1. 電網(wǎng)一抖逆變器就跳閘的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了1.1 LVRT到底在解決什么實(shí)際工程問(wèn)題光伏電站里最怕聽(tīng)到的一句話就是“電網(wǎng)又跌了一次電壓”。早年間大家的做法很統(tǒng)一逆變器檢測(cè)到電網(wǎng)電壓異常第一時(shí)間跳閘停機(jī)保護(hù)設(shè)備和自身安全。但這個(gè)做法在光伏滲透率越來(lái)越高的今天已經(jīng)行不通了——你脫網(wǎng)了電網(wǎng)的故障會(huì)雪上加霜。于是低電壓穿越LVRT成了光伏并網(wǎng)逆變器繞不開(kāi)的核心功能而Simulink則是把這個(gè)功能從理論落到工程驗(yàn)證最順手的工具。先從一個(gè)真實(shí)場(chǎng)景說(shuō)起。某個(gè)光伏電站并網(wǎng)驗(yàn)收測(cè)試中調(diào)度側(cè)做了短路模擬實(shí)驗(yàn)電網(wǎng)電壓瞬間跌落至額定值的45%左右?，F(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)組串式逆變器在檢測(cè)到過(guò)欠壓后的幾十毫秒內(nèi)相繼脫網(wǎng)。從保護(hù)設(shè)備的角度看它們做得非?！罢_”——電壓異常立刻切斷避免器件損壞。但從電網(wǎng)角度來(lái)說(shuō)這個(gè)“正確”恰恰是災(zāi)難性的大量有功功率瞬間消失故障線路周圍的電壓和頻率進(jìn)一步惡化甚至可能引發(fā)更大范圍的連鎖跳閘。這就是低電壓穿越被寫進(jìn)并網(wǎng)要求的底層邏輯電網(wǎng)故障時(shí)電站不能自保式跳閘必須撐住電壓跌落窗口保持并網(wǎng)運(yùn)行還要向電網(wǎng)提供必要的無(wú)功支撐。光伏并網(wǎng)逆變器的低電壓穿越簡(jiǎn)單說(shuō)就是當(dāng)公共連接點(diǎn)的電壓跌落到一定程度時(shí)逆變器不脫網(wǎng)、不損壞按照導(dǎo)則要求向電網(wǎng)注入無(wú)功電流幫助故障點(diǎn)電壓恢復(fù)故障清除后再平滑恢復(fù)有功輸出。Simulink仿真在這個(gè)技術(shù)研究里承擔(dān)的角色就是把電壓跌落這個(gè)電網(wǎng)側(cè)事件可控地注入到逆變器模型里反復(fù)驗(yàn)證控制策略是否滿足穿越深度、穿越時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等硬性指標(biāo)。1.2 并網(wǎng)導(dǎo)則中的電壓跌落要求拆解低電壓穿越不能靠拍腦袋“扛一扛”它是有明確量化的技術(shù)指標(biāo)。雖然不同電網(wǎng)公司的具體規(guī)定略有差別但核心邏輯一致把故障后的“保持并網(wǎng)區(qū)域”和“允許脫網(wǎng)區(qū)域”畫(huà)成一條曲線逆變器工作在曲線上方就必須保持并網(wǎng)落在曲線下方才允許切機(jī)。光伏電站并網(wǎng)技術(shù)規(guī)定里比較典型的幾個(gè)指標(biāo)電壓跌落至20%額定電壓時(shí)逆變器應(yīng)保持并網(wǎng)625ms電壓跌落期間動(dòng)態(tài)無(wú)功電流響應(yīng)時(shí)間要控制在幾十毫秒級(jí)別無(wú)功電流占比按公式計(jì)算故障清除后有功功率恢復(fù)速度要受控不能瞬間滿載輸出。我整理了一個(gè)對(duì)照表方便做仿真時(shí)直接抓指標(biāo)電壓跌落程度保持并網(wǎng)時(shí)間無(wú)功電流要求有功恢復(fù)要求0.9 p.u.以上連續(xù)運(yùn)行無(wú)強(qiáng)制要求正常MPPT運(yùn)行0.2~0.9 p.u.625ms以上按深度線性增加恢復(fù)速率受控0.2 p.u.以下允許短時(shí)脫網(wǎng)脫網(wǎng)前盡量支撐重新并網(wǎng)后限速這里要提醒一點(diǎn)做Simulink仿真的時(shí)候很多人把注意力全放在“電壓跌了能不能穩(wěn)住”上卻忽略了“故障清除后有功恢復(fù)速率”這個(gè)指標(biāo)。