李智軒，何 晉，李維希，孫琮岳

（云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，昆明 650031）

隨著以風(fēng)能、太陽能為代表的分布式電源DG（distributed generation）大量接入電網(wǎng)，對電網(wǎng)的運(yùn)行造成了顯著的影響[1-4]。分布式電源根據(jù)其并網(wǎng)接口類型可以分為旋轉(zhuǎn)型DG和逆變型DG，IIDG（inverter-interfaced distributed generation）以其靈活性和可靠性被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)并網(wǎng)規(guī)程，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障出現(xiàn)電壓跌落時，接入電網(wǎng)運(yùn)行的IIDG在規(guī)定的時間和電壓跌落范圍內(nèi)要能保證連續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，同時注入無功功率支撐電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)低壓穿越運(yùn)行[3-5]。因此，在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，IIDG有功和無功功率的輸出應(yīng)進(jìn)行合理的控制。

目前，對于IIDG的低壓穿越控制策略，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的工作研究。文獻(xiàn)[3]提出PCC（point of common coupling）電壓每跌落1%，注入至少2%的無功電流，但這一控制策略只能適用于電網(wǎng)對稱故障情形。對此文獻(xiàn)[4]提出正序分量控制，以PCC正序電壓為參考，同時抑制負(fù)序電流分量，可抑制輸出功率中的倍頻分量，減小有功輸出的振蕩。文獻(xiàn)[5-6]基于正、負(fù)序?qū)ΨQ分量，得到實(shí)現(xiàn)電壓支撐所需正、負(fù)序參考電流，但未考慮負(fù)序電流對有功輸出振蕩的影響。文獻(xiàn)[7]提出正、負(fù)序無功功率注入的方法，可有效實(shí)現(xiàn)電壓支撐目標(biāo)，同時減小三相電壓的不平衡度，但未考慮有功功率的控制。文獻(xiàn)[8-11]通過為正、負(fù)序分量分配不同的控制系數(shù)，可有效地控制有功無功輸出出現(xiàn)的倍頻分量，同時實(shí)現(xiàn)電壓支撐，但有功和無功參考功率值未能給出有效的計算方法。文獻(xiàn)[12-13]根據(jù)不同并網(wǎng)規(guī)程綜合提出了一種不對稱故障穿越控制方法，通過實(shí)時調(diào)整正、負(fù)序電壓參考值，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)的電壓支撐，但同樣未考慮有功輸出振蕩的問題。由此可知上述文獻(xiàn)工作多針對一兩個特定目標(biāo)進(jìn)行，其控制策略存在一些缺陷。為能實(shí)現(xiàn)在不對稱故障情況下IIDG電壓支撐、有功功率輸出、有功輸出振蕩抑制3個控制目標(biāo)，分析提出了一種正、負(fù)序無功功率控制方法，可有效地將PCC電壓控制在約束電壓范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充有功功率控制和有功振蕩抑制控制，在實(shí)現(xiàn)電壓支撐的前提下，分別控制實(shí)現(xiàn)了不對稱故障下IIDG有功功率的最大輸出和有功功率輸出振蕩的抑制。最后搭建仿真測試系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提控制策略的可行性。

1 不對稱故障時IIDG運(yùn)行特性

IIDG并網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生一個不對稱故障時或是接入不對稱負(fù)載時將導(dǎo)致IIDG的PCC并網(wǎng)點(diǎn)處電壓發(fā)生不對稱跌落。在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，PCC點(diǎn)電壓的正負(fù)序電壓分量在SRF坐標(biāo)系下可以表示[14-15]為

圖1 IIDG并網(wǎng)拓?fù)銯ig.1 Topology of grid-connected IIDG

式中：v+和v-分別為PCC點(diǎn)電壓的正、負(fù)序分量；和為SRF坐標(biāo)系下正序電壓分量；和為SRF坐標(biāo)系下負(fù)序電壓分量。本文采用雙二階廣義積分器來實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分量的提取[16-18]。由于IIDG多接入配電網(wǎng)系統(tǒng)，而配電網(wǎng)一般采用中性點(diǎn)不直接接地，故可忽略零序分量，只對正、負(fù)序分量進(jìn)行分析[6，19-21]。SRF坐標(biāo)系下正、負(fù)序電壓可由正、負(fù)序電壓幅值表示為[22]

式中：V+和V-分別為正、負(fù)序電壓幅值；ω為電網(wǎng)角頻率；φ+和φ-分別為正、負(fù)序電壓初相角。同理可得IIDG輸出電流可表示為

由式（7）可以看到，在純感性網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)R/X值較小時，有功電流分量起到的電壓支撐效果微弱，因此在感性網(wǎng)絡(luò)下可認(rèn)為電壓支撐主要由無功電流分量來完成，忽略有功電流對電壓支撐的影響。

