王进，周春生，王宏亮，李图强，范荣奇

（山东电力调度控制中心，济南250001）

光伏电站不对称故障LVRT控制策略研究

王进，周春生，王宏亮，李图强，范荣奇

（山东电力调度控制中心，济南250001）

基于PSCAD／EMTDC平台建立光伏发电系统电磁暂态模型，分析电网不对称故障时光伏电站输出功率和光伏阵列工作点两倍频波动的产生机理。为滤除负序电流，提出正负序分离改进控制策略使光伏电站输出电流不含负序分量，输出标准正弦电流。为消除直流电压的波动，提出了直流电压波动抑制改进控制策略，使光伏阵列工作点稳定。最后在PSCAD／EMTDC平台进行了仿真验证。

光伏电站；LVRT；不对称故障；正负序分离控制；直流电压波动抑制控制

0 引言

传统的煤炭、石油、天然气等化石能源污染严重且不可再生，终将趋于枯竭。开发、利用太阳能等新能源已成为解决人类社会目前不断增长的能源消费需求与能源紧缺、能源消费与环境保护之间矛盾的必然选择。中国幅员辽阔，有着非常丰富的太阳能资源，光伏发电发展前景潜力巨大［1-2］。截至2015年，我国累计光伏装机容量已达16.6 GW，同比增长近30%。

随着光伏装机规模的不断增长，为确保大容量光伏并网后电网安全稳定运行，要求光伏发电系统具备低电压穿越（LVRT）能力。因此，光伏电站LVRT控制策略是当前光伏发电的研究热点，对保证光伏电站及电力系统安全稳定运行具有重要的理论与工程意义。

1 光伏发电系统电磁暂态模型

1.1 光伏发电单元模型

光伏发电单元模型主要包括光伏电池阵列、并网逆变器、逆变器控制器、动态无功补偿SVG等［3-5］，光伏发电单元模型如图1所示。

图1 光伏发电单元模型

1.2 逆变器控制器数学模型

逆变器是光伏发电单元最核心的元件。逆变器的控制策略决定了光伏电站稳态及暂态特性。假设逆变器通过阻抗为R+jωL的滤波电抗器并入电网，如图1所示，则电压方程

式中：usa、usb、usc为逆变器电压；ia、ib、ic为逆变器电流；ua、ub、uc为电网电压。

对式（1）做旋转变换，可得到同步旋转坐标系下的DC／AC逆变电路的数学模型

逆变器并网输出功率为

采取电网电压定向策略，即将同步坐标系下的d坐标轴定向于电网电压向量方向，此时有

式中：ed为电网电压正序分量。

将式（4）代入式（2）～（3）可得到电网电压定向下的旋转坐标系逆变电路数学模型

由式（6）知，系统输出有功、无功功率实现了解耦控制，即有功、无功功率分别只受id、iq的影响，独立调节id、iq可以控制输出的有功和无功。将式（5）中的一阶动态环节用PI控制器代替，并选取合适的控制参数，就可以得到调制参考电压信号，使得在该参考电压信号下逆变器的输出电流跟踪给定的id、iq。逆变器控制器数学模型如图2所示。

图2 逆变器控制器数学模型

逆变器控制器由电压外环控制和电流内环控制构成。电压外环控制的输入是直流电容电压Udc和由MPPT模块计算得到的的差值，其输出作为电流内环控制d轴分量的参考值。其控制目标有两点，一是使光伏阵列工作在最大功率点，二是维持直流电容电压的稳定。电流内环控制器输入有：电网同步信号、逆变器输出电流以及其参考值，输出信号为PWM调制信号。电流内环控制使得逆变器输出电流快速准确地跟踪其参考值。电流内环控制的q轴分量参考值设为零，即逆变器输出无功为零。

2 正负序分离控制策略

研究表明［6-8］，在电网发生不对称故障时，基于传统控制策略的光伏阵列工作点及输出电压、电流、功率将以100 Hz的频率摆动严重危及逆变器的稳定运行，其原因主要与故障期间负序分量电压有关。针对该问题，基于序分量分离的控制原理，对传统的基于正序的双环PI控制加以改进以实现电网电压不对称跌落时的LVRT控制。

电网不对称故障时，光伏电站并网点的电压电流可以分别分解为正负序分量（通常光伏电站不存在零序回路，故不考虑零序分量），此时有

式（1）所示的光伏逆变器数学模型在电网电压三相对称即只含正序分量旋转坐标轴模型如式（5）所示。当电网电压不对称时，利用叠加原理可知其模型为正序和负序在各自旋转参考系下的旋转坐标轴模型的叠加。负序分量的旋转坐标轴模型如下

式中：usdN、usqN为逆变器侧负序电压在负序旋转变换下的dq轴分量；udN、uqN为电网侧负序电压在负序旋转变换下的dq轴分量；idN、iqN为逆变器输出负序电流在负序旋转变换下的dq轴分量。负序旋转变换系数为

由上分析，可以得到正负序分离控制结构如图3所示。

图3 正负序分离逆变器控制器数学模型

3 直流电压波动抑制控制策略

电网电压不平衡时，采取电网正序电压定向，将电压、电流进行对称分量分解，将电压电流变换到正序旋转坐标系下，则逆变器输出电压表示为

式中：umP为正序相电压幅值；umN为负序相电压幅值；φ为两倍频波动初始角。

滤除负序电流控制或者传统控制中忽略电流的负序分量，电网不对称故障期间光伏电站输出电流可表示为

可得光伏电站输出功率为

由式（12）看出，不对称故障时光伏电站输出的有功无功均有两倍频的波动，其中有功的波动必然导致直流电容电压的相应波动，进而影响光伏阵列的工作点，破坏光伏逆变器的稳定运行和直流电容的使用寿命。

