基于模型电流预测控制的光伏电站低电压穿越控制方法

发布时间：2022-04-11

　　摘要：在传统光伏电站低电压穿越技术之上，提出了一种基于模型电流预测控制的光伏并网逆变器低电压穿越控制方法，模型电流预测控制方法能够使逆变器的输出电流迅速地跟随参考电流指令，具有良好的动态特性。在光伏电站并网点发生故障期间，能够迅速控制光伏电站无功功率的输出，为并网点提供电压支撑，减少无功设备的投资，同时也提高了系统的暂态稳定性。在 PSCAD/EMTDC仿真平台上进行了三相短路故障、单相短路故障和大负荷扰动3个仿真实验，另外对模型电流预测控制的输出响应和稳态性能进行了仿真分析，仿真结果表明，光伏电站在低电压期间为电网提供电压支撑，验证了所提出控制方法的有效性。

　　关键词：光伏电站;并网逆变器;模型电流预测;低电压穿越

　　0 引言

　　为了解决能源短缺危机和缓解环境保护压力，大力发展以光电、风电等为代表的新能源开发和利用，已经成为各国研究人员和决策者们的共识[1-3]。随着接入电网的新能源规模越来越大，其对电网造成的影响也越来越大，如大容量的光伏电站接入和切除，将对电力系统稳定造成重大影响，另外由于新能源电站内采用了大量电力电子器件，电网发生故障也会损坏这些器件[4-5]。因此，国家电网公司最新的并网接入标准中要求大型光伏电站应该具备低电压穿越(LVRT)能力。

　　光伏电站实 现 LVRT 能力的关键设备是光伏并网逆变器。文献[6]采用了一种单级非隔离型光伏逆变器的 LVRT 控制策略，通过对逆变器的有功电流和无功 电 流 进 行 协 调 控 制，实 现 LVRT，但 是该控制策略采用了传统的双闭环控制，控制电路中含有多个比例—积分(PI)控制器，因此，在实际工程中调节 PI控制参数较为困难。

　　文献[7]提出了一种电网电压不平衡条件下简单而快速的正序分量分离算法，实现了三相不平衡条件下并网逆变器的快速锁相技术，并基于该锁相技术及正负序分离算法，设计了光伏逆变器的LVRT，但是其未对电网电压跌落20%以上的情况进行研究，控制算法在电网严重故障下的稳定性和可靠性不能保证。

　　文献[8]对 模 型 电 流 预 测 用 于 并 网 逆 变 器 的LVRT 控制进行了研究，但是该研究基于中点钳位型逆变器，并非国内光伏电站普遍采用的三相两电平桥式逆变器，且该文献并未对逆变器正常运行下电流参考值的计算问题进行研究，也未考虑逆变器在故障期间的无功支撑问题。

　　在文献[9-12]基 础 上，本文采用模型电流预测控制(MCPC)技 术，将该控制策略应用于光伏单级三相并网逆变器控 制 上，能够显著改善传统的LVRT 技术，具 有 良 好 的 动 态 响 应，能 够 快 速 根 据电网电压的跌落情况进行有功功率和无功功率的分配，为并网点提供电压支撑。另外，该控制方法中舍弃了传统控制方法中的电流线性控制器和脉宽调制(PWM)模块，控制算法简单，数字信号处理芯片实现起来十分容易，工程上易于实施。

　　1 光伏电站 LVRT技术要求

　　国家电网公司出台的《光伏电站接入电网技术规定》指出：光伏电站应满足的LVRT 要求，见图1。

　　由图1可 以 看 出，LVRT 要 求 为：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0.15s;②光伏电站并网点电压跌至曲线1(0.15s之 后 的 曲 线)以 下 时，光 伏 电 站 可 以 从 电 网 切出[13]。在曲线1上方，要求光伏电站不脱网连续运行;在曲线1下方，光伏电站可以从电网切出。

　　2 光伏电站的控制策略

　　2.1 基于模型电流预测的控制原理

　　模型电流预测控制技术是基于功率开关器件有限个开关状态(即开通和关断两种状态)，并且系统的模型可以预测在不同开关状态下有限个控制变量的行为[14-18]。基于模型电流预测的控制策略可以通过构造一个价 值 函 数c，建立逆变器的模型及其所有可能的开关状态，建立负荷的预测模型。对负荷模型进行离散化，通过价值函数来评价变量在下个周期的控制行为，一般选取负荷电流来构造价值函数。

