光伏逆变器低电压穿越控制策略

摘要：研究了光伏逆变器低电压穿越(LVRT)特性，针对光伏电站在并网点电压突然跌落时对电网安全稳定运行带来的不利影响，提出一种单级式光伏逆变器LVRT控制策略。该策略通过对无功、有功电流的协调控制，实现了LVRT，同时保持了较高的并网电流质量。仿真和实验结果验证了该控制策略的可行性。
关键词：逆变器；低电压穿越；光伏

1 引言
近年来，随着光伏电站数量和容量的不断增加，对电网系统安全稳定运行产生的威胁逐渐增大。当电网发生电压跌落时，光伏电站的突然脱网会进一步恶化电网运行状态，在此期间引起的功率缺额可能导致相邻的电站跳闸，从而引起更大面积的停电，LVRT能力也被认为是光伏并网设备设计制造控制技术上的最大挑战之一，直接关系到光伏发电的大规模应用。因此，对保障光伏电站接入后电网的安全稳定运行而言，研究LVRT技术十分必要。
《光伏电站接入电网技术规定》指出大中型光伏电站应具备一定的LVRT能力，说明现阶段中国对光伏电站的LVRT能力的重视，但并未对
LVRT期间光伏逆变器的运行方式进行详细说明。这里参考了德国并网标准中对LVRT期间无功电流的要求，通过改进光伏逆变器控制策略，使光伏逆变器在LVRT期间，可按照电压跌落幅度提供相应的无功功率以支撑电网运行，该方法无需增加新的硬件设备，便于实现。

2 光伏电站低电压穿越要求
图1示出德国并网标准中无功电流与电压跌落之间的关系。

可见，在电压跌落期间，光伏电站必须提高其无功电流以支撑电网电压，当电压跌落幅度超过10％时，每1％的电压跌落，光伏电站至少需提供2％的无功电流，其响应速度应在20 ms之内，必要时可提供100％的无功电流。

3 光伏逆变器LVRT控制策略
风电场在电网电压跌落时，定子磁链不能跟随定子端电压突变，而转子继续旋转会产生较大滑差，使转子绕组产生过电流和过电压，从而直接影响设备的安全运行。但光伏电站电压达到开路电压后，逆变器的输出电流基本为零，直流侧电压不会继续增加。故制约光伏电站LV RT能力的主要因素是光伏逆变器输出的交流电流，既要保持逆变器不脱网，又不能因过电流导致逆变器损坏或跳开。

图2示出单级式光伏三相并网逆变器的拓扑结构，在三相静止a，b，c坐标系下，根据基尔霍夫定律，三相并网逆变器模型可描述为：
[p]
经过Clark与Park变换后，在两相旋转d，q坐标系下交流侧状态方程：
，与逆变器输出电流有功分量间的误差信号经电流环PI调节并解耦后得到ud，同理得到uq，结合锁相环输出的相位角θ，将其转换到α，β坐标系，进行空间矢量变换得到PWM波。
正常情况下，无功参考电流设为零，即输出无功电流为零，保持逆变器输出电流与电网电压同频同相。当电压跌落时，向电网输送较大的有功功率无意义，而向电网输送无功功率，可抬升电网电压幅值，支持电网电压尽快恢复。故在光伏并网系统LVRT期间，首先断开电压外环，然后根据电网电压跌落幅度与图1要求，在并网电流幅值不变的情况下，通过协调控制电流内环的和来控制iq和id，支撑电网运行。
当电网电压恢复后，若立刻全部恢复为id，会对电网和逆变器造成较大的冲击，通过按一定速率减小，增加的方法，使电流相位逐渐恢复正常，并减小波形的畸变。电网恢复正常后，接通外环控制，并控制电流波形稳定。若电网电压在规定时间未恢复到规定范围内，光伏电站可根据实际情况或相关规定选择退出并网。

4 仿真研究
通过Matlab／Simulink仿真平台搭建LVRT的仿真电路，采用光伏电池的工程模型模拟光伏电站。C=1 mH，L=3 mH，电网频率为50 Hz，电网电压有效值为230 V，电网在0．06 s时发生三相电压跌落，电压跌落至50V(78％的电压跌落)，在0．1 s电网电压恢复正常。图4示出仿真波形。

可见，LVRT期间，光伏电站提供100％的iq，在电压跌落、电网电压恢复、恢复外环控制的瞬间，电流都出现了波动，但均控制在安全范围内。
在电网电压恢复后，id逐渐增加，iq逐渐减小；并网电流与电网电压间的相位差开始逐渐减少；并网电流的幅值先减小后增大。当逆变器输出id逐渐增加至正常值，iq逐渐减小到零，并网电流和电网电压同相时，即完成了LVRT，可退出LVRT控制模式。

5 实验
根据上述控制策略，在一个20 kW的样机平台上进行实验。该平台采用DSP+CPLD为核心的数字化控制系统，其硬件电路主要由核心控制系统模块、数据采集电路、PWM隔离驱动电路、硬件保护电路、I／O接口电路、通信电路等辅助电路组成。LVRT期间电压与电流的波形如图5所示，逆变器平稳安全地完成了LVRT，实验结果与仿真结果基本相符，验证了所述控制策略的可行性。

6 结论
通过对光伏逆变器控制策略的改进，使光伏电站在电网电压跌落时向电网发送一定的无功功率以支撑并网点电压，实现低电压穿越。仿真和实验表明，该控制策略可减小低电压穿越期间逆变器输出电流波形畸变，尤其是在3个关键时刻的电流波形的畸变，保证了较高的并网电流质量和逆变器的安全运行。