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第43卷第14期2015年7月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVl01.43NO.14Ju1.16.2015三相电压不对称跌落光伏并网逆变器控制方法翦志强,司徒琴(深圳市金宏威技术股份有限公司,广东深圳518000)摘要:为了满足光伏并网逆变器在--N电网电压不对称跌落情况下的低电压穿越能力的要求,提出了一种电流正负序同步旋转坐标独立控制的方法,以抑制负序电流和并网电流谐波,使得光伏并网逆变器在三相电网电压不平衡跌落过程中能够正常运行,且不影响电网电能质量。特别地,对电网电压正负序分量的检测进行了详细研究,分析了两种不同的电网正负序分量检测方法的优缺点,优选一种方法进行了实验验证。所提出的低电压穿越控制方法通过了国家电网的零电压穿越认证,证明了该技术方案的有效性。关键词:低电压穿越;三相不平衡;光伏并网逆变器;控制方法;正负序分量检测Controlmethod0fph0tOV0ltaicgrid-connectedinverterunderthree-phasevoltageunbalanceddipsJIANZhiqiang,SITUQin(ShenzhenGoldenHighwayTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen518000,China)—Abstract:Tomeettherequirementstolowvoltageride-through(LVRT)capabilityofphotovoltaicgridconnectedinve ̄erunderthree・phasevoltageunbalanceddips,thispaperproposesacurrentpositivesequencesynchronousrotationalcoordinateindependentcontrolmethod.Inthestrategy,theposRiveandnegativesequencecomponentiscontrolledindependently.Sothatthenegativesequencecurrentandthegridcurrentharmonicscanberetrained.Sothe—photovoltaicgridconnectedinvertercanworkwellatLVRTsituation,andshallnotaffectthepowerqualityofpowergrid.Thepositiveandnegativesequencecomponentdetectionofthegridvoltagearestudiedindetailandtheproandconoftwodetectionmethodsareanalyzedandoneofthemisselectedandverified.TheLVRTmethodproposedhaspassedthe—novoltageridethroughcertification,whichverifiestheeffectivenessoftheproposedtechnicalsolution.Keywords:lowvoltageride--through;threephaseunbalance;photovoltaicgrid・-connectedinverter;controlmethod;detectionofpositiveandneg ̄ivesequencecomponent中图分类号:TM619文献标识码:A文章编号:1674.3415(2015)14-0126-050引言近年来,随着我国光伏发电装机容量的增加,其在区域电网中所占的比重越来越高,因此光伏逆变器对电网安全稳定运行的影响也越来越大。新的并网接入规则要求大中型光伏逆变器应具备零电压穿越能力,即在电网电压短暂跌落时,光伏逆变器仍然正常运行,在向电网输出功率的同时,能向电网提供无功功率以支持电网恢复,直到电网恢复正常。因此,研究光伏逆变器在网侧发生瞬时故障时的低电压穿越能力具有非常重要的现实意义【】]。电网的跌落分为三相对称跌落和三相不对称跌落两种情况。三相不对称跌落通常是由单相接地短路、两相接地短路或两相之间短路故障引起。在这种情况下,电网电压会出现严重的不对称情况,作为大型并网光伏电站,要求此时其能保持并网运行且能向电网提供无功功率,为电网稳定性提供一定的支持。