【三相光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越控制策略（論文）10000字】

三相光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)建模2.1三相并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。(a)單級型結(jié)構(gòu)(b)雙級型結(jié)構(gòu)圖2-1三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig2-1Topologicalstructureofthree-phasePVgridconnectedsystem根據(jù)圖中可知，三相光伏發(fā)電系統(tǒng)通常包括兩種形式：單級型和雙級型結(jié)構(gòu)。在單級型結(jié)構(gòu)中，將光伏電池組件直接接入光伏并網(wǎng)逆變器，通過并網(wǎng)逆變器控制直流母線電壓，同時也要控制光伏電池的最大功率跟蹤。單級型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，成本較低，效率較高，但是直流母線電壓不能穩(wěn)定，且根據(jù)光照強度和溫度實時變化，控制算法更加復(fù)雜。在雙級式結(jié)構(gòu)中，光伏電池輸出接入了一臺升壓變換器，因此無需大量串并聯(lián)，同時該結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒆畲蠊β矢櫩刂坪椭绷髂妇€電壓控制進行分隔，將最大功率跟蹤控制集成在直流變換器中，而并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是維持直流母線電壓，兩個電力電子裝置分別實現(xiàn)不同的控制，更加容易實現(xiàn)。根據(jù)上述對比分析可以看出，與單級型光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，雙級型具有更多的優(yōu)勢，也更加適應(yīng)未來的發(fā)展以及大型系統(tǒng)的集成，因此本文選取雙級型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。2.2光伏陣列的數(shù)學(xué)模型為了更好的模擬光伏電池組件特性，首先對光伏電池進行數(shù)學(xué)建模，其等效電路如下圖所示，圖中Iph為光生電流，Id為二極管電流，Ish為并聯(lián)電阻電流，Ipv為光伏電池輸出電流，Upv為光伏電池輸出電壓，Rsh為并聯(lián)等效電阻，Rs為串聯(lián)電阻。圖2-2光伏電池的等效電路Fig2.2Equivalentcircuitofphotovoltaiccells為了模擬光伏電池特性，在此采用工程數(shù)學(xué)模型，可以表示為： (2.2.1) (2.2.2) (2.2.3) (2.2.4) (2.2.5) (2.2.6)式中：Isc，Uoc，Um和Im分別為光伏電池的短路電流，開路電壓，峰值電壓和峰值電流；和b分別為電流和電壓變化溫度系數(shù)；和分別為電流和溫度變化量。前面對三種光伏電池組件的等效電路和數(shù)學(xué)模型進行了研究，下面根據(jù)數(shù)學(xué)模型對光伏電池運行特性進行研究，主要參數(shù)如表2-3所示。表2-3光伏電池的主要參數(shù)Tab2-31Mainparametersofphotovoltaiccells名稱數(shù)值名稱數(shù)值開路電壓21.5V短路電流6.33A峰值電壓17.5V峰值電流5.91A根據(jù)表2-3和工程數(shù)學(xué)模型，對光伏電池組件的工作特性進行分析和研究。由于光伏電池組件主要受到外界光照強度和溫度條件的情況，因此下面分別對兩種情形進行驗證。設(shè)置光照強度分別為1000W/m2、700W/m2和500W/m2，所得到的工作特性如圖2-4所示。(a)U-P曲線(b)U-I曲線圖2-4不同輻射度下光伏電池的輸出特性Fig2-4Outputcharacteristicsofphotovoltaiccellsatdifferentirradiance從圖2-4中可以看出，當(dāng)溫度一定時，光伏電池組件的最大輸出功率隨著光照強度增加而增加；當(dāng)光照強度逐漸降低時，光伏電池組件的輸出功率逐漸減小。下面研究溫度變化情況下對光伏電池組件工作特性的影響，設(shè)置光照強度為標(biāo)準(zhǔn)光照，外界溫度分別為35℃、25℃和15℃，所得到的工作特性如圖2-5所示。(a)U-P曲線(b)U-I曲線圖2-5不同溫度下光伏電池的輸出特性Fig2-5Outputcharacteristicsofphotovoltaiccellsatdifferenttemperatures根據(jù)圖2-5所示，當(dāng)外界溫度逐漸增加時，光伏電池組件的最大輸出功率和輸出電流將會逐漸減?。