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基于直接电流控制的光伏并网逆变器零电压穿越控制方法

更新时间:2016-07-05

随着光伏发电总量的不断提高,光伏电站对电网安全稳定运行的影响逐渐显现[1-3]。若大容量光伏电站在故障期间自动脱网,会造成电网频率、电压崩溃,给生产、生活带来巨大损失[4-5]。为此,在最新的并网接入规定中要求光伏电站应具备一定的零电压穿越ZVRT(zero voltage ride through)能力[6]

目前,大多数文献主要针对光伏并网逆变器的低电压穿越LVRT(low voltage ride through)展开研究。文献[7]通过投入无功补偿设备以提供无功支撑,帮助并网电压恢复。但无功补偿设备投资大,响应特性不理想。文献[8]考虑了逆变器自身无功调节能力,采用PQ控制,给定故障时的输出功率并计算出对应的电流指令,通过闭环控制完成跟踪。但PQ控制优先考虑有功输出,导致电压跌落较深时无功输出不足,并无法给定电压跌至0时的输出功率。文献[9]采用负序电压前馈控制,消除并网电流中的负序分量,由于未考虑控制延迟环节,导致前馈量相位滞后,并网电流出现过冲现象。文献[10]建立了LCL滤波并网逆变器的数学模型,通过分析并网电流方程,提出一种滤波电容电流前馈的有源阻尼控制,从而抑制负序电流,保证输出电流三相对称。但LCL的谐振问题会对系统的稳定性造成一定的影响。

本文通过分析电网电压跌落期间导致逆变器脱网的主要原因,提出一种基于直接电流控制的ZVRT控制方法。该方法以逆变器输出电流为控制对象,根据跌落深度直接给定指令电流,通过引入双闭环控制实现对正、负序电流有功无功分量的解耦和对指令值的快速跟踪,并充分考虑系统的延时环节,按照典型I型系统设计电流环和二阶最优方式整定PI控制器参数,确保光伏电站实现ZVRT,为大型光伏发电系统的并网运行提供理论依据。

1 光伏电站ZVRT标准

ZVRT是指当电网发生故障导致并网点电压出现跌落乃至为0时,光伏电站依然能够保持并网运行一段时间,并向电网提供一定的无功支撑以帮助跌落电压恢复。

国家电网公司出台的《光伏电站接入电力系统技术规定》中要求光伏电站的ZVRT能力应满足:①光伏电站并网点电压跌至0时,光伏电站应能不脱网连续运行0.15 s;②光伏电站并网点电压跌至图1中曲线1下方时,光伏电站可以从电网切出。

光伏电站的ZVRT能力要求如图1所示。由图1可知,当电网电压跌落至0时仍要求光伏逆变器并网运行0.15 s。因此相比于LVRT,ZVRT对光伏并网逆变器的稳定运行提出了更高的要求。

图1 光伏电站的ZVRT能力要求 Fig.1 ZVRT capacity requirements of photovoltaic plant

2 电网电压跌落时逆变器的动态特性分析

光伏并网发电系统的主电路如图2所示。图中,C为并网逆变器直流侧母线电容,L为滤波电感,Cf为滤波器电容,R为线路等效电阻,Idc为直流侧电流,Udc为直流侧母线电压,Uabc为逆变器交流侧输出电压,Iabc为逆变器交流侧输出电流,Eabc为并网电压。

图2 光伏并网发电系统主电路 Fig.2 Main circuit of grid-connected photovoltaic power system

Cf较小,可以忽略。根据图2,由基尔霍夫电压定律得出并网逆变器输出侧的电压方程为

通过Clarke变换,将式(1)由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系下,得到

当电网故障导致并网电压发生三相对称跌落时,光伏系统中的电气量F(电压或电流)只含有正序分量,其负序分量为零;当电压发生三相非对称跌落时,电气量F中不仅含有正序分量,而且还有负序分量(光伏系统一般采用三相三线制并网结构,所以不考虑零序分量的影响)。为更好地分析电网电压跌落期间逆变器的动态特性,需分离出电气量F的正、负序分量,并将其变换为直流量[11-12]

在两相静止αβ坐标系下,电气量F的正序分量和负序分量可通过一定的相移和运算得到,即

式中,q为90°相移算子

根据瞬时功率理论,用投影法可以求出逆变器的输出有功功率和无功功率[13]

式中,ω为三相电压的角速度。

由式(4)可知,通过正负序旋转坐标变换,可以将电气量F的交流正、负序分量用直流量表示。

将式(3)和式(4)代入式(2),得到电网电压跌落时逆变器在正负序旋转坐标系下的数学模型为

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式中:e为电网电压;上标+、-表示正、负序分量;下标dq表示dq轴分量。

