何晉， 李智軒， 左金花， 李維希， 孫琮岳， 李光耀

(云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，云南 昆明 650031)

0 引言

隨著新能源發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重的不斷增加，采用逆變器接口與電網(wǎng)相連的光伏、風(fēng)電等逆變型分布式電源(inverter-interfaced distributed ge￣ne￣ra￣tors,IIDG)以其控制的高效性和靈活性等受到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[1—4]。在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，若不對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行的IIDG采取合理的控制，將可能導(dǎo)致IIDG的大規(guī)模解列，嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。因此并網(wǎng)規(guī)程要求，IIDG應(yīng)能在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)支撐電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)低壓穿越運(yùn)行[5—6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)[7—10]基于光伏、風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)程，提出正序分量控制法，在IIDG公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)電壓跌落時(shí)，注入一定比例正序無(wú)功電流，但這一方法在三相電壓不平衡度較高時(shí)的電壓支撐效果較弱。文獻(xiàn)[11]中提出正負(fù)序無(wú)功電流注入的電壓支撐控制方法，但須對(duì)故障情況和IIDG出力情況進(jìn)行運(yùn)行場(chǎng)景劃分，控制較為繁瑣。文獻(xiàn)[12]提出采用序列二次規(guī)劃對(duì)所需正負(fù)序無(wú)功電流進(jìn)行求解，但未考慮有功功率的控制。文獻(xiàn)[13]提出正負(fù)序無(wú)功功率注入的電壓支撐方法，同樣未考慮有功功率輸出控制。文獻(xiàn)[14—15]提出了在αβ坐標(biāo)系下，含系數(shù)分配的正負(fù)序分量控制方法，可有效提升PCC正序電壓，降低三相電壓不平衡度，同時(shí)考慮了故障時(shí)IIDG的有功功率輸出，但未能給出有效的有功和無(wú)功功率參考值計(jì)算方法。文獻(xiàn)[16]在實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的靈活調(diào)節(jié)時(shí)，有效解決了變流器過(guò)流問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]提出一種IIDG有功功率控制方法，但故障時(shí)，IIDG應(yīng)優(yōu)先向電網(wǎng)注入無(wú)功功率。文獻(xiàn)[18—19]分析了不對(duì)稱故障下對(duì)IIDG有功和無(wú)功功率振蕩抑制的控制，實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功振蕩抑制的靈活控制，但未考慮IIDG的電壓支撐控制。文獻(xiàn)[20—21]提出一種動(dòng)態(tài)調(diào)整正負(fù)序電壓參考值的正負(fù)序無(wú)功電流注入方法，雖然電壓支撐效果較好，但未考慮有功輸出振蕩抑制控制。

分析上述文獻(xiàn)可知，目前針對(duì)IIDG的低壓穿越控制或是單獨(dú)考慮電壓支撐和電流限幅控制，或是只考慮有功和無(wú)功功率振蕩抑制控制，控制策略均存在一定缺陷。因此文中提出一種考慮多控制目標(biāo)的IIDG低壓穿越控制方法，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)IIDG的電壓支撐控制、有功輸出振蕩抑制控制，最大有功功率輸出和電流限幅控制這3個(gè)控制目標(biāo)，有效提升了IIDG的運(yùn)行穩(wěn)定性。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

1 不對(duì)稱故障下IIDG輸出特性

圖1為IIDG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓?fù)?，由DG發(fā)電單元、直流升壓電路、逆變電路、LC濾波器構(gòu)成。PWM為脈寬調(diào)制；Vdc為直流母線電壓；Rf,Lf，Cf分別為L(zhǎng)C濾波器的等效電阻、電感和電容；Rg，Lg分別為電網(wǎng)線路等效電阻和電感；iabc，Vabc分別為PCC電流和電壓相量；mabc為PWM調(diào)制波信號(hào)；vg為電網(wǎng)側(cè)電壓相量；PDG為IIDG發(fā)電單元輸出功率。

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

當(dāng)電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)短路故障或是突然接入不對(duì)稱大容量負(fù)載時(shí)將會(huì)導(dǎo)致IIDG的并網(wǎng)點(diǎn)電壓出現(xiàn)不對(duì)稱跌落。對(duì)于電網(wǎng)中任意不對(duì)稱故障，PCC處電壓相量在αβ坐標(biāo)下由正負(fù)序分量可表示為式(1)?？紤]到IIDG多并入三相三線制配電網(wǎng)運(yùn)行，故下文分析中忽略零序分量[5]。

(1)

(2)