　　3 仿真验证

　　3.1 算例参数说明

　　本文基于 PSCAD/EMTDC仿真平台对光伏电站并网点三相接地故障、单相短路故障和大负荷扰动进行了仿真研究，对所提出的基于模型电流预测LVRT 策略的可行性与正确性进行验证，如图5所示。

　　单个 光 伏 发 电 单 元 的 容 量 为 0.5 MW，2 个0.5MW的光伏发电单元组成一个容量为1 MW 的光伏电站，并通过一个1000kVA/10kV 的双绕组分裂变压器接入电网。架空线路选择 LGJ-240/40，长度为10km。

　　3.2 对称故障

　　在0.5s时10kV 母 线 发 生 三 相 短 路 故 障，短路故障持续时间为0.1s，在0.6s时继电保护装置动作清除故障，系统恢复正常运行。光伏电站在故障前以额定功率运行，功率因数为1。

　　由于逆变器的限幅作用，在电压发生跌落后，逆变器输出电流与故障前相比基本保持不变，而通过LVRT 控制向电网注入无功功率来支撑电网电压，使电压与电流的相位差发生了显著变化，如附录 A图 A1(a)所示。

　　仿真模型中光伏电站的容 量 为1 MW，当 电 网故 障 后，光伏电站能够补偿的最大无功功率为1Mvar，为了能够清楚地说明光伏电站对电网电压的支撑作用，在故障期间，以无功优先为原则，即不输出有功电流，设置有功电流参考值i*d =0，设置无功电 流 参 考 值i*q = -1。 由 附 录 A 图 A1(b)、图 A1(c)可以 看 出，采 用 LVRT 控 制 策 略 后，无 功功率 从 0 Mvar 提 高 至 0.65 Mvar，有 功 功 率 从0.9MW降低至0 MW，此 时 光 伏 电 站 不 再 向 电 网提供有功功率，完全成为无功补偿设备，而当故障排除以后，有功和无功功率又可以快速地恢复至故障前的稳态值。

　　三相短路故障下并网点电压对比如图6所示。可以看出，采用 LVRT 控制策略后，逆变器 能 够 快速地根据下达的电流指令进行功率的调节，为电网提供电压支撑，使并网点电压标幺值由0.683提升至0.703。

　　3.3 不对称故障

　　不对称故障包括单相短路接地故障、两相短路接地故障和两相短路故障。以单相短路接地故障为例进行分析。

　　在0.5s时10kV 母线发生 A 相短路故障，短路故障持续时间为0.1s。发生 A 相短路故障时并网点电压变化曲线如附录 A 图 A2所示，此时电压跌落期间并未进行 LVRT 控制。

　　当电网发生 A 相短路故障时，为了维持并网点电压，需要光伏输出一定的无功功率，此时逆变器的输出电压与电流出现相位差，如附录 A 图 A3(a)所示。发生单相故障时，注入电网的电流会出现负序分量，通过相关控制消除零序分量，使得三相并网电流在故障期间仍可以保持平衡，如附录 A 图 A3(b)所示。在故障期间采取 LVRT 控制后，并网点电压补偿效果如图7所示，当光伏电站提供无功支持后，并网点电压比没有无功支持时有所提升。

　　3.4 大负荷接入并网点

　　0.5s时，在10kV 母线末端处，有功负荷突然增大为原来的2倍，并保持该容量不变，负荷突增前光伏电站以额定功率 运 行，功 率 因 数 为 1。采 用LVRT 策略后，电压波形对比如图8所示。

　　采取 LVRT 中的有功和无功控制策略，在负荷变化后，减小逆变器有功功率的输出，增大无功功率的输出，如附录 A 图 A4(a)、图 A4(b)所示，逆变器的输出有功和无功功率能够在负荷变化后跟踪设定的有功和无功指令值。

　　从图8中 可 以 看 出，在 负 荷 投 入 后，若 不 采 用LVRT 中的功率控制策略，10kV 母线电 压 将 跌 落至0.91;采用 LVRT 控制策略后，母线电压提升到0.937，光伏电站能对并网点电压起到支撑的作用。

