光伏并網低電壓穿越控制策略探析

1、光伏并網低電壓穿越控制策略探析摘 要隨著新能源技術的發(fā)展，太陽能已經成為了應用最為廣泛的新能源，同時太陽能光伏發(fā)電也是目前最安全、最清潔、潛力最大的新興發(fā)電方式。光伏發(fā)電的滲透率在逐年提高，其并網已然是一種必然趨勢。目前，光伏并網系統已經成為研究的熱點課題，其低電壓穿越技術是光伏系統的核心技術，對并網系統的安全、穩(wěn)定運行起著決定性作用。隨著光伏電站滲透率的增大，研究光伏系統的低電壓穿越能力具有十分重要的意義。本文就低電壓穿越技術設計了逆變器的控制策略，并引入無功補償裝置實現更進一步的低電壓穿越。逆變器的控制策略采用電壓電流雙閉環(huán)結構，電壓外環(huán)采用經典 PI 控制，實現無靜差跟蹤的同時穩(wěn)定直流電

2、壓。電流內環(huán)選用滑模變結構控制策略，實時的跟蹤參考電流的瞬態(tài)變化，獲得高精度的穩(wěn)態(tài)輸出。分析故障時的控制邏輯，比較有功電流與額定電流，當有功電流大于額定電流的 1.1 倍時，切斷電壓外環(huán)來減小光伏陣列的輸出功率，由電流內環(huán)控制逆變器發(fā)出一定的無功來支撐并網電壓。然后詳細介紹內環(huán)的滑?？刂撇呗裕治銎涠墩瘳F象產生的原因，采用自適應滯環(huán)滑模控制函數來控制開關頻率，緩解抖振效應，保證光伏系統的穩(wěn)定運行。但是由于逆變器開關器件容量的限制，同時并入的電網電壓等級越來越高，僅靠逆變器控制已經無法實現對并網點電壓的補償，因此在變壓器低壓側裝設無功補償裝置（STATCOM），對 STATCOM 引入多模型 P

3、I 的直接電壓控制策略，針對并網點電壓的不同跌落深度分成五個模型，使用基于不同爆炸半徑的并行煙花算法有針對性地求解出不同模型所對應的 PI 參數。改進的并行煙花算法可以提高收斂速度，并避免陷入局部最優(yōu)，同時改進算法所獲得 PI 參數應用于系統本身具有更好的補償能力，實現光伏系統的低電壓穿越，最后以 MATLAB 為實驗平臺搭建仿真模型，通過仿真結果驗證低電壓穿越控制策略的有效性和優(yōu)越性。關鍵詞：光伏并網，低電壓穿越，滑?？刂?，多模型 PI 控制，并行煙花算法。ABSTRACTWith the development of new energy technology, solar energy

4、has become the most widely used new energy, and solar photovoltaic power generation is currently the safest, most clean, the most potential way of emerging power. The penetration rate of photovoltaic power generation is increasing year by year, and its grid-connection is an inevitable trend. At pres

5、ent,the photovoltaic (pv) grid system has become research hot topic, its Low Voltage Ride Through (LVRT) technology is the core of the photovoltaic system, safe and stable operation of grid system plays a decisive role.With the increase of the permeability of photovoltaic power station, it is very i

6、mportant to study the low voltage crossing ability of photovoltaic system. In this paper, the control strategy of inverter is designed with LVRT, and the reactive compensation device is introduced to realize further LVRT.The control strategy of the inverter adopts the double closed-loop structure of

7、 voltage and current, and the outer ring adopts the classical PI control to realize the stable DC voltage without static difference tracking. The sliding mode variable structure control strategy is used to track the transient changes of reference current in real time to obtain the high-precision ste

8、ady-state output. Failure analysis of the control logic, more active current and the ratedcurrent, when active current is greater than 1.1 times the rated current, The output power of the pv array is reduced by cutting off the outer ring, and the inverter is provided with a certain reactive power to

9、 support the grid voltage. Then the sliding mode control strategy of inner ring is introduced in detail, the hysteresis of adaptive sliding mode control function to control the switching frequency and alleviate the buffeting effect in order to ensure the stableoperation of the photovoltaic system. B

10、ut because of the limitation of the inverter switching device capacity and incorporated into the power grid voltage grade is higher and higher, only by the inverter control has been unable to realize to the and node voltage compensation, so compensation of reactive power is in the low voltage side o

11、f transformer device (STATCOM),introduced the STATCOM model of PI direct voltage control strategy of targeting and node voltage drop depth is divided into five different models, using parallel fireworks algorithm based on different blast radius is targeted to solve the model of PI parameters. The im

12、proved parallel fireworks algorithm can improve the convergence speed and avoid getting into local optimum. At the same time, the PI parameters obtained by the improved algorithm are applied to the system itself with better compensation capability, and the LVRT the photovoltaic system is realized.At

