采用非线性控制的光伏并网逆变器低电压穿越

马 亮，李旭阳，卢远宏，孙琳琳，袁中正

（1.北京京仪绿能电力系统工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）

采用非线性控制的光伏并网逆变器低电压穿越

马 亮1，李旭阳1，卢远宏2，孙琳琳1，袁中正1

（1.北京京仪绿能电力系统工程有限公司 北京 100009；2.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044）

为了改善传统光伏并网逆变器在电网发生低电压故障时，会出现并网电流较大超调的现象，本文提出了一种光伏并网系统低电压穿越策略，即非线性控制的光伏并网系统低电压穿越策略，本策略直接基于主电路数学模型进行控制。通过搭建光伏逆变器模拟测试平台，在一台100 kW并网逆变器上进行了实验，实验结果表明本策略能够有效地抑制电网电压跌落时的逆变器过电流，从而验证了本策略的可行性和有效性。

非线性控制；光伏并网；低电压穿越

随着光伏并网发电对电网的渗透率增大,在电网发生跌落故障时，光伏发电对电网的影响也不容忽视。很多国家陆续制定了光伏系统并网的低电压穿越标准,要求光伏并网逆变器能在电网电压、频率等在一定范围内变化时不能脱离电网,还可提供相应的无功功率支撑。

电网发生低电压故障时，由于并网逆变器交流侧电感的存在以及对输出电流幅值的限制，并网电流不能发生瞬变，因此系统会出现瞬间的功率不平衡，此时多余的能量将导致直流电容电压上升［1］。传统低电压穿越策略是对并网电流进行限幅来达到保护并网逆变器的目的［2,3］。在双环控制的基础上，将电网电压以及负载电流的前馈引入电流环，能加快电流环对扰动的反应，抑制跌落时的逆变器过电流［4-5］。为了在电网电压跌落期间提供无功支撑，文献［6］采用将逆变器运行在静止无功发生模式下的系统控制策略，通过快速提供无功电流来稳定电网电压，实现光伏并网逆变器的低电压穿越功能。

在低电压穿越过程中进行无功控制时，快速识别电网电压跌落深度、正确地切换系统运行模式十分重要。非线性控制在PWM变流控制、风力发电低电压穿越已有相关研究［7］，它能加快系统响应调节速度，及时有效地抑制系统在快速变化情况下出现的超调。为了对系统进行有效控制，本文提出了非线性控制光伏低电压穿越策略，实验结果验证了所提方案的正确性。

1　非线性低电压穿越策略

三相电压型光伏并网逆变器主电路拓扑如图1所示。ex为电网电压，ix为逆变侧输出电流，ux为逆变桥臂输出电压（x= a,b,c），Udc是直流母线电压，isp是光伏阵列PV的输出电流。交流侧电感L，回路等效电阻R，直流侧滤波电容C。

图1　三相光伏逆变器拓扑结构

由图1，根据电路基尔霍夫定律，可得光伏并网系统在dq同步旋转坐标系下的数学模型：

其中，ω是电网角频率，zd，zq分别是相关变量在d轴、q轴上的分量（z=e，u，i）。

考虑系统的有功能量守恒，dq旋转坐标系下的瞬时有功功率为：

由于系统控制是基于电网电压定向，电网电压q轴分量为0，因此式（2）可简化为:

式（3）表明并网逆变器的直流电压的控制可通过有功电流id的控制来实现。

联立式（1）、式（3）可得

逆变器的有功电流与直流电压控制有关，而低电压穿越时，需要控制逆变器的无功电流，因此，可选择非线性控制的两个输出变量分别直流电压udc和无功电流iq。

根据式（4），有

因为并网电流的控制是最终都是通过改变逆变桥侧输出电压矢量来实现的，所以非线性控制的输入矢量可选择ud和uq。因而，系统非线性控制的矩阵形式可表示为：

其中：

由于矩阵E（t）的行列式不为0，因此，式（6）可写成：

为了实现对直流电压udc和无功电流iq的跟踪控制，引入各自的指令值udc*、iq*及误差eudc（=udc*-udc）、eiq（=iq*-iq），对式（7）的输入进行重新选值，新的控制输入可表示为［7］：

则光伏并网逆变器采用非线性控制时的控制框图如图2所示。

图2　非线性控制系统原理图

无功电流指令iq*由国家标准GB/T 19964-2012（光伏发电站接入电力系统技术规定）中所要求的实时跟踪并网点电压变化的动态无功电流来确定。

2　实验结果

逆变器的输入电源采用 Chroma的具有光伏阵列模拟功能的可编程模拟电源。电网跌落模拟电源采用艾普斯模拟电网电源ACST-N-33300T，功率250 kW，可实现三相、单相、两相跌落。

表1　系统参数

图3是三相对称跌落20%的三相电网电压和三相并网电流的波形，图4是单相不对称跌落20%的波形。

图3　三相对称跌落20%波形

图4　单相跌落20%波形

由图3、图4可知,采用非线性控制在电网跌落时能迅速有效地限制交流电流增长,并网电流能快速恢复稳定,注入与跌落深度对应的无功电流,并能在很短的调节时间内就达到稳态。当电网电压逐渐上升时，逆变器输出的无功电流相应地减小，当电网电压恢复正常值后，逆变器输出的有功电流值交流电流在2 s内也恢复至跌落之前的值。

3　结论

本文所采用的非线性控制是直接基于主电路数学模型控制，没有传统双环控制调节器的积分作用，因而当电网电压跌落较深时,可以有效避免双环控制中由于调节器参数的影响而导致较大超调的现象；电网正常后，电流恢复时间也比采用前馈控制低电压穿越策略［4］要快。

［1］HAO Tian,FENG Gao,CONG Ma.Novel low voltage ride through strategy of single-stage grid-tied photovoltaic inverter with supercapacitor coupled［C］.7th International Power Electronics and Motion Control Conference（IPEMC）,2012: 1188-1192.

［2］HU Shu-ju,LI Jian-lin,XU Hong-hua.Review of voltage sag generator for wind power［J］.Electric Power Automation E-quipment,2008,28（2）:101-103.

［3］HU Shu-ju,LI Jian-lin,XU Hong-hua.Analysis on the Lowvoltage-ride-through Capability of Direct-drive Permanent Magnetic Generator Wind Turbines［J］.Automation of Electric Power Systems,2007,31（17）:73-77.

［4］张雅静,郑琼林,马亮.采用双环控制的光伏并网逆变器低电压穿越［J］.电工技术学报,2013,28（12）:136-141.

［5］张雅静,郑琼林,卢远宏.光伏并网逆变器的低电压穿越优化设计研究［J］.太阳能学报,2013,34（6）:136-141.

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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稿件编号：201507029

马 亮（1983—），男，山西太原人，博士。研究方向：电力电子及新能源。