基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略

1、ELECTRIC DRIVE2013Vol.43No.2電氣傳動2013年第43卷第2期基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略郭培健,伍豐林,田凱,張超(天津電氣傳動設(shè)計研究所,天津300180摘要:低電壓穿越技術(shù)已成為大功率光伏并網(wǎng)逆變器的重要技術(shù)之一。提出一種電網(wǎng)電壓直接前饋的控制方法,能有效抑制電網(wǎng)電壓跌落過程的逆變器輸出過流,并盡可能向電網(wǎng)提供無功支撐。經(jīng)試驗證明該方法快速準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)電壓低電壓故障,實現(xiàn)光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓安全穿越。關(guān)鍵詞:低電壓穿越;光伏逆變器;電壓直接前饋中圖分類號:TM615文獻標(biāo)識碼:ALVRT Control Strategy of PV Based

2、on Voltage Feed-forward ControlGUO Pei-jian,WU Feng-lin,TIAN Kai,ZHANG Chao(Tianjin Design and Research Institute of Electric Drive,Tianjin300180,ChinaAbstract:Low voltage ride through technique has become one of the most important technologies of PV inverter.A grid voltage feed-forward control meth

3、od was presentd,which can effectively restrain the over-current while gridvoltage drop down,and as far as possible to the power grid to provide reactive power support.Experiments prove that the method is rapid and accurate judgment voltage low voltage fault,realizes low voltage safety through of the

4、 PV inverter.Key words:low voltage ride through(LVRT;PV inverter;voltage feed-forward control1引言光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能隨太陽光照強度變化而變化,一般不能提供持續(xù)穩(wěn)定的電能。隨著近年來光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,尤其是大規(guī)模光伏并網(wǎng)電站的大量投入使用,對電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性構(gòu)成一定問題,特別是在電網(wǎng)出現(xiàn)低電壓跌落情況下如果許多這類電源出現(xiàn)集體瞬間脫網(wǎng),將加劇電網(wǎng)振蕩,甚至導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰的重大事故1。因此許多國家對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越(LVRT能力提出強制標(biāo)準(zhǔn)。LVRT是指在電網(wǎng)電壓跌落處于一定范圍內(nèi),

5、并網(wǎng)逆變器必須保持和電網(wǎng)的連接,并盡可能向電網(wǎng)提供超前無功功率支持2。電網(wǎng)電壓的跌落包括單相跌落、兩相跌落、三相對稱和不對稱跌落,其中三相對稱電壓跌落出現(xiàn)的概率很小。非對稱電壓跌落(即除三相對稱電壓跌落之外的其他電壓跌落使得電網(wǎng)電壓中出現(xiàn)較大負(fù)序分量。目前,針對電網(wǎng)電壓多數(shù)跌落過程含有負(fù)序分量的情況,通常采用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制3-5,即采用結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,對正、負(fù)序電流獨立進行控制,并分別對正、負(fù)序電流進行前饋解耦控制6-8。但是該控制方法在數(shù)字信號處理器進行運算的過程中,由于采樣及運算帶來控制延遲,通過角度補償?shù)霓k法可以在穩(wěn)態(tài)較好跟蹤電網(wǎng)電壓,實現(xiàn)電網(wǎng)電壓前饋解耦控制;而

6、在電網(wǎng)電壓幅值發(fā)生快速變化(例如跌落時,上述延遲使得前饋電壓的幅值在動態(tài)滯后于實際電壓幅值,電流調(diào)節(jié)器可以在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落起到一定調(diào)節(jié)作用,但一般情況下按負(fù)載模型設(shè)計的電流調(diào)節(jié)器比例比較小,主要依靠電壓前饋解耦控制。此外,由于電網(wǎng)電壓跌落多為三相非對稱,電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號(包括正序和負(fù)序分量中存在二次諧波分量,一方面產(chǎn)生的二次諧波難于徹底濾除,另一方面作者簡介:郭培健(1979-,男,工程師,Email:guopj濾波(包括一階慣性濾波、二階陷波濾波、移相濾波等均使前饋電壓信號產(chǎn)生滯后,不僅使初始響應(yīng)滯后,且即使在電網(wǎng)電壓處于跌落的穩(wěn)態(tài)時三相電流幅值仍可能有較大脈動。因此,僅