13、 last MATLAB is used as the experimental platform to build a simulation model, and the effectiveness and superiority of LVRT strategy are verified by comparison.Keywords:photovoltaic grid-connected, LVRT, sliding mode control, multi-model PIcontrol, parallel fireworks algorithm。第一章 緒論1.1 課題研究背景、目的及意

14、義。傳統的集中式電力供應模式是通過增加發(fā)電廠數量來滿足不斷增加的客戶對電力的需求，隨著石油與煤炭等主要能源價格的不斷上漲，使得發(fā)電成本大幅上升。與此同時，傳統發(fā)電廠面臨著新型發(fā)電技術的挑戰(zhàn)和壓力，集中式供電模式無法滿足現代社會對電力的巨大需求，電力供應模式勢必需要轉型。在這樣的需求下，分布式供電系統受到極大關注。眾所周知，太陽能已經成為新能源中最有發(fā)展前景的能源，它憑借其自身的優(yōu)勢已被廣泛應用于生產生活中，比如航標指示桿、太陽能路燈、太陽能熱水器和屋頂發(fā)電示范工程等等。與傳統的化石能源相比，太陽能發(fā)電具有以下特點：（1）分布廣泛：不受地域的限制，世界的每一個角落都有太陽的輻射。（2）清潔無污染

15、：不產生污染物，零噪聲，不破壞生態(tài)環(huán)境的平衡。（3）儲量豐富：太陽輻射能取之不盡用之不竭，可持續(xù)使用幾百億年，因此無需考慮枯竭的問題。（4）易開發(fā)：太陽能可就地開發(fā)，同時無需復雜大型的接卸設備，也不需要人力，只需因地制宜地安裝太陽能光伏電池就可實現對太陽能的采集并轉換為電能，極大的節(jié)約了成本。（5）無需運輸：光伏電站可就地安裝，并直接通過太陽能電池將其轉換為電能，就地進行消納，節(jié)省了長距離大容量的輸電電纜和線損，同時其電能可并入電網。（6）政府大力扶持項目：政府出臺一系列便民政策，簡化辦理手續(xù)，優(yōu)化并網流程，并提供補助，大力扶持光伏項目，推動光伏并網、離網等的大面積發(fā)展。太陽能發(fā)電是目前發(fā)展最

16、快前景最好的新能源，正因如此，其發(fā)電容量的大幅增加，也導致了其并網的必然性，但是光伏系統發(fā)電機組由于發(fā)電量較小，光伏系統在接入電力系統之前僅僅作為電網的一個負載，因此通常在與電力公司并聯時，會選擇并聯在二次變電所配電饋線上。當光伏電源接入配電系統時，將會對電力系統的運轉與規(guī)劃造成某種程度的影響與沖擊。當由于某種原因導致接入點電壓出現異常時，電網將自動斷開光伏系統的接入點，使其離網運行來減少對電網造成大的危害，但這僅僅對于小容量光伏電站而言，如果使大容量光伏電站離網運行，不但不會提高系統的穩(wěn)定性，反而會給電力系統造成更大的損失，嚴重的故障將會使得整個系統造成癱瘓。對于其消極方面的影響，也就是當電

17、網電壓跌落時，必須采取相應的手段和措施進行解決，使得光伏系統逆變器能夠保持并網狀態(tài)，甚至可以向電網提供一定的無功功率來支持電網電壓的恢復，這也就是本文所要研究和實現的低電壓穿越技術（Low Voltage Ride Through，以下簡稱 LVRT）。光伏并網系統的低電壓穿越能力已經成為了目前學術界研究的熱點課題，為使得整個系統保持安全穩(wěn)定地運行，就要保證故障時并網點電壓不發(fā)生跌落，因此研究低電壓穿越技術的實質在電壓跌落過程中找到快速有效的控制策略來對逆變器進行合理的控制。但是仍有一點需要考慮，隨著光伏系統的容量增大到和常規(guī)的電廠相比不能忽視的時候，逆變器因受電力電子器件容量的限制導致其本身

18、的容量有限，若并入高電壓等級的電網中，光伏系統本身無旋轉設備，不具備調頻和調壓能力，而逆變器僅靠自身的容量來補償無功完全不足以使得整個系統恢復正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)，因此我們在傳統控制策略的基礎上裝設合適的無功補償裝置來對并網點進行合理的無功補償，并且對無功補償裝置使用恰當的控制技術使得補償過程更加快速準確，降低逆變器的負擔，實現更進一步的低電壓穿越功能，保證整體光伏并網系統的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。1.2 光伏并網系統關鍵技術研究現狀。隨著分布式發(fā)電技術的蓬勃發(fā)展，尤其是到達新能源發(fā)展頂峰的光伏發(fā)電已經受到了越來越多國內外學者的廣泛關注，人們目前已將研究的重點移至并網系統上，光伏并網系統可以實現

