基于超级电容储能的光伏并网低电压穿越研究

收稿日期：20140226

基金项目：国家自然科学基金资助项目（61203031）

作者简介：舒大松（1962-），男，湖南长沙人，湖南广播电视大学副教授，中南大学硕士生导师

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摘要：采用超级电容储能配合光伏并网系统实现其低电压穿越功能，在电网电压跌落时，并网逆变器直接功率控制（DPC）的有功参考根据电网电压跌落程度进行给定，同时通过控制双向DC/DC变换器将直流母线侧多余能量存储于超级电容，以平衡逆变器两侧的功率，维持直流母线电压稳定.最后通过仿真验证了采用超级电容储能的协调控制方案的有效性和可行性.

关键词：光伏发电系统；超级电容；双向DC/DC变换器；直接功率控制（DPC）；低电压穿越（LVRT）

中图分类号：TM615 文献标识码：A

Research on the Low Voltage Ridethrough of Gridconnected

Photovoltaic System Based on Supercapacitor Energy Storage

SHU Dasong1.2， HUANG Zhixiong1， KANG Lun1， CHEN Shiming1

（1.School of Information Science and Engineering， Central South Univ， Changsha，Hunan410075，China；

2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Radio & TV Univ， Changsha，Hunan410004，China）

Abstract：In order to realize the LVRT of the PV power system by using supercapacitor energy storage during the grid voltage drop， the active power reference of the DPC according to the grid voltage sags are given， at the same time by controlling the bidirectional DC/DC converter with voltage and current dual loop， the DC side of excess energy stores in supercapacitors， in order to balance the power on both sides of the inverter and to maintain the DC bus voltage. The proposed scheme is proved to be feasible and effective in MATLAB/Simulink.

Key words：photovoltaic power systems； supercapacitors； DC/DC converters； direct power control； low voltage ridethrough（LVRT）

随着光伏发电并网系统渗透率不断加大，对局部电网安全稳定运行的影响也越大，这就给光伏发电的并网运行带来了更大的挑战[1-3]；当电网发生短时故障时，如果大量的光伏发电系统脱离电网会影响到电网的稳定运行，严重的还可能使局部电网崩溃，造成较大面积供电中断，由此电网规定了光伏发电系统并网要具备一定的低电压穿越（LVRT）能力[4].目前借鉴于风力发电低电压穿越标准，许多新能源发电技术较发达的国家针对光伏并网系统也提出了相应的低电压穿越准则，定量地规定了电网电压跌落时光伏发电系统脱网的条件，以及电压恢复后有功功率的恢复速率，同时在电网电压跌落过程中需提供一定的无功功率以支撑电压恢复.介于中国光伏发电容量逐年增大，国家电网公司制定了光伏并网系统低电压穿越的标准，要求并网点电压跌落至20%额定电压时光伏发电系统保持并网运行625 ms不脱网.本文针对实现光伏并网系统的低电压穿越能力，通过借鉴风力发电中的低电压穿越技术，提出了一种基于超级电容储能的光伏发电系统低电压穿越技术方案，同时光伏并网逆变器采用直接功率控制，保证控制的快速性；当电网电压发生跌落时，通过控制双向DC/DC投入超级电容平衡逆变器两端功率[5-11]，同时与并网逆变器的控制相协调，稳定住直流母线电压，使得并网输出电流不过流，并且改进并网控制策略，根据电压跌落深度发出一定无功功率以有助于电网电压恢复，最后通过仿真分析可知，与常规控制策略相比，采用改进控制策略能够实现光伏并网系统的低电压穿越功能.

1系统拓扑与数学建模

1.1光伏并网系统结构

如图1所示，两级式光伏并网发电系统包括光伏阵列、Boost电路、并网逆变器、L型滤波器以及隔离变压器，同时超级电容通过双向DC/DC变换器与系统的直流侧母线并联.

1.2L型并网逆变器数学模型

L型并网逆变器如图2所示，在三相平衡情况下列出A，B，C三相状态方程为：

ua

ub

uc=-r1ia

ib

ic-L1ddtia

ib

ic+ula

ulb

ulc.（1）

在dq两相旋转坐标系下可表示为：

ugd=-r1igd-L1digddt+ωnL1igd+ugd1，

ugq=-r1igq-L1digqdt-ωnL1igq+ugq1.（2）

式中：下标g表示并网侧量；r1和L1分别为进线电阻和电感；ωn为与电网频率同步的角速度；ugq的值为零.