划?dāng)外界溫度逐漸降低時，其最大輸出功率和輸出電流逐漸增加。2.3三相逆變器的數(shù)學(xué)模型光伏發(fā)電系統(tǒng)后級變換器采用三相電壓源型并網(wǎng)逆變器，由于電壓源型變換器具有能量雙向流動，功率因數(shù)可控，網(wǎng)側(cè)電流正弦化等優(yōu)勢，其已經(jīng)應(yīng)用在了電機傳動、有源濾波器，統(tǒng)一電能質(zhì)量補償器、靜止無功發(fā)生器，新能源并網(wǎng)接口裝置等，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-6所示。圖2-6三相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig2.5TopologyofThreephasephotovoltaicgridconnectedinverter根據(jù)圖2-6，對三相回路和直流側(cè)電壓采用基爾霍夫定律能夠得到： (2.3.1) (2.3.2)式中：Lg和Rg分別為濾波電感和等效電阻；udc和idc分別為直流側(cè)電壓和電流；ipvo光伏變換器輸出電流；vi為逆變器端電壓；ii為逆變器輸出電流；ei為并網(wǎng)點電壓；si為逆變器開關(guān)函數(shù)端電壓；下標(biāo)i=a,b,c。根據(jù)(2.3,1)和(2.3.2)得知三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，為了便于分析需要進一步簡化，對其進行坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為： (2.3,3)式中：iα和iβ為逆變器輸出電流α分量和β分量；vα和vβ為逆變器輸出電壓α分量和β分量；eα和eβ為并網(wǎng)點電壓α分量和β分量；sα和sβ為逆變器開關(guān)函數(shù)α分量和β分量。為了對有功和無功功率進行解耦控制，將其進一步變換至dq軸，數(shù)學(xué)模型為： (2.3.4)進一步能夠得到dq坐標(biāo)系下的有功和無功功率分別為： (2.3.5) (2.3.6)式中：id和iq為逆變器輸出電流d分量和q分量；vd和vq為逆變器輸出電壓d分量和q分量；ed和eq為并網(wǎng)點電壓d分量和q分量；sd和sq為逆變器開關(guān)函數(shù)d分量和q分量。2.4本章小結(jié)本章首先對三相光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行了分析，通過對比分析，本文選取了雙級型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象。建立了光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)數(shù)學(xué)模型對光伏電池的運行特性進行了分析，給出了不同輻射度和溫度變化情況下的運行特性。建立了三種坐標(biāo)系下光伏并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型。3三相光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越控制策略3.1光伏最大功率跟蹤控制根據(jù)光伏電池組件的工作特性可知，在任意光照強度和溫度情況下，光伏電池組件存在著唯一的最優(yōu)電壓對應(yīng)著最大功率點，擾動觀察法最大功率跟蹤基本原理如圖3.1所示。圖3-1擾動觀察法的基本原理Fig3-1Basicprincipleofdisturbanceobservationmethod根據(jù)圖3-1，以最大功率點為界限進行劃分，左側(cè)上坡階段，右側(cè)為下坡階段。在上坡階段時，假設(shè)光伏電池功率初始值在a點，加入一個擾動后，得到的光伏電池功率值為b點，此時得知擾動之后的功率大于初始值，因此繼續(xù)增加正向擾動電壓。在下坡階段，假設(shè)光伏電池組件功率初始值為c點，加入一個正向電壓擾動，得到的光伏電池組件功率值為d點，此時判定擾動之后的功率小于初始值，表明系統(tǒng)應(yīng)該向反方向進行擾動。在通過數(shù)次擾動之后，光伏電池將會處于最大功率點附近。為了實現(xiàn)光伏擾動觀察最大功率跟蹤控制方法，其基本流程如圖3-2所示。圖3-2擾動觀察法的流程圖Fig3-2Flowchartofdisturbanceobservationmethod根據(jù)圖3.2，首先采集光伏電池組件的輸出電壓和電流，并計算初始功率和下一時刻功率，然后判斷功率以及電壓差值符號，最終根據(jù)符號正負(fù)來判斷增加還是減小擾動分量，當(dāng)上一時刻和下一時刻功率相等時，此時光伏電池工作在最大功率點。3.2三相逆變器的控制策略為了實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器的有功和無功功率解耦控制，在此采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，首先對其基本原理進行分析。