摘 要
随着新能源技术的发展，太阳能已经成为了应用最为广泛的新能源，同时太阳能光伏发电也是目前最安全、最清洁、潜力最大的新兴发电方式。光伏发电的渗透率在逐年提高，其并网已然是一种必然趋势。目前，光伏并网系统已经成为研究的热点课题，其低电压穿越技术是光伏系统的核心技术，对并网系统的安全、稳定运行起着决定性作用。
随着光伏电站渗透率的增大，研究光伏系统的低电压穿越能力具有十分重要的意义。本文就低电压穿越技术设计了逆变器的控制策略，并引入无功补偿装置实现更进一步的低电压穿越。
逆变器的控制策略采用电压电流双闭环结构，电压外环采用经典 PI 控制，实现无静差跟踪的同时稳定直流电压。电流内环选用滑模变结构控制策略，实时的跟踪参考电流的瞬态变化，获得高精度的稳态输出。分析故障时的控制逻辑，比较有功电流与额定电流，当有功电流大于额定电流的 1.1 倍时，切断电压外环来减小光伏阵列的输出功率，由电流内环控制逆变器发出一定的无功来支撑并网电压。然后详细介绍内环的滑模控制策略，分析其抖振现象产生的原因，采用自适应滞环滑模控制函数来控制开关频率，缓解抖振效应，保证光伏系统的稳定运行。但是由于逆变器开关器件容量的限制，同时并入的电网电压等级越来越高，仅靠逆变器控制已经无法实现对并网点电压的补偿，因此在变压器低压侧装设无功补偿装置（STATCOM），对 STATCOM 引入多模型 PI 的直接电压控制策略，针对并网点电压的不同跌落深度分成五个模型，使用基于不同爆炸半径的并行烟花算法有针对性地求解出不同模型所对应的 PI 参数。改进的并行烟花算法可以提高收敛速度，并避免陷入局部最优，同时改进算法所获得 PI 参数应用于系统本身具有更好的补偿能力，实现光伏系统的低电压穿越，最后以 MATLAB 为实验平台搭建仿真模型，通过仿真结果验证低电压穿越控制策略的有效性和优越性。
关键词： 光伏并网，低电压穿越，滑模控制，多模型 PI 控制，并行烟花算法。
ABSTRACT
With the development of new energy technology, solar energy has become the most widely used new energy, and solar photovoltaic power generation is currently the safest, most clean, the most potential way of emerging power. The penetration rate of photovoltaic power generation is increasing year by year, and its grid-connection is an inevitable trend. At present,the photovoltaic (pv) grid system has become research hot topic, its Low Voltage Ride Through (LVRT) technology is the core of the photovoltaic system, safe and stable operation of grid system plays a decisive role.With the increase of the permeability of photovoltaic power station, it is very important to study the low voltage crossing ability of photovoltaic system. In this paper, the control strategy of inverter is designed with LVRT, and the reactive compensation device is introduced to realize further LVRT.
The control strategy of the inverter adopts the double closed-loop structure of voltage and current, and the outer ring adopts the classical PI control to realize the stable DC voltage without static difference tracking. The sliding mode variable structure control strategy is used to track the transient changes of reference current in real time to obtain the high-precision steady-state output. Failure analysis of the control logic, more active current and the ratedcurrent, when active current is greater than 1.1 times the rated current, The output power of the pv array is reduced by cutting off the outer ring, and the inverter is provided with a certain reactive power to support the grid voltage. Then the sliding mode control strategy of inner ring is introduced in detail, the hysteresis of adaptive sliding mode control function to control the switching frequency and alleviate the buffeting effect in order to ensure the stableoperation of the photovoltaic system. But because of the limitation of the inverter switching device capacity and incorporated into the power grid voltage grade is higher and higher, only by the inverter control has been unable to realize to the and node voltage compensation, so compensation of reactive power is in the low voltage side of transformer device (STATCOM),introduced the STATCOM model of PI direct voltage control strategy of targeting and node voltage drop depth is divided into five different models, using parallel fireworks algorithm based on different blast radius is targeted to solve the model of PI parameters. The improved parallel fireworks algorithm can improve the convergence speed and avoid getting into local optimum. At the same time, the PI parameters obtained by the improved algorithm are applied to the system itself with better compensation capability, and the LVRT the photovoltaic system is realized.At last MATLAB is used as the experimental platform to build a simulation model, and the effectiveness and superiority of LVRT strategy are verified by comparison.