19、快速、高效、可靠的并網，主要包括以下幾個關鍵技術的不斷創(chuàng)新和改進，國內外學者為之做出了很大的貢獻。下面將從最大功率點跟蹤（Maximum PowerPoint Tracting，以下簡稱 MPPT）、逆變器控制策略和靜止同步補償器（Static Compensator，以下簡稱 STATCOM）控制三方面來闡述。1.2.1 最大功率點跟蹤技術研究現狀。太陽輻射能具有一定的不確定性，幾乎在一天中的任一時刻都具有不同的輻射能，日類型（陰雨天、晴天）、氣溫和季節(jié)的不同也會造成太陽輻射能量極大地不同，但是太陽能輻射容量又是有規(guī)律可循的，每一天都會是正午時的輻射容量最大。同時光伏電池的轉換效率很低，通常

20、情況下只有 22%左右，種種因素都說明尋找太陽輻射能量的最大功率點是光伏并網系統的必要前提，我們需要找到一種方法來實現不同環(huán)境下的最大功率點跟蹤，因為只有找到最大功率點并持續(xù)跟蹤這一點才能從根本上提高系統整體的效率，評價最大功率點跟蹤方法好壞的根本條件是可以實現快速、有效的跟蹤。國內外學者在此方面已做出了跨越性的突破，基本已經擁有比較成熟的跟蹤技術。文獻1應用非對稱模糊 PID 算法，使其能夠快速響應環(huán)境的變化，來穩(wěn)定在最大功率點處，極大地降低了振蕩現象的發(fā)生。文獻2以兩種基本的最大功率點跟蹤方法提出了一種結合固定電壓法與電導增量法的占空比技術，通過直接控制斬波電壓的占空比來達到快速準確的跟蹤

21、效果。文獻3提出可變閾值切換的滑模變結構控制與 PI 控制復合的控制策略，實現最大功率點的優(yōu)化跟蹤，并與應用較為廣泛的擾動觀測法進行比較，得出了此方法良好的特性。文獻4分析擾動觀測法的不足，并對其缺點進行改進，提出了變步長的改進擾動觀測法，在速度和跟蹤精度方面都得到了提高。文獻5將幾種常用的最大功率點跟蹤方法進行了比較分析，仿真結果證明了滑模控制在跟蹤速度方面有很大的提高，過渡過程明顯減小，在穩(wěn)定輸出功率后，光伏電池的輸出電壓振蕩也相對較小。對于最大功率點跟蹤技術的研究已基本已經達到了最熱點，目前已經有多種十分成熟的方案來應對并網系統中的最大功率點問題，本文對此不再進行過多深入的研究，在MPP

22、T 中采用變步長擾動觀測法，在保證跟蹤速度的同時具有較好的跟蹤效果。1.2.2 逆變器控制策略研究現狀。逆變器的主要功能是完成從直流電到交流電的逆變，逆變器主要包括逆變和控制兩部分，現如今控制部分現已成為國內外學者研究的重點，控制器的性能在很大程度上決定著并網的成敗，也決定了整個系統能否完成一定的低電壓穿越要求。那么找到或者提出一種切實可行且控制效果好的控制策略就顯得十分必要。通過閱讀大量的文獻可以總結出光伏逆變器的控制策略主要包括電流瞬時值控制、雙閉環(huán)控制、SVPWM 控制、重復控制、PI 控制、滑模變結構控制（Sliding Mode Control，以下簡稱 SMC）等等，每種控制方法都

23、有其自身的特點和其特定適用范圍，數字控制技術的發(fā)展，新控制的引入，傳統控制策略的不斷改進都為并網系統提供了強有力地保障，也會極大地提高并網系統的穩(wěn)定性、可靠性。低電壓穿越技術在風電并網系統中應用較為廣泛，特別是在變速恒頻雙饋的風力發(fā)電系統中，國內外學者已對風電的低電壓穿越進行了較為完善且全面的研究，基本擁有相對成熟的研究成果。對于光伏并網系統的 LVRT 策略相對重視程度不夠，起步也比較晚，但是針對光伏系統的并網，也需要有切實可行的低電壓穿越技術來滿足當電網發(fā)生故障時造成并網點電壓跌落的情況，我們可以借鑒風電并網中的低電壓穿越技術來應用到光伏系統中，使其在并網點電壓跌落時可以補償無功。目前，很

