光伏系统电压穿越控制策略研究.pdf

第 18 卷第 2 期 2023 年 6 月 电 气 工 程 学 报 JOURNAL OF ELECTRICAL ENGINEERING Vol.18 No.2 Jun.2023 DOI：10.11985/2023.02.024 光伏系统电压穿越控制策略研究 王小立1 张汉花1 薛 飞1 徐恒山2(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 银川 750001；2.三峡大学电气与新能源学院 宜昌 443002)摘要：针对两级光伏系统在电网电压穿越时难以对直流系统电压进行快速稳定调控的问题，提出一种功率-电压混合控制策略。并网电压较为稳定时，并网逆变器进行直流电压调控，升压电路工作在最大功率跟踪(Maximum power point tracking，MPPT)模式；并网电压穿越时，逆变器保持对直流电压的调控能力，升压电路由 MPPT 控制切换到电压控制，实现对直流电压的快速、稳定调控，降低直流电压波动量，提高直流系统的电压稳定性。为了证实提出的功率-电压混合控制策略在电压穿越时对直流系统的稳定调控能力，基于 RT-LAB 半实物测试平台，进行了并网光伏系统电压穿越时的动态试验。试验结果表明，相比于传统控制策略，在电压穿越时，改进的功率-电压混合控制策略能够将直流系统的电压波动量从 78 V 减小到 7.7 V，将电压波动率从 19.5%降低到 1.9%，提高了直流系统的电压稳定性。关键词：光伏系统；最大功率跟踪；混合控制；电压波动；直流母线电压 中图分类号：TM561 Research on Control Strategy of Photovoltaic System for Voltage Ride Through WANG Xiaoli1 ZHANG Hanhua1 XUE Fei1 XU Hengshan2(1.State Grid Ningxia Electric Power Research Institute,Yinchuan 750001;2.College of Electrical Engineering&New Energy,China Three Gorges University,Yichang 443002)Abstract：Aiming at the problem that it is hard to fast and rapidly regulate DC systems voltage during grid voltage ride through in two-stage photovoltaic system,a power-voltage hybrid control strategy is proposed.When grid-connected voltage is relatively stable,inverter participates in DC voltage regulation,and boost converter works in maximum power point tracking(MPPT)mode.When grid voltage ride through happens,inverter maintains ability to control DC voltage,while boost converter switches from MPPT mode to voltage control to realize stable DC voltage regulation rapidly,with reduced fluctuation and improved DC system stability.To verify stable regulation ability of proposed power-voltage hybrid control strategy during grid voltage ride through,a dynamic experiment of grid-connected photovoltaic system under grid voltage ride through is carried out based on RT-LAB hardware-in-the-loop test platform.The results show that compared with traditional control