一种具有低电压穿越能力的单相光伏发电系统

 李承尧，杨勇，朱彬彬

（1．苏州大学机电工程学院，江苏苏州  215006;

2．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州  215006）

摘要：具有低电压穿越能力的光伏并网系统已成为未来发展的趋势。以单相两级式系统为对象，提出了一种新型控制策略：为了最大限度减少直流母线电压在电网故障期间抬升，直流母线在两级之间灵活控制；在低电压穿越阶段，电网电流采用恒定峰值电流控制方法以避免触发过流保护，其中无功电流的幅值取决于电网跌落的深度：控制同路增加给定并网电流补偿环节，最大限度减少给定并网电流幅值中的两倍频扰动，提高并网电流质量，所提控制策略的稳定性及动态特性得到仿真验证。

关键词：光伏系统：低电压穿越；直流母线电压控制；恒定峰值电流策略；两倍频扰动补偿

0引言

 随着经济的快速发展，能源消耗逐年增加，常规能源口益枯竭，环境问题日益突出，迫切需要发展可再生清洁能源。越来越多的分布式发电系统( DPGS)并入电网使得可再生能源发电在电网中的比重逐年增加。近几年光伏并网发电系统无论是在安装的数量上还是规模上都得到了长足的发展。国际能源机构的数据显示估计，光伏发电所占比重在2050年将达到1 1%。因此，分布式电源(特别是光伏发电系统）的质量对电网系统的稳定起到至关重要的作用。

 中国国家电网公司201 1年5月6日发布实施的《光伏电站接入电网技术规定》中首次明确对大中型光伏电站提出低电压穿越要求，包括：(1)电力系统发生不同类型故障时，当光伏电站并网点考核电压在图1电压轮廓线以上区域时，光伏电站应保证不间断并网运行，否则停止向电网线路送电；(2)对电力系统故障期间没有切除的光伏电站．其有功功率在故障清除后应该快速恢复；(3)低电压穿越过程中光伏电站宜提供动态无功支撑。

 在低电压穿越过程中向电网提供无功电流有助于电网的恢复，德国的E.ON标准对此有定量的要求：当电压跌落到90%以下，光伏并网系统就需要提供无功电流来支持电网恢复，无功分量与电网跌落深度成正比：当电压跌落到50%以下，需要提供100%无功电流。

 目前．有关低电压穿越的研究主要针对的是风力发电系统．光伏系统尤其是单相系统的研究还比较少。学者Frede Blaabjerg在单相光伏系统低电压穿越方面做了较为细致的研究。文献[6]将单级式系统作为研究对象，但单级式系统与两级式系统相比．输入电压范围小且控制较为复杂。

 从光伏阵列传输到电网的有功功率取决于光伏阵列的工作状态：当电网未发生故障时，要求光伏阵列工作于最大功率点跟踪状态；一旦电网跌落，此时并网逆变器的输入功率远大于输出功率，光伏阵列产生的额外功率将堆积在直流母线电容上．导致母线电压升高。此时逆变部分若采用传统的直流电压外环，并网电流内环的双环控制策略，并网电流给定幅值将随着母线电压的上升而增加。文献[8]采用的是恒定有功电流控制策略，在电网跌落较深时可能会触发过流保护。

 传统的两级式系统中直流母线处并联大容量电容．为前级与后级提供功率解耦。不考虑气温和光强变化．当前级工作于最大功率点跟踪( MPPT)模式，输出功率近似恒定；后级DC/AC

逆变器输出电压和电流均为工频，凶此输出瞬时功率含有2倍频的交流变量，母线电压不可避免地存在2倍频交流分量扰动。当采用传统双闭环．给定并网电流幅值中会引入含有2倍频交流扰动．降低并网电流质量。

 本文以单相两级式光伏并网系统为研究对象，提出了一种基于电网跌落检测的新型逆变控制策略：为了减少直流母线电压在低电压穿越过程中抬升，避免并网电流高于过流值，根据电网状态，前级DC/DC变换器和后级逆变器运行于不同模式，实现直流母线在两级之问的灵活控制；在电网故障阶段，电网电流采用恒定峰值电流控制方法，避免触发过流保护。电网正常运行时，在传统双闭环控制器上增加给定并网电流补偿环节．可减少给定并网电流幅值中的两倍频扰动。最后通过仿真建模，验证所提控制策略的稳定性及动态特性。

1  单相两级式光伏系统

图1是单相两级式光伏并网系统拓扑结构。与单级式系统相比，两级式系统增加r一级DC/DC变换电路，各部分作用如下：(1)光伏阵列，将太阳能转化为电能；(2) DC/DC变换器，此处采用升压型( Boost)变换器来实现光伏发电系统的最大功率跟踪；(3)DC/AC变换器和滤波电路，图示采用最常见的H桥拓扑和LCL滤波器．将直流电逆变为高质量交流电并送往电网。

 两级式系统控制灵活，通常采用图1中的传统控制策略：(1)前级采用MPPT控制器从光伏阵列获得最多的能量；(2)后级采用直流电压外环，并网电流内环的双闭环控制器．实现直流母线电压稳定和并网电流控制（网侧单位功率凶数并网或根据指令向电网提供无功功率）．此处采用锁相环对电网电压锁相。

