光伏并網(wǎng)逆變器控制策略及仿真搭建案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u18810光伏并網(wǎng)逆變器控制策略及仿真搭建案例分析 1254771.1光伏并網(wǎng)逆變器工作原理 1164481.2控制策略仿真搭建 3259021.2.1電壓電流雙閉環(huán)PI控制 3209841.2.2電壓PI控制電流PR控制 646181.3故障工況下控制效果評估 8130381.3.1故障工況下控制策略改進(jìn) 840081.3.2雙閉環(huán)PI控制效果評估 11213061.3.3電壓PI電流PR控制效果評估 14295541.4小結(jié) 171.1光伏并網(wǎng)逆變器工作原理在電網(wǎng)正常工作的情況下，如圖1.1所示的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可以分別在三相abc靜止坐標(biāo)系、兩相靜止αβ坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系[14]下建立坐標(biāo)系。圖1.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)模型圖圖中ea、eb、ec分別為電網(wǎng)三相電動勢；ia、ib、ic分別為電網(wǎng)側(cè)的輸入電流；ua、ub、uc分別為光伏變流器的三相輸出電壓；udc為光伏變流器直流母線電壓；idc為光伏變流器直流側(cè)電流；i為光伏電池的輸出電流；L為電網(wǎng)側(cè)電感；Cdc為光伏電池直流母線電容。Sa、Sb、Sc分別為三相橋臂開關(guān)函數(shù)：Sk=1（k=a，b，c）表示相應(yīng)橋臂上管導(dǎo)通，下管關(guān)斷；Sk=0表示相應(yīng)橋臂上管關(guān)斷，下管導(dǎo)通。并網(wǎng)逆變器可以通過控制IGBT等電力電子器件的瞬時通斷，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，跟蹤電網(wǎng)電壓，調(diào)節(jié)輸出功率，調(diào)整功率因數(shù)。并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制策略將直接影響并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量，進(jìn)而影響電網(wǎng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。圖5.1所示的電流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為式（1.1），在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為式（1.2），在正負(fù)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為式（1.3）。（1.1）可以看出，光伏并網(wǎng)逆變器在三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型物理意義非常明確，但是在該模型中三相電壓、電流之間存在耦合，不好控制。因此需要對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到的在兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：（1.2）式中eα和eβ分別為電網(wǎng)電動勢在兩相靜止坐標(biāo)系α和β軸的分量；iα和iβ分別為輸出電流在α和β軸的分量；Sα和Sβ分別為開關(guān)函數(shù)在α和β軸的分量。為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)的控制要求，需要對式（1.2）進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸下的數(shù)學(xué)模型為式（1.3）。（1.3）式中ed和eq分別為電網(wǎng)電動勢在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸和q軸分量，id和iq分別為輸出電流在d和q軸的分量；Sd和Sq分別為開關(guān)函數(shù)在d和q軸的分量；為電網(wǎng)電壓的同步角速度。將各輸出量變換到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系可以將三相電源的解耦，實(shí)現(xiàn)對直流電流的無靜差跟蹤。1.2控制策略仿真搭建光伏并網(wǎng)逆變器根據(jù)自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可以分為單級型和雙級型[28]。