Keywords: photovoltaic grid-connected, LVRT, sliding mode control, multi-model PIcontrol, parallel fireworks algorithm。
第一章 绪论
1.1 课题研究背景、目的及意义。
传统的集中式电力供应模式是通过增加发电厂数量来满足不断增加的客户对电力的需求，随着石油与煤炭等主要能源价格的不断上涨，使得发电成本大幅上升。与此同时，传统发电厂面临着新型发电技术的挑战和压力，集中式供电模式无法满足现代社会对电力的巨大需求，电力供应模式势必需要转型。在这样的需求下，分布式供电系统受到极大关注。
众所周知，太阳能已经成为新能源中最有发展前景的能源，它凭借其自身的优势已被广泛应用于生产生活中，比如航标指示杆、太阳能路灯、太阳能热水器和屋顶发电示范工程等等。与传统的化石能源相比，太阳能发电具有以下特点：
（1）分布广泛：不受地域的限制，世界的每一个角落都有太阳的辐射。
（2）清洁无污染：不产生污染物，零噪声，不破坏生态环境的平衡。
（3）储量丰富：太阳辐射能取之不尽用之不竭，可持续使用几百亿年，因此无需考虑枯竭的问题。
（4）易开发：太阳能可就地开发，同时无需复杂大型的接卸设备，也不需要人力，只需因地制宜地安装太阳能光伏电池就可实现对太阳能的采集并转换为电能，极大的节约了成本。
（5）无需运输：光伏电站可就地安装，并直接通过太阳能电池将其转换为电能，就地进行消纳，节省了长距离大容量的输电电缆和线损，同时其电能可并入电网。
（6）政府大力扶持项目：政府出台一系列便民政策，简化办理手续，优化并网流程，并提供补助，大力扶持光伏项目，推动光伏并网、离网等的大面积发展。
太阳能发电是目前发展最快前景最好的新能源，正因如此，其发电容量的大幅增加，也导致了其并网的必然性，但是光伏系统发电机组由于发电量较小，光伏系统在接入电力系统之前仅仅作为电网的一个负载，因此通常在与电力公司并联时，会选择并联在二次变电所配电馈线上。当光伏电源接入配电系统时，将会对电力系统的运转与规划造成某种程度的影响与冲击。当由于某种原因导致接入点电压出现异常时，电网将自动断开光伏系统的接入点，使其离网运行来减少对电网造成大的危害，但这仅仅对于小容量光伏电站而言，如果使大容量光伏电站离网运行，不但不会提高系统的稳定性，反而会给电力系统造成更大的损失，严重的故障将会使得整个系统造成瘫痪。对于其消极方面的影响，也就是当电网电压跌落时，必须采取相应的手段和措施进行解决，使得光伏系统逆变器能够保持并网状态，甚至可以向电网提供一定的无功功率来支持电网电压的恢复，这也就是本文所要研究和实现的低电压穿越技术（Low Voltage Ride Through，以下简称 LVRT）。
光伏并网系统的低电压穿越能力已经成为了目前学术界研究的热点课题，为使得整个系统保持安全稳定地运行，就要保证故障时并网点电压不发生跌落，因此研究低电压穿越技术的实质在电压跌落过程中找到快速有效的控制策略来对逆变器进行合理的控制。但是仍有一点需要考虑，随着光伏系统的容量增大到和常规的电厂相比不能忽视的时候，逆变器因受电力电子器件容量的限制导致其本身的容量有限，若并入高电压等级的电网中，光伏系统本身无旋转设备，不具备调频和调压能力，而逆变器仅靠自身的容量来补偿无功完全不足以使得整个系统恢复正常稳定的运行状态，因此我们在传统控制策略的基础上装设合适的无功补偿装置来对并网点进行合理的无功补偿，并且对无功补偿装置使用恰当的控制技术使得补偿过程更加快速准确，降低逆变器的负担，实现更进一步的低电压穿越功能，保证整体光伏并网系统的稳定性、安全性和可靠性。