strategy,the improved power-voltage hybrid control strategy can decrease DC voltage fluctuation from 78 V to 7.7 V,and reduce voltage fluctuation rate from 19.5%to 1.9%,which improves voltage stability of DC system.Key words：Photovoltaic system；maximum power point tracking；hybrid control strategy；voltage fluctuation；DC bus voltage 1 引言 当电网发生电压穿越或光照量突变时，光伏系 20211231 收到初稿，20220420 收到修改稿 统直流电压会随之发生较大波动，不仅损害直流电容的寿命1-2，也会影响并网光伏系统的输出特性，进而导致并网电压和频率发生偏移，危害电网的稳定运行。因此，当电网发生电压穿越时，维持光伏系统的电压稳定性尤为重要3-5。针对光伏系统的电压稳定控制，国内外学者展月 2023 年 6 月 王小立等：光伏系统电压穿越控制策略研究 237 开了大量研究。文献6-9将电压反馈引入逆变器控制中，实现了光伏直流系统电压的稳定控制，但在电压穿越时，电网电压波动会被传递到直流母线上，导致直流电压发生振荡；文献10提出了改进占空比调制法，有利于两级光伏系统的母线电压稳定运行，但计算量较大，对控制器的采样精度和计算速度要求更高；文献11将附加功率环路引入逆变器控制中，提高了功率波动下电压的调控能力，但未探讨电压穿越时逆变器对直流电压的调控能力；文献12将比例-谐振(PR)控制与 LC 型滤波结合，形成软-硬件双回调控策略，提高了光伏系统的鲁棒性，但 PR 控制对非设定频率的故障或扰动响应特性较差，而电压穿越可能使并网点频率发生变化，导致上述策略失效；文献13提出了一种改进的电流反馈和电压前馈控制策略，能有效对交流小扰动进行稳定调控，但在面对电压穿越等大扰动故障时，该方法依然无法保证直流系统的稳定运行。综上所述，现有研究大多从逆变器角度对并网光伏直流系统进行稳定控制，鲜有关注前级升压电路对直流系统电压稳定控制的潜在价值。基于上述研究现状，本文提出一种改进的功率-电压混合控制策略。当系统发生小扰动时，利用逆变器对直流系统电压进行稳定控制；当系统发生电压穿越等大扰动时，将升压电路切换到电压控制模式，利用双侧(光伏侧和网侧)变流器对直流系统的电压进行快速稳定调控。2 并网光伏结构 两级光伏系统的典型结构如图 1 所示，光伏阵列PV发出的电能经升压电路得到稳定直流电压ub，Cb为母线电容。并网逆变器将 ub变换为高频方波电压，经滤波器形成交流电压并与电网并联运行。图 1 典型两级并网光伏系统的结构图 图 2 为光伏系统的典型电路图，ipv为 PV 的输出电流，upv为 PV 的端口电压，Cpv为稳压电容，L为 Boost 电路(升压电路)电感，iL为流过 L 的电流，Q1Q5为开关器件，g1g5为 Q1Q5的控制信号，D1为二极管，Lg和 Cg为滤波电感和电容，ig和 ug为并网电流和电网电压。图 3 为光伏阵列的等效电路，其中，光生电流iph与光照强度 J 近似呈线性关系。等效串联电阻 Rs和并联电阻 Rsh与光伏阵列的材料和工艺有关，Dph和 iD分别表示 PN 结及其电流，ish为 Rsh的电流。图 2 两级并网光伏系统的典型电路图 图 3 光伏阵列的等效模型 光伏输出功率 ppv=ipvupv可表示为 2pvsshpvsatphsh pvs()()()+LambertW OpRRiqIiR iakqTR=+(1)ssh sat pvs pvsh satsh phs pvsh pv()expeR R I iOa k TqRiR IR iRiR ia k T=+(2)式中，LambertW()表示朗伯 W 函数；Isat、a、k、q和 T 分别为反向饱和电流、品质系数、波兹曼常数、电荷量和温度。ppv与 upv存在如图 4 所示的非线性关系，以型号为 APM36P40W67x58 多晶硅为例，当 upv=Up=23 V 时，Up为光伏输出峰值功率 Pp时的电压。因此，为了高效率利用光伏功率，需要将 upv调节为 Up。