由此可知，流过并网逆变器的有功功率和无功功率可以表示为：

Pg=32ugdigd，

Qg=-32ugdigq. （3）

1.3直流母线侧数学模型

对于光伏并网逆变器的直流侧，其直流侧电容存储的能量可表示为：

Wdc=12CdcU2dc.（4）

忽略发电系统转换功率的损失，设两级式光伏并网系统由Boost变换器流向直流侧的功率为PPV，从直流侧流向并网侧的功率为Pg，同时直流侧流向超级电容的功率为Psc，则流向直流侧电容的功率有：

dWdcdt=CdcUdcdUdcdt=PPV-Pg-Psc. （5）

1.4超级电容器等效数学模型

超级电容突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长以及工作温度范围宽，比较适合短时充放电，基于上述优点可以很好地满足当电网发生故障时对功率平衡控制的要求.由于受分布参数的影响，超级电容的精确模型较复杂，由一个理想电容和一等效串联电阻组成.

超级电容一般单体电压较低（2.5～2.7 V），因此储能单元由多个超级电容单体串并联组成以满足容量需求，本文由一个理想大电容代替；考虑到存储能量和功率传输两方面要求，储能总容量可表示为[9]：

E=N2Cunit（V2max -V2min ）≥Esc.（6）

式中：N为超级电容单体个数；Cunit为单体容量大小；Vmax 为超级电容耐压最大值；Vmin 为其允许的最低电压值；Esc为电网电压跌落时所需吸收的能量.

大放电流情况时由于超级电容串联等效电阻影响，根据最大功率传输定律可得到其最大吸收功率为：

Pmax =NV24Rsc≥Psc. （7）

超级电容充电到最大电压Vmax 时，仍能保持额定功率充电，Vmax 则需要满足：

Vmax ≥2RscPsc/N. （8）

将式（8）代入式（6）可得N的限制条件为：

N≥2Esc/Csc+4PscRscV2max .（9）

2 基于超级电容的双向DC/DC变换器与逆变器的协调控制

为解决直流母线电压过压与并网输出电流过流的矛盾，满足在电网电压发生跌落时，能够同时达到符合要求的性能指标，则需在光伏并网发电系统的直流母线侧并联一个储能装置，以便在电网电压跌落时平衡并网逆变器两侧的功率，使得直流母线电压稳定且并网输出电流不超过限定值，从而有利于光伏并网低电压穿越功能的实现.

本文主要研究在低电压穿越过程中直流母线电压过压、系统动态无功支撑和并网输出电流过流的问题，当系统工作在额定功率状态时，电网电压发生较严重的三相对称跌落，为使并网输出电流不过流，根据电网电压跌落程度相应减小并网输出功率Pinv，若忽略变流器的功率损耗，直流母线电压的动态方程为：

PPV-Pinv-Ps=12CdV2dcdt.（10）

在故障过程中，由超级电容储能系统代替并网逆变器对直流母线电压进行控制，为平衡并网逆变器2侧功率，吸收直流侧剩余功率Ps，保持直流母线电压稳定；而并网逆变器通过直接功率控制（DPC）可以更加快速准确地控制并网输出功率，其并网逆变器的控制包括常规控制器和故障控制器2种，根据电压跌落来进行切换.图2为双向DC/DC变换器与网侧变换器协调控制框图.

2.1双向DC/DC变换器控制

在故障过程中，并网逆变器控制很难有效控制直流侧母线电压，严重时会使直流母线电压过压，击穿直流侧母线电容；而超级电容不会受电网电压变化的影响，通过双向DC/DC变换器对超级电容充放电的控制能有效地稳定直流母线侧电压.本文双向DC/DC变换器采用电压电流双环控制，由于电压跌落引起并网逆变器两端功率不平衡，从而使直流母线电压升压，当电压值超过参考值时，变换器工作在Buck模式下，对超级电容进行充电，功率由直流侧流向超级电容，从而稳定住直流母线侧电压.图3为变换器双环控制框图.