7、采用雙旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系的解耦控制方法,只能解決電網(wǎng)電壓跌落后的穩(wěn)態(tài)(即電壓幅值變化率相對小一些的區(qū)域的電流控制,在較大電壓跌落情況下逆變器仍可能因初始較大過電流而脫網(wǎng)。在電網(wǎng)正常情況下過多超前無功使得電網(wǎng)電壓升高,特別在LVRT結(jié)束時如果并網(wǎng)的逆變器響應(yīng)滯后,仍然維持?jǐn)?shù)個采樣周期輸出超前無功,可能導(dǎo)致電網(wǎng)過電壓,也可能使逆變器輸出過流和脫網(wǎng)。因此必須研究有效的控制方法,防止逆變器在電網(wǎng)電壓跌落過程過流,才能實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器LVRT。2常規(guī)并網(wǎng)三相光伏逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT能力2.1常規(guī)光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT能力常規(guī)光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)如圖1所示,其中PV為光伏電池陣列,P

8、B為三相逆變器,L1為三相輸出濾波電抗器,C1為三相輸出濾波電容。光伏逆變器將光伏電池陣列的直流電能變換為三相交流電能,并輸向電網(wǎng)?？刂苹芈吠ǔ２捎面i相環(huán)PLL檢測電網(wǎng)電壓(正序矢量。用PLL計算出的電網(wǎng)電壓旋轉(zhuǎn)角度s將逆變器輸出交流電流經(jīng)過矢量變換,分解為有功(d軸和無功(q軸的直流分量,以便對有功和無功功率分別進行控制。圖1常規(guī)光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.1PV inverter control system block diagram控制系統(tǒng)采用MPPT(最大功率點跟蹤計算逆變器直流電壓給定U*dc,經(jīng)直流電壓調(diào)節(jié)器計算出有功電流給定I*d,d軸電流調(diào)節(jié)器計算出d 軸電壓調(diào)節(jié)量U

9、d。電網(wǎng)電壓正序幅值U d和逆變器輸出無功電流在q軸的電抗壓降作為電壓給定的前饋解耦分量,用于提高逆變器輸出響應(yīng)。大功率光伏逆變器通常具有無功調(diào)節(jié)能力,外環(huán)為無功功率調(diào)節(jié)器,用于控制輸出的無功功率,其輸出為無功電流給定I*q,通過q軸電流調(diào)節(jié)器計算出q軸電壓調(diào)節(jié)量U q。逆變器輸出有功電流在q軸的電抗壓降作為q軸電壓給定的前饋解耦分量。圖1所示系統(tǒng)適用于三相電壓對稱跌落情況下的LVRT,存在控制響應(yīng)之后問題,在較大電壓跌落情況下逆變器會在初始產(chǎn)生過電流。而對于三相電壓不對稱跌落,則因負(fù)序分量失于控制而產(chǎn)生較大過電流以致脫網(wǎng)。2.2雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制的光伏并網(wǎng)三相逆變器控制系統(tǒng)及其LVRT能力為解

10、決三相電壓不對稱跌落下的LVRT,通常采用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制,即采用結(jié)構(gòu)完全對稱的正、負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,對正、負(fù)序電流獨立進行控制,分別對正、負(fù)序電流進行前饋解耦控 制。參見圖2。圖2具有雙旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.2Double rotating coordinate control of PVinverter control system block diagram當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相、兩相、或三相非對稱電壓跌落時,伴隨著電網(wǎng)電壓的不對稱,電網(wǎng)電壓中電氣傳動2013年第43卷第2期郭培健,等:基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略不僅存在正序分量,同時還存在負(fù)序分量和

11、零序分量。本文只考慮三相三線制系統(tǒng),忽略零序分量9,則不平衡三相電壓可以表示成以下形式:V a(t=V+m sin(t+V-m sin(-t+-=V+m sin(s+V-m sin(s-V b(t=V+m sin(t+-23+V-m sin(-t+-23=V+m sin(s+-23+V-m sin(s-23V c(t=V+m sin(t+23+V-m sin(-t+-+23=V+m sin(s+23+V-m sin(s-+23(1式中:為電網(wǎng)電壓角頻率;V+m為電網(wǎng)電壓正序分量幅值;V-m為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量幅值;+為電網(wǎng)電壓正序分量的初始相角;-為電網(wǎng)電壓負(fù)序分量的初始相角。經(jīng)坐標(biāo)變換,可得到