通过正负序分离控制可实现正序电流与负序电流的独立控制，若不对称故障期间光伏电站输出电流为

则光伏电站输出功率为

由式（14）看出，此时光伏电站输出有功没有波动量，其大小与正序电流幅值成正比。滤除有功功率的波动量可以从根本上抑制直流电容电压的波动。根据式（13）可得到抑制直流电压波动控制的负序电流参考值，即图3中的分别为

式中：udN为电网电压负序分量在负序旋转变换下的d轴分量；uqN为电网电压负序分量在负序旋转变换下的q轴分量。

4 仿真验证

在PSCAD／EMTDC平台分别建立基于以上3种控制策略的5MW光伏电站模型，并网点电压35 kV，经110／35 kV升压变压器（Yn／d接线）接入无穷大系统。在光伏电站110 kV母线进行AB两相接地故障仿真试验。

4.1 传统控制策略

光伏电站在LVRT期间采用定电流控制策略，在110 kV母线发生AB两相接地短路时，光伏电站故障响应如图4所示。

如图4（b）所示，110 kV母线发生AB两相接地短路时，35 kV并网点A、C两相电压跌落至0.57 pu，B相电压跌落到0.39 pu。由于采用定电流控制策略，故障期间光伏电站输出电流基本保持不变，但出现较大负序分量（约为正序分量的10%），使得输出电流波形畸变率明显增大。由上文分析可知光伏电站在不对称故障时输出的有功无功功率均存在100 Hz波动的分量。光伏电站输出有功的波动导致了光伏阵列工作点在新的平衡点以相同的频率来回摆动，如图4（a）所示。由图4（c）的内部控制信号看出，因为在控制过程中功率反馈和解耦电压补偿量会将负序分量以及功率波动引入控制环节，所以故障期间电流dq轴分量同样会含有100 Hz的波动。

图4 定电流控制下的不对称故障响应

4.2 正负序分离控制策略

光伏电站在LVRT期间采用定电流控制策略，并采用滤除负序电流控制，在110 kV母线发生AB两相接地短路时，光伏电站输出电压、电流波形如图5所示。

图5 滤除负序电流控制下不对称故障响应

由图5输出电流波形可以看出，采取正负序分离控制策略滤除负序分离电流后，故障前后光伏电站输出电流基本不变，均为三相对称的标准正弦波。

4.3 直流电压波动抑制控制策略

光伏电站在LVRT期间采用定电流控制策略，并采用直流电压波动抑制控制，在110 kV母线发生AB两相接地短路时，光伏电站输出电压电流波形如图6所示。

图6 直流电压波动抑制控制下不对称故障响应

与图4相比，采用直流电压波动抑制控制后，光伏电站在电网不对称故障下输出电流包含了负序分量，在正序旋转变换下表现为dq轴分量的两倍率波动，如图6（c）所示。考虑到控制误差，输出有功功率的波动已得到明显的消除，直流电压也基本稳定，100 Hz的波动已经得到有效抑制，如图6（a）、6（b）所示。

5 结语

光伏电站在电网不对称故障时输出功率和光伏阵列工作点存在两倍频波动问题，分析其产生机理，并提出了正负序分离控制和直流电压波动抑制控制两种控制策略。正负序分离控制策略可以滤除负序电流，使得系统不对称故障时光伏电站输出电流不含负序分量，输出标准正弦电流波形；直流电压波动抑制控制可以消除直流电压的波动使光伏阵列工作点稳定。仿真结果验证了两种控制策略的有效性。

［1］王东．太阳能光伏发电技术与系统集成［M］．北京：化学工业出版社，2011．

［2］赵为．太阳能光伏并网发电系统的研究［D］．合肥：合肥工业大学，2003．

［3］刘东冉，陈树勇，马敏，等．光伏发电系统模型综述［J］．电网技术，2011，35（8）：77-82．

［4］徐维．并网光伏发电系统数学模型研究与分析［J］．电力系统保护与控制，2010，38（10）：17-24．

［5］TSAI Huan-Liang，TU Ci-Siang，SU Yi-Jie，et al.Development of generalized photovoltaic model using Matlab／Simulink［C］／／Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science.2008.

［6］王京保，曾国宏，荆龙，等．光伏并网逆变器及其低电压穿越技术［J］．低压电器，2012（17）：26-30，63．

［7］Balathandayuthapani S，Edrington CS，Henry SD，et al.Analysis and Control of a Photovoltaic System：Application to a High-Penetration Case Study［C］.IEEE SYSTEMS JOURNAL，VOL.6，NO.2，JUNE 2012.

［8］周克亮，王政，徐青山，等．光伏与风力发电系统并网变换器［M］．北京：机械工业出版社，2012．

Research on Photovoltaic Power LVRT Control Strategy in Case of Asymmetric Fault

WANG Jin，ZHOU Chunsheng，WANG Hongliang，LI Tuqiang，FAN Rongqi
（Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China）

The electromagnetic transient model of photovoltaic power generation system is established based on PSCAD／EMTDC platform.The PV output power and the mechanism of photovoltaic array operating point 100 Hz fluctuations during asymmetric fault are analyzed.To filter the negative sequence current，positive and negative sequence separation control strategy is proposed，which can make the photovoltaic power station output standard sinusoidal current without negative sequence component.To eliminate the DC voltage fluctuations，DC voltage fluctuation suppression control strategy，which can making the PV array operating point stable is proposed.Finally，simulation verification is made on PSCAD／EMTDC platform.

photovoltaic power；LVRT；asymmetric fault；positive and negative sequence separation control；DC voltage fluctuation suppression control

TM615

A

1007－9904（2016）11－0011－04

2016-05-16

王进（1988），男，主要从事电网调控运行及新能源发电研究工作。