图 4 光伏单元功率-电压的关系曲线 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 238 3 控制策略 3.1 传统控制策略 图 5 展示了光伏系统的传统控制策略14-15，升压电路的采样信号包括 upv(k)和 ipv(k)，k 为采样序列，其控制器仅能工作于最大功率跟踪(Maximum power point tracking，MPPT)模式，通过 upv(k)和 ipv(k)的采样结果，计算升压电路的控制信号，驱动光伏工作在最大功率点，该方式下升压电路不能对 ub进行控制。逆变器的采样信号包括 ug、ig和 ub，根据ig和 ug计算开关器件的控制信号，通过调节 ig的大小对输出功率进行调控，进而实现对 ub的控制16。图 5 传统 MPPT 算法的原理 图 5 所示的这种控制方式只能通过逆变器调节Cb的放电功率实现对 ub的调控，在电压穿越时，将导致升压电路的充电功率在短时间内高于逆变器的输出功率，使 ub急速上升。图 6 给出了 ub的控制环路17-18，Ub,ref为 ub的参考信号，iref为 ig的参考信号，为 ug的相位角，PLL 为锁相环。电压控制器 1 和电流控制器均采用PI控制器，电压控制器1的比例和积分参数记为kv1,p和 kv1,i，电流控制器的比例和积分参数记为 kc,p和kc,i。图 6 传统策略下 ub的控制环路 电压控制器 1 的传递函数 Gv1(s)为19 v1,iv1v1,p()kGsks=+(3)ub和 iref的关系可表示为 v1,irefb,refbv1,p()sinkiUuks=+(4)iref与 ug的关系为 grefgpiu=(5)式中，pg为瞬时并网功率。结合式(4)、式(5)可知 ub与 ug的关系为 gbb,refgv1,pv1,isinpsuUuksk=+(6)由于 pg=igug，式(6)可改写为 gbb,refv1,pv1,isinisuUksk=+(7)当 ug发生突变时，ig也随之变化，进而导致 ub发生波动。仿真参数设置如下：Ub,ref=400 V、ug的有效值 Ug=220 V、ug的频率 fg=50 Hz、光伏系统开关频率 fs=20 kHz、Cb=2 000 F、L=60 mH，在图 5所示的控制策略下，当 ug发生穿越时，如图 7a 所示，并网控制器来不及调控 ug，导致 ub随之发生剧烈扰动，在 Cb上形成如图 7b 所示的电压冲击，对光伏系统的稳定运行造成危害。当 t=1.0 s 时，ug从220 V(峰值 311 V)穿越到 286 V(峰值 404 V)，由于网侧逆变器的控制器不能在短时间内对ub进行快速调控，导致 ub从 400 V 突升到 445 V，且出现振荡。在 t=1.2 s 时，ug从 286 V 恢复到 220 V，因为逆变器的控制器不能对 ub进行快速调控，导致 ub突降到354 V。图 7 传统控制策略下电网电压穿越时直流电压的波形 3.2 改进的电压-功率混合控制策略 为了应对电压穿越时 ub随之剧烈波动的问题，本文提出了一种电压-功率混合控制策略。当 ug不发生波动时，升压电路采用 MPPT 控制，逆变器参与直流电压控制。当 ug发生穿越时，升压电路由 MPPT月 2023 年 6 月 王小立等：光伏系统电压穿越控制策略研究 239 控制切换到电压控制，协同逆变器对 ub进行快速、稳定调控。图 8 展示了电压-功率混合控制策略的原理，Sm为 MPPT 控制与电压协同控制的模式切换信号。图 8 提出的电压-功率切换控制策略的原理图 ug信号判断模块检测出 ug未发生波动的情况下，升压电路进入 MPPT 控制，Sm信号切换到位置，ub的稳定调控仅依靠逆变器实现。当 ug信号判断模块检测出 ug发生大扰动且波动量超过阈值时，Sm信号切换到位置，升压电路协同后级逆变器对ub进行快速稳定调控。当扰动消失后，升压电路重新切换到 MPPT 控制。ug信号判断模块的理论阈值为ug,lim，可表示为 g,lim,uggmax()(1)uhu ku k=(8)式中，k 为采样序列，ug(k)和 ug(k1)分别表示 ug在第 k 和 k1 个采样周期内的采样值，h,u为功率-电压切换的动作系数。h,u取较小值时，控制系统对电网电压波动感应较为灵敏；反之，则较为迟缓。ug(k)可表示为 ggg s()2sin(2)u kUf t k=(9)式中，ts为采样周期，ts=1/fs，采样频率等于开关频率，均为 fs。当 Uac=220 V、fg=50 Hz、h,u=1 时，图 9 给出了当 fs=10 kHz、20 kHz 和 30 kHz 时，ug,lim与时间 t 的关系曲线。fs越大，ts越小，ug,lim的峰值越小。