濾波處理會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)速度會(huì)慢些。

通過(guò)Park變換，將三相瞬時(shí)值變換到正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得到正負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下正負(fù)序電壓矢量的dq軸分量。正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq分量由正序?qū)?yīng)的直流量和負(fù)序?qū)?yīng)的以2倍頻角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的交流量構(gòu)成。負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq分量由負(fù)序?qū)?yīng)的直流量和正序?qū)?yīng)的以2倍頻角速度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的交流量構(gòu)成。然后通過(guò)濾波處理后得到正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正序分量和負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的負(fù)序分量。

以下是500kW光伏并網(wǎng)逆變器具體的實(shí)驗(yàn)波形圖（上面兩條線(xiàn)為正序的d軸分量和q軸分量；下面兩條線(xiàn)為負(fù)序的q軸分量和d軸分量）。

圖7為三相電壓平衡跌落，電壓跌落深度為1V時(shí)（即零電壓穿越跌落深度）。70%額定功率時(shí)的試驗(yàn)波形。從波形可看出正負(fù)序dq分量都很平穩(wěn)，并且q軸分量數(shù)值小基本在0附近。負(fù)序分量基本為0。

圖8為單相電壓跌落，跌落深度為1V，70%額定功率時(shí)的試驗(yàn)波形。從波形可看出正負(fù)序dq分量都很平穩(wěn)，并且q軸分量數(shù)值小基本在0附近。負(fù)序分量基本為0。

圖7三相電壓平衡跌落

圖8為單相電壓跌落

7實(shí)際測(cè)試分析

光伏逆變器直流側(cè)連接PV模擬電源，試驗(yàn)?zāi)孀兤鞑捎镁胖蓦姎庾灾餮邪l(fā)的500kW光伏并網(wǎng)逆變器在低電壓跌落試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。電網(wǎng)線(xiàn)電壓有效值為270V，電網(wǎng)頻率50Hz，根據(jù)《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》GB/T19964-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)電力系統(tǒng)事故或擾動(dòng)引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍內(nèi)和時(shí)間間隔內(nèi)，光伏發(fā)電站能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。下表為跌落電壓值和時(shí)間規(guī)定。

電壓等級(jí)(UN:額定電壓)電壓值(V)時(shí)間(ms)

在光伏逆變器滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)發(fā)生電網(wǎng)電壓瞬間跌落至零，此時(shí)對(duì)光伏逆變器運(yùn)行影響較大，故此次試驗(yàn)選擇逆變器運(yùn)行在70%額定功率，光伏逆變器并網(wǎng)側(cè)三相電網(wǎng)零電壓跌落至按上表所表明的最嚴(yán)酷工況時(shí)，采用LVRT控制方法的三相和單相跌落試驗(yàn)波形分別如圖9和圖18所示。黃色線(xiàn)為直流母線(xiàn)電壓500V/div;綠色線(xiàn)為電網(wǎng)線(xiàn)電壓200V/div;紫色線(xiàn)為A相電網(wǎng)電流500V/div。

圖90%UN時(shí)三相電壓跌落

圖100%UN時(shí)A相電壓?jiǎn)蜗嗟?/p>

由圖9和圖18可知，采用LVRT控制時(shí)，逆變器輸出電流實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)過(guò)渡，有效抑制電流上升，保證逆變器繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行;逆變器輸出有功功率減小，中間能量的積累導(dǎo)致中間直流電壓升高;PV模擬電源輸出功率減小，直流側(cè)電流減小，有利于LVRT的實(shí)現(xiàn);PV模擬電源輸出功率下降直至與并網(wǎng)功率相等，重新達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，中間直流電壓隨并網(wǎng)功率的增加而減小，PV模擬電源輸出功率增大，直流側(cè)電流增大，直至恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。電網(wǎng)故障期間，逆變器向電網(wǎng)發(fā)送一定的無(wú)功功率，支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了正負(fù)序分離LVRT控制策略可有效抑制電網(wǎng)零電壓跌落時(shí)引起的逆變器輸出電流的上升，不至于因過(guò)流保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)，保證了光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

8結(jié)束語(yǔ)

本文分別介紹了光伏并網(wǎng)逆變器LVRT的零電壓跌落控制方式，詳細(xì)分析了光伏并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)故障前后并網(wǎng)模式，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落深度來(lái)判斷需要向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功電流的量值。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了LVRT控制方法的有效性，為大規(guī)模光伏發(fā)電接入電網(wǎng)提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。