适用于弱互联电网的光伏逆变器LVRT控制策略研究

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　　摘   要：目前，光伏装机在电网中占比越来越高，并网光伏逆变器也有严格的低电压穿越要求。现行低电压穿越标准要求逆变器在低电压穿越期间按照曲线给予电网足够的无功电流支撑，但是没有对期间的有功电流响应做出明确要求。弱互联区域电网稳定不仅和无功电流相关，也在很大程度上和有功电流相关，同时低电压穿越期间有功缺额对频率也有较大影响。文章分析了电网电压不平衡时锁相环控制方法，并提出了一种基于解耦双同步坐标系锁相环的低电压穿越期间有功电流无功电流协调控制策略，搭建了基于F28335+CPLD的硬件控制平台，并最终在硬件在环仿真平台中验证了控制策略的有效性。
　　关键词：光伏;低电压穿越;锁相环;硬件在环
　　近十年来，我国光伏行业呈现蓬勃发展的趋势。据能源局统计，截至2019年年末，光伏发电累计装机达到了2.04亿千瓦，占全国装机总容量的10.15%，光伏发电已经成为主力电源之一。因此，光伏逆变器的控制性能对电网安全、稳定的影响也变得举足轻重。
　　并网标准中，光伏逆变器应该具备低电压穿越能力，即在电网电压跌落后，光伏逆变器应保持并网状态，并向电网发出和跌落深度成正比的无功电流支撑，但是标准中对低电压穿越期间的有功电流没有做出明确要求[1]。为了保证在低电压穿越期间能发出足够的无功电流，加上电力电子功率器件过流能力的限制，目前的逆变器大部分在低电压穿越期间将直流电压直接抬升至光伏电池板的开路电压，不向电网提供有功电流[2-4]。
　　目前，西北、东北、西藏等地区光伏装机占比高，但某些地区电网网架薄弱，输电线路较长，这类电网的线路阻抗和变压器漏感较大，一般称之为弱电网[5-6]。在电网故障时，尤其是电网发生不对称故障时，电网电压会出现严重的不对称情况。此时，电网电压中包含负序分量，基于平衡电网控制的并网逆变器由于缺乏对负序电压的控制，将导致并网逆变器输入电网的电流包含负序分量和谐波分量[7-10]，接入弱电网时，更有可能加剧电网不平衡，也更容易在逆变器和弱电网之间产生谐振，由于传输线分布电容和寄生电感的影响，谐振也有可能会出现震荡放大问题[11-12]。
　　在逆变器并入弱电网后，由于低电压控制标准对有功电流没有做出明确要求，光伏渗透率高的弱电网发生故障时，低电压穿越造成的有功功率损失可能会造成大幅的频率波动，如果频率波动超出允许值，系统会出现低频减载等系列问题[13-15]。因此，需要改进低电压穿越期间的有功电流和无功电流协调控制策略。
　　本文从光伏逆变器设计的角度出发，针对逆变器接入弱电网后的低电压穿越问题，对不平衡电网锁相环、低电压穿越、谐振抑制策略做了分析，并提出了低电压穿越期间有功电流无功电流协调控制方法，搭建了硬件控制平台，并最终在硬件控制平台+硬件在环仿真中验证了策略的有效性。
　　1    弱电网下逆变器策略
　　弱电网容易出现电网不平衡和谐振问题，并入该电网的逆变器应该优化控制策略。
　　1.1  DDSRF-DLL
　　目前，常见的锁相环包括：同步参考坐标系锁相环（Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop Phase Locked Loop，SRF-PLL）、双二阶广义积分器锁相环（Dual Second-Order Generalized Integrator，DSOGI-PLL）和解耦双同步参考坐标系锁相环（Decoupled Double Synchronous Reference Rrame - Software Phase Locked Loop，DDSRF-PLL）[16]。SRF-PLL适用于理想的电网电压条件，通过对 SRF-PLL反馈闭环设置较高的带宽，可以实现快速而准确的电网电压相位检测。然而，该方法无法在电网电压不平衡时正确提取电压的负序分量并对其进行控制。DSOGI-FLL通过基于二阶广义积分器自适应滤波器獲得暂态对称分量，检测到的基本变量是电网频率，运算较为复杂，占用DSP计算资源较大。DDSRF-PLL是针对电网正负序电压分别建立旋转参考坐标系。该坐标系使得负序电压分量在正序同步速度旋转坐标系上的作用解耦，反之亦然，使得逆变器可以在电网发生不平衡故障时依然准确、快速地获得电网的幅值和相位。
　　电网电压不平衡时，在只考虑电压基波的情况下，电网电压可表示为正序电压、负序电压、零序电压之和，即：VS=VS+1+VS-1+VS0。
　　由于光伏逆变器多是并入三相三线制电网，忽略其零序分量，并将其进行Clarke和Park变换变换，可得到：
　　对上述分量建立两相旋转坐标系，如图1所示。
　　其中，显示了一个静止的坐标系和两个转动的坐标系。在αβ坐标系上，电网电压VS可分解为正序分量VS+和负序分量VS-，正序分量以+ω的角频率旋转，负序分量以-ω的角频率旋转，其旋转过的角度分别为θ'，﹣θ'。对公式（1）进行Park变换，可得到：
　　