本研究采用單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主電路由光伏陣列、三相電壓源型逆變器、濾波器和電網(wǎng)構(gòu)成。其等效示意圖如圖1.1。這種單級式并網(wǎng)結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少且能量轉(zhuǎn)換效率高。但是三相電壓源型逆變器不僅要控制并網(wǎng)點(diǎn)電流使其頻率和相位與電網(wǎng)側(cè)相同，還需要有最大功率點(diǎn)跟蹤功能，控制技術(shù)會更加復(fù)雜。圖1.1單級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.2.1電壓電流雙閉環(huán)PI控制本研究首先采用3.5節(jié)介紹的PI控制策略對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行電壓電流雙閉環(huán)PI控制，實(shí)現(xiàn)光伏電池的并網(wǎng)。光伏電源數(shù)學(xué)模型參照2.1.1節(jié)，設(shè)電網(wǎng)側(cè)額定電壓為0.38kV，頻率為50Hz，并網(wǎng)點(diǎn)額定電流為1.1kA。在PSCAD中電壓外環(huán)PI控制效果如圖1.2所示。圖1.2電壓外環(huán)PI控制效果圖從圖1.2中可以看出：在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，直流側(cè)電壓檢測值UDC與其參考值UDCref之間的誤差越來越小，在大約0.8s之后兩條曲線近似完全重合，直流側(cè)電壓UDC與直流側(cè)電壓參考值UDCref均穩(wěn)定0.8kV，該電壓為光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處時對應(yīng)的電壓值，因此可以看出，通過增量電導(dǎo)法實(shí)現(xiàn)的MPPT控制以及電壓外環(huán)的PI控制效果均良好。在PSCAD中正序有功電流分量、無功電流分量PI控制效果如圖1.3所示。(a)正序有功電流波形(b)正序無功電流波形圖1.3正序電流PI控制效果圖從圖1.3中可以看出，在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，正序有功電流參考值i+dref隨電壓外環(huán)的輸出量在0.1s發(fā)生突變，之后實(shí)時正序有功電流i+d迅速跟隨，雖然有一定的超調(diào)但是也馬上趨于穩(wěn)定，且0.5s后電流跟隨效果良好。最終正序有功電流參考值i+dref及實(shí)時正序有功電流i+d穩(wěn)定在1.3kV。正序無功電流參考值i+qref在PI控制器開始工作后穩(wěn)定在0，隨后實(shí)時正序無功電流i+q出現(xiàn)波動之后也迅速穩(wěn)定在0附近。在PI控制中，比例系數(shù)的增大可以減小穩(wěn)態(tài)時的誤差且可以提高系統(tǒng)的快速性，但是同時也會造成一定的超調(diào)。從圖中可以看出本研究采用的比例系數(shù)在滿足響應(yīng)快速性和準(zhǔn)確性的同時也能保證超調(diào)控制在允許的范圍內(nèi)。并網(wǎng)點(diǎn)相電壓、相電流波形如圖1.4。(a)電網(wǎng)側(cè)電壓波形(b)電網(wǎng)側(cè)電流波形圖1.4電網(wǎng)側(cè)波形從圖1.4中可以看出：在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，并網(wǎng)側(cè)電流經(jīng)PI控制迅速達(dá)到額定值，且頻率為50Hz，控制效果良好；并網(wǎng)側(cè)電流恒定為額定值。并網(wǎng)逆變器輸出功率波形如圖1.5。圖1.5并網(wǎng)逆變器輸出功率波形從圖1.5中可以看出：在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，并網(wǎng)側(cè)的輸出有功功率和無功功率均開始變化。有功功率迅速升高，并在約0.5s后達(dá)到最大之后穩(wěn)定在0.5MVA；無功功率在出現(xiàn)少量超調(diào)之后也迅速穩(wěn)定在0。經(jīng)仿真驗(yàn)證，本研究采用的電壓電流雙PI控制策略能夠在電網(wǎng)正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)有效并網(wǎng)。1.2.2電壓PI控制電流PR控制本研究采用3.6節(jié)介紹的準(zhǔn)比例諧振控制策略對并網(wǎng)逆變器進(jìn)行電壓外環(huán)PI控制，電流內(nèi)環(huán)PR控制，實(shí)現(xiàn)光伏電池的并網(wǎng)。