進(jìn)一步將式(1)中的正負(fù)序電壓分量進(jìn)行Park變換，可得到正負(fù)序電壓dq分量為：

(3)

同理，對(duì)式(2)中正負(fù)序電流分量進(jìn)行Park變換，可得到正負(fù)序電流dq分量為：

(4)

由圖1所示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可列出PCC電壓與電網(wǎng)側(cè)電壓vg在αβ坐標(biāo)系下的關(guān)系為：

(5)

將式(1),式(2)和式(4)代入式(5),可得到電壓支撐幅值為：

(6)

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.2 The block diagram of the current inner loop control

2 IIDG電壓支撐控制

在IIDG容量充足和電網(wǎng)線路阻抗并不是特別小的情況下，通過(guò)對(duì)IIDG輸出電流進(jìn)行合理的控制，PCC三相電壓幅值可較為準(zhǔn)確地控制在限定電壓范圍內(nèi)，確保不出現(xiàn)過(guò)電壓或電壓低于限值的情況。同時(shí)做出2點(diǎn)假設(shè)：(1) 電網(wǎng)線路阻抗Zg已知；(2) 電網(wǎng)側(cè)電壓vg已知。實(shí)際上Zg和vg可利用電網(wǎng)阻抗檢測(cè)技術(shù)獲得[25]，但計(jì)算Zg和vg不是討論重點(diǎn)，故假設(shè)這2個(gè)值為已知條件。根據(jù)并網(wǎng)規(guī)程規(guī)定，設(shè)定相電壓上、下限值Vset，max，Vset，min分別為1.1 p.u.和0.9 p.u.。因此電壓支撐控制應(yīng)滿足以下約束條件：

(7)

在電壓不對(duì)稱跌落情況下，PCC三相電壓幅值可表示為：

(8)

式中：Va，Vb，Vc分別為PCC三相電壓幅值；相角φ=φ+-φ-，為正負(fù)序電壓相量初相角差，其值可由下式求出：

(9)

由式(8)可定義不對(duì)稱電壓跌落時(shí)PCC三相電壓幅值最大和最小值為：

(10)

其中：

(11)

根據(jù)式(7)的相電壓約束條件，可定義正負(fù)序電壓參考限值Vref，max和Vref，min為：

(12)

將式(12)中Vref，max和Vref，min反代入式(10)，替換式(10)中的Vmax和Vmin即可求解得出正負(fù)序電壓參考值為：

(13)

其中：

(14)

將式(13)所求的正負(fù)序電壓參考值代入電壓支撐方程式(6)中，即可求出實(shí)現(xiàn)電壓支撐目標(biāo)所需的正負(fù)序電流參考值，其計(jì)算如下：

(15)

由上式同樣可以得到上文分析中的結(jié)論，即在Xg>>Rg時(shí)，有功電流分量幾乎不起電壓支撐作用，電壓支撐完全由無(wú)功電流分量實(shí)現(xiàn)。但當(dāng)線路電阻不能被忽略時(shí)，有功電流分量也將起到電壓支撐作用，電壓支撐控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓支撐控制框圖Fig.3 The block diagram of voltage support control

在感性網(wǎng)絡(luò)條件下，為實(shí)現(xiàn)有功輸出振蕩抑制控制和最大有功功率輸出和電流限幅控制，需要對(duì)負(fù)序無(wú)功電流分量和正序有功電流分量進(jìn)行額外的控制。

3 有功輸出振蕩抑制控制

在電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障期間，IIDG將向電網(wǎng)注入負(fù)序電流。這將導(dǎo)致IIDG的瞬時(shí)有功功率輸出出現(xiàn)二倍頻波動(dòng)，同時(shí)有功輸出中的倍頻分量將使得IIDG直流側(cè)母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)，影響系統(tǒng)運(yùn)行安全。直流母線電壓振蕩峰值和有功輸出振蕩峰值之間的關(guān)系如下[19]：

(16)

不對(duì)稱故障時(shí)，IIDG的瞬時(shí)有功功率為：

(17)

其中：

(18)

(19)

(20)

4 最大有功功率輸出和電流限幅控制

(21)

其中：

(22)

(23)

由此即獲得了實(shí)現(xiàn)最大有功功率輸出的正序有功電流參考值，同時(shí)可將IIDG輸出的三相電流幅值控制在Iset，max內(nèi)。感性網(wǎng)絡(luò)條件下的多目標(biāo)低壓穿越控制框圖如圖4所示。