實(shí)際并網(wǎng)驗(yàn)收時(shí)這塊卡得很嚴(yán)我見(jiàn)過(guò)某個(gè)仿真模型在故障恢復(fù)瞬間有功直接從10%甩到100%波形好看是好看但放到真實(shí)設(shè)備上調(diào)度側(cè)直接判定不合格。2. 低電壓穿越控制的三塊硬骨頭無(wú)功優(yōu)先、母線過(guò)壓與鎖相環(huán)失鎖把LVRT功能拆開(kāi)看本質(zhì)上是三件事同時(shí)發(fā)生電網(wǎng)電壓突然降低逆變器要把原本近乎純有功的輸出快速切換成“以無(wú)功為主”的輸出交流側(cè)輸出功率突然減少直流側(cè)輸入的功率又減不下來(lái)母線電容要被富余能量充爆同時(shí)電壓跌落往往伴隨相位跳變鎖相環(huán)一個(gè)失誤整個(gè)dq坐標(biāo)系就亂了控制直接失效。2.1 跌落瞬間的電流指令重分配邏輯正常并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)d軸電流承載有功q軸電流近似為0這是并網(wǎng)逆變器最舒服的工作點(diǎn)。電壓跌落那一瞬間控制目標(biāo)變了支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)優(yōu)先所以q軸電流要立刻拉起來(lái)而且導(dǎo)則通常要求無(wú)功電流增量與電壓跌落深度呈線性關(guān)系電壓跌落深度理論無(wú)功電流系數(shù)仿真驗(yàn)證取值區(qū)間0.9 p.u.以上不注入00.2~0.9 p.u.k × (0.9 - Ug) × Ink取1.0~2.0深度跌落工況接近額定無(wú)功電流需限幅保護(hù)k一般取1.5左右具體取值看導(dǎo)則要求。電壓跌到0.2p.u.時(shí)理論上要求無(wú)功電流接近滿載甚至超發(fā)這時(shí)候有功電流必須讓路否則合成電流矢量超過(guò)IGBT的安全邊界。這里有個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)iq_ref的符號(hào)和方向。仿真里dq坐標(biāo)系定義不同、電網(wǎng)阻抗性質(zhì)不同q軸無(wú)功方向可能不同。我參與某并網(wǎng)仿真項(xiàng)目時(shí)遇到過(guò)一個(gè)問(wèn)題無(wú)功電流方向按照導(dǎo)則入了結(jié)果反而助推了電壓跌落后來(lái)查原因發(fā)現(xiàn)是仿真里dq變換基準(zhǔn)角定義反了。做仿真前先把坐標(biāo)系的相位關(guān)系在草稿紙上畫(huà)清楚比調(diào)半天PI參數(shù)高效得多。2.2 直流母線電壓失控的機(jī)理與抑制手段電網(wǎng)電壓跌落到0.5p.u.時(shí)假設(shè)交流側(cè)電流達(dá)到限幅輸出功率也只能達(dá)到額定的一半左右?？晒夥M件側(cè)還在按原來(lái)的光照輸入功率這個(gè)差值只能由母線電容硬扛。母線上能量堆積電壓迅速抬升超過(guò)電容耐壓或IGBT耐壓就會(huì)觸發(fā)保護(hù)LVRT直接失敗。抑制手段在工程上有兩類一類是硬件卸荷也就是在母線正負(fù)極之間接一個(gè)剎車斬波器檢測(cè)到母線電壓超閾值就投入功率電阻把多余能量燒掉另一類是軟件限功率在LVRT觸發(fā)期間把光伏側(cè)Boost的MPPT指令切換成限功率模式降低直流側(cè)輸入功率。仿真中我通常把兩個(gè)方案都搭出來(lái)對(duì)比。我個(gè)人的習(xí)慣是Simulink模型里先不加卸荷電路看看純靠控制策略母線電壓能沖到多少。如果沖高幅度可接受說(shuō)明能量缺口不大如果直接破保護(hù)閾值再?zèng)Q定加卸荷還是做限功率。這個(gè)順序能幫你判斷問(wèn)題到底出在控制側(cè)還是電路拓?fù)鋫?cè)而不是一上來(lái)就堆硬件保護(hù)掩蓋了控制策略本身的漏洞。2.3 鎖相環(huán)在惡劣電網(wǎng)下的生存問(wèn)題鎖相環(huán)是并網(wǎng)逆變器控制的地基。電壓跌落不是單純的幅值下降往往還伴隨相位跳變尤其是不對(duì)稱故障時(shí)負(fù)序分量在dq坐標(biāo)系里會(huì)引起100Hz的紋波鎖相環(huán)輸出角度會(huì)跟著抖動(dòng)。角度抖了Park變換出來(lái)的d/q電流就全是噪聲電流環(huán)再準(zhǔn)也白搭。