1.2 光伏并网系统关键技术研究现状。
随着分布式发电技术的蓬勃发展，尤其是到达新能源发展顶峰的光伏发电已经受到了越来越多国内外学者的广泛关注，人们目前已将研究的重点移至并网系统上，光伏并网系统可以实现快速、高效、可靠的并网，主要包括以下几个关键技术的不断创新和改进，国内外学者为之做出了很大的贡献。下面将从最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracting，以下简称 MPPT）、逆变器控制策略和静止同步补偿器（Static Compensator，以下简称 STATCOM）控制三方面来阐述。
1.2.1 最大功率点跟踪技术研究现状。
太阳辐射能具有一定的不确定性，几乎在一天中的任一时刻都具有不同的辐射能，日类型（阴雨天、晴天）、气温和季节的不同也会造成太阳辐射能量极大地不同，但是太阳能辐射容量又是有规律可循的，每一天都会是正午时的辐射容量最大。同时光伏电池的转换效率很低，通常情况下只有 22%左右，种种因素都说明寻找太阳辐射能量的最大功率点是光伏并网系统的必要前提，我们需要找到一种方法来实现不同环境下的最大功率点跟踪，因为只有找到最大功率点并持续跟踪这一点才能从根本上提高系统整体的效率，评价最大功率点跟踪方法好坏的根本条件是可以实现快速、有效的跟踪。国内外学者在此方面已做出了跨越性的突破，基本已经拥有比较成熟的跟踪技术。
文献[1]应用非对称模糊 PID 算法，使其能够快速响应环境的变化，来稳定在最大功率点处，极大地降低了振荡现象的发生。文献[2]以两种基本的最大功率点跟踪方法提出了一种结合固定电压法与电导增量法的占空比技术，通过直接控制斩波电压的占空比来达到快速准确的跟踪效果。文献[3]提出可变阈值切换的滑模变结构控制与 PI 控制复合的控制策略，实现最大功率点的优化跟踪，并与应用较为广泛的扰动观测法进行比较，得出了此方法良好的特性。文献[4]分析扰动观测法的不足，并对其缺点进行改进，提出了变步长的改进扰动观测法，在速度和跟踪精度方面都得到了提高。文献[5]将几种常用的最大功率点跟踪方法进行了比较分析，仿真结果证明了滑模控制在跟踪速度方面有很大的提高，过渡过程明显减小，在稳定输出功率后，光伏电池的输出电压振荡也相对较小。
对于最大功率点跟踪技术的研究已基本已经达到了最热点，目前已经有多种十分成熟的方案来应对并网系统中的最大功率点问题，本文对此不再进行过多深入的研究，在MPPT 中采用变步长扰动观测法，在保证跟踪速度的同时具有较好的跟踪效果。
1.2.2 逆变器控制策略研究现状。
逆变器的主要功能是完成从直流电到交流电的逆变，逆变器主要包括逆变和控制两部分，现如今控制部分现已成为国内外学者研究的重点，控制器的性能在很大程度上决定着并网的成败，也决定了整个系统能否完成一定的低电压穿越要求。那么找到或者提出一种切实可行且控制效果好的控制策略就显得十分必要。通过阅读大量的文献可以总结出光伏逆变器的控制策略主要包括电流瞬时值控制、双闭环控制、SVPWM 控制、重复控制、PI 控制、滑模变结构控制（Sliding Mode Control，以下简称 SMC）等等，每种控制方法都有其自身的特点和其特定适用范围，数字控制技术的发展，新控制的引入，传统控制策略的不断改进都为并网系统提供了强有力地保障，也会极大地提高并网系统的稳定性、可靠性。