24、多學者將光伏與風電系統類比進行研究，但是由于光伏不同于風電，光伏系統沒有轉動慣量，魯棒性也較差。因此在研究過程中不能獨立存在，要依托于光伏并網系統本身進行研究。文獻6著重的闡述了幾種常用的逆變器控制策略及他們的未來趨勢。文獻7將頻率反饋的準固定頻率引入到滯環(huán)控制中，解決無法跟蹤開關頻率變化的問題。文獻8論述了單相并網逆變器的工作原理，并且采用小信號分析方法來分析開環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下的逆變器輸出特性，最后采用電壓前饋補償的方式來抑制電網電壓的波動，由此來提高系統的穩(wěn)定性。文獻9采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方法，分別穩(wěn)定母線電壓和母線電流，并采用比例諧振控制方法，使其并網的電壓和電流能夠符合要求。文獻10

25、通過分析發(fā)現傳統故障穿越控制目標不合理、算法復雜等一系列的缺陷，因此改進了傳統的故障穿越策略，采用最大電流幅值的控制策略，結合正負序電流的分離技術使得在電壓暫降時能滿足故障穿越的要求，并提供了一定的電壓支撐。文獻11采用了dq鎖相環(huán)電壓暫降的檢測方法，可以快速跟蹤并檢測出電壓的暫降，為低電壓的動作提供了依據，后續(xù)在預測模型的基礎上采取無功補償策略，來重新調整有功和無功的電流參考值，給電網輸出一定的無功來支撐并網點的電壓，維持系統的穩(wěn)定。文獻12采用并聯耗能電阻的方法在很大程度上提高了并網系統的低電壓穿越能力。文獻13提出了一種電壓電流雙閉環(huán)與電流單閉環(huán)的切換控制，當電網電壓突降時，控制策略切換

26、至電流單閉環(huán)控制，并將電網正常運行時的有功電流信號賦值到故障期間的有功電流參考值，使并網電流與正常運行時的相同，完成低電壓的穿越。本文采用電壓電流雙閉環(huán)的控制策略來完成并網系統的低電壓穿越，電壓外環(huán)采用經典 PI 控制，電流內環(huán)采用滑模控制策略，滑模變結構控制目前已被廣泛應用于光伏并網控制系統中。其主要的優(yōu)點有14：（1）對外界的干擾具有較強的魯棒性；（2）當系統到達設定的切換面以后，不會再隨意改變，運動形式就會取決于其切換面的方程，和系統的參數及狀態(tài)無任何關系；（3）可跟蹤任何一個連續(xù)的非線性信號。缺點有：（1）不會完全沿著切換面運動，而是有小幅度、高頻率的振蕩，這也是滑?？刂频闹饕秉c；（

27、2）滑模控制對于高階系統沒有很強的適應性，求取全部狀態(tài)量有一定難度。針對其優(yōu)點在本文中要充分的發(fā)揮，使其良好的魯棒性，穩(wěn)定性更好地應用到本文的光伏并網的逆變器控制系統中來，針對其突出的缺點抖振現象，本文也要采取一定的改進措施來最大化的減小甚至消除這種抖振現象，具體控制過程將在第三章做詳細的介紹。1.2.3 STATCOM 研究現狀.1.3 低電壓穿越技術1.3.1 低電壓穿越技術標準 .1.3.2 低電壓穿越技術的實現 .1.4 論文結構與主要內容第二章 光伏并網系統結構及關鍵技術研究2.1 光伏并網系統的整體結構2.2 光伏電池的數學模型及電氣特性2.2.1 光伏電池的數學模型 .2.2.2

28、 光伏陣列的電氣特性 .2.3 DC/DC 變換器原理分析2.4 最大功率點跟蹤（MPPT）技術2.4.1 MPPT 技術原理.2.4.2 MPPT 的變步長擾動觀測法.2.5 DC/AC 逆變器分析2.5.1 光伏并網系統對逆變器的要求 .2.5.2 逆變器拓撲結構及數學模型分析 .2.5.3 逆變器的無功控制理論 .2.6 本章小結第三章 基于自適應滯環(huán)滑模雙閉環(huán)的低電壓穿越控制技術3.1 逆變器控制總體結構3.2 故障穿越過程中的控制邏輯3.3 滑模變結構控制理論與三要素3.3.1 可達性.3.3.2 存在性.3.3.3 穩(wěn)定性.3.4 滑?？刂破?.4.1 滑模控制器設計.3.4.2 滑?？刂频亩墩駟栴} .3.4.3 改進的滑模控制策略分析 .3.5 仿真結果分析3.6 本章小結第四章 基于多模型煙花 PI 的 STATCOM 低電壓穿越控制技術4.1 STATCOM 簡介4.1.1 STATCOM 的工作原理.4.1.2 STATCOM 數學模型分析.4.2 STATCOM 的直接電壓控制原理4.3 多模型 PI 控制器4.3.1 多模型 PI 控制器建立 .4.3.2 多模型 PI 控制器設計4.4 基于并行