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　　从仿真算例可以看出，在电网电压跌落时光伏电站能够按照电流指令，快速地向电网提供一定的无功功率，为电网提供电压支撑。但是由于光伏电站本身的容量有限，因此所能提供的无功功率也是有限的。但总体来说，在电网扰动和故障期间，光伏电站的无功输出特性对电网电压能够进行一定程度的支撑作用，提高电力系统暂态稳定性。

　　3.5 与传统控制器的对比分析

　　3.2至3.4节是模型电流预测对光伏LVRT 控制的适用性仿真验证，本节以典型的三相两电平电压源型逆变器并网为例，对模型电流预测控制器和传统的 PI控制器在系统响应和稳定性等方面进行对比分析。

　　在0.3s改变有功电流参考值时，仿 真 结 果 如附录 A 图 A5所示。可以看出，当参考电流变化时，两种控制均可以快速地跟踪电流指令。仿真结果显示，在0.3s时参考信号突变，在0.02s内两种方法都能追踪参考信号的变化。采用 PI控制器响应较电流预测要快，但是 PI控制器的跟踪精度和响应速度受 PI控制器设计者的经验和水平影响较大，而模型电流预测控制的响应速度只依赖于模型参数和采样频率。

　　稳定性分析主要研究电感参数在一定范围内变化时控制策略对参数波动的适应能力，即控制策略的鲁棒性。

　　用阶跃响应来分析控制策略的鲁棒性，控制中电感参数为3.5mH，线 路 参 数 中 电 感 分 别 设 置 为2，3.5，7mH，仿真结果如附录 A 图 A6和图 A7所示。可 以 看 出，随 着 电 感 参 数 的 增 大，调 节 时 间 变长，超调量也增大，但是在整个过程中，稳态特性一致，即 PI控制器能够适应电感参数的变化，具有较强的鲁棒性;在附录 A 图 A7电流阶跃过程中，随着电感的增大，其响应结果与 PI控制的结果一致。且由附录 A图 A5可以看出，模型电流预 测 控 制 策 略在调节过程中的超调量σ为3.16%，低于PI控制器的3.93%，但在稳态过程中，随着电感的减小，与参考指令值之间存在的误差增大，但不超过0.1%，则电感参数在一定变化范围之内，模型电流预测控制具有良好的鲁棒性。

　　控制器内电感参数保持在3.5mH，当 线 路 电感参数发生变化时，对两者控制下变流器输出电流瞬时波形的谐波进行对比，结果如图9所示。

　　由图9可以看出，随着电感参数的增大，两者的谐波 含 量 均 减 小，且 MCPC 的 谐 波 含 量 低 于 PI控制。

　　4 结语

　　电流预测控制与传统的控制方法相比，其优越性和实用性主要表现在以下几个方面。

　　1)控制系统设计方面。控制系统设计简单，省去了大量的 非 线 性 环 节 和 PWM，不需要进行控制器的参数调节。

　　2)约束条件方面。采用了价值函数对变流器的行为进行评价，对于系统其他所需的约束条件可以很容易地添加在价值函数里面进行处理，例如将开关器件的开关频率添加在价值函数中，可以对器件的开关损耗进行限制，这在传统的变流器双闭环控制方法中是没有的。

　　3)系统响应方面。从仿真试验可以看出，在并网点电压跌落时，逆变器能够迅速地根据计算出的无功电流指令输出无功电流并完成对电流的跟踪。

　　4)系统稳定性方面。电流预测控制方法本身具有良好的自适应性与鲁棒性等优势。

　　5)工程应用方面。本文所提方法与传统方法相比，更加易于在数字信号处理器上实现。

　　本文将模型电流预测控制技术应用到光伏电站的 LVRT 控 制 策 略 上，提 出 了 一 种 基 于 模 型 电 流预测控制的光伏并网逆变器 LVRT 控制方法，利用模型电流预测控制策略良好的动态响应，可以快速实现对并网逆变器的控制。在 PSCAD/EMTDC平台上进行了三相对称故障、单相不对称故障和大负荷扰动仿真算例的验证，并对模型精度进行了分析。可以看出，运用该控制策略，光伏电站在故障期间能够实现 LVRT，向电网提供一定无功功率，起 到 了局部电压支撑的作用，减少了传统无功补偿设备，在故障排除以后，能够迅速地恢复正常运行方式，提高了光伏电站的暂态稳定性，具有重要的现实意义。——论文作者：贾利虎，朱永强，孙小燕，王银顺