低电压穿越技术在风电并网系统中应用较为广泛，特别是在变速恒频双馈的风力发电系统中，国内外学者已对风电的低电压穿越进行了较为完善且全面的研究，基本拥有相对成熟的研究成果。对于光伏并网系统的 LVRT 策略相对重视程度不够，起步也比较晚，但是针对光伏系统的并网，也需要有切实可行的低电压穿越技术来满足当电网发生故障时造成并网点电压跌落的情况，我们可以借鉴风电并网中的低电压穿越技术来应用到光伏系统中，使其在并网点电压跌落时可以补偿无功。目前，很多学者将光伏与风电系统类比进行研究，但是由于光伏不同于风电，光伏系统没有转动惯量，鲁棒性也较差。因此在研究过程中不能独立存在，要依托于光伏并网系统本身进行研究。
文献[6]着重的阐述了几种常用的逆变器控制策略及他们的未来趋势。文献[7]将频率反馈的准固定频率引入到滞环控制中，解决无法跟踪开关频率变化的问题。文献[8]论述了单相并网逆变器的工作原理，并且采用小信号分析方法来分析开环和闭环状态下的逆变器输出特性，最后采用电压前馈补偿的方式来抑制电网电压的波动，由此来提高系统的稳定性。文献[9]采用电压电流双闭环的控制方法，分别稳定母线电压和母线电流，并采用比例谐振控制方法，使其并网的电压和电流能够符合要求。文献[10]通过分析发现传统故障穿越控制目标不合理、算法复杂等一系列的缺陷，因此改进了传统的故障穿越策略，采用最大电流幅值的控制策略，结合正负序电流的分离技术使得在电压暂降时能满足故障穿越的要求，并提供了一定的电压支撑。文献[11]采用了dq锁相环电压暂降的检测方法，可以快速跟踪并检测出电压的暂降，为低电压的动作提供了依据，后续在预测模型的基础上采取无功补偿策略，来重新调整有功和无功的电流参考值，给电网输出一定的无功来支撑并网点的电压，维持系统的稳定。文献[12]采用并联耗能电阻的方法在很大程度上提高了并网系统的低电压穿越能力。文献[13]提出了一种电压电流双闭环与电流单闭环的切换控制，当电网电压突降时，控制策略切换至电流单闭环控制，并将电网正常运行时的有功电流信号赋值到故障期间的有功电流参考值，使并网电流与正常运行时的相同，完成低电压的穿越。
本文采用电压电流双闭环的控制策略来完成并网系统的低电压穿越，电压外环采用经典 PI 控制，电流内环采用滑模控制策略，滑模变结构控制目前已被广泛应用于光伏并网控制系统中。其主要的优点有[14]：（1）对外界的干扰具有较强的鲁棒性；（2）当系统到达设定的切换面以后，不会再随意改变，运动形式就会取决于其切换面的方程，和系统的参数及状态无任何关系；（3）可跟踪任何一个连续的非线性信号。缺点有：（1）不会完全沿着切换面运动，而是有小幅度、高频率的振荡，这也是滑模控制的主要缺点；（2）滑模控制对于高阶系统没有很强的适应性，求取全部状态量有一定难度。针对其优点在本文中要充分的发挥，使其良好的鲁棒性，稳定性更好地应用到本文的光伏并网的逆变器控制系统中来，针对其突出的缺点抖振现象，本文也要采取一定的改进措施来最大化的减小甚至消除这种抖振现象，具体控制过程将在第三章做详细的介绍。
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1.2.3 STATCOM 研究现状.
1.3 低电压穿越技术
1.3.1 低电压穿越技术标准 .
1.3.2 低电压穿越技术的实现 .
1.4 论文结构与主要内容
第二章 光伏并网系统结构及关键技术研究
2.1 光伏并网系统的整体结构
2.2 光伏电池的数学模型及电气特性
2.2.1 光伏电池的数学模型 .
2.2.2 光伏阵列的电气特性 .