12、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量為V(t=e jt V+dq+e-jt V-dq(2其中V+dq=V+d+j V+qV-dq=V-d+j V-q式中:下標(biāo)d和q分別為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的d, q軸分量;上標(biāo)+和-分別為正序和負(fù)序分量。當(dāng)負(fù)序分量出現(xiàn)時,按常規(guī)矢量分解方法得到的正序和負(fù)序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸分量中存在2倍頻交變成分,需采用適當(dāng)?shù)臑V波后才可用于調(diào)節(jié)器反饋或前饋,否則可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩和過電流。圖2所示系統(tǒng)可用于所有電壓跌落情況下的LVRT,但響應(yīng)滯后采樣周期,在較大電壓跌落情況下逆變器可能在初始以及電網(wǎng)電壓恢復(fù)時產(chǎn)生過電流。3電網(wǎng)電壓跌落過程初始過電流分析逆變器所輸出的電壓矢量與電網(wǎng)電壓矢量的差等

13、于加在交流電抗上的電壓矢量,逆變器輸出電流與加在交流電抗上的電壓關(guān)系為i=1Lu d t因此,如果交流電感基本不變,逆變器輸出電流與加在交流電抗上的電壓幅值成正比。導(dǎo)致逆變器在LVRT初始瞬間過電流的主要原因是系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)時間滯后,在此時間內(nèi)逆變器給定電壓基本仍按原電壓矢量幅值輸出,使得交流電抗上的電壓瞬間異常增大,導(dǎo)致逆變器輸出電流異?？焖偕仙?這是LVRT過程初始過電流的主要原因。因此,解決電網(wǎng)電壓前饋滯后問題是保證實現(xiàn)LVRT安全性的關(guān)鍵。4電網(wǎng)電壓直接前饋控制策略本節(jié)詳細(xì)敘述基于電網(wǎng)電壓直接前饋的LVRT控制策略,鑒于篇幅,其中涉及光伏逆變器的一些其他技術(shù)問題這里不作過多敘

14、述。4.1控制器硬件組成光伏逆變器控制器采用數(shù)字信號處理器(DSP和大規(guī)模門陣列(FPGA為核心的硬件結(jié)構(gòu)。通過電壓和電流傳感器、以及模擬量采集芯片對電網(wǎng)電壓、電流以及直流電壓和電流進行采樣。對電網(wǎng)電壓信號采集平均值和瞬時值,其中平均值采樣周期與PWM控制周期同步,用于正常情況下的系統(tǒng)控制;瞬時值采樣為數(shù)s級平均值,用于LVRT時的控制。4.2系統(tǒng)控制方案基于前兩節(jié)中對電網(wǎng)電壓跌落故障矢量分析、以及逆變器過流原因分析,改進的系統(tǒng)控制方案如圖 3所示。圖3電網(wǎng)電壓直接前饋的三相并網(wǎng)光伏逆變器系統(tǒng)控制框圖Fig.3Voltage directly feed-forward PV inverterc

15、ontrol system block diagramDSP主要執(zhí)行控制運算功能,FPGA主要完電氣傳動2013年第43卷第2期郭培健,等:基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略成邏輯控制和脈沖形成等功能。4.3電網(wǎng)電壓跌落判斷通過對電網(wǎng)電壓瞬時值幅值的檢測,可及時判斷電網(wǎng)電壓的跌落。通過檢測負(fù)序電壓分量的幅值判斷是否發(fā)生電網(wǎng)電壓不對稱運行。4.4負(fù)序電流分量控制電流信號經(jīng)矢量變換成為負(fù)序d-q軸電流I-d和I-q。在電網(wǎng)正常時,負(fù)序有功電流和無功電流實際值基本為零。在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時,負(fù)序有功電流和無功電流中含有2倍于電網(wǎng)頻率的交流量,需經(jīng)濾波去除,并通過比例積分調(diào)節(jié)器將負(fù)序有功電流