图 9 当 Uac=220 V，fg=50 Hz 时ug,lim与 t 的关系曲线 当 fs=10 kHz 时，ug,lim的峰值约为 9.76 V；当fs=20 kHz 时，ug,lim的峰值约为 4.89 V；当 fs=30 kHz时，ug,lim的峰值约为 3.26 V。fs越高，光伏系统的开关周期越小，相邻开关周期的时间越短，而ug,lim通过 ug在相邻开关周期的实时值计算得到，因此，fs越高，由式(8)计算得到的ug,lim越小。为了保证控制系统对 ug的可靠响应，阈值设计应留有一定余量，可将ug,lim的峰值Ug,lim,pk设计为动作阈值。传统控制方式中，过压保护(Over voltage protection，OVP)可防止 Cb因过压而被击穿，但 OVP的动作会关闭两侧继电器，出现功率断续。为了避免此问题，改进的功率-电压混合控制策略在对 ub进行调控的同时，还可保证功率连续输出，设定 ub的过压保护值为 Ub,ov，当 ub超过 Ub,ov时，升压电路切换到电压控制模式；反之，升压电路进入 MPPT模式。通过上述逻辑可进一步对 ub进行稳定控制，同时保证光伏功率的连续输出。图 10 给出了混合控制策略的流程图，包含 5个执行步骤。第一步：对光伏进行采样，采样信号包括 upv、ipv、ub、ug和 ig。第二步：根据响应灵敏度需求设计 h,u，h,u应大于 1，为了提高响应灵敏度，可将 h,u设计为较小值，本文将 h,u设置为 1.5。第三步：根据式(8)、式(9)计算 ug信号判断模块的动作阈值，并将理论阈值ug,lim的峰值Ug,lim,pk设计为实际阈值。第四步：在第三步中，如果|ug(k)ug(k1)|Ug,lim,pk，进一步判断 ub是否处于过压状态，即判断ub(k)Ub,ov是否满足要求，如果满足要求，升压电路进入电压控制；反之，升压电路进入 MPPT 控制。第五步：将执行流程跳转到第一步，执行上述循环。图 10 功率-电压混合控制策略的流程图 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 240 图 11 给出了电压-功率切换控制策略下 ub的控制环路，电压控制器 2 的比例和积分参数分别记为kv2,p和 kv2,i。图 11 电压-功率切换控制策略下 ub的控制环路 S1为升压电路的调制信号。电压控制器 2 的传递函数 Gv2(s)可表示为 v2,iv2v2,p()kGsks=+(10)此时，S1与 ub的关系为 v2,i1v2bv2,pbkSG ukus=+(11)从式(11)可知 b1v2,pv2,isuSksk=+(12)将光伏侧和网侧的控制综合考虑，结合式(6)和式(12)，可得 ub为 g1bb,refv1,pv1,iv2,pv2,i+siniS ssuUkskksk=+(13)从式(13)可以看出，通过调控信号 S1，可抵消由 ig的波动引起 ub的波动。图 12 展示了改进控制策略下光伏系统的仿真结果，为了增加对比性，仿真参数设置与图 7 一致。当 t=1.0 s 时，PV 的光照强度为 1，处于图 4 所示的高功率区域，ug从 220 V突升到 286 V，ub的波动量低于 2 V，相比于传统控制策略下(图 6)的结果，图 12 的波动量得到大幅减小。当 t=1.2 s 时，ug从 286 V 恢复到 220 V，ub的波动量依然被控制在 2 V 以内。表 1 对比了两种控制策略的仿真结果，传统控制策略下，ub波动范围为 354445 V，ub的最小值ub,min和最大值 ub,max分别为 354 V 和 445 V，波动量ub和波动率分别为 91 V 和 22.8%；在改进的功 率-电压混合控制策略下，ub的波动范围为 389409 V，ub,min和 ub,max分别为 389 V 和 409 V，ub和分别为 20 V 和 5%。结果表明，相比于传统控制策略，改进的功率-电压混合控制策略在 ub的稳定性控制上具有更好的特性。图 12 高功率区改进控制策略下电网电压突变时 直流母线电压的波形 表 1 传统策略与功率-电压混合控制策略的仿真对比 对比项目 传统控制策略 功率-电压切换控制策略 ub,min/V 354 389 ub,max/V 445 409 ub/V 91 20(%)22.8 5 试验条件：1.t=1 s 时，ug从 220 V 突然上升到 286 V；2.t=1.2 s 时，ug从 286 V 突然下降到 220 V；3.ub的参考值 Ub,ref=400 V 图 13 展示了当光照强度为 0.1，即 PV 工作于低功率区域时的仿真波形，由于光伏系统功率较小，因此，ub的纹波很小(小于 2 V)，t=1.0 s 时，ug突升，导致 ub突升，但 ub的最大值仅为 409 V；t=1.2 s，ug突降，导致 ub突降，但 ub的最低值约为 385 V。