　　锁相成功时，即电压正序分量VS+与d+1轴角度重合，此时由式（2—3）可推导出：
　　由式（4—5）得知，电网电压不平衡下同步旋转坐标系下电压正序dq分量是由正序电压变换输出的正序直流分量与2倍电网频率的负序分量的耦合，电压负序dq分量是由负序电压变换输出的负序直流分量与2倍电网频率的正序分量的耦合。
　　为了解决2倍频谐波问题，采用交叉解耦的方式获得正负序电压的直流分量，就可以继续采用PI调制无静差获得正序电压的角度。控制框架如图2所示。
　　1.2  谐振抑制策略
　　目前，光伏逆变器中的谐振抑制策略分为无源阻尼和有源阻尼两种[17-18]。其中，无源阻尼存在高功耗以及低效率问题，所以目前在控制中一般选用不存在实际功耗的有源阻尼控制方式。有源阻尼从原理方面可以分为：虚拟电阻方法和谐振峰抑制方法。 　　谐振峰抑制方法可以通过改造传递函数在逆变器输出的谐振点构造高阻尼，但是在设计初就要得知谐振频率，一旦接入电网的阻抗发生变化，该方法构造的谐振频段的高阻尼会失去作用，因此，不适用于弱电网接入的逆变器。
　　结合虚拟电阻位置对系统高频滤波影响，本文采用电容支路串联虚拟电阻的方法，其等效结构框架如图3所示。
　　其中，ig是网侧电流，Lg是网侧电感，L是机侧电感。
　　在原有无阻尼结构的基础上多了一个阻尼电流分量iCsCR，并将该电流分量加入电流内环参考值计算中。由此设计电容串联虚拟电阻流程如图4所示。
　　2    控制策略
　　2.1  传统控制策略
　　依据相关并网标准，逆变器在低电压穿越期间应该提供无功电流支撑，无功电流公式如式（6）：
　　（6）
　　标准中对低电压穿越期间的有功电流没有要求，同时，由于IGBT过流能力差，容易击穿，逆变器在设计中会尽量减小电流输出，在控制中会舍弃电压外环，采用单电流环控制，并且将有功电流给定量设置为0。控制框架如图5所示。
　　2.2  有功电流无功电流协调控制
　　为了保证低电压穿越中的有功电流支撑，不能再将低电压穿越期间的有功电流参考量直接设置为0，而是应该结合跌落深度下的无功电流参考值计算出有功电流参考值。
　　低电压穿越期间的无功电流指令如式（6）所示，逆变器按照标准应该具备1.1倍电流过载能力，因此，此时有功电流指令应满足公式（7）：
　　（7）
　　结合低电压穿越前的有功电流指令锁存值，其判断逻辑如图6所示。
　　（1）三相电网电压经过DDSRF-DLL锁相得到正序电压的旋转坐标系的角度θ，同时，得到正序电压的dq坐标系下的电压正序分量Vd+，Vq+（q轴分量为0）。
　　（2）Vd+<0.9时，进入低电压穿越控制模式，此时锁存跌落前的有功电流指令，并且锁存θ，如果跌落后电压过低导致锁相环不能获得角度，则根据跌落前的角度按照频率值构建参考角度。
　　（3）根据跌落深度，计算出无功电流指令值，判断，值大小，值设置为其中较小值。
　　（4）根据得到的有功电流指令和无功电流指令进入电流环PI控制。
　　图6  低穿期间有功电流指令值计算
　　2.3  数学模型
　　采用解耦双同步参考坐标系，逆变器的数学模型如式（8）：
　　 （8）
　　可以看出，当电网不平衡时，电网电压分为正序分量和负序分量，电流应该分别以电压正序分量和负序分量分别为基准进行控制。
　　2.4  附加虚拟电阻的双dq控制
　　最终的控制策略如图7所示，其中，ia，ib，ic是电流采样反馈，Va，Vb，Vc是电压采样反馈，ic是电容电流采样。逆变器解耦双同步坐标系，计算出电流反馈的正负序dq分量，由于目前标准中未对负序分量做出要求，在控制中将负序电流的dq参考值设为0。进入低电压穿越后，采用有功无功电流协调控制给出逆变器电流参考指令，加入虚拟电阻控制方法得出参考电压并进入SVPWM进行调制。
　　3    硬件在环验证
　　本文搭建了基于F28335+CPLD的硬件控制系统，并接入了RTLAB硬件在环仿真平台。在RTLAB中设置逆变器参数如表1所示。
　　在RTLAB中，基于搭建了基于CPU的硬件在环仿真模型。逆变器拓扑采用两电平三相全桥结构，实时仿真步长设置为20 μs。硬件在环模型如图8所示。
　　设定初始运行工况如下：MPPT电压600 V，有功功率350 kW，無功功率0。
　　在仿真模型中构建电抗分压跌落器，并以三相电压跌落到0.6标称电压为例，时间持续1.41 s。瞬时值波形如图9所示，共8个通道，其中，通道1—3是三相电压，4—6是三相电流，通道7是直流电压，通道8是直流电流。
　　4    结语
　　光伏发电系统在接入弱电网后受电网阻抗参数影响，逆变器较容易发生谐振现象，本文基于解耦双同步参考坐标系对电网电压和电流正负序分量分别进行提取，并在电流控制中对电流正负序分别进行控制，在电流环的控制中加入了虚拟电阻算法以抑制谐振，提出了有功电流无功电流协调控制策略，将各类控制策略在F28335+CPLD的硬件控制平台中实现，将硬件控制平台接入硬件在环仿真平台，验证了控制策略的正确性。
　　[参考文献]
　　[1]GB/T 19964—2012.光伏发电站接入电力系统技术规定[S].北京：中国标准出版社，2012.