仿真里最常見(jiàn)的處理方式是把PLL帶寬壓得比較低對(duì)故障引起的相位突變做平滑跟蹤。但帶寬太低故障清除瞬間又可能出現(xiàn)鎖相滯后導(dǎo)致電流與電網(wǎng)電壓失步產(chǎn)生沖擊電流。更高階一點(diǎn)的做法是采用雙同步坐標(biāo)系解耦鎖相環(huán)把正序和負(fù)序分開(kāi)提取只鎖正序分量。如果只是做LVRT策略驗(yàn)證對(duì)稱故障場(chǎng)景下普通SRF-PLL完全夠用但一旦要做單相接地故障這種不對(duì)稱工況建議直接把正負(fù)序解耦方案加上省得到后來(lái)回改模型。我見(jiàn)過(guò)有人用普通PLL做單相跌落仿真波形調(diào)試了兩周都調(diào)不出理想結(jié)果換成解耦PLL后當(dāng)天就收斂了。3. 用Simulink把LVRT仿真模型一步步搭起來(lái)3.1 主電路選型與故障注入方式做低電壓穿越仿真主電路不需要搞得太復(fù)雜關(guān)鍵是層次清晰。我常用的拓?fù)涫侵绷髟椿騊V陣列模型加Boost升壓級(jí)后面接三相兩電平橋橋臂輸出經(jīng)LCL濾波器接電網(wǎng)公共連接點(diǎn)并聯(lián)一個(gè)Three-Phase Fault模塊。故障注入要模擬出“電網(wǎng)側(cè)發(fā)生了短路”的真實(shí)效果。Three-Phase Fault模塊可以設(shè)置故障相、故障起始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、接地電阻和相間電阻。三相平衡跌落是最簡(jiǎn)單的工況把三相接地都選上接地電阻設(shè)一個(gè)較小值電壓就能跌到目標(biāo)深度。做單相跌落時(shí)只選對(duì)應(yīng)相接地然后再看負(fù)序分量的影響。關(guān)于直流側(cè)用什么模型我強(qiáng)烈建議分兩步走。第一步用受控直流源代替光伏組件和Boost級(jí)電壓設(shè)定在額定母線電壓附近這樣調(diào)試LVRT控制邏輯時(shí)問(wèn)題會(huì)被限制在逆變器控制層面波形一眼就能看懂。等LVRT邏輯全部調(diào)通再替換成PV陣列加Boost加MPPT驗(yàn)證光伏側(cè)限功率策略。一步到位往往導(dǎo)致故障時(shí)不知道是控制問(wèn)題還是光伏模型參數(shù)問(wèn)題排查起來(lái)非常痛苦。3.2 控制算法模塊化實(shí)現(xiàn)控制部分我習(xí)慣按功能拆成幾個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)采樣調(diào)理、坐標(biāo)變換、PLL、LVRT模式檢測(cè)與參考值計(jì)算、電流環(huán)PI、PWM調(diào)制。每個(gè)子系統(tǒng)一個(gè)獨(dú)立模塊用Bus或Goto/From傳遞信號(hào)避免整個(gè)模型像蜘蛛網(wǎng)一樣連線。LVRT模式檢測(cè)與參考值計(jì)算這塊核心邏輯是檢測(cè)電壓幅值低于0.9p.u.就切入LVRT模式。我常用的實(shí)現(xiàn)方式是一個(gè)MATLAB Function模塊function [id_ref, iq_ref, lvrt_enable] lvrt_ctrl(Ug, P_avail, In, k) U_base 0.9; if Ug U_base lvrt_enable 0; iq_ref 0; id_ref P_avail / 1.0; else lvrt_enable 1; iq_ref k * (U_base - Ug) * In; id_max sqrt(In^2 - iq_ref^2); id_ref min(P_avail, id_max * 0.95); end end這里有幾個(gè)容易踩的坑。第一切換瞬間參考值從正常MPPT電流跳到LVRT電流如果之間沒(méi)有斜坡過(guò)渡電流環(huán)會(huì)輸出一個(gè)很大的階躍導(dǎo)致沖擊電流。第二id_ref用min函數(shù)限幅是對(duì)的但這個(gè)約束要放在合成電流幅值層面不能只限制id一個(gè)軸否則q軸電流加上之后合成矢量照樣超限。