根據(jù)瞬時功率理論，IIDG輸出的瞬時有功和無功功率可表示為

在不對稱故障時，p、q同理式（1）可由正負(fù)序分量表示為[23]

式中：P+、P-和Q+、Q-分別為正、負(fù)序平均有功和無功功率；p～和q～分別為有功和無功功率的振蕩分量。上述各個功率分量表達(dá)式可表示為

2 IIDG無功功率控制

在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，IIDG無功功率控制主要是實(shí)現(xiàn)電壓支撐目標(biāo)，通過向電網(wǎng)注入正序無功功率提升PCC正序電壓，向電網(wǎng)注入負(fù)序無功功率，減小PCC負(fù)序電壓，提升PCC三相電壓的平衡度。如圖2所示，以A相電壓跌落為例，展示了不同正、負(fù)序無功功率注入情況下三相電壓的提升情況。由圖2（b）、（c）和（d）可知，對比單獨(dú)注入正序無功功率或負(fù)序無功功率，同時向電網(wǎng)注入正、負(fù)序無功功率可獲得較為良好的電壓支撐效果。電壓不對稱跌落時，PCC點(diǎn)三相電壓幅值由正、負(fù)電源分量幅值的關(guān)系表達(dá)式為[24]

圖2 不同無功功率控制下PCC三相電壓Fig.2 Three-phase voltage at PCC under different reactive power control

3 IIDG有功功率控制

在IIDG的無功功率控制完成后，IIDG有功功率的控制在本節(jié)進(jìn)行討論。對IIDG的有功功率控制策略主要是針對上文所述無功功率控制實(shí)現(xiàn)電壓支撐目標(biāo)后，除去電壓支撐所需的無功功率，IIDG還存有剩余容量，通過有功功率控制將剩余容量以有功功率形式輸出，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用。由上文可知正、負(fù)序無功參考電流幅值計算表達(dá)式為

4 有功振蕩抑制控制

在上文的分析中可知，在不對稱電壓跌落時，無功功率控制策略將控制IIDG向電網(wǎng)注入負(fù)序無功功率實(shí)現(xiàn)降低PCC點(diǎn)三相電壓不平衡度的目標(biāo)。在三相電壓不平衡度較高時，注入的負(fù)序無功功率將可能過高，而注入過多的負(fù)序無功電流將導(dǎo)致IIDG有功功率輸出出現(xiàn)較大振蕩，因此需要對負(fù)序無功電流的注入進(jìn)行限制，確保有功功率振蕩幅值小于有功振蕩限值。將式（2）、（3）代入式（11）可得到有功功率振蕩得幅值表達(dá)式為

由上式可知，若考慮電壓不對稱跌落時有功功率輸出振蕩抑制，需要對IIDG輸出的負(fù)序無功功率加以限制，但這一限制將會對上文無功功率控制完成電壓支撐目標(biāo)造成影響。因此在實(shí)現(xiàn)電壓支撐，降低三相電壓不平衡度和抑制有功功率振蕩之間需要根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行要求平衡考慮。在下一章中，將通過仿真算例驗(yàn)證無功功率控制和有功振蕩抑制控制之間的關(guān)系。最終由無功功率控制結(jié)合有功功率輸出控制和有功振蕩抑制控制構(gòu)成得到IIDG不對稱故障下的功率控制策略，總體控制策略如圖3所示。

圖3 IIDG改進(jìn)功率控制策略Fig.3 IIDG improved power control strategy

5 仿真算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證上文有功/無功功率控制策略的可行性，根據(jù)圖1的IIDG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，于PSCAD/EMTDC中搭建仿真驗(yàn)證模型，模型的直流側(cè)采用理想直流電源代替，這一簡化模型已在多篇文獻(xiàn)中得到應(yīng)用[5-7，12]。設(shè)置3個不同的電壓不對稱跌落案例驗(yàn)證控制策略的可行性，同時對比傳統(tǒng)正序無功功率注入控制策略驗(yàn)證上文所提控制策略的有效性。仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，仿真測試參數(shù)如表2所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