光伏電池模型、最大功率點(diǎn)控制及電壓外環(huán)的控制均與上一節(jié)相同，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹電流內(nèi)環(huán)PR控制效果。在電流內(nèi)環(huán)中兩相靜止坐標(biāo)系下的雙軸參考電流iα和iβ均由電壓外環(huán)輸出量經(jīng)坐標(biāo)反變換得到，經(jīng)電流內(nèi)環(huán)PR控制的控制效果如圖1.6。(a)(b)圖1.6電流內(nèi)環(huán)PR控制效果圖從圖1.6中可以看出：在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后，α軸和β軸的實(shí)際輸出電流i*α和i*β均響應(yīng)迅速且對其各自的參考電流跟蹤效果良好，在0.16s后α軸、β軸電流分量基本實(shí)現(xiàn)無靜差平滑跟隨。在電流準(zhǔn)諧振控制中，比例環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)快速響應(yīng)，減小穩(wěn)態(tài)誤差，諧振環(huán)節(jié)起到增大基波電流增益，抑制其他頻率的電流諧波的作用。并網(wǎng)逆變器輸出功率波形如圖1.7所示。圖1.7并網(wǎng)逆變器輸出功率波形從圖1.7中可以看出所示，在系統(tǒng)開始運(yùn)行之后0.1s左右并網(wǎng)逆變器輸出有功功率達(dá)到最大，之后穩(wěn)定在0.5MVA，無功功率在出現(xiàn)少量超調(diào)之后也迅速穩(wěn)定在0。經(jīng)仿真驗(yàn)證，本研究采用的電壓外環(huán)PI電流內(nèi)環(huán)PR控制策略能夠在電網(wǎng)正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)有效并網(wǎng)。后續(xù)將重點(diǎn)對電壓電流雙閉環(huán)PI控制和電壓PI控制電流PR控制在電網(wǎng)不平衡情況下的控制性能展開對比1.3故障工況下控制效果評估隨著光伏發(fā)電設(shè)備在電力系統(tǒng)中的裝機(jī)容量越來越大，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和整體調(diào)度的影響也越來越大。但是相對的，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障時也同樣會對光伏電池的運(yùn)行造成影響。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重故障而引起電壓暫降時，會導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降，此時光伏電源也會受到?jīng)_擊導(dǎo)致輸出功率下降甚至出現(xiàn)持續(xù)振蕩的情況[29]。1.3.1故障工況下控制策略改進(jìn)在電力系統(tǒng)可能發(fā)生的各種故障中，非對稱故障發(fā)生的幾率較大，因此在對光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制的時候，也需要考慮光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在電網(wǎng)發(fā)生非對稱故障情況下的控制效果。電網(wǎng)發(fā)生非對稱故障時引起的不對稱電壓暫降有并網(wǎng)點(diǎn)電壓除了包含正序分量外還包含負(fù)序甚至是零序分量的特征。且由于光伏系統(tǒng)通過電力電子器件并網(wǎng)，其轉(zhuǎn)動慣量較小，并網(wǎng)點(diǎn)電壓暫降的問題發(fā)生后光伏電池直流側(cè)母線電壓不會升高太多，因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障引起電壓暫降時，本研究的控制目標(biāo)為：通過限制逆變器的輸出電流，調(diào)整光伏系統(tǒng)輸出功率；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，重點(diǎn)抑制電流中的負(fù)序分量，減弱二倍頻分量波動。本研究依據(jù)瞬時無功理論，對逆變器輸出量進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到其在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，在通過對兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流分量id和iq的控制可以實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)輸出有功功率和無功功率的解耦。