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再将经正、负序Park变换,可得到正、负序旋转坐标系下的分量

直接电流控制就是采用跟踪型PWM控制技术对电流波形瞬时值进行的反馈控制[15-17]。跟踪型PWM控制技术通过计算实际电流值和系统给定值间的偏差并将其与高频三角载波进行比较,从而输出对应的PWM信号,控制逆变器得到所需要的电流波形。

若忽略逆变器自身的功率损耗,根据功率平衡得到方程[14]

式中:Pc为直流侧电容功率;Ppv为光伏阵列的发出功率。

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在电网正常运行状态下,光伏逆变器一般采用电网电压定向矢量控制策略实现并网[14]。当电网发生故障导致并网点电压跌落时,光伏逆变器的输出电流会在电网干扰下产生突变。在控制器没有响应电网电压变化的暂态过程中,由于PWM调制占空比不变,会导致输出电流突然上升。如果跌落深度较大,还会引起电流超出并网逆变器的过电流保护值,造成逆变器内部断路器动作,导致光伏电站脱网。

由式(6)~式(8)可知,当电网电压跌落时,Pe降低,Ppv不变,系统的功率平衡被打破,多余的功率流入直流侧电容,导致逆变器直流侧电压迅速上升。如果电压跌落是不对称的,还会导致Pe出现波动,直流侧电压含有二倍频谐波。由光伏阵列PV特性可知,在电网电压跌落期间逆变器直流母线电压虽然上升且会有谐波,但是电压幅值最大也只能达到光伏阵列的开路电压,低于电压保护动作值。

综上可知,在电网电压跌落期间引起光伏电站脱网的主要原因是并网电流超出逆变器的过电流保护值,同时,产生的负序电流还会进一步增加并网电流的幅值。因此本文选取逆变器输出电流作为控制对象,通过双电流闭环控制系统实现对并网电流正、负序分量的解耦,从而抑制负序电流并确保并网电流不过流,使逆变器在电压跌落期间仍保持并网运行。

3 基于直接电流控制的ZVRT控制方法

式中:P0Q0分别为有功、无功功率均值;Pc2Qc2分别为有功、无功功率二倍频余弦分量幅值;Ps2Qs2分别为有功、无功功率二倍频正弦分量幅值。各功率分量的计算公式为

根据ZVRT规定要求,当电力系统发生故障引起并网点电压跌落时,光伏电站注入电网的动态无功电流IT应满足:①自电压跌落时刻起,IT的响应时间不大于30 ms。②自IT响应时刻起直到电压恢复至0.9 p.u.期间,注入电网的IT应实时跟踪并网点电压变化,并满足

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[2]康龙云,郭红霞,吴捷(Kang Longyun,Guo Hongxia,Wu Jie).分布式电源及其接入电力系统时若干研究课题综述(Characteristics of distributed generation system and related research issues caused by connecting it to power system)[J].电网技术(Power System Technology),2010,34(11):43-47.

在ZVRT期间,为满足分段不等式(9)要求,令无功电流给定公式表示为

为确保并网电流在电网电压跌落期间对称不过流,且按《规定》要求向电网注入无功电流,可得到电流各序分量的指令值(以下标ref表示)为

GST基因在薇甘菊颈盲蝽不同部位皆有表达,总体而言,其在雄虫各部位的表达量均显著高于雌虫(残体除外),雄虫翅膀、触角、足部、残体中的表达分别是雌虫相应部位的4.49倍、2.11倍、1.68倍、1.33倍。雌虫和雄虫GST在各部位的相对表均以足部表达量为最高,且显著高于翅膀、触角及残体中的表达量(图4)。

基于直接电流控制的ZVRT技术就是根据并网点电压的跌落深度直接给定逆变器输出电流各序分量的指令值,从而得到相应的SPWM信号,通过引入双电流闭环控制实现对正、负序电流有功、无功分量的解耦,使输出电流快速跟随指令电流。

对式(5)在零初始状态下进行拉式变换,可得到复频域下光伏系统的逆变器输出电流为

我与小狗认识了一段时间,成了一对“好朋友”。我放学回家,它就摇着尾巴迎接我,我也常常骑着“小宝马”带小狗出去玩。一次,我见小狗总打喷嚏,就带小狗去公园玩,晒晒太阳,可小狗突然晕了过去,我赶紧带它去看兽医,兽医叔叔说:“小狗得了感冒,要好好照顾,再吃些药就会有好转。”