表2 仿真測試參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation test

5.1 Test1有功/無功功率控制

Test1設(shè)置驗(yàn)證正序無功電流注入控制策略和上文無功功率控制在不對稱電壓跌落情況下對PCC處電壓支撐的效果，同時驗(yàn)證有功功率控制是否能實(shí)現(xiàn)最大有功功率輸出。如圖4所示，從0.4～1.2 s，Vgabc三相電壓分別經(jīng)歷了不同程度的電壓跌落，如在0.6～0.7 s，Vga和Vgb兩相電壓跌落至0.7 p.u.，在未出現(xiàn)電壓跌落故障時，即正常運(yùn)行時，設(shè)置IIDG以單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖4 電網(wǎng)側(cè)三相電壓幅值Fig.4 Magnitude of three-phase grid voltage

正序無功功率注入控制策略和無功/有功功率控制策略在電壓跌落情況下的仿真結(jié)果如圖5所示。其中圖5（a）～（d）為正序無功功率注入控制策略仿真結(jié)果圖，從圖5（a）中可以看到，正序無功功率注入控制策略在正序電壓跌落較深的0.6～0.9 s時無法將PCC三相電壓抬升到設(shè)定的限值范圍內(nèi)，從圖5（c）中可知，PCC處正序電壓相對電網(wǎng)側(cè)正序電壓提升較小，同時由于只注入了正序無功功率，所以PCC處負(fù)序電壓并沒有下降。由圖5（e）～（h）可知，在面對不同情況的電壓跌落時，無功功率控制較為有效地將PCC處三相電源控制在限值范圍內(nèi)，在0.8 s投入有功功率控制實(shí)現(xiàn)了在較低電壓跌落情況時IIDG有功功率的輸出，且確保了三相電流不會超過。但在Test1測試中，并未考慮抑制有功功率振蕩，所以由圖5（h）可以看到瞬時有功功率輸出曲線出現(xiàn)了較大的波動，有功振蕩抑制控制將在下一測試進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 正負(fù)序無功功率注入控制和無功/有功功率控制仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results under positive-and negative-sequence reactive power injection control and reactive/active power control

5.2 Test2有功/無功/有功振蕩抑制控制

Test2設(shè)置驗(yàn)證有功振蕩抑制控制策略的控制效果和對無功功率控制的影響，且以有功振蕩抑制控制為第一控制目標(biāo)，控制實(shí)現(xiàn)有功振蕩峰峰值約束在0.15 p.u.內(nèi)。設(shè)置在0.4～0.8 s時電網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)電壓不平衡跌落，在0.6 s時投入有功振蕩抑制控制，仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6（a）可知，在0.6 s時投入有功振蕩抑制控制對電壓支撐造成了一些負(fù)面的影響，導(dǎo)致B相電壓略低于限值。但從圖（c）中可以看到，施加有功振蕩抑制控制后，有功振蕩峰峰值從1.432 p.u.減小至0.136 p.u.，實(shí)現(xiàn)了控制目標(biāo)，仿真結(jié)果符合上文中對無功功率控制和有功振蕩控制之間關(guān)系的理論分析，同時由圖6（b）可以看到整個控制過程，電流未出現(xiàn)越限。由此可知有功振蕩抑制和電壓支撐的協(xié)調(diào)需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況的要求進(jìn)行設(shè)置。

圖6 Test2仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of Test2

5.3 Test3阻感性網(wǎng)絡(luò)下有功/無功控制

Tset3設(shè)置從0.4～1.1 s發(fā)生6種不同的電壓跌落情形，同時電網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為阻感性網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證控制策略在阻感性網(wǎng)絡(luò)中的控制效果。由7（a）可知，無功功率控制成功的將PCC三相電壓幅值控制在限值范圍內(nèi)。由圖7（b）、（c）可知有功功率控制實(shí)現(xiàn)了有功功率的最大輸出，同時確保了IIDG輸出電流不超過限值。Test3驗(yàn)證了控制策略在阻感性網(wǎng)絡(luò)下的可行性，表明其具有更強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用性。

6 結(jié)論

針對并網(wǎng)運(yùn)行的IIDG在電網(wǎng)發(fā)生不對稱電壓跌落時，應(yīng)能夠支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)低壓穿越運(yùn)行。對此本文通過對IIDG有功和無功功率控制實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）無功功率控制實(shí)現(xiàn)了純感性和阻感性網(wǎng)絡(luò)不對稱電壓跌落情況下PCC處的電壓支撐，PCC三相電壓均能確保約束在預(yù)設(shè)電壓限值范圍內(nèi)；

（2）在電壓支撐目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的前提下，有功功率控制實(shí)現(xiàn)了IIDG有功功率的最大輸出，充分利用了分布式電源的容量；

（3）有功振蕩抑制控制通過約束IIDG輸出負(fù)序無功功率的大小，有效地減小了有功輸出的振蕩，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。