在電網(wǎng)處于正常工況的情況下，有功電流參考值i*d由電壓外環(huán)的輸出量決定，無功電流參考值i*q設(shè)為0，此時逆變器以單位功率因數(shù)運(yùn)行，光伏系統(tǒng)僅向電網(wǎng)提供有功功率；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓暫降時，有功電流參考值i*d依舊由電壓外環(huán)的輸出量決定，無功電流參考值i*q根據(jù)檢測到的電壓暫降程度計算得到。在不同控制策略下，對無功電流參考值i*q進(jìn)行修改，即相當(dāng)于向電網(wǎng)補(bǔ)償無功功率，提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓，從而使光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低壓穿越。本研究依據(jù)無功電流標(biāo)準(zhǔn)要求經(jīng)分析計算得到的隨電壓暫降變化的無功電流參考值標(biāo)準(zhǔn)如式（1.4），根據(jù)逆變器的輸出計算得到的有功電流的參考值標(biāo)準(zhǔn)如式（1.5）[30]。（1.4）（1.5）本研究在并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓暫降時的控制策略框圖如圖1.8。圖1.8故障工況下控制框圖參考文獻(xiàn)[26]提出的電壓電流空間矢量分析法，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時逆變器輸出的復(fù)功率可用式（1.6）表示。（1.6）式中P和Q分別表示逆變器輸出的有功功率和無功功率；I*αβ和Eαβ分別為在兩相靜止坐標(biāo)系下的電流復(fù)矢量共軛表達(dá)式和電壓復(fù)矢量表達(dá)式；I+dq和E+dq分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正序電流復(fù)矢量表達(dá)式和正序電壓復(fù)矢量表達(dá)式；I-dq和E-dq分別為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的負(fù)序電流復(fù)矢量表達(dá)式和負(fù)序電壓復(fù)矢量表達(dá)式。經(jīng)過進(jìn)一步推導(dǎo)，可以得到輸出有功功率和輸出無功功率的表達(dá)式如式（1.7）。（1.7）式中Pave和Qave分別為逆變器輸出的有功功率平均值和無功功率平均值，Pcos和Psin分別為輸出有功功率的二倍頻分量，Qcos和Qsin分別為輸出無功功率的二倍頻分量。從式（1.7）中可以看出：由于逆變器輸出的電壓電流中含有負(fù)序分量，會導(dǎo)致其輸出功率中存在二倍頻分量。因此，本研究提出的控制策略應(yīng)具備當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障引起電壓暫降時抑制負(fù)序電流的能力。1.3.2雙閉環(huán)PI控制效果評估本研究采用基波正序電壓值法來檢測電網(wǎng)故障時的并網(wǎng)點(diǎn)電壓暫降程度，對PSCAD中的光伏并網(wǎng)模型在系統(tǒng)側(cè)設(shè)置三相對稱故障，故障發(fā)生時間為0.6s，故障持續(xù)時間為2s，對并網(wǎng)點(diǎn)電壓有效值進(jìn)行檢測得到的波形及并網(wǎng)點(diǎn)電壓有功正序分量波形圖如圖1.9。圖1.9并網(wǎng)點(diǎn)電壓有效值檢測波形圖從圖1.9中可以看出：電網(wǎng)在正常工況下運(yùn)行時其線電壓有效值為0.38kV，當(dāng)仿真運(yùn)行至我們設(shè)置的故障時間0.6s時，并網(wǎng)點(diǎn)線電壓的有效值出現(xiàn)跌落，迅速降至0.18kV，跌落深度為53%。此時控制系統(tǒng)將根據(jù)式（1.4）和式（1.5）對兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正序有功、無功電流參考值進(jìn)行重新計算分配。從圖中可以看出，通過PI控制器，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的有功分量可以實(shí)現(xiàn)對參考值的快速跟蹤，且控制效果良好。在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時，使用PI控制對正序有功和無功電流進(jìn)行控制，其波形如圖1.10。(a)正序有功電流波形(b)正序無功電流波形圖1.10故障工況正序電流PI控制效果圖從圖1.10中可以看出：在0.6s電網(wǎng)發(fā)生對稱電壓暫降時，除了電壓出現(xiàn)暫降的問題，并網(wǎng)點(diǎn)電流也有輕微暫降的情況。