2给定并网电流幅值补偿

式(4)说明母线电压存在两倍频交流分量扰动。图2反映了光伏系统各部分瞬时功率、母线电压扰动以及相互关系。从t1时刻到t2时刻，逆变器输出功率小于光伏阵列输入功率(pin。<P,，。)，多余的功率对直流母线电容C．．．充电，母线电压从Udcmii,上升到Mm．。；同理从t2时刻到t1时刻，逆变器输出功率大于光伏阵列输入功率(pin。>P。)，直流母线电容C．，。储存的能量释放，母线电压从Udc:inL.下降到Uciciiim,，整个过程周而复始。

 当后级逆变环节采用图1所示双闭环控制策略时．实际母线电压与电压给定的偏差值经比例积分( proportional  integral，PI)调节器输出作为并网电流的幅值．使得给定并网电流的幅值同样含有2倍频交流分量。根据文献[7]分析，并网电流将存在一定比例的三次谐波，造成谐波污染。

本文采用图3所示的改进双闭环控制策略：实际直流母线电压含有2倍频的交流分量，因此直流母线给定电压和实际电压的差值为两倍频交流量。将该偏差减去式(4)的两倍频扰动补偿，再将此处获得的差值送入PI控制器。此时PI控制器输出（给定并网电流幅值I…）中的2倍频交流扰动将大大减少，在不改变系统拓扑情况下最大限度地减少了给定并网电流幅值中的两倍频交流扰动。

3  LVRT阶段控制策略

 一旦电网电压跌落，并网逆变器的输出功率将远小于光伏阵列产生的输入功率，额外功率将堆积在直流母线电容上，导致母线电压升高。母线电压抬升会带来的一系列问题：(1)母线电容耐压值提高，增加系统成本；(2)母线电压扰动剧烈，造成能量损耗。另外，母线电压的上升势必会带来并网电流给定幅值增加，在电网跌落较深时可能会触发过流保护。

为了最大限度减少直流母线电压在电网故障期间抬升，避免触发并网电流过流保护，在LVRT阶段采用图l中LVRT阶段控制策略：当检测到电网跌落后，第1级用直流电压单闭环控制器取代MPPT控制器，保持直流母线电压在低电压穿越过程中稳定：第2级将采用并网电流单闭环控制器。根据E．ON标准，无功电流的幅值由电网跌落深度决定（不考虑电网升高的情形），满足

式中：I,Pact，。和，N分别是并网无功电流和额定电流幅值；I,。和U是并网点电压和电网额定电压。为了避免并网电流超过限流值，采用了恒定峰值电流策略，并网有功电流满足：

 I。是前级运行在MPPT模式时的并网电流幅值。当电网跌落到500/e以下，有功电流为0．无功电流幅值Ireactive=IN。这样既为电网提供了无功电流，又保证电流幅值不超过限流值。

4仿真结果

为了验证提出的基于电网跌落检测的新型逆变控制策略．将该方法应用于单相两级式光伏并网系统。光伏阵列的参数设置如下：开路电路y。=221.5 V，短路电流L=15.87 A，最大功率点电压y MH；179 V，最大功率点电流/WWP=14.67 A。后级逆变环节的一些参数列在表1中：

 图4 a）是在电网不同情况下直流母线电压的波形：0.5 s之前，电网正常，直流母线电压由后级并网逆变器的双闭环调节器控制．直流母线电压存在一个2倍于工频的电压波动：0.5～0.8 s．电网跌落至0.8标么值．MPPT控制器将停止工作，直流母线电压单闭环控制器被启用．在LVRT阶段实现了直流母线稳压控制；0.8 s以后，电网恢复正常．此时要求系统能够迅速恢复有功功率，Boost变换器重新进入MPPT模式。

图4b）、c）、d）为在不同工作模式情况下电网电压和并网电流波形：在电网故障模式下，并网电流幅值保持恒定，避免电流过流情况的发生：根据E．ON标准，当电网跌落至0.8标么值时．需要补偿40%无功电流，此时有功分量为0.92/~,，图6c）与理论分析一致。

图5为电网电压标么值跌落到0.2情况下波形：0.5 s之前，电网正常，前级Boost变换器工作在MPPT模式，电网从光伏阵列获得最大功率：0.5—0.8 s，电网电压标么值跌落至0.2．根据《光伏电站接入电网技术规定》，并网系统需要具备低电压穿越能力，此时系统从MPPT模式切换为电网故障模式：0.8 s以后，电网恢复正常，前级重新采用MPPT模式。图5 c）电网电压和并网电流波形：当电网电压标么值跌落至0.2时，需要补偿100%无功电流，此时有功分量为0。

图6对电网正常运行时并网电流进行FFT分析：采用传统双闭环控制时，三次谐波分量占基波幅值的比重远远高于其他谐波，总谐波畸变率THD=1.48%图6a）。图6b）是增加给定并网电流补偿环节后效果，与未补偿相比，两倍频扰动被明显抵消．并网电流中三次谐波分量占基波幅值的比重降至原先的1／10以下，总谐波畸变率THD=0.19%。

5结论

 本文以单相两级式光伏并网系统为研究对象，提出了一种基于电网跌落检测的新型控制策略，通过仿真建模得到结论：(1)直流母线电压根据电网的不同状况由两级式系统灵活控制，在电网故障期间能够最大限度减少电压变化；(2)在低电压穿越过程，电网电流采用恒定峰值电流控制策略；光伏系统在低电压穿越过程向电网提供无功电流，且无功电流的大小取决于电网电压跌落的深度：(3)采用并网电流给定补偿方法，在不改变系统拓扑的前提下很好的改善了并网电流中三次谐波分量，待测量少，控制简便。