第三函數(shù)里返回的狀態(tài)量最好在切換時(shí)加一個(gè)鎖存避免電壓在閾值附近波動(dòng)時(shí)反復(fù)進(jìn)出LVRT我一般加5%~10%的滯回區(qū)間。3.3 仿真參數(shù)設(shè)置與步長(zhǎng)選擇LVRT仿真里的PWM開(kāi)關(guān)頻率通常取5kHz到20kHz我常用10kHz。仿真步長(zhǎng)和PWM周期必須拉開(kāi)量級(jí)控制器和PWM發(fā)生器用離散模塊采樣時(shí)間設(shè)在50微秒到100微秒級(jí)別主電路用連續(xù)或較小的離散步長(zhǎng)。求解器方面連續(xù)域仿真我推薦ode23t它對(duì)這種帶開(kāi)關(guān)器件和變步長(zhǎng)的電力電子系統(tǒng)比較友好。如果你全模型用的是離散化以后的家當(dāng)可以考慮固定步長(zhǎng)離散求解器步長(zhǎng)1微秒左右。千萬(wàn)別用默認(rèn)的ode45搭一個(gè)大步長(zhǎng)去跑仿真出來(lái)電流都是毛刺沒(méi)法看。故障時(shí)序安排建議按這個(gè)順序前0.2s讓系統(tǒng)穩(wěn)定并網(wǎng)、MPPT收斂0.2s時(shí)刻投入故障故障持續(xù)0.625s對(duì)應(yīng)導(dǎo)則要求0.825s故障清除之后繼續(xù)運(yùn)行0.2s左右觀察有功恢復(fù)過(guò)程?？倳r(shí)長(zhǎng)1.0s左右的仿真變步長(zhǎng)下跑起來(lái)很快。但如果你把電流環(huán)的控制周期設(shè)成了和PWM同頻率并且用了LCL濾波器仿真時(shí)間會(huì)明顯變慢這時(shí)候可以考慮先把濾波電容和后級(jí)電網(wǎng)阻抗適當(dāng)簡(jiǎn)化用基礎(chǔ)模型驗(yàn)證邏輯后面再逐步細(xì)化。4. 仿真波形深度解讀與參數(shù)整定避坑記錄4.1 三種典型跌落工況的波形對(duì)比仿真跑通之后不能只看“沒(méi)炸保護(hù)”就收工。我一般會(huì)固定橫軸時(shí)間把電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)三相電流、d/q電流參考值、直流母線電壓、有功無(wú)功功率這幾路波形拉在一起對(duì)比。重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)時(shí)刻故障投入瞬間、故障期間穩(wěn)態(tài)、故障清除瞬間。先看電壓跌落50%的工況。故障投入后電網(wǎng)電壓從1.0p.u.直接切到0.5p.u.q軸無(wú)功電流參考值按公式計(jì)算大概是0.6In左右逆變器電流會(huì)出現(xiàn)短暫沖擊隨后在幾個(gè)毫秒內(nèi)收斂到無(wú)功優(yōu)先的狀態(tài)。直流母線電壓在故障瞬間會(huì)有一個(gè)上沖幅度取決于母線電容大小和輸入功率電容越大、上沖越小。這個(gè)工況下有功電流雖然被壓縮但并沒(méi)有壓到零母線過(guò)壓壓力相對(duì)可控。再看電壓跌落20%的深度。這是最考驗(yàn)策略的工況無(wú)功電流參考值接近滿載有功電流幾乎壓到零饋入電網(wǎng)的有功能量很少。仿真里你會(huì)看到直流母線電壓明顯抬升如果沒(méi)加卸荷或者限功率可能直接破保護(hù)。有功功率在這個(gè)區(qū)間基本貼著0走這個(gè)現(xiàn)象是符合預(yù)期的不用慌關(guān)鍵是看故障清除之后有功能不能按設(shè)定斜率恢復(fù)。最后是單相接地不對(duì)稱故障。電網(wǎng)電壓一相跌落到50%另外兩相基本不變?nèi)嚯妷撼霈F(xiàn)了明顯的負(fù)序分量。PLL輸出角度會(huì)有100Hz脈動(dòng)電流波形也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)畸變。此時(shí)如果不把PLL換成正負(fù)序解耦方案會(huì)發(fā)現(xiàn)LVRT期間的無(wú)功支撐其實(shí)達(dá)不到導(dǎo)則要求因?yàn)槟愕目刂平嵌纫呀?jīng)不準(zhǔn)了。做不對(duì)稱故障仿真時(shí)一定要把三相信號(hào)單獨(dú)提取出來(lái)看不要只看合成幅值不然你會(huì)漏掉負(fù)序?qū)е碌幕儐?wèn)題。