　　[2]陈艺峰，赵香桂，王南，等.光伏并网逆变器零电压穿越控制策略的研究[J].大功率变流技术，2014（3）：16-19.
　　[3]陈亚爱，刘劲东，周京华.太阳能并网逆变器故障穿越控制策略[J].中国电机工程学报，2014（21）：3405-3412.
　　[4]纪竹童，周娜娜，赵品，等.光伏逆变器低电压穿越控制策略研究[J].电力电容器与无功补偿，2017（5）：176-180.
　　[5]LISERRE M，TEODORESCU R，BLAABJERG F.Stability pjotovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values[J].IEEE Trans Power Electronics，2006（1）：263-272.
　　[6]张磊，周洪伟，刘永奎，等.光伏并网逆变器低电压穿越控制策略研究[J].电力电子技术，2013（9）：19-22. 　　[7]陽同光，桂卫华.电网不平衡情况下并网逆变器控制策略综述[J].电工技术学报，2015（14）：248-253.
　　[8]年珩，於妮飒，曾嵘.不平衡电压下并网逆变器的预测电流控制技术[J].电网技术，2013（5）：44-50.
　　[9]刘伟增，周洪伟，张磊.电网不平衡条件下光伏并网控制策略研究[J].太阳能学报，2013（4）：647-653.
　　[10]ZIXIN L，YAOHUA L，PING W，et al.Control of three-phase boost-type PWM rectifier in stationary frame under unbalanced input voltage[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010（10）：2521-2530.
　　[11]张劲松.基于长传输线并网的光伏逆变器系统谐振分析与抑制[D].燕山：燕山大学，2018.
　　[12]吴薇，赵书健，段双明，等.光伏逆变器接入弱电网运行的稳定性问题分析.[J]东北电力大学学报，2018（1）：8-14.
　　[13]杨森.含风电电力系统准稳态仿真及频率控制方法研究[D].北京：华北电力大学，2017.
　　[14]孙骁强，刘鑫，程林，等.基于多调频资源协调控制的西北送端大电网新能源快速频率响应参数设置方案[J].电网技术，2019（5）：1761-1765.
　　[15]李常刚.电力系统暂态频率稳定评估与控制研究[D].济南：山东大学，2012.
　　[16]张功.适于光伏并网LVRT的三相不平衡锁相环研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
　　[17]仇志凌，杨恩星，孔洁，等.基于LCL滤波器的并联有源电力滤波器电流闭环控制方法[J].中国电机工程学报，2009（18）：15-20.
　　[18]许津铭，谢少军，肖华锋.LCL滤波器有源阻尼控制机制研究[J].中国电机工程学报，2012（9）：27-33.
　　[19]周专，姚秀萍，常喜强，等.大规模风电并网对孤网频率稳定性影响的研究[J].中国电力，2014（3）：28-31.
　　Abstract：At present， the proportion of photovoltaic installed in the grid is higher and higher， and grid connected photovoltaic inverter also has strict low-voltage ride through requirements. In the current low voltage ride through standard， the inverter is required to provide enough reactive current support to the grid according to the curve during the low voltage ride through period， but there is no clear requirement for the active current response during the low voltage ride through period. The voltage of weakly interconnected regional power grid is not only related to reactive current， but also to active current to a large extent. At the same time， the active power shortage during the low-voltage period also has a great impact on the frequency. This paper analyzes the phase-locked loop control method when the power grid voltage is unbalanced， and proposes a coordinated control strategy of active current and reactive current during the low voltage ride through based on the phase-locked loop in the decoupled double synchronous coordinate system. The hardware control platform based on F28335 + CPLD is built， and finally the validity of the control strategy is verified in hardware-in-the-loop simulation platform.
　　Key words：photovoltaic; low voltage ride through; phaselocked loop; hardware-in-the-loop
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