由式(12)可知,当发生电压跌落时,并网电流的正、负序分量不但受电网电压的影响,同时还受dq轴交叉耦合分量的影响。为消除电网电压干扰,实现对电流的解耦控制和无静差调节,经前馈解耦,得到SPWM发生器的正、负序指令电压(以下标ref表示)为

式中,KpKi为PI控制器参数。

基于直接电流控制的ZVRT控制框图如图3所示。

图3 基于直接电流控制的ZVRT控制结构 Fig.3 Control strucure of ZVRT based on direct current control

在直接电流控制的ZVRT过程中,为了使实际电流较快地跟随给定值,需对电流环进行设计。由于光伏系统中的SPWM模块存在数据采样延迟环节e-Tss及控制延迟环节e-0.5Tss,所以可将逆变器的传递函数GPWM(s)等效成一个高增益的惯性环节,即

式中:KPWM为桥路PWM的等效增益;Ts为开关周期(采样周期)。

根据基尔霍夫定律,滤波电路的传递函数GL(s)为

为简化分析,将PI控制器的传递函数GPI(s)写成零极点的形式,即

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式中,τi为时间系数。

从而得到ZVRT中电流环的控制框图如图4所示。

图4 ZVRT中的电流环模型 Fig.4 Current loop model of ZVRT

在设计电流环时,要让其具有较快的电流跟随性能,在此按照典型Ι型系统进行设计。由图4可以看出,只需用PI控制器的零点消除控制对象传递函数中的极点即可,即τi=L/R。经校正后电流环的开环传递函数Hoi(s)为

采用二阶最优的方式对参数进行整定,要求阻尼比ζi=0.707,即

求解得

为验证基于直接电流控制ZVRT方法的正确性,本文以三相接地故障和单相短路故障为例,在Matlab/Simulink平台中搭建额定功率为250 kW的光伏发电系统,并将其通过变压器与35 kV大电网相连,对光伏并网点电压跌至0的对称故障和非对称故障进行仿真研究。具体参数如表1所示。

式(19)为直接电流控制的ZVRT中PI控制器参数的计算公式。

4 锁相环的设计

锁相环PLL(phase locked loop)能够跟踪、锁定交流信号的相位,其性能将直接影响逆变器控制[18]。软件锁相环SPLL(soft phase locked loop)在三相系统中应用较为广泛,其控制框图如图5所示。电网电压eaebecdq变换为直流量edeq,若所求相角与电网电压相角相同,则eq等于0;若eq不为0,则说明输出相角不是电网电压的相角。此时给定参考值eq,ref为0,通过PI调节器完成eq的控制并实现锁相。

图5 SPLL控制结构 Fig.5 Control structure of SPLL

当电网电压不对称时,其负序分量经dq变换后eq中含有二倍频分量,此时传统的SPLL无法完成锁相,需对其进行改进。为此,引入陷波器滤除eq中的二倍频分量,从而得到正序直流分量,再利用SPLL的控制方法即可锁定电网电压的正序分量相角,从而实现对故障电网的锁相。其控制框图如图6所示。

图6 基于陷波器的SPLL控制结构 Fig.6 Control structure of SPLL based on notch filter

5 仿真实验

对照组:2009—2010级全日制护理本科生,共110人。采用传统课堂讲授教学模式,即教师备课—教师课堂讲授24学时—布置课后思考题—考试。

①体温高于38.5℃;②符合中医辨证:发热重,恶风,有汗或少汗,头痛,鼻塞,鼻流浊涕,喷嚏,咳嗽咳痰,痰稠色白或黄,咽红肿痛,口干渴,舌质红,苔薄黄,脉浮数或指纹浮紫,兼见脘腹胀满,不思饮食,呕吐酸腐,口气秽浊,大便酸臭[2];③监护人知情同意,患儿能够配合治疗。

表1 仿真参数 Tab.1 Simulation parameters

名称电网额定电压/kV电网电压频率/Hz交流侧滤波电感/mH交流侧滤波电容/µF直流侧电容/mF直流侧母线/V开关频率/Hz额定功率/kW并网侧额定电流/A并网过电流保护值/A直流侧过电压保护值/V变压器额定容量/(kV·A)变压器变比参数35 50 0.12 60 65 480 3 000 250 6 7.2 600 250 250/35 000

在电网正常运行状态下,逆变器采用电网电压定向矢量并网控制策略。设定电网在0.15 s发生故障并导致并网点电压跌落,故障持续150 ms,于0.3 s恢复正常。对于电压跌落至0的三相接地故障和A相短路故障,未采用ZVRT控制方法时逆变器的动态响应特性如图7所示;采用直接电流控制的ZVRT方法后并网电流的仿真波形如图8所示。

