基于多功能有源滤波器光伏发电系统LVRT控制策略研究

李智，谢宇哲，吴越，郑峰

(1.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315020；2.福州大学电气工程自动化学院，福建 福州 350116)

1 引言

光伏发电技术在我国得到了迅猛发展[1]，但随着高渗透率光伏系统并网运行，使其与大电网系统间的联系越发紧密。而当大电网发生短路故障引起系统电压跌落时，若将大功率光伏发电系统瞬间切除则会对大电网稳定运行产生严重的负面影响[2-3]。为增强含高渗透率光伏能源电力系统的安全性能，国家电网公司在分布式电源并网接入标准中明确要求光伏电站应具备LVRT能力[4]。

目前，针对光伏发电系统LVRT方面的研究已经取得了一定的成果。文献[5-9]利用坐标变换将电压电流转换到dq坐标系中来实现逆变器有功和无功的解耦控制。文献[10-11]则在电网电压发生不对称性跌落时利用正负序分解对正序分量进行单独控制，保证光伏并网系统在不对称情况下输出对称故障电流。文献[12]与文献[11]相似，在电网电压发生不对称跌落时，三相并网逆变器采用PR控制实现了其输出故障电流的对称性。但上述策略均忽略了并网逆变器限幅作用所产生的并网逆变器交、直流两侧功率不平衡问题，以及由此引起的直流侧电容过压问题。文献[13-14]在逆变器直流侧加装卸负荷设备，在故障期间通过卸荷电阻消耗光伏阵列发出的功率来维持逆变器两侧的功率平衡，进而维持直流母线电压的稳定，并限制交流侧并网电流的过流。文献[15]通过在故障点与公共连接点动态地插入电阻来提升并网点的电压，改善故障期间的有功平衡，进而阻止直流侧电压骤升。虽然上述策略通过加入硬件设备可实现光伏发电系统LVRT，但所引硬件设备只在故障情况下工作，系统正常运行时处于闲置状态，利用率低下且成本高。文献[16]通过将储能系统和静止同步补偿器相结合，实现有功和无功功率的灵活控制，但是整体成本显高且控制复杂。

本文在上述研究的基础上提出了一种基于三相级联H桥多功能柔性限流器的光伏发电系统LVRT控制策略。通过在光伏发电系统并网逆变器交流侧并联引入多功能级联H桥，当系统正常运行时，级联H桥基于模型预测控制实时补偿光伏发电系统并网电流谐波，提高并网电流电能质量，当系统发生故障电压发生跌落时，级联H桥则依据电网电压跌落程度向电网注入一定的无功功率来支撑电网电压，提高提高光伏发电系统动态恢复水平，同时通过Boost变换器依据系统电压跌落比，执行Non-MPPT，降低光伏阵列输出功率，维持并网逆变器交、直两侧功率平衡，最终实现光伏发电系统LVRT。

2 光伏电站低电压穿越的要求

国家电网公司《光伏发电站接入电网技术规定》明确要求光伏发电站应具备LVRT能力，并给出对应标准要求。如图1所示，当光伏电站并网点电压跌至0时，光伏发电站应能不脱网连续运行0.15s；当并网点电压跌至曲线0.9以下时，光伏发电系统应具备一定的动态无功支撑能力，且光伏发电站注入电网系统的无功电流Iq应实时跟踪并网点电压变化[4]，并满足:

图1 光伏电站LVRT能力要求

式中，UT为光伏发电站并网点电压标幺值；IN为光伏电站输出额定电流。

3 级联H桥拓扑结构与工作原理

图2为级联H桥的拓扑结构。如图2所示，每个级联H桥由n×m个子单元组成，并以串、并联方式联接。其中，级联H桥每个子单元均为全桥结构，且通过4个高频开关控制桥臂开断。而子单元串、并联亦可分别实现分压、分流功能。根据图2可知，串联式级联H桥第i个子单元的逻辑开关函数:

图2 级联H桥的拓扑结构

则级联H桥的输出电压可以表示为:

由于三相级联H桥的独立控制，若假定单相并联间的级联H桥采用均流方式控制，则只需分析单相、单串级联H桥接入情况，如图3所示。图3中，ih为级联H桥的输出电流，u为接入点电压，Rh为线路电阻，Lh为滤波电感。根据基尔霍夫电压定律，级联H桥输出动态微分方程为:

图3 级联H桥并网结构

设控制系统采样周期为T，在(tk，tk＋1)时间内，对式(4)进行离散化处理，得到:

由式(5)可得tk＋1时刻，级联H桥输出电流为:

根据式(2)与式(3)可知，单串级联H桥不同开关组合方式，就可得到不同输出电压u0，将不同的u0带入式(6)，则可得到不同的输出电流ih。若并联级联H桥每个串联单元采用均分控制模式，则只需分析单个串联单元的控制模式即可，则第i串级联H桥输出电流为:

串联级联H桥每个子单元采用均压控制方式，则子单元第i个H桥的输出电压为:

将式(7)与式(8)带入式(6)，则:

根据式(3)可知，级联H桥每个子单元4个高频开关，具有22种开关状态，而每一种开关状态分别对应于一个输出电压。因此，若将第i个子单元的4个不同输出电压值u0_i带入式(9)，即可求得4个不同的输出电流值ih_i。

假设以光伏发电系统输出电流ig_ref为级联H桥的控制目标，构建价值函数c[17]:

通过评价每个子单元H桥的逻辑开关函数，选取可使价值函数c取得最小值的开关函数值，并将该函数值所对应的开关状态动作于下一个周期。经过不断的重复计算，若开关频率较高，则可使光伏发电系统输出电流实时、快速追踪控制目标值。若以光伏发电系统输出标准电流为其控制目标，则可消除其输出电流所含谐波分量；若以增强光伏发电系统动态恢复性能为其控制目标，则可根据光伏发电系统低电压穿越中所需无功电流为级联H桥柔性限流器的控制目标，为电力系统提供无功支撑，提高光伏发电系统并网点电压，增强其动态恢复性能。

4 级联H桥的参数设计

除了级联H桥的控制策略外，多功能柔性限流器设备参数如何设置，也将对其控制效果产生影响。级联H桥的相关设备参数设计主要分为以下几个方面:

(1)如何确定级联H桥两端的最大输出电压Um。根据上一节的分析可知，当光伏发电系统正常运行时，级联H桥需要向接入点注入电流消除入网电流的谐波成分，当发生低电压穿越故障时，级联H桥需要向接入点注入无功电流来支撑并网点电压的恢复，同时抑制故障电流的增大。为了保证级联H桥的注入电流能够实时追踪目标值，考虑到可能发生的最极端的情况，最大输出电压Um应大于接入点相电压的峰值:

其中，Upeak为接入点相电压峰值，KM为电压裕度系数，可根据目标注入电流大小进行调整。

(2)如何确定级联H桥中并、串联支路数m、n。当级联H桥并入大电网，需要考虑该设备耐压水平，为防止级联H桥高频开关因为过压而被击穿，因此:

其中，Uwv为单个H桥子模块耐压水平，KO为过电压系数。

同时，还要考虑设备的耐受电流水平，防止级联H桥因为注入电流过大而发生过流故障，因此:

其中，Iwi为每个H桥子模块的耐受电流水平，IN为并网点的额定电流。

由式(12)与(13)可知，级联H桥并、串联支路数m、n越大，H桥子单元耐压、耐流水平越高，同时亦可减小直流侧电容容量及其电压Udc。但出于成本考虑，根据实际情况决定H桥子单元并、串联支路数 m、n。

(3)如何确定限流电阻Rh、滤波电感Lh。限流电阻Rh主要作用是防止暂态过程中级联H桥注入电流过大，但Rh过大会消耗大量功率，因此根据目标注入电流大小来确定Rh。滤波电感Lh主要作用是抑制级联H桥注入的冲击电流，一般来说，Lh越大抑制效果越好，但级联H桥追踪目标电流的动态性能会随之降低。为了适应目标电流的变化率，持续追踪目标电流，根据式(5)，注入电流ih应当满足以下要求:

因此，可根据式(13)取电感Lh预估值，为平衡限流器动态性能与抑制冲击电流作用效果，电感Lh则可依据限流器实际需求设置其数值大小。

5 光伏发电系统控制策略

5.1 并网器控制策略

当并网逆变器采用单dq坐标系时，若电网发生不对称性故障，则控制系统引入的电压正、负序分量在负、正序dq坐标中的投影将分别出现两倍频交流量[18]，而该两倍频交流量存在将使传统控制系统失效。为顺利实现控制目标，逆变器控制系统采用正负序dq坐标，则并网逆变器数学模型:

其中，ω表示坐标轴旋转频率。ki_P/ki_I、ki_P/ki_I分别为电流内环、电压外环PI控制器参数。

5.2 自适应Non-MPPT算法

设定光伏阵列输出功率:Ppv；并网逆变器直流侧电压:udc；并网逆变器输出功率:P。根据逆变器直、交两侧能量传函，则:

式中:C为逆变器直流侧电容。依据正序、负序dq旋转坐标系，使并网逆变器输出三相对称电流。则不同运行工况下，逆变器输出功率P为:

式中:Ug为并网点额定电压，r为电压跌落程度。若故障期间保持光伏阵列输出功率Ppv不变，则直流侧电容C上的功率变化为:

而故障期间:

由于故障时逆变器直、交两侧不平衡能量无消耗或存储路径，则直流电容电压udc升高，造成C过压。倘若此时将Ppv调节为:，则可使直、交两侧输出功率平衡。光伏发电系统前级Boost变换器占空比[20]:

式中，Isc为短路电流；Uoc为开路电压；Im为最大功率输出电流；UPV_(k-1)/UPV_(k-2)与IPV_(k-1)/IPV_(k-2)分别为k-1、k-2时刻采样电压、电流。根据式(21)与式(22)可知，只需根据k-1、k-2时刻采样电压、电流即可求得当前环境条件下的最大最大功率输出电压Um，进而通过PI控制实现占空比调节，使光伏阵列输出电压Upv接近于Um，实现光伏阵列的最大功率输出。当外部系统发生故障时，需将光伏发电系统输出功率Ppv调节为。 此时，光伏阵列输出电压Upv则需调整为:

因此，基于自适应Non-MPPT算法，可使光伏发电系统在外部发生故障时，快速、精确调节光伏阵列输出功率，保证其输出故障电流在控制范围内。

6 仿真验证

6.1 算例参数说明

依据图4，在Matlab/Simulink仿真平台搭建光伏发电系统模型，对含多功能柔性限流器的光伏发电系统暂态特性进行定性分析。表1给出系统仿真参数。为了便于仿真分析，在此假定光伏阵列处于标准环境条件下(S＝1000W/m2，t＝25℃)。

图4 光伏发电系统仿真模型

表1 系统仿真参数

6.2 基于级联H桥的谐波补偿

在不投入级联H桥的情况下，光伏电站正常运行。如图5所示，为了更好地证明级联H桥的谐波补偿功能，在光伏逆变器交流侧a相加入幅值为20A的3次谐波，在b相加入幅值为40A的6次谐波，在c相加入幅值为60A的3次谐波。

图5 光伏发电系统入网电流

在0.5s时，在接入点投入级联H桥。级联H投切前后各相电流谐波幅值的对比如图6所示。a相的总谐波失真从21.20%下降为1.69%，b相的总谐波失真从28.62%下降到1.68%，c相的总谐波失真从41.79%下降到1.67%。可明显看出，级联H桥的投入对并网电流的谐波补偿效果十分明显，各相的谐波分量基本被消除。

图6 级联H桥投切前后谐波幅值对比

6.3 不同故障场景下仿真分析

假定光伏发电系统以额定功率运行，功率因数为1，0.5s时K1处发生三相短路故障，0.6s时故障消除，系统恢复正常运行。当光伏发电系统发生对称性故障时，根据并网点电压跌落程度，设置目标有功电流和无功电流，然后通过dq/abc坐标变换得到三相参考电流，再进一步得到级联H桥的目标注入电流，将其带入价值函数，得到级联H桥的开关信号。

如图7所示，并网点电压在故障期间下降了50%。入网电流在跌落开始和跌落结束时有幅值和相位上的波动，其他时间基本保持不变，因此不会因为并网电流过流而损坏器件或触动保护使断路器关断。当并网点电压发生跌落后，级联H桥根据电压跌落程度立即向并网点注入21kW左右的无功功率，满足了低电压穿越的要求。并网逆变器a相输出电流在故障发生时会短暂升高，随后迅速跌落，故障结束后又恢复到正常水平。逆变器直流侧电压在故障期间保持额定值基本不变。从并网点电压对比图可以看出，采用LVRT策略之后并网点电压得到了明显的提升。

图7 平衡故障下的光伏系统低电压穿越仿真结果

非平衡故障包括单相短路接地故障，两相短路故障以及两相短路接地故障，这里以单相短路接地故障为例进行分析。

系统0.5s时在K1处发生单相短路接地故障，0.6s时故障消失，系统恢复正常运行。如图8所示，发生单相接地故障时，并网点a相电压发生跌落，其他两相不变。由于整体电压的跌落程度较低，入网电流在故障瞬间的波动较小，幅值始终维持在额定值。故障发生后，级联H桥快速动作。向电网注入一定的无功功率来支撑电网电压的恢复，但是由于电网电压的不对称，注入的功率产生了二次频波动。并网逆变器交流侧在故障期间没有出现过流现象，直流侧维持额定电压不变。采用LVRT策略之后并网点电压在故障期间得到了提升，故障结束后，系统恢复正常，较好地实现了非平衡故障下的低电压穿越。

图8 非平衡故障下的光伏系统低电压穿越仿真结果

7 结论

随着越来越多的光伏电站并网运行，新的光伏并网标准要求大容量光伏电站具有一定的低电压穿越能力。本文提出了一种基于三相级联H桥的光伏发电系统低电压穿越控制策略。当光伏发电系统正常运行时，级联H桥基于模型预测控制向并网点注入目标电流来消除并网电流中的谐波成分，为并网电流提供谐波补偿，提高并网电流的质量。当大电网发生短路故障引起并网点电压跌落时，级联H桥根据并网点电压的跌落状况向大电网注入无功功率来支撑电网电压的恢复，最终实现了光伏发电系统的低电压穿越。在光伏并网渗透率越来越高的背景下采用文中提出的方法可以有效的降低电网系统风险，提高电网的稳定性。