圖4 感性條件下多目標(biāo)低壓穿越控制框圖Fig.4 The block diagram of multi-target low voltage ride-through control under perceptual conditions

5 仿真算例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上文所述控制策略的可行性，同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)低壓穿越控制，根據(jù)圖1所示IIDG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，搭建仿真測(cè)試平臺(tái)。為了還原不對(duì)稱故障時(shí)IIDG所采用不同控制策略對(duì)直流母線電壓的影響，IIDG發(fā)電單元采用光伏發(fā)電模型[25]?？紤]到不對(duì)稱故障持續(xù)時(shí)間較短，故設(shè)定為恒定光照和溫度條件，而最大功率點(diǎn)追蹤控制(maximum power point tracker，MPPT)采用恒定電壓觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)。仿真測(cè)試一共設(shè)置3個(gè)測(cè)試案例，主要為驗(yàn)證以下3點(diǎn)：(1) 文中控制方法與傳統(tǒng)正序無(wú)功電流注入控制方法在感性網(wǎng)絡(luò)條件下的電壓支撐控制效果對(duì)比；(2) 在感性網(wǎng)絡(luò)下，電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關(guān)系；(3) 文中所提低壓穿越控制在阻感性網(wǎng)絡(luò)條件下的電壓支撐效果。系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)試參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)和測(cè)試參數(shù)Table 1 The system parameters and test parameters

5.1 算例1：電壓支撐控制對(duì)比傳統(tǒng)正序無(wú)功電流注入控制

本算例目的是對(duì)比文中控制方法與傳統(tǒng)正序無(wú)功電流注入法面對(duì)不對(duì)稱故障時(shí)的電壓支撐效果，線路阻抗設(shè)置為Zg=j0.3 Ω。設(shè)置在仿真0.5 s時(shí)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱故障，故障共持續(xù)1 s，在1.5 s時(shí)切除故障，故障期間共發(fā)生5種不同情況的電壓跌落,網(wǎng)側(cè)電壓跌落情形如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)三相電壓幅值Fig.5 Grid-side three-phase voltage amplitude

仿真結(jié)果如圖6—圖10所示，其中0.5～1.0 s為電壓支撐控制結(jié)合有功功率振蕩抑制控制作用結(jié)果，在1.0 s投入最大有功功率輸出和電流限幅控制。

圖6 PCC三相電壓幅值(算例1)Fig.6 Three-phase voltage amplitude of PCC (example 1)

圖7 PCC與Vg正負(fù)序電壓幅值(算例1 )Fig.7 Positive and negative sequence voltage amplitude of PCC and Vg(example 1)

圖8 PCC三相電流(算例1)Fig.8 Three-phase current of PCC (example 1 )

圖9 IIDG輸出功率(算例1)Fig.9 Output power of IIDG (example 1)

圖10 IIDG直流母線電壓(算例1)Fig.10 DC bus voltage of IIDG (example 1)

由圖6(a)可以看到，正序無(wú)功電流注入控制在0.5～1.5 s故障期間，出現(xiàn)多處電壓越出限值范圍的情況；對(duì)比圖6(b)可知，在多目標(biāo)低壓穿越控制策略的控制下，PCC三相電壓幅值較為準(zhǔn)確地被控制在限值范圍內(nèi)。忽略暫態(tài)過(guò)程，主要對(duì)比穩(wěn)態(tài)控制效果，可以看出，文中所提多目標(biāo)低壓穿越控制較傳統(tǒng)正序無(wú)功電流注入控制有更好的電壓支撐效果。

根據(jù)圖7對(duì)比2個(gè)控制的正序電壓幅值提升程度和負(fù)序電壓幅值降低程度。由圖7(a)可以看到，正序無(wú)功電流注入控制將PCC正序電壓幅值較網(wǎng)側(cè)正序電壓幅值提升了0.267 8 p.u.，但PCC負(fù)序電壓幅值與網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓幅值差值近似為0;而由圖7(b)可以看到，文中所提控制將PCC正序電壓幅值較網(wǎng)側(cè)正序電壓幅值提升了0.282 9 p.u.，同時(shí)負(fù)序電壓幅值在2個(gè)取樣點(diǎn)分別減少了0.026 7 p.u.和0.022 p.u.。由此可以看到文中所提控制可有效提升PCC正序電壓，同時(shí)減小三相電壓不平衡度。

由圖8(a)、(b)可知，2種控制方法均能有效地將IIDG輸出的三相電流控制在限值范圍內(nèi)，且由圖8(b)可以看到，在1.0 s時(shí)投入最大有功功率輸出和電流限幅控制后，IIDG輸出的三相電流立即抬升至1.1 p.u.，仿真結(jié)果與理論分析一致。