4.2 參數(shù)整定中的實(shí)際踩坑記錄電壓跌落瞬間我遇到過(guò)虛假的直流母線電壓尖峰當(dāng)時(shí)懷疑IGBT都該擊穿了結(jié)果后來(lái)發(fā)現(xiàn)是故障投入時(shí)刻恰好遇到PWM開(kāi)關(guān)瞬間離散采樣帶來(lái)了毛刺。解決方法是把PWM發(fā)生器設(shè)置為與控制器同步的采樣時(shí)間或者在故障投入時(shí)刻附近把示波器采樣率提高一檔先確認(rèn)是真實(shí)過(guò)壓還是數(shù)值問(wèn)題。這種情況在真實(shí)硬件上可能根本不存在但在仿真里會(huì)誤導(dǎo)你把保護(hù)閾值調(diào)高留下隱患。另一個(gè)高頻踩坑點(diǎn)是dq變換角度。很多初學(xué)者搭建模型時(shí)電流環(huán)里的Park變換角度用固定頻率積分生成而不是用PLL輸出。正常并網(wǎng)時(shí)兩者差別不大一旦電壓跌落導(dǎo)致相位跳變固定角度算出來(lái)的d/q電流和在電網(wǎng)真實(shí)dq坐標(biāo)下的分解結(jié)果就對(duì)不上了電流環(huán)輸出指令的方向與實(shí)際需要的方向發(fā)生偏差。后來(lái)我所有并網(wǎng)模型統(tǒng)一使用PLL輸出作為變換角度?？雌饋?lái)是小事實(shí)際上這類問(wèn)題排查起來(lái)極其耗時(shí)而且波形表現(xiàn)很像控制器參數(shù)沒(méi)調(diào)好容易把人引到錯(cuò)誤的方向上。電流環(huán)PI參數(shù)整定上LVRT仿真里最常見(jiàn)的現(xiàn)象是電流震蕩。有人直接把正常工況調(diào)試好的PI參數(shù)搬到LVRT模式結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)功電流跟蹤慢、有功電流切換時(shí)有超調(diào)。原因在于跌落瞬間電流環(huán)工作點(diǎn)從額定有功換到容量受限區(qū)域PI參數(shù)需要為這種飽和邊界工況預(yù)留阻尼。我的做法是把電流環(huán)帶寬從正常工況的1kHz左右降低到600~800Hz并給參考值加一階濾波切換沖擊會(huì)小很多。同時(shí)注意在模式切換時(shí)積分器要做預(yù)載處理把切換前的積分值留下來(lái)別把積分器清零否則第一次調(diào)節(jié)會(huì)遲滯好幾個(gè)毫秒。還有一個(gè)指標(biāo)容易被忽視有功恢復(fù)斜率。導(dǎo)則對(duì)故障清除后的有功恢復(fù)速度有要求不是越快越好過(guò)快會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成二次沖擊。實(shí)現(xiàn)方式也不復(fù)雜在LVRT模式退出后給有功參考值加一個(gè)限速率環(huán)節(jié)讓有功功率按設(shè)定斜率回升。我一般設(shè)的恢復(fù)速率在額定功率的30%到50%每秒具體取值要看所在地的電網(wǎng)習(xí)慣規(guī)定。仿真里把這個(gè)模塊加上之后你會(huì)發(fā)現(xiàn)有功恢復(fù)曲線變得平滑可控也更容易通過(guò)并網(wǎng)驗(yàn)收。最后說(shuō)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的建議。做低電壓穿越Simulink仿真時(shí)不要一上來(lái)就追求模型復(fù)雜度。先用一個(gè)直流源、一個(gè)三相橋、一組LCL、一個(gè)理想電網(wǎng)把LVRT的控制流程完整走通再逐步加入PLL改進(jìn)、直流卸荷、光伏限功率。每加一層重新審視一遍波形確認(rèn)這一層改動(dòng)沒(méi)有破壞前面的功能。技術(shù)上LVRT涉及的都算成熟理論真正坑人的永遠(yuǎn)是那些邊界條件、切換時(shí)序和數(shù)值問(wèn)題這些恰恰只能在反復(fù)調(diào)仿真的過(guò)程中暴露出來(lái)。我在實(shí)際項(xiàng)目里深有體會(huì)仿真階段多花幾天把邊界工況摸透后面做硬件在環(huán)或者現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的時(shí)候能省下數(shù)倍的時(shí)間。