對于三相正弦電壓，若將d軸電壓分量與電網(wǎng)電壓A相電壓對齊，通過dq變換之后得到： (3.2.1)式中：為電壓幅值。因此逆變器輸出有功和無功功率可以簡化為： (3.2.2) (3.2.3)在并網(wǎng)運行中，由于電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，因此可以近似認(rèn)為電壓峰值為一定值，因此有功和無功功率僅和電流有關(guān)，因此可以通過控制電流控制功率，其中d軸電流與有功有關(guān)，而q軸電流與無功相關(guān)，進而實現(xiàn)了有功和無功獨立控制。根據(jù)上述基本原理，dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)電壓定向矢量控制框圖如圖3-3所示。圖3-3光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法Fig3-3ControlmethodofPVGrid-connectedinverter根據(jù)圖3-3所示，電網(wǎng)電壓定向矢量控制由直流電壓外環(huán)和電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。首先對直流母線電壓、三相電網(wǎng)電流以及三相并網(wǎng)點電壓進行采集，然后對三相電網(wǎng)電流和三相并網(wǎng)電壓進行坐標(biāo)變換得到電網(wǎng)電壓和電流的d軸和d軸分量。將直流母線電壓參考值與采樣得到的直流電壓實際值相減送入PI調(diào)節(jié)器，然后將PI輸出作為d軸電流參考值。q軸電流參考值通常設(shè)置為零，將d軸電流參考值和q軸電流參考值分別與電流實際值d軸分量和q軸分量相減再送入電流PI調(diào)節(jié)器。由于dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型存在耦合，因此為了消除耦合對控制的不利影響，可采用電網(wǎng)電壓前饋和解耦控制。最后經(jīng)過SPWM調(diào)制模塊得到的光伏并網(wǎng)逆變器的脈沖信號。3.3低電壓穿越控制策略隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)裝機容量不斷增加，在電網(wǎng)故障期間，若光伏發(fā)電系統(tǒng)脫網(wǎng)，則將會導(dǎo)致并網(wǎng)點電壓和頻率發(fā)生大幅度擾動，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成不利影響，因此并網(wǎng)準(zhǔn)則要求光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)必須具備低電壓穿越能力。低電壓穿越并網(wǎng)準(zhǔn)則要求在電網(wǎng)電壓跌落至0.2pu時，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要維持1s時間內(nèi)不能脫網(wǎng)，同時需要向電網(wǎng)發(fā)送無功功率幫助電網(wǎng)恢復(fù)。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，下面對光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越控制策略進行研究，根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，此時受限于逆變器容量限制，因此逆變器的輸出電流不能無限增加，這將會導(dǎo)致光伏電池的輸出功率大于逆變器的輸出功率，多余的功率將會直接對電容進行充電，電容充電將會導(dǎo)致直流母線電壓逐漸增加，當(dāng)達(dá)到電壓保護閾值時，觸發(fā)過電壓保護，進而導(dǎo)致低電壓穿越失敗。為了解決直流母線過電壓問題，在原有的光伏發(fā)電系統(tǒng)中增加直流卸荷電路，此時光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖3-4帶直流卸荷電路的三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig3-4Topologicalstructureofthree-phasePVgridconnectedsystemwithDCchoppercircuit根據(jù)圖3-4，直流卸荷電路由電阻和可控開關(guān)器件構(gòu)成。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生對稱短路故障時，投入卸荷電路，此時卸荷電阻將會消耗多余能量，進而避免了能量在直流電容上累積，能夠有效避免直流母線過電壓。