2.3 DC/DC 变换器原理分析
2.4 最大功率点跟踪（MPPT）技术
2.4.1 MPPT 技术原理.
2.4.2 MPPT 的变步长扰动观测法.
2.5 DC/AC 逆变器分析
2.5.1 光伏并网系统对逆变器的要求 .
2.5.2 逆变器拓扑结构及数学模型分析 .
2.5.3 逆变器的无功控制理论 .
2.6 本章小结
第三章 基于自适应滞环滑模双闭环的低电压穿越控制技术
3.1 逆变器控制总体结构
3.2 故障穿越过程中的控制逻辑
3.3 滑模变结构控制理论与三要素
3.3.1 可达性.
3.3.2 存在性.
3.3.3 稳定性.
3.4 滑模控制器
3.4.1 滑模控制器设计.
3.4.2 滑模控制的抖振问题 .
3.4.3 改进的滑模控制策略分析 .
3.5 仿真结果分析
3.6 本章小结
第四章 基于多模型烟花 PI 的 STATCOM 低电压穿越控制技术
4.1 STATCOM 简介
4.1.1 STATCOM 的工作原理.
4.1.2 STATCOM 数学模型分析.
4.2 STATCOM 的直接电压控制原理
4.3 多模型 PI 控制器
4.3.1 多模型 PI 控制器建立 .
4.3.2 多模型 PI 控制器设计
4.4 基于并行烟花算法的 PI 参数寻优.
4.4.1 并行烟花算法的原理 .
4.4.2 并行烟花算法的具体实现 .
4.4.3 仿真结果分析.
4.5 本章小结
第五章 光伏并网系统的低电压穿越技术仿真分析
5.1 仿真分析
5.2 并网点电压跌落至 0.6pu 仿真分析 .
5.3 并网点电压跌落至 0.3pu 仿真分析 .
5.4 本章小结
结 论
由于光伏系统的脱网运行会给电网带来严重的后果，随着光伏的渗透率越来越高，保证光伏系统的持续并网运行就显得十分必要。本文就光伏并网系统的低电压穿越能力展开研究，主要通过逆变器的控制策略和引入的无功补偿装置 STATCOM 的控制策略的低电压穿越能力，来保证系统的稳定性。本文主要完成的工作如下：
（1）建立以低电压穿越为目标的光伏并网系统的整体结构，其中主要包括光伏阵列、DC/DC 变换器、DC/AC 逆变器等基本组成部分，同时也包括实现低电压穿越的两个重要控制部分，其一是逆变器的双闭环控制策略，其二是 STATCOM 的直接电压控制策略；（2）逆变器采用电压电流的双闭环控制策略，电压外环采用经典 PI 控制，实现无静差跟踪的同时稳定直流电压。电流内环本文选用滑模变结构控制策略，来实时的跟踪参考电流的瞬态变化，获得高精度的稳态输出，调节输出电流来实现电能质量的控制。分析故障过程中的控制逻辑，在电网故障时切断电压外环，采用电流单环控制实现低电压穿越功能。着重介绍电流内环的滑模控制理论，分析了滑模控制中抖振问题产生的原因，并针对其高频率切换问题对滑模控制函数进行了改进，采用自适应滞环滑模的方法得到新的切换函数，通过仿真验证得出逆变器控制可以实现电压跌落深度不大的低电压穿越；（3）引入 STATCOM 来实现进一步的无功补偿，以直接电压控制为基础，设计并建立多模型 PI 控制，进而实现基于多模型 PI 的直接电压控制技术，来满足不同电压跌落深度实现不同程度的无功补偿。使用基于不同爆炸半径的并行烟花算法进行 PI 参数的寻优，最后对基于多模型烟花 PI 的 STATCOM 进行仿真分析，获得的参数应用于系统中具有较好的适用性，通过仿真验证得出引入 STATCOM 装置，可补偿大量的无功功率，减轻逆变器在故障期间补偿无功电压的压力，提高了光伏并网系统的稳定性和供电可靠性。
参考文献