16、和無功電流調(diào)節(jié)為零,從而達到有效控制系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序電流分量,減少對電網(wǎng)產(chǎn)生的偶次諧波10。將負(fù)序電流調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果U-d和U-q 經(jīng)矢量變換為三相電壓給定負(fù)序調(diào)節(jié)變量U-*abc;正序電流調(diào)節(jié)器輸出結(jié)果U+d和U+q經(jīng)矢量變換為三相電壓給定正序調(diào)節(jié)變量U+*abc;相加后合成三相電壓給定調(diào)節(jié)變量U*abc。4.5電壓直接前饋控制策略為解決電網(wǎng)電壓跌落的初始瞬間電壓前饋滯后的問題,本文提出了一種電網(wǎng)電壓直接前饋控制策略:策略一是將電網(wǎng)電壓瞬時值信號經(jīng)滯后補償后直接作為電壓給定前饋;策略二是在發(fā)生電網(wǎng)電壓跌落故障時,采用電網(wǎng)電壓的采樣值作為前饋進行控制。前者解決LVRT穩(wěn)態(tài)控制,并提高逆變器的

17、動態(tài)響應(yīng);后者解決LVRT開始瞬間的過流控制。由于電網(wǎng)電壓跌落多為三相非對稱,電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號中存在二次諧波分量,一方面產(chǎn)生的二次諧波難于徹底濾除,另一方面濾波(包括一階慣性濾波、二階陷波濾波、移相濾波等均使前饋電壓信號產(chǎn)生滯后,不僅使初始響應(yīng)滯后,還使得即使在電網(wǎng)電壓處于跌落的穩(wěn)態(tài)時三相電流幅值仍可能有較大脈動。常規(guī)的電壓給定前饋分解出的直流分量,與電流調(diào)節(jié)器輸出及交流電抗壓降疊加后,經(jīng)矢量變換后作為給定電壓輸出(參見圖1、圖2,這需要進行滯后補償。電網(wǎng)正常穩(wěn)態(tài)運行時沒有問題,而一旦電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動或負(fù)序,由于前饋電壓的滯后以及偶次諧波濾波的滯后,電流就會產(chǎn)生較大動態(tài)脈動。

18、采用上述控制策略一,在不降低電壓信號采樣精度前提下,使前饋電壓的滯后縮短,且避免了對電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流信號中二次諧波的濾波,解決了LVRT穩(wěn)態(tài)控制問題,也同時提高了逆變器在正常運行時的動態(tài)響應(yīng)。僅采用上述策略一,還有一定滯后,仍會造成LVRT初始產(chǎn)生過流。為此加入上述策略二,當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓跌落,使用電網(wǎng)電壓瞬時值作為前饋電壓。這時可能有4種情況:1如故障處于PWM前半周,對于任意相,這時如果PWM脈沖尚未發(fā)出,則可按瞬時值電壓前饋計算的電壓給定控制脈沖前沿,該相電壓給定基本適應(yīng)電網(wǎng)電壓跌落,對電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)沒有滯后;2如故障處于PWM前半周,對于任意相,這時如果PWM脈沖已經(jīng)

19、發(fā)出,則可在PWM后半周按瞬時值電壓前饋計算的電壓給定控制脈沖后沿,該相電壓給定對電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)滯后約半周期;3如故障處于PWM后半周,對于任意相,這時如果PWM脈沖尚未發(fā)出,則可按瞬時值電壓前饋計算的電壓給定控制脈沖后沿,該相電壓給定基本適應(yīng)電網(wǎng)電壓跌落,對電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)沒有滯后;4如故障處于PWM后半周,對于任意相,這時如果PWM脈沖已經(jīng)發(fā)出,則可以在下一個PWM前半周按瞬時值電壓前饋計算的電壓給定控制脈沖前沿,該相電壓給定對電網(wǎng)電壓跌落的響應(yīng)滯后約半周期。從上述4種情況看,采用電網(wǎng)電壓瞬時值直接前饋,其對電網(wǎng)電壓跌落的最短響應(yīng)時間為數(shù)s,最長響應(yīng)時間約半個PWM周期,因此可以有效