直流卸荷電阻功率約為： (3.3.1)電網(wǎng)故障情況下三相并網(wǎng)逆變器的控制策略如下圖所示。圖3-5電網(wǎng)對稱故障條件下光伏并網(wǎng)逆變器的控制方法Fig3-5ControlmethodofPVGrid-connectedinverterunderbalancedgridfaultconditions根據(jù)并網(wǎng)準(zhǔn)則可知，在故障期間，光伏并網(wǎng)逆變器需要向電網(wǎng)發(fā)送無功功率幫助電網(wǎng)恢復(fù)。由圖3-5可知，在電網(wǎng)正常情況，開關(guān)S接入1，此時q軸電流為0，因此逆變器工作在單位功率因數(shù)模式。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，開關(guān)S接入2，并網(wǎng)逆變器工作在無功支撐模式。首先通過視在功率和實際有功功率計算得到無功功率，然后根據(jù)無功功率等式計算得到q軸電流，此時通過閉環(huán)控制，三相逆變器實現(xiàn)無功支撐。3.4本章小結(jié)本章首先分析了光伏最大功率跟蹤的基本原理，給出了基于擾動觀察法最大功率跟蹤控制流程圖。為了實現(xiàn)有功和無功獨立控制，三相并網(wǎng)逆變器采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，給出了三相并網(wǎng)逆變器的控制框圖，并且進行了詳細(xì)分析。為了實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越，采用了直流卸荷電路避免電網(wǎng)對稱故障期間直流母線過電壓，同時給出了三相并網(wǎng)逆變器故障期間的控制策略，實現(xiàn)無功支撐。4仿真研究4.1仿真實驗平臺為了驗證三相光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越控制策略的有效性和可行性，在此選用Matlab/Simulink仿真軟件搭建光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如下圖所示。圖4-1三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型Fig4-1Simulationmodelofthree-phasePVgridconnectedsystem根據(jù)圖4-1，設(shè)置光伏陣列短路電流31.65A，開路電壓350V、峰值電流29.55A、峰值電壓430V、功率為10kW，直流變換器濾波電感為1mH，直流母線電容為2mF，交流濾波電感為6mH，交流母線電壓為380V/50Hz，光伏逆變器的額定功率為10kW，中間直流母線電壓800V。三相逆變器外環(huán)比例系數(shù)為0.5，積分系數(shù)為40，內(nèi)環(huán)比例系數(shù)0.1，積分系數(shù)為100。4.2電網(wǎng)正常情況仿真結(jié)果首先在電網(wǎng)正常情況對其進行仿真研究，仿真結(jié)果如下圖所示。(a)光照強度(b)光伏陣列功率(c)直流母線電壓(d)三相電網(wǎng)電壓(e)三相電網(wǎng)電流(f)逆變器輸出有功功率(g)逆變器輸出無功功率圖4.2電網(wǎng)正常條件下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig4-2SimulationresultsofPVgridconnectedsystemundernormalgridconditions根據(jù)圖4-2可知，在初始條件下，光照強度為500W/m2，光伏陣列經(jīng)過一段時間調(diào)整后達(dá)到了最大功率點，直流母線電壓穩(wěn)定在800V。在0.5s時，光照強度增加至1000W/m2，由于光照增加，因此光伏陣列的輸出功率也隨之增加，光伏逆變器的功率以及輸出電流上升，直流母線電壓經(jīng)過暫態(tài)調(diào)節(jié)后穩(wěn)定在800V。在1.0s時，光照強度減小至700W/m2，由于光照減小，因此光伏陣列的輸出功率也隨之減小，光伏逆變器的功率以及輸出電流下降，直流母線電壓經(jīng)過暫態(tài)調(diào)節(jié)后穩(wěn)定在800V?？梢钥闯鲈诠庹諒姸劝l(fā)生變化時，系統(tǒng)不僅能夠快速跟蹤最大功率點，同時保持直流母線電壓穩(wěn)定。4.2電網(wǎng)對稱故障情況仿真結(jié)果下面在電網(wǎng)對稱故障條件下對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行仿真研究，仿真結(jié)果如下圖所示。