因此，在 ug突升和突降的过程中，ub的波动量约为24 V，波动量约为 6%，结合图 12 可知改进控制策略在高功率区对 ub的稳定控制效果优于低功率区。图 13 低功率区改进控制策略下电网电压突变时 直流母线电压的波形 月 2023 年 6 月 王小立等：光伏系统电压穿越控制策略研究 241 4 试验验证 为了验证改进控制策略在电压穿越下对ub的稳定调控作用，基于图 14 所示的 RT-LAB 半实物测试平台进行了并网光伏系统的动态试验，控制器芯片型号为 TI DSP 28335。图 14 RT-LAB 半实物测试平台 表 2 给出了测试模型的参数设置情况，光伏型号为 APM36P40W67x58，短路电流 Isc、开路电压Uoc、峰值电压 Up、峰值电流 Ip和峰值功率 Pp分别为 2.91 A、21.5 V、17.5 V、2.29 A 和 40 W。光伏阵列的单元并联数Npara和串联数Nser分别为50和3，fs=20 kHz，Ub,ref=400 V，Ug=220 V，h,u=1.5。表 2 测试模型的参数 参数 数值与型号 光伏板型号 APM36P40W67x58 光伏板短路电流 Isc/A 2.91 光伏板开路电压 Uoc/V 21.5 光伏板峰值电压 Up/V 17.5 光伏板峰值功率 Pp/W 40 光伏板峰值电流 Ip/A 2.29 光伏板并联数 Npara 50 光伏板串联数 Nser 3 系统开关频率 fs/kHz 20 ub的参考值 Ub,ref/V 400 并网电压 Ug/V 220 功率-电压切换的动作系数 h,u 1.5 为了便于分析，在测试时仅通过示波器调取 ub的交流分量 ub,ac。图 15 展示了传统控制策略下当 ug发生高电压穿越时 ub和 ug的测试波形，t=0.2 s 时，ug的峰值由 311 V 突升到 404 V，ub,ac由 0 V 上升到32 V。t=0.4 s 时，ug的峰值由 404 V 恢复到 311 V，ub,ac从 0 V 降低到46 V，因此，ub的波动量ub8 V，波动率 约为 19.5%。较大主要是因为传统控制策略仅依靠电压控制器 1 对 ub进行调控，当 ug突然变动时，电压控制器 1 来不及对 ub进行快速调控，导致 ub发生较大波动。由于并网电流 ig无法在电压穿越下得到快速调控，导致 Ub,ac,max和 Ub,ac,min均远离其参考值 Ub,ref，发生较大波动。图 15 传统控制策略下的动态测试波形 图 16 展示了改进功率-电压切换控制策略下当电网电压穿越时 ug和 ub的测试波形。t=0.2 s 时，ug的峰值由 311 V 突升到 404 V，ub,ac由 0 V 上升到4 V；t=0.4 s 时，ug的峰值由 404 V 恢复到 311 V，ub,ac从 0 V 降低到3.7 V，因此，ub的波动量ub7.7 V，波动率约为 1.9%。综合图 15 和图 16 的测试结果可知，在相同的试验条件下，相比于传统控制策略，改进的功率-电压切换控制策略能够有效地降低 ub的电压波动率。由于所提控制方法能够及时对前级功率进行调控，ig只需要在较小范围内保持稳定即可保证 ub的稳定性，降低了并网逆变器的控制难度。图 16 采用功率-电压切换控制策略时 ug的测量波形 将 Cb由 1 mF 提高到 10 mF 时，图 17 展示了当 Cb=10 mF 时传统控制策略下的实测波形。t=0.2 s时，ug的峰值由 311 V 突升到 404 V，ub,ac由 0 V 上升到 15 V；t=0.4 s 时，ug的峰值由 404 V 恢复到311 V，ub,ac从 0 V 降低到14 V，因此，ub的波动量ub29 V，波动率约为 7.25%。即使增加电容容 电 气 工 程 学 报 第 18 卷第 2 期期 242 值 Cb，在传统控制策略下，ig的变化也较大，进而导致母线电压随之波动。ug突升时，由于前级电路不能降功率控制，而 ig需要的调控量不能及时得到保证，导致 Ub,ac,max增大；ug突降时，前级电路功率保持恒定，ig需要的调控量依然无法快速得到满足，导致 Ub,ac,min较低。图 17 传统控制策略下 Cb=10 mF 时 ub和 ug的测量波形 结合图 15 和图 17 的测试结果可知：增大 Cb值有利于降低传统控制策略下 ub的波动率，因而，ub由图 15 中的 88 V 减小到了图 17 中的 29 V，也由图 15 中的 19.5%减小到了图 17 中的 7.25%。