20、解決LVRT開始瞬間的過流問題。4.6逆變器輸出電流控制策略為滿足電網(wǎng)需要,提出逆變器輸出電流的控制策略:在電網(wǎng)正常時,DSP中的正序有功電流給定為MPPT控制的、或由電網(wǎng)調(diào)度控制的電流,由直流電壓調(diào)節(jié)器給出,正序無功電流給定為0(功率因數(shù)為1、或在逆變器樣本規(guī)定的無功輸出范圍由電網(wǎng)調(diào)度控制;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落故障時,限制最大有功電流給定為額定值的80%,同時令超前無功電流給定等于100%減去有功電流給定平方后的開方值,使總輸出電流維持100%額定,從而最大限度輸出超前無功電流以支撐電網(wǎng)。在電網(wǎng)正常情況下過多超前無功使得電網(wǎng)電壓升高,特別在LVRT結(jié)束時,如果并網(wǎng)的逆變器由于控制滯后仍維持?jǐn)?shù)個

21、采樣周期輸出超前無功,則可能導(dǎo)致電網(wǎng)過電壓,并可能使逆變電氣傳動2013年第43卷第2期郭培健,等:基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略 收稿日期:2012-10-09修改稿日期:2013-01-05電氣傳動2013年第43卷第2期郭培健,等:基于電壓前饋的光伏逆變器低電壓穿越控制策略器輸出過流和脫網(wǎng)。因此,當(dāng)檢測到電網(wǎng)電壓接近90%額定電網(wǎng)電壓時,提前取消超前無功電流支撐電網(wǎng)功能,避免LVRT 結(jié)束時過多無功加劇電網(wǎng)過電壓。5實驗結(jié)果根據(jù)本文提出的基于電網(wǎng)電壓瞬時值前饋的LVRT 控制策略,在250kW 光伏逆變器裝置上進行了LVRT 功能實驗,交流電源采用某知名品牌公司生產(chǎn)的800k

22、W 電網(wǎng)電源模擬裝置進行測試,逆變器工作在額定功率向電網(wǎng)送電狀態(tài)。圖4、圖5分別是電網(wǎng)發(fā)生單相跌落和兩相跌落時的LVRT 試驗波形,通道1,2和3分別為三相電網(wǎng)電壓波形,通道4,5和6分別為逆變器三相輸出電流波形(圖4,圖5中縱坐標(biāo)1V 對應(yīng)1A 。從波形上可以看出,A 相電壓發(fā)生跌落后,逆變器輸出電流在經(jīng)過短暫調(diào)整后恢復(fù)額定電流(380A 輸出,沒有過流發(fā)生,實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器低電壓安全穿越。圖4電網(wǎng)電壓發(fā)生單相跌落時的LVRT 試驗波形Fig.4Grid voltage single -phase LVRT test waveforms圖5電網(wǎng)電壓發(fā)生兩相跌落時的LVRT 試驗波形Fig.5

23、Grid voltage two phases LVRT test waveforms6結(jié)論本文所提出的基于電網(wǎng)電壓直接前饋的LVRT 控制策略,具有以下若干特點:在電網(wǎng)發(fā)生低電壓故障時,可快速準(zhǔn)確地判斷出當(dāng)前電網(wǎng)進入低電壓故障狀態(tài);有效地抑制了電網(wǎng)電壓跌落過程、特別是初始和結(jié)束時逆變器輸出過流,防止逆變器脫網(wǎng);最大限度輸出超前無功電流支撐電網(wǎng);在電網(wǎng)電壓跌落結(jié)束前,提前退出無功電流支撐電網(wǎng)功能,避免電網(wǎng)電壓恢復(fù)時過多超前無功對電網(wǎng)電壓造成過壓沖擊;避免了對電網(wǎng)電壓在d-q 軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,電壓電流信號中二次諧波的濾波產(chǎn)生的響應(yīng)滯后問題,解決了LVRT 穩(wěn)態(tài)控制問題,同時提高了逆變器在正常

24、運行時的動態(tài)響應(yīng)。經(jīng)試驗證明該策略簡單可行,實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓安全穿越。參考文獻1李建林,許洪華.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓運行技術(shù)M .北京:機械工業(yè)出版社,2008.2Frede Blaabjerg ,Remus Teodorescu ,Marco Liserre ,et al .Overvi -ew of Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems J .IEEE Transactions on I ndustrial Elec-tronics ,2006,53(5:1398-1409.3Etxeberria -Otadui I ,Viscarret U ,Caballero M ,et al .New Optimized PWM VSC Control Structures and Strategies u nder Unbalanced Voltage Transients J .IEEE Tra