光伏并网发电系统低电压穿越技术的控制策略研究

曹伟 郭步阳

摘要：随着光伏电站渗透率的提高和光伏发电穿越功率的不断增加，电网的安全稳定性迎来了新的挑战。该文改进原有光伏逆变器，增加电网电压前馈控制环节，得到无功电流参考值，以实现低电压穿越控制，仿真表明LVRT技术实现了电网故障时光伏并网系统的不脱网运行，支持电网故障恢复直到电压达到正常水平，并向电网发送无功功率以支撑并网点电压，对光伏并网发电技术的发展有着重要的意义。

关键词：光伏并网 低电压穿越 控制策略研究

中图分类号：TM73文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Research on Control Strategy of Low Voltage Ride Through Technology in Photovoltaic Grid Connected Power Generation System

CAO Wei GUO Buyang

（State Grid Huainan Panji District Power Supply Company， Huainan，Anhui Province， 232082 China）

Abstract： With the improvement of the penetration rate of photovoltaic power station and the continuous increase of photovoltaic power generation through power， the security and stability of power grid has faced new challenges. In this paper， the original photovoltaic inverter is improved， the grid voltage feedforward control link is added， and the reactive current reference value is obtained to realize the low-voltage ride through control. The simulation results show that LVRT technology realizes the non off grid operation of photovoltaic grid connected system during grid failure， supports grid fault recovery until the voltage reaches the normal level， and sends reactive power to the grid to support the grid voltage， which is of great significance to the development of photovoltaic grid connected power generation technology.

Key Words： Photovoltaic grid connection; Low voltage ride through; Control strategy; Research

随着光伏电站由于多方面原因而引起的渗透率不断提高，而电网发生故障到重新并网又需要时间，在此期间引起的功率缺额将致使相邻的光伏电站跳闸，即电压暂降，从而引起大面积停电，影响电网的安全稳定运行[1-2]。

1低电压穿越技术的控制策略

光伏并网发电系统LVRT技术的重点是逆变器的技术，通过改变逆变器的控制方法，再结合适当的LVRT技术控制策略就可以实现低电压穿越能力，而锁相环技术的展开使整个系统的稳定性、可靠性和安全性得到提高[3]。LVRT控制方法是基于原来的稳态控制策略，再对有功、无功电流的参考值重新分配来完成，它在逆变器原有控制方法上增添了一个电网电压前馈控制环节，其中无功电流的参考值是经由电网电压前馈控制环节得到。

当电网电压正常时，电压前馈控制环节（无功电流指令）为零输出，i*d由电压外環处理取得，逆变器工作在单位功况，只供给P（即有功功率）。当并网点电压下降时，断开外环，逆变器工作在电流单闭环模式，前馈控制环节工作。无功电流参考数值大小与压降的深度成正比，再按照并网标准，合理控制电网压降和无功电流深度之间的比例，并经由逆变器输出不故障时的有功电流参考值的直接给定，实现最终要求。除了限制有功电流的增加，在电压跌落时，光伏电站不仅需要保持并网运行，同时还应该能够动态地供给无功功率，以支撑电网电压[4]。

2基于改进型锁相环的光伏并网低电压穿越技术

电网电压正序基波分量的相位信号为电力电子变换装置的控制策略提供同步信号，当电网发生故障时，锁相电路都必须快速而准确地锁定正序基波电压的相位[5]。

2.1正序基波电压信号的提取

当系统电压不正常时，采取对称分量法处理。在三相系统中，随意一组不对称的3个相量，都能够分解为3组对称分量（即正序、负序和零序），正序分量为：

（1）

式（1）中： 。

有：

（2）

式（2）中： 表示移相90o。

2.2改进型锁相环的结构

该系统按照式（2）和EPLL的框图特征，对锁相环做了改进，其控制框图见图1所示。

EPLL是单相的结构，输出单相电压的基波分量和 ;三相电压经由EPLL和 变换的系统进行滤波。

3系统的仿真分析

为了验证该设计控制方法的正确性，该文在MATLAB软件平台上，搭建了系统的仿真模型，同时得出了相应的仿真波形。

3.1 低电压穿越技术的建模

光伏逆变器的参数如表1。

3.2光伏并网发电系统低电压穿越的仿真运行

基于对光伏并网发电系统LVRT模型的建立，做了如下的仿真运行，并得出了以下的结果。

3.2.1故障发生前的仿真

光伏逆变器输出电压A相的波形见图2。

由图2可知：逆变器的输出电流与并网点电压的相位基本上是同向的，即功率因数接近于1。

光伏逆变器接入电网时并网点电流较大，但经过半个周期波后又恢复正常，这是由于仿真模型中光伏电站在启动时并网而引起的，而在实际的运行中，光伏发电装置在启动后先工作稳定，再接入电网，这样对避免光伏发电装置引起电网的冲击有很大的作用[6]。

故障前，逆变器运行于额定功率。由图3可见：电网在没有发生故障时，逆变器只向电网供给有功功率。

3.2.2 故障发生后的仿真

故障后，在0.3 s时电网发生三相短路故障，当电网并网点电压下降至80%时，仿真效果见图4、图5。

由仿真图可知：在低电压穿越时，逆变器的输出电流没有超越最大允许的电流，而且可以向电网供给一定的无功功率，便于电压的恢复。由此可见，其基本上实现了并网发电系统的LVRT能力，满足了电网电压故障期间的并网要求。

4 结语

该文对光伏并网发电系统LVRT技术进行了详细分析，在此基础上，采取瞬时对称分量法，将电流前馈解耦控制获得的正序、负序参考电压矢量在两相静止坐标下进行叠加，消除注入电网电流中的负序分量，从而针对不对称故障下的光伏并网发电系统进行仿真分析。由仿真结果可见，该系统有效地实现了不对称故障下的低电压穿越，满足了需要符合的标准，并可以向系统提供一定的无功功率。此方法在逆变器和LVRT的控制策略上进行设计和研究，不增加硬件设备保证了光伏电站原有的可靠性和经济性。

参考文献

[1]  李亚州.基于线性自抗扰的光伏并网逆变器低电压穿越研究[D].南昌：南昌大学，2020.

[2]  孫伟.光伏并网逆变器低电压穿越控制方法研究[D].青岛：山东科技大学，2019.

[3]  黄迅.光伏并网发电系统低电压穿越控制策略研究[D].北京：华北电力大学（北京），2019.

[4]  樊志浩.光伏并网发电系统低电压穿越控制策略研究[D].天津：天津理工大学，2019.

[5]       MUSENGIMAN A，LI H Y，ZHENG X M，et al.Small-Signal Model and Stability Control for Grid-Connected PV Inverter to a Weak Grid[J]. Energies，2021，14（13）： 3907.

[6]  谷昕鹏.光伏并网逆变器集群谐振有源阻尼抑制方法研究[D].株洲：湖南工业大学，2021.