2.2并网逆变器控制

并网逆变器控制采用直接功率控制策略[12-13]，能够在电网电压发生跌落时，快速有效地对功率进行控制，且控制策略结构简单易行.图4为并网逆变器的控制流程图，根据电网电压的变化，进行常规控制器和故障控制器的切换.

当电网电压发生三相对称跌落时，需要光伏发电系统向电网提供动态无功功率补偿，以有利于电网电压恢复，此时，并网逆变器切换到故障控制方式，同时直流母线电压由如图3所示储能系统控制，不仅根据电网电压跌落深度发出相应的有功功率，同时考虑到并网逆变器可工作于1.1倍的视在功率[14]，由此可计算出所能提供的无功功率[15].

在电压跌落检测中，本文采用的方法是dq分解法[16]，将三相静止坐标系中的a，b，c三相电压转换到dq轴坐标系中，其表达式为：

ud，uqT=Cua，ub，ucT. （11）

经dq变换后的电压表达式为：

ud=U，

uq=0.（12）

具体算法由图5所示模块实现.

由式（11）可知：

Vm=u2d+u2q=U. （13）

若设正常电网电压幅值为Ug，则电压跌落深度可表示为：

K=U/Ug. （14）

式（14）中的K表示跌落电压幅值U与正常电压幅值Ug之比，由此可得出故障状态时并网逆变器有功功率给定值为P′PV，其表达式为：

P′PV=K PPV.（15）

在提供有功支撑的同时，还需为系统提供无功补偿，以有利于电网电压恢复，而提供的无功功率又受到逆变器容量限制，可工作于1.1倍视在功率下，则由下式可计算出提供的无功功率：

QPV=1.1P′PV2-P′PV2=

1.1KPPV2-KPPV2=2110KPPV.（16）

由式（14）可知，电压跌落时K值小于1，又根据电网关于低电压穿越的规定，K值应大于0.2，所以K值的取值为0.2≤K≤1.再由式（15）可知此时给定功率P′PV小于跌落前给定值PPV，那么由式（16）可知剩余的功率通过双向变换器的控制流入超级电容，以维持逆变器两端功率平衡，实现其低电压穿越功能.

3仿真分析

为验证本文提出的基于超级电容储能的光伏并网系统能有效地提高低电压穿越能力的可行性，在Matlab/Simulink仿真软件平台搭建容量为1.5 kW带超级电容的光伏并网发电系统模型，其MPPT采用扰动观察法，设定直流母线电压400 V，限制电压700 V，直流支撑电容90 μF，滤波电感为35 mH，超级电容为3.5 F，并网输出的限定电流1.1 pu.本文主要研究了对电压危害最大的三相短路故障情况，设置在t=0.3 s时发生电压跌落故障.图6为带超级电容储能系统的仿真结果.

由图6可知，图6（a）中电网电压跌落时，其并网电压也发生相应跌落，而并网输出电流在此阶段有所上升但未超出限定电流1.1 pu，因此不会因为过流损坏逆变器或使断路器关断.图6（b）中反映在刚进入此阶段和恢复正常状态时有少许波动，而在整个故障过程中直流电压保持在参考电压附近.图6（c）可看出在电压跌落期间系统发出有功无功的变化，发出的有功功率相应减小，同时发出了一定的无功功率.由图6（d）可发现，在此阶段，并联于直流母线的超级电容端电压变化情况，其端电压一直升高，直流侧对超级电容充电.由图6（e）可知，在电压跌落期间，单相并网电压与并网电流的关系，它们之间存在一定的相位差，由此可知不仅发出有功而且发出了一定的无功功率.

4结论

本文针对光伏并网系统在电网电压发生三相对称跌落时的低电压穿越过程进行研究，对其主电路光伏并网逆变器采用直接功率控制，快速有效地控制其功率的输出，对并联于直流母线上的双向DC/DC变换器采用双环控制，准确有效地抑制直流母线电压升高，稳定住直流母线电压.在系统完成低电压穿越过程中，通过对并网逆变器和双向DC/DC变换器的协同控制，使并网输出电流不越限，直流母线电压不过压，同时不仅为电网提供有功功率支撑，并且还会发出一定的无功，给电网提供无功补偿，有助于电网电压恢复，从而最终实现光伏并网系统的低电压穿越功能.

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