在三相电网电压严重不对称且光伏逆变器输出一定功率的情况下,在电网负序电压的作用下将会在交流侧产生负序电流,使得三相交流电流出现不平衡,同时增加了交流电流中的奇次谐波电流分量,影响了电能质量。因此,需要研究在三相电压不对称跌落时光伏并网逆变器抑制负序电流分量和谐波分量的控制方法。在风力发电领域,低电压穿越控制技术的研究比较成熟【2。】,而在光伏发电领域目前的研究还比较少。文献【4]提出了一种在电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器的恒频控制。文献翦志强,等三相电压不对称跌落光伏并网逆变器控制方法一127-[5]提出了一种基于电压定向矢量的控制策略,并增加直流侧的卸荷电路来抑制直流侧电压的波动,但是未考虑在三相电压不对称跌落情况下的控制且需要增加额外的硬件电路。文献[6]提出基于正序旋转坐标系中的前馈控制策略,利用负序分量的前馈来抑制负序分量的影响,但是该前馈的负序分量存在二次谐波,无法彻底抑制负序分量的影响。因此,本文提出一种正序同步旋转坐标系和负序同步旋转坐标系独立控制的策略,以抑制在电网电压短时不对称跌落期间的负序电流分量和电流谐波,保证光伏逆变器能正常并网运行。1原理与设计1.1电网不平衡时正负序分量描述在三相电压不平衡的情况下,如果只考虑电网的基波分量,则电网电压=[Ua,。】可以分解为正序基波分量=[甜,。,。]、负序基波分量=[,,:。]和零序基波分量Co,即=++0。其中,对于三相无中线系统,可以忽略零序分量的影响,即=0,从而化简为U=+U2。将三相静止坐标系转换成两相同步旋转坐标系,则上式可写为]..bC32R( ̄)[bl2d]・,其中:,,为三相电网电压;C:为静止坐标变换矩阵,=10√13221√322;曰(为正序旋转坐标变换鹏)=_c为负序旋转坐标变换矩阵,R(一)=l—csoisn0cs。insO1I而、。分别表示三相电网正序电压的d、q分量;U2d、U2分别表示三相电网负序电压的d、q分量。三相电网电压复矢量在复平面静止坐标系下可以表示为:“导I+Ube+Uce-jI(2)j一一将其转换到两相同步旋转坐标系,在三相电网不平衡条件下,电网电压可表示为“【,=e由+e1由(3)式中:09是电网电压角频率;U1出和幽分别是同步旋转坐标系中电网电压的正序、负序复矢量。其由r一一.JUldqIgld+JUlgr1由=+三相电网不平衡情况下,在电网电压负序分量的作用下,将在交流侧产生负序电流分量。只考虑基波分量,则三相电流同样在两相同步旋转坐标系下可描述为r_之]厂.]厂.]f乇f:c ̄2g(o)f+Gf1.2df(5)LfcJ在三相电网电压严重不平衡且光伏逆变器输出功率较大的情况下,该负序电流的存在使得并网光伏逆变器输出交流电流出现不平衡。另一方面电流的负序分量与正序开关函数的乘积,以及电流正序分量与负序开关函数的乘积将使得逆变器直流电流中产生二次谐波分量。该谐波电流经直流电容滤波后,将在直流电压中产生二次谐波。而直流电压中的二次谐波与基波开关函数的乘积使得交流电流产生三次谐波电流。如此反复,光伏逆变器直流电压…中将存在2、4、6、.等偶次谐波电压分量,而在…交流电流中存在3、5、7、等奇次谐波电流分量,严重影响电网电能质量L7J。1.2三相电压不平衡控制策略三相光伏逆变器常规的基于电网电压平衡时所设计的单正序同步旋转坐标系下的PI环路控制策略,如图1所示。其中:U,U,为三相电网电压‘“检测值;fa,乇,为三相输出电流检测值;二为直流母线电压的给定参考值;为直流母线电压的检测值;和分别为正序旋转坐标下的d轴和q轴检测分量;f:和为给定参考值;和分别为电网电压的d轴和g轴分量;、Sb、S为开关量。ePWM该控制策略是以电网电压为正序电压作为基础,采用三相坐标系到正序同步旋转坐标系变换,调节电流的d轴分量ia从而调节逆变器的输出有功..128..电力系统保护与控制图1基于电网电压平衡的控制方法框图Fig.1Blockdiagramofcontrolmethodbasedonbalancedgridvoltage功率。在电网不对称故障发生且逆变器以一定功率输出时,由于电网不对称产生了负序电流,在两相正序同步旋转坐标系中有‘[iq]=『Lllq]+r一2『kf2i2dq]可见,负序电流表现为二次谐波分量。正序旋转坐标系下的电流pI控制仅可以实现直流分量的无静差跟踪,也就是说仅可以控制正序电流分量,对于表现为二次谐波的负序电流分量无能为力,因此需要对负序分量进行单独控制。本文提出了一种控制策略,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,并采用电网的正序和负序电压瞬时值作为调‘‘节器的前馈,其控制框图如图2所示。