基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略_郭培健

ELECTRIC DRIVE2013Vol.43No.2电气传动2013年第43卷第2期

基于电压前馈的光伏逆变器

低电压穿越控制策略

郭培健，伍丰林，田凯，张超

（天津电气传动设计研究所，天津300180）

摘要：低电压穿越技术已成为大功率光伏并网逆变器的重要技术之一。提出一种电网电压直接前馈的控制方法，能有效抑制电网电压跌落过程的逆变器输出过流，并尽可能向电网提供无功支撑。经试验证明该方法快速准确判断电网电压低电压故障，实现光伏并网逆变器的低电压安全穿越。

关键词：低电压穿越；光伏逆变器；电压直接前馈

中图分类号：TM615文献标识码：A

LVRT Control Strategy of PV Based on Voltage Feed-forward Control

GUO Pei-jian，WU Feng-lin，TIAN Kai，ZHANG Chao

（Tianjin Design and Research Institute of Electric Drive，Tianjin300180，China)

Abstract:Low voltage ride through technique has become one of the most important technologies of PV inverter.

A grid voltage feed-forward control method was presentd，which can effectively restrain the over-current while grid

voltage drop down，and as far as possible to the power grid to provide reactive power support.Experiments prove that the method is rapid and accurate judgment voltage low voltage fault，realizes low voltage safety through of the PV inverter.

Key words:low voltage ride through（LVRT）；PV inverter；voltage feed-forward control

1引言

光伏发电系统所发出的电能随太阳光照强度变化而变化，一般不能提供持续稳定的电能。随着近年来光伏发电产业的快速发展，尤其是大规模光伏并网电站的大量投入使用，对电网运行的稳定性构成一定问题，特别是在电网出现低电压跌落情况下如果许多这类电源出现集体瞬间脱网，将加剧电网振荡，甚至导致电网崩溃的重大事故［1］。因此许多国家对光伏并网发电系统的低电压穿越（LVRT）能力提出强制标准。LVRT是指在电网电压跌落处于一定范围内，并网逆变器必须保持和电网的连接，并尽可能向电网提供超前无功功率支持［2］。

电网电压的跌落包括单相跌落、两相跌落、三相对称和不对称跌落，其中三相对称电压跌落出现的概率很小。非对称电压跌落（即除三相对称电压跌落之外的其他电压跌落）使得电网电压中出现较大负序分量。

目前，针对电网电压多数跌落过程含有负序分量的情况，通常采用双同步旋转坐标系控制[3-5]，即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，并分别对正、负序电流进行前馈解耦控制[6-8]。但是该控制方法在数字信号处理器进行运算的过程中，由于采样及运算带来控制延迟，通过角度补偿的办法可以在稳态较好跟踪电网电压，实现电网电压前馈解耦控制；而在电网电压幅值发生快速变化（例如跌落）时，上述延迟使得前馈电压的幅值在动态滞后于实际电压幅值，电流调节器可以在发生电网电压跌落起到一定调节作用，但一般情况下按负载模型设计的电流调节器比例比较小，主要依靠电压前馈解耦控制。此外，由于电网电压跌落多为三相非对称，电网电压在同步旋转坐标系下直流信号（包括正序和负序分量）中存在二次谐波分量，一方面产生的二次谐波难于彻底滤除，另一方面

作者简介：郭培健（1979-），男，工程师，Email：guopj@

滤波（包括一阶惯性滤波、二阶陷波滤波、移相滤波等）均使前馈电压信号产生滞后，不仅使初始响应滞后，且即使在电网电压处于跌落的稳态时三相电流幅值仍可能有较大脉动。因此，仅采用双旋转同步坐标系的解耦控制方法，只能解决电网电压跌落后的稳态（即电压幅值变化率相对小一些的区域）的电流控制，在较大电压跌落情况下逆变器仍可能因初始较大过电流而脱网。

在电网正常情况下过多超前无功使得电网电压升高，特别在LVRT结束时如果并网的逆变器响应滞后，仍然维持数个采样周期输出超前无功，可能导致电网过电压，也可能使逆变器输出过流和脱网。

因此必须研究有效的控制方法，防止逆变器在电网电压跌落过程过流，才能实现并网逆变器LVRT。

2常规并网三相光伏逆变器控制系统及其LVRT能力

2.1常规光伏并网三相逆变器控制系统及其

LVRT能力

常规光伏并网三相逆变器控制系统如图1所示，其中PV为光伏电池阵列，PB为三相逆变器，L1为三相输出滤波电抗器，C1为三相输出滤波电容。光伏逆变器将光伏电池阵列的直流电能变换为三相交流电能，并输向电网。

控制回路通常采用锁相环PLL检测电网电压（正序）矢量。用PLL计算出的电网电压旋转角度φs将逆变器输出交流电流经过矢量变换，分解为有功（d轴）和无功（q轴）的直流分量，以便对有功和无功功率分别进行控制。

图1常规光伏并网逆变器控制系统框图

Fig.1PV inverter control system block diagram

控制系统采用MPPT（最大功率点跟踪）计算逆变器直流电压给定U*dc，经直流电压调节器计算出有功电流给定I*d，d轴电流调节器计算出d 轴电压调节量△U d。电网电压正序幅值U d和逆变器输出无功电流在q轴的电抗压降作为电压给定的前馈解耦分量，用于提高逆变器输出响应。

大功率光伏逆变器通常具有无功调节能力，外环为无功功率调节器，用于控制输出的无功功率，其输出为无功电流给定I*q，通过q轴电流调节器计算出q轴电压调节量△U q。逆变器输出有功电流在q轴的电抗压降作为q轴电压给定的前馈解耦分量。

图1所示系统适用于三相电压对称跌落情况下的LVRT，存在控制响应之后问题，在较大电压跌落情况下逆变器会在初始产生过电流。而对于三相电压不对称跌落，则因负序分量失于控制而产生较大过电流以致脱网。

2.2双旋转坐标系控制的光伏并网三相逆变器

控制系统及其LVRT能力

为解决三相电压不对称跌落下的LVRT，通常采用双同步旋转坐标系控制，即采用结构完全对称的正、负序旋转坐标系，对正、负序电流独立进行控制，分别对正、负序电流进行前馈解耦控

制。参见图2。

图2具有双旋转坐标系控制的光伏并网逆变器控制系统框图

Fig.2Double rotating coordinate control of PV

inverter control system block diagram

当电网发生单相、两相、或三相非对称电压

跌落时，伴随着电网电压的不对称，电网电压中电气传动2013年第43卷第2期郭培健，等：基于电压前馈的光伏逆变器低电压穿越控制策略