由圖9(a)可以看到在正序無(wú)功電流注入控制的作用下，IIDG的瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q輸出出現(xiàn)了較大程度的波動(dòng)，其中取樣點(diǎn)處瞬時(shí)有功功率振蕩峰峰值為0.164 5 p.u.。與圖9(b)對(duì)比可以看到，在有功輸出振蕩抑制控制的作用下，IIDG的瞬時(shí)有功和無(wú)功功率輸出波動(dòng)程度明顯較小，在取樣點(diǎn)處瞬時(shí)有功振蕩峰峰值僅為0.012 p.u.。同時(shí)也可以看到在1.0 s最大有功功率輸出和電流限幅控制投入后，瞬時(shí)有功功率輸出從0 p.u.抬升至0.8 p.u.附近，與理論分析一致。

同理分析圖10，由圖10(a)可以看到，在正序無(wú)功電流注入控制的作用下IIDG直流側(cè)母線電壓出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，在取樣點(diǎn)處的電壓振蕩峰峰值為0.451 5 p.u.，而由圖10(b)可知，在文中所提控制方法作用下，取樣點(diǎn)處的電壓振蕩峰峰值僅為0.136 0 p.u.，IIDG直流母線電壓振蕩程度較小。

綜合上述分析可知，對(duì)比傳統(tǒng)正序無(wú)功電流注入，文中所提多目標(biāo)低壓穿越控制方法在電壓支撐控制、有功輸出振蕩抑制控制和最大有功功率輸出控制方面具有更好的控制效果。

5.2 算例2：電壓支撐控制結(jié)合有功輸出振蕩抑制控制

前文對(duì)電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，本算例對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)線路阻抗設(shè)置為Zg=j0.3 Ω。設(shè)置ab兩相電壓跌落故障，故障設(shè)置在0.4 s發(fā)生，故障持續(xù)時(shí)間0.4 s，前0.2 s控制為電壓支撐控制加最大有功功率輸出控制，0.6 s時(shí)投入有功輸出振蕩抑制控制，且控制考慮以有功輸出振蕩抑制為第一控制目標(biāo)，設(shè)定有功振蕩峰峰值的限值為0.15 p.u.，仿真結(jié)果如圖11—圖14所示。

圖11 PCC與Vg三相電壓幅值(算例2 )Fig.11 Three-phase voltage amplitude of PCC and Vg(example 2)

圖12 PCC與Vg正負(fù)序電壓幅值(算例2)Fig.12 Positive and negative sequence voltage amplitude of PCC and Vg(example 2)

圖13 PCC三相電流(算例2)Fig.13 Three-phase current of PCC (example 2)

圖14 IIDG輸出功率(算例2)Fig.14 Output power of IIDG (example 2)

由圖11可知，在0.4～0.6 s，PCC三相電壓幅值在故障穩(wěn)態(tài)被較好地控制在限值范圍內(nèi)，在0.6 s，有功輸出振蕩抑制控制投入后，PCC處c相和b相電壓幅值略微超出限值，仿真結(jié)果符合理論分析。

分析圖12可知，在電壓支撐控制的作用下PCC正序電壓幅值較網(wǎng)側(cè)電壓幅值提升了0.190 p.u.。同時(shí)可以看到，在0.4～0.6 s，PCC處和網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓差值為0.061 p.u.，0.6 s有功振蕩抑制控制投入后，負(fù)序電壓差值減小為0.015 p.u.，這是由于有功輸出振蕩抑制控制的投入減小了IIDG輸出的負(fù)序無(wú)功電流，使得PCC負(fù)序電壓幅值上升。仿真結(jié)果符合理論分析。

由圖13可知,IIDG輸出的三相電流均被控制在限值范圍內(nèi)。進(jìn)一步分析圖14可知，0.4～0.6 s期間，IIDG瞬時(shí)有功功率輸出出現(xiàn)了較大振蕩，其中取樣點(diǎn)處的有功振蕩峰峰值為1.242 p.u.，在有功輸出振蕩抑制控制投入后，瞬時(shí)有功功率振蕩程度明顯減小，其中取樣點(diǎn)處的有功振蕩峰峰值僅為0.148 p.u.，小于設(shè)定的有功振蕩峰峰值限值。此外還可以看到，在0.6 s時(shí)有功輸出振蕩抑制控制投入后，IIDG無(wú)功功率輸出略微減