图中、、、分别为网侧电流的正序d、q轴分量和负序图2电网电压不平衡控制方法框图Fig.2Blockdiagramofcontrolmethodbasedonunbalancedgridvoltaged、q轴分量;、、、分别为网侧电流的正序d、q轴分量和负序d、q轴分量的参考值;U、、,、甜,分别为电网电压的正序d轴分量、正序g轴分量、负序d轴分量和负序g轴分量。该电流控制环路采用了四个并行的PI控制器,分别控制输出电流的正序d轴、正序口轴、负序d轴、负序轴分量。并且都加入了电网电压的正负序分量瞬时值作为前馈,以提高环路的响应速度。1.3电网正负序分量的检测在三相电网不平衡控制策略中,一个关键点是三相电压和三相电流正负序分量的检测。文献[9]提出解耦多轴系的检测方法,文献[10]提出一种改进瞬时对称分量法,这两种方法都需要比较复杂的数学运算,工业上实现比较复杂。在两相正序同步旋转坐标系下,原先的三相交流正序电压变成直流量,而负序电压变成二次谐波分量。为了得到正序电压分量,一种常见方法是采用滤波器滤除二次谐波分“量ll,即负序分量,剩下的正序分量经过两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的转换后得到三相正序电压,,甜。。】。电网电压,,秘。】减去正序电网电压[ ̄/la),。]即可获得三相负序电网电压[U2a2b,甜2。]。使用的滤波器一般为低通滤波器或者陷波器。陷波器的角频率可以设计为2倍的基波角频率,这样就可以滤除2次谐波分量,而对除2次谐波以外的信号基本上没有影响。陷波器传递函数为2^l2)=二-=f7)S+Qs+一其中:为基波角频率,陷波角频率为2,即两倍的基波角频率;为品质因数,用来调节陷波深度。陷波器滤波效果的好坏取决于滤波器参数的选取,其中最关键的是滤波带宽,如果带宽过大,则动态响应慢,但是如果带宽过小,则不适应频率变化。使用陷波器会增加控制系统阶数,对控制系统的动态和稳态性能有一定影响,而且数字陷波器本身有延时,难以满足目前标准对低电压穿越响应时间的要求。——下面讨论另外一种检测方法延时法,其中为电网电压工频周期。在两相静止坐标系中,f时刻轴上和轴上的电压分别用正负序分量表示有.130.电力系统保护与控制3结论本文针对光伏并网逆变器在低电压穿越认证过程中的三相电网电压不对称跌落情况,提出了一种抑制负序电流的控制策略,从而保证在电网电压跌落期间光伏逆变器输出电流的稳定,使用该控制策略的光伏逆变器已通过国家电网的零电压穿越认证,证明了该控制策略切实有效。参考文献[1]杨德州,王利平,张军,等.大型分布式电源模型化研究及其并网特性分析.(1)光伏电站专题[J].电力系统保护控制,2010,38(18):104.110.YANGDezhou,WANGLiping,ZHANGJun,eta1.—Modelingofthelargescaledistributedpowersupplyandtheanalysisofcorrespondinggrid-connectedcharacteristics一(1)photovoltaicplantthematic[J].PowerSystemProtection—andControl,2010,38(18):104110.[2]蔚兰,陈国呈,宋小亮,等.一种双馈感应风力发电机低电压穿越的控制策略[J].电工技术学报,2010,25(9):l71.175.YULan,CHENGuocheng,SONGXiaoliang,eta1.A—lowvoltageridethroughofstrategyfordoublyfedinductiongenerator[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(9):171-175.[3]李和明,董淑慧,王毅,等.永磁直驱风电机组低电压穿越时的有功和无功协调控制[J].电工技术学报,—2013,28(5):7381.LIHeming,DONGShuhui,WANGYi,eta1.CoordinatedcontrolofactiveandreactivepowerofPMSG-basedwindturbinesforlowvoltageridethrough[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2013,28(5):73-81.[4]郭旭刚,金新民,马添翼,等.电网不平衡下基于滑模变结构的三相电压型PWM整流器恒频控制[J].