(a)三相電網(wǎng)電壓(b)光伏陣列功率(c)直流母線電壓(d)三相電網(wǎng)電流(e)逆變器輸出有功功率(f)逆變器輸出無功功率圖4-3電網(wǎng)故障條件下光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig4-3SimulationresultsofPVgridconnectedsystemundergridfaultconditions根據(jù)圖4-3可知，假設(shè)光照強度為1000W/m2，在0.5s之前電網(wǎng)正常運行，在0.5s時，電網(wǎng)發(fā)生對稱三相短路故障，電網(wǎng)電壓跌落至0.2pu，此時卸荷電路投入消耗直流電容上的累積功率，而三相并網(wǎng)逆變器切換至無功支撐模式，此時三相逆變器輸出有功功率近似為零，而無功功率達(dá)到最大值，幫助電網(wǎng)恢復(fù)。在1.125s時，電網(wǎng)故障被清除，此時卸荷電路退出，并網(wǎng)逆變器切換至單位功率因數(shù)狀態(tài)，此時無功功率為零，并向電網(wǎng)傳輸有功功率。在電網(wǎng)故障期間，直流電壓能夠穩(wěn)定在800V，切換期間未發(fā)生過電壓和過電流，驗證了低電壓穿越控制的有效性。4.3本章小結(jié)本章首先通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建了光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并分別在電網(wǎng)正常情況和對稱故障情況對控制策略進行了仿真研究。仿真表明所研究的控制策略能夠在不同光照條件下實現(xiàn)最大功率跟蹤，在電網(wǎng)發(fā)生對稱故障情況下保證直流母線電壓穩(wěn)定，同時向電網(wǎng)發(fā)生無功功率幫助電網(wǎng)支撐，驗證了低電壓穿越控制的有效性和可行性。5結(jié)論與展望5.1結(jié)論由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量不斷增加，在電網(wǎng)發(fā)生故障期間若仍采用直接脫網(wǎng)方式，對并網(wǎng)點電壓和頻率造成不利影響，因此電網(wǎng)準(zhǔn)則要求光伏發(fā)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力。針對這一問題，本文以雙級型三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，重點研究低電壓穿越控制策略。通過研究，總結(jié)如下：（1）分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了光伏電池的數(shù)學(xué)模型，分析了光伏電池的運行特性。建立了三相并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)分析可知dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型更加適合PI調(diào)節(jié)器，同時能夠?qū)崿F(xiàn)功率獨立控制。（2）研究了光伏發(fā)電單元的最大功率跟蹤控制，分析了擾動觀察法的基本原理，并給出了實現(xiàn)擾動觀察法的流程圖。分析了電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略的基本原理，給出了三相光伏并網(wǎng)逆變器的矢量控制框圖，并進行了分析。在電網(wǎng)故障期間，提出了直流卸荷電路以及三相逆變器無功電流切換控制策略，避免過電壓，同時實現(xiàn)無功支撐控制。（3）通過Matlab/Simulink仿真軟件搭建三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，分別在電網(wǎng)正常情況和對稱故障情況對控制策略進行了仿真研究。仿真表明所研究的控制策略能夠在不同光照條件下實現(xiàn)最大功率跟蹤。在電網(wǎng)發(fā)生對稱故障期間，采用直流卸荷電路能夠保證直流母線電壓穩(wěn)定，避免直流電容能量累積，同時實現(xiàn)了無功功率支撐。5.2展望由于個人時間和精力有限，未來還需做以下工作：（1）本文僅考慮了對稱故障，而不對稱故障在實際電網(wǎng)中發(fā)生頻率較高，因此下一步應(yīng)對不對稱故障條件下的三相光伏逆變器控制策略進行研究。（2）由于個人能力有限，對逆變器的控制策略分析的不夠全面，下一步將采用不同的控制策略，來分析系統(tǒng)的低電壓穿越能力。參考文獻[1]錢康寧.光伏并網(wǎng)逆變器孤島檢測與低電壓穿越技術(shù)的研究[D].電氣工程湖北工業(yè)大學(xué)，2019.[2]曹祥麗.基于VSG技術(shù)的光伏并網(wǎng)逆變器低電壓穿越控制策略[D].電氣工程西安理工大學(xué)，2018.[3]陳波,朱曉東.光伏電站低電壓穿越技術(shù)要求與實現(xiàn)[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017,31(08):23-68.

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