采用非線性控制的光伏并網逆變器低電壓穿越

馬 亮，李旭陽，盧遠宏，孫琳琳，袁中正

（1.北京京儀綠能電力系統工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

采用非線性控制的光伏并網逆變器低電壓穿越

馬 亮1，李旭陽1，盧遠宏2，孫琳琳1，袁中正1

（1.北京京儀綠能電力系統工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044）

為了改善傳統光伏并網逆變器在電網發生低電壓故障時，會出現并網電流較大超調的現象，本文提出了一種光伏并網系統低電壓穿越策略，即非線性控制的光伏并網系統低電壓穿越策略，本策略直接基于主電路數學模型進行控制。通過搭建光伏逆變器模擬測試平臺，在一臺100 kW并網逆變器上進行了實驗，實驗結果表明本策略能夠有效地抑制電網電壓跌落時的逆變器過電流，從而驗證了本策略的可行性和有效性。

非線性控制；光伏并網；低電壓穿越

隨著光伏并網發電對電網的滲透率增大,在電網發生跌落故障時，光伏發電對電網的影響也不容忽視。很多國家陸續制定了光伏系統并網的低電壓穿越標準,要求光伏并網逆變器能在電網電壓、頻率等在一定范圍內變化時不能脫離電網,還可提供相應的無功功率支撐。

電網發生低電壓故障時，由于并網逆變器交流側電感的存在以及對輸出電流幅值的限制，并網電流不能發生瞬變，因此系統會出現瞬間的功率不平衡，此時多余的能量將導致直流電容電壓上升［1］。傳統低電壓穿越策略是對并網電流進行限幅來達到保護并網逆變器的目的［2,3］。在雙環控制的基礎上，將電網電壓以及負載電流的前饋引入電流環，能加快電流環對擾動的反應，抑制跌落時的逆變器過電流［4-5］。為了在電網電壓跌落期間提供無功支撐，文獻［6］采用將逆變器運行在靜止無功發生模式下的系統控制策略，通過快速提供無功電流來穩定電網電壓，實現光伏并網逆變器的低電壓穿越功能。

在低電壓穿越過程中進行無功控制時，快速識別電網電壓跌落深度、正確地切換系統運行模式十分重要。非線性控制在PWM變流控制、風力發電低電壓穿越已有相關研究［7］，它能加快系統響應調節速度，及時有效地抑制系統在快速變化情況下出現的超調。為了對系統進行有效控制，本文提出了非線性控制光伏低電壓穿越策略，實驗結果驗證了所提方案的正確性。

1　非線性低電壓穿越策略

三相電壓型光伏并網逆變器主電路拓撲如圖1所示。ex為電網電壓，ix為逆變側輸出電流，ux為逆變橋臂輸出電壓（x= a,b,c），Udc是直流母線電壓，isp是光伏陣列PV的輸出電流。交流側電感L，回路等效電阻R，直流側濾波電容C。

圖1　三相光伏逆變器拓撲結構

由圖1，根據電路基爾霍夫定律，可得光伏并網系統在dq同步旋轉坐標系下的數學模型：

其中，ω是電網角頻率，zd，zq分別是相關變量在d軸、q軸上的分量（z=e，u，i）。

考慮系統的有功能量守恒，dq旋轉坐標系下的瞬時有功功率為：

由于系統控制是基于電網電壓定向，電網電壓q軸分量為0，因此式（2）可簡化為:

式（3）表明并網逆變器的直流電壓的控制可通過有功電流id的控制來實現。

聯立式（1）、式（3）可得

逆變器的有功電流與直流電壓控制有關，而低電壓穿越時，需要控制逆變器的無功電流，因此，可選擇非線性控制的兩個輸出變量分別直流電壓udc和無功電流iq。

根據式（4），有

因為并網電流的控制是最終都是通過改變逆變橋側輸出電壓矢量來實現的，所以非線性控制的輸入矢量可選擇ud和uq。因而，系統非線性控制的矩陣形式可表示為：

其中：

由于矩陣E（t）的行列式不為0，因此，式（6）可寫成：

為了實現對直流電壓udc和無功電流iq的跟蹤控制，引入各自的指令值udc*、iq*及誤差eudc（=udc*-udc）、eiq（=iq*-iq），對式（7）的輸入進行重新選值，新的控制輸入可表示為［7］：

則光伏并網逆變器采用非線性控制時的控制框圖如圖2所示。

圖2　非線性控制系統原理圖

無功電流指令iq*由國家標準GB/T 19964-2012（光伏發電站接入電力系統技術規定）中所要求的實時跟蹤并網點電壓變化的動態無功電流來確定。

2　實驗結果

逆變器的輸入電源采用 Chroma的具有光伏陣列模擬功能的可編程模擬電源。電網跌落模擬電源采用艾普斯模擬電網電源ACST-N-33300T，功率250 kW，可實現三相、單相、兩相跌落。

表1　系統參數

圖3是三相對稱跌落20%的三相電網電壓和三相并網電流的波形，圖4是單相不對稱跌落20%的波形。

圖3　三相對稱跌落20%波形

圖4　單相跌落20%波形

由圖3、圖4可知,采用非線性控制在電網跌落時能迅速有效地限制交流電流增長,并網電流能快速恢復穩定,注入與跌落深度對應的無功電流,并能在很短的調節時間內就達到穩態。當電網電壓逐漸上升時，逆變器輸出的無功電流相應地減小，當電網電壓恢復正常值后，逆變器輸出的有功電流值交流電流在2 s內也恢復至跌落之前的值。

3　結論

本文所采用的非線性控制是直接基于主電路數學模型控制，沒有傳統雙環控制調節器的積分作用，因而當電網電壓跌落較深時,可以有效避免雙環控制中由于調節器參數的影響而導致較大超調的現象；電網正常后，電流恢復時間也比采用前饋控制低電壓穿越策略［4］要快。

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LVRT of photovoltaic grid-connected inverter adopting non-linear control

MA Liang1,LI Xu-yang1,LU Yuan-hong2,SUN Lin-lin1,YUAN Zhong-zheng1
（1.Beijing Jingyi Renewable Energy Engineering Co.，Ltd.Beijing 100009，China；2.Electrical Engineering of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

In order to improve the appearance that the traditional photovoltaic grid connected inverter will generate a large grid current overshoot under the grid voltage dip,this paper proposes a photovoltaic grid system LVRT strategy,which uses nonlinear control.This policy is realized directly on the main circuit mathematical model control.By building photovoltaic inverter simulation test platform,we experiment on a 100 kW grid-connected inverter.The experiment results show that the strategy can effectively suppress grid current overshoot when the grid voltage is dipping,proved that this strategy is feasible and effective.

non-linear control；photovoltaic grid-connected；low voltage ride through

TN712

A

1674－6236（2016）13-0082-03

2015-07-03稿件編號：201507029

馬 亮（1983—），男，山西太原人，博士。研究方向：電力電子及新能源。