电力—系统保护与控制,2013,41(10):126133.GUOXugang,J1NXinmin,MATianyi,eta1.Constantfrequencycontrolforthree-phasevoltagePWMrectifierunderunbalancedgridvoltageconditionsbasedonslidingmodecontrol[J].PowerSystemProtectionand—Control,2013,41(10):126133.[5]张明光,陈晓婧.光伏并网发电系统的低电压穿越控—制策略[J].电力系统保护与控制,2014,42(11):2833.ZHANGMingguang,CHENXiaojing.Acontrolstrategyoflowvoltageride・-throughforgrid・-connectedphotovoltaicpowersystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2014,42(11):28-33.[6]PASCALR,HERVEJEAN-PAULL.RegulationofaPWMrectifierintheunbalancednetworkstateusingageneralizedmode[J].IEEETransactionsonPower—Electronics,1996,11(3):495502.—[7]SEONGJEUBJ,LEEFC.Threecontrolstrategiesforathree..1egAC..DCconverterunderunbalancedACvoltage’condition[C1//IECON03.The29thAnnualConferenceoftheIEEE,2003,Roanoke,Virginia,USAA.[8]张彦,赵义术,余蜜,等.光伏并网逆变器电流控制技术研究[J】.电力电子技术,2009,43(5):29-31.ZHANGYah,ZHA0Yishu,YUMi,eta1.Researchoncurrentcontrolofphot0v0ltaicgrid-connectedinverter[J].PowerElectronics,2009,43(5):29-31.[9]李珊瑚,杜雄,王莉萍,等.解耦多同步参考坐标系电网电压同步信号检测方法[J1.电工技术学报,2011,26(12):183-189.LIShanhu,DUXiong,WANGLiping,eta1.Agridvoltagesynchronizationmethodbasedondeeoupledmultiplesynchronousreferenceframe[J].TransactionsofChinaElectroteehniealSociety.20l1。26(12):183一l89.[10]袁旭峰,程时杰,文劲宇.改进瞬时对称分量法及其在正负序电量检测中的应用[J].中国电机工程学报,—2008,28(1):5258.YUANXufeng,CHENGShijie,WENJingyu.Animprovedmethodofinstaneoussymmetricalcomponentsanditsdetectionforpositiveandnegmivesequencecurrent[J].ProceedingsoftheCSEE,2008,28(1):52-58.[11]张兴,季建强,张崇巍,等.基于内模控制的三相电压型PWM整流器不平衡控制策略研究[J].中国电机工程学报。2005,25(13):51-56.ZHANGXing,JIJianqiang,ZHANGChongwei,eta1.—StudyofimemalmodelcontrolbasedthreephasePWMrectifierunderunbalancedinputvoltagecondition[J].ProceedingsoftheCSEE,2005,25(13):51-56.收稿日期:2014-1O一09;修回日期:2014-12一O2作者简介:翦志强(1974-),男,本科,高级工程师,主要研究方向为电力电子技术在电力与新能源领域的应用;司徒琴(1982-),女,通信作者,硕士,工程师,研究方向为电力电子技术在电力与新能源领域的应用;E.mail:situqin@jhw.com.cn(编辑葛艳娜)
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