未采用ZVRT控制方法时,由图7(a)可以看出,在并网点三相电压跌落至0期间,逆变器的直流侧电压从480 V上升560 V,但并未超过直流侧过电压保护值600 V;并网电流幅值则在0.05 s内达到21 A,远远超出过流保护值7.2 A,导致光伏电站脱网。由图7(b)可知,当A相电压跌至0时,直流侧电压会出现二次波动,但电压幅值为520 V,仍然小于过电压保护值;输出电流不对称,幅值达到32 A,同样会导致光伏电站脱网。

图7 未采用ZVRT控制方法时逆变器的动态响应 Fig.7 Dynamic characteristics of inverter without thecontrol method of ZVRT

图8 采用直接电流控制的ZVRT方法时并网电流的仿真波形 Fig.8 Simulation waveforms of grid-connected current with the method of ZVRT based on directed current control

在引入直接电流控制的ZVRT方法后,当三相电压跌至0时,并网电流的仿真波形如图8(a)所示。仿真结果显示:在电压跌落的瞬间,并网电流出现短时振荡,但很快达到稳定;到达稳态时电流幅值被抑制到6.3 A(此时的并网电流全部为无功电流,有功电流为0),未超过并网过电流保护值7.2 A,满足并网运行条件;同时,无功指令电流被给定为1.05 p.u.,实际无功输出电流虽然也会在电压跌落瞬间出现波动,但能在18 ms后迅速追踪到指令值,显示了良好的动态性能,符合ZVRT要求。图8(b)进一步给出了A相电压跌至0时逆变器输出电流的仿真波形。仿真结果显示:在电压跌落期间,输出电流保持三相对称,其负序分量得到有效抑制;电流幅值并无明显增大,未超出并网电流电流保护值;无功电流也能在30 ms内跟踪指令值,同样满足ZVRT要求。

6 结语

本文详细讨论了电网电压跌落期间光伏并网逆变器的动态特性,提出一种基于直接电流控制的ZVRT控制方法,并设计了一种基于陷波器的SPLL以实现对故障电网的锁相。分别以三相对称故障和单相不对称故障为例,在Matlab/Simulink平台上进行电网电压跌至0时的仿真实验。通过对比分析采用本文方法前后光伏系统并网电流的响应波形,可以得出:采用该方法时,并网电流在故障期间无负序分量并保持三相对称,幅值未超出过电流保护值,无功电流能在规定时间内跟踪到指令值,从而实现了光伏电站的ZVRT,为大型光伏发电系统的并网运行提供了理论依据。

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式中:UT为光伏电站并网点电压标幺值;IN为并网侧额定输出电流。

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青岛港:初步测算,青岛港约8.3%的美国航线箱量将受到影响。青岛港集装箱吞吐量中美国航线占比为21%,国际航线受影响程度约1.8%。

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博物馆本身具有公益性和非营利性,与其他公共文化服务机构相比,其本身具有其他公共文化机构缺失的珍贵文物资源。博物馆内具有丰富的展品珍藏,是人类发展和生存的历史见证,若能够有效利用这些丰富的历史珍藏,不仅能够使人们全面了解到古老历史文化知识,而且还在公众内心中产生重要的影响作用和教育作用。目前我国经济得到快速发展,公众对文化需求也提出更高的要求,因此对博物馆的文化服务也具有更高的要求,有权要求博物馆在展示展品的时候提供更好的文化服务。博物馆内具有丰富浓厚的历史文化珍藏,承载着浓厚的教育资源,因此博物馆的公共价值通过教育得到充分实现。

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由于继续盘问的时限从十二小时可以延长至二十四小时,特殊情形可以延长至四十八小时,所以存在着民警在适用继续盘问措施时的随意性,只要在最长四十八小时的时限内,民警就可以任意留置相对人。

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“小刘和报社签订有劳动合同,她在所供职报社报纸上发的稿件,取得的收入,与其他收入一起,合并为工资薪金所得,并非新个税法中所称的稿酬所得。她投稿给其他媒体、电台的时评收入,属于稿酬所得。”济南市税务局个人所得税处负责人答复,修改后的新个税法允许劳务报酬、稿酬、特许权使用费等三类收入在扣除20%的费用后计算纳税。也就是说,按原收入额打八折计算纳税。

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唐仲杰,董海鹰,张蕊萍,黄巨朋
《电力系统及其自动化学报》2018年第03期文献

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