在改进的电压-功率混合控制策略下，当Cb=10 mF 时，测试结果如图 18 所示，无论是在t=0.2 s 时，ug的峰值由 311 V 突升到 404 V，还是在 t=0.4 s 时，ug的峰值由 404 V 恢复到 311 V，ub的波动量均可被忽略。由于前级电路对功率的控制，加上并网逆变器对并网电流的调控，以及大电容对直流电压的稳定作用，当 ug发生突升或突降时，ub基本无变化，具有良好的稳定性。图 18 电压-功率混合控制策略下当 Cb=10 mF 时 ub和 ug的测量波形 结合图 17 和图 18 的测试结果，可以进一步得出如下结论：相比于传统控制策略，在母线电容值相等的情况下，改进的功率-电压混合控制策略在电压穿越时能够提高直流母线电压的稳定运行能力。表 3 展示了两种控制策略下当 Cb=10 mF 时的对比结果，试验条件设置如下：t=0.2 s 时，ug发生高电压穿越，t=0.4 s 时，ug发生低电压穿越。当 ug发生穿越时，传统控制策略下 ub的交流分量 ub,ac上升到 32 V，改进控制策略下 ub,ac上升到 4 V；当 ug发生电压突降时，传统控制策略下 ub,ac跌落到46 V，改进控制策略下 ub,ac跌落到3.7 V。在高电压穿越和电压突降过程中，传统控制策略下 ub的波动量ub为 78 V，电压波动率为 19.5%，改进的混合控制策略可将ub减小到 7.7 V 以内，将电压波动率减小到 1.9%以内。对比结果表明，改进的功率-电压混合控制策略能够提高电网电压穿越时直流系统的稳定性。表 3 两种制策略的实测结果对比情况 对比项目 传统控制策略 功率-电压切换控制策略 ub,ac,min/V 46 3.7 ub,ac,max/V 32 4 ub/V 78 7.7(%)19.5 1.9 注：对比条件：t=0.2 s 时，ug(峰值)从 311 V 突然上升到 404 V；t=0.4 s 时，ug(峰值)从 404 V 突然下降到 311 V；ub的参考值Ub,ref=400 V。5 结论 针对电压穿越或突变时并网光伏的直流系统电压难以维持稳定运行的问题，提出了改进的功率-电压混合控制策略，仿真和试验结果表明：相比于传统控制策略，改进的功率-电压混合控制策略能够在电压穿越和电压突变时将直流电压波动量从78 V减小到 7.7 V、将直流电压波动率从 19.5%降低到1.9%。在改进控制策略下，并网光伏系统的直流电压对电压穿越和电压突变故障具有良好的免疫作用，能够为直流系统的稳定运行提供保障。参 考 文 献 1 曹斌，刘文焯，原帅，等.基于低电压穿越试验的光伏发电系统建模研究J.电力系统保护与控制，2020，48(18)：146-155.CAO Bin，LIU Wenzhuo，YUAN Shuai，et al.Modeling of photovoltaic power system based on low voltage ride-through testJ.Power System Protection and Control，2020，48(18)：146-155.2 王景钢，刘轶.考虑光伏逆变器电流裕度的主动配电网月 2023 年 6 月 王小立等：光伏系统电压穿越控制策略研究 243 动态电压支撑策略J.电力系统保护与控制，2021，49(6)：105-113.WANG Jinggang，LIU Yi.Dynamic voltage support strategy for an active distribution network considering the current margin of a photovoltaic inverterJ.Power System Protection and Control，2021，49(6)：105-113.3 肖峰，韩民晓，唐晓骏，等.含大规模光伏并网的弱送端系统的电压稳定性J.中国电力，2020，53(11)：31-39.XIAO Feng，HAN Minxiao，TANG Xiaojun，et al.Voltage stability of weak terminal systems with large-scale grid-connected photovoltaicJ.Electric Power，2020，53(11)：31-39.4 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