圖1.10(a)中正序有功電流分量參考值從1.3kA迅速降低到1kA，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)實(shí)際有功電流分量迅速調(diào)整跟隨參考值，但是在調(diào)整的過程中會出現(xiàn)一定程度的超調(diào)，之后再次穩(wěn)定在1.3kA；圖1.10(b)中正序無功電流分量參考值也由0暫降到-0.8kA，其中負(fù)號代表補(bǔ)償無功功率，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)實(shí)際有功電流分量也迅速跟隨參考值，但是也存在超調(diào)的問題。為了使控制器可以更快的對參考值進(jìn)行跟隨響應(yīng)，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以允許輸出量存在少量超調(diào)。在電網(wǎng)發(fā)生三相對稱故障時，經(jīng)PI控制并網(wǎng)點(diǎn)的電壓電流波形如圖1.11。(a)電網(wǎng)側(cè)電壓波形(b)電網(wǎng)側(cè)電流波形圖1.11故障工況并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流波形從圖1.11中可以看出：在0.6s電網(wǎng)發(fā)生對稱電壓暫降時，可以觀察到：當(dāng)0.6s發(fā)生對稱電壓暫降時，三相電壓峰值由原來的0.3kV出現(xiàn)輕微下降，三相電流出現(xiàn)輕微波動。因此從并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓電流波形圖中可以看出，在電網(wǎng)出現(xiàn)三相對稱故障時，PI控制的控制效果依舊良好。此時逆變器的輸出功率波形如圖1.12。圖1.12故障工況輸出功率波形從圖1.12中可以看出：當(dāng)0.6s發(fā)生對稱電壓暫降時，有功功率僅出現(xiàn)輕微波動，無功功率出現(xiàn)暫降，迅速減小至-0.1MVA，通過計算，可以得到補(bǔ)償?shù)臒o功電流參考值再經(jīng)過PI控制，輔助電壓恢復(fù)。從圖1.12可以看出，本研究采用的PI控制在電網(wǎng)發(fā)生對稱故障時，能夠快速有效地對逆變器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下持續(xù)并網(wǎng)。1.3.3電壓PI電流PR控制效果評估在上一節(jié)中的電壓電流雙閉環(huán)PI控制策略是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的控制策略，雖然在電網(wǎng)發(fā)生故障時也可以使光伏系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)，但是在并網(wǎng)過程中動態(tài)過渡過程響應(yīng)較差，而且存在一定超調(diào)，控制性能也還需要改進(jìn)。本節(jié)將對3.6節(jié)提出的電壓外環(huán)PI控制電流內(nèi)環(huán)PR控制策略在電網(wǎng)側(cè)發(fā)生不對稱故障時的控制效果進(jìn)行評估。電壓外環(huán)PI控制電流內(nèi)環(huán)PR控制策略是基于兩相靜止坐標(biāo)系下的控制策略，因此只需要對電流進(jìn)行反Clark變換得到在兩相靜止坐標(biāo)系下的有功和無功參考電流即可對系統(tǒng)進(jìn)行控制。省去了對電流進(jìn)行正負(fù)序分離的環(huán)節(jié)，大大降低了系統(tǒng)的控制難度，也減小了響應(yīng)延遲，提高了逆變器的并網(wǎng)效率。下面結(jié)合仿真，對電壓外環(huán)PI控制電流內(nèi)環(huán)PR控制策略在電網(wǎng)發(fā)生A相短路接地故障時的控制效果進(jìn)行評估。光伏系統(tǒng)模型及相關(guān)參數(shù)與2.1節(jié)中相同，采用電壓PI電流PR控制的并網(wǎng)控制策略。對PSCAD中的光伏模型在系統(tǒng)側(cè)設(shè)置A相短路接地故障，故障發(fā)生時間為0.6s，故障持續(xù)時間為2s。此時電流環(huán)PR控制效果如圖1.13。(a)軸電流跟蹤波形(b)軸電流跟蹤波形圖1.13電流內(nèi)環(huán)PR控制效果圖從圖1.13中可以看出：在0.6s電網(wǎng)發(fā)生A相短路接地故障后，α軸和β軸的實(shí)際輸出電流i*α和i*β迅速迅速跟隨其參考值，且兩者波形幾乎完全重合，而圖1.10中不管是正序電流還是負(fù)序電流其實(shí)際輸出在動態(tài)響應(yīng)過程中均出現(xiàn)不同程度的超調(diào)。從波形的對比中可以看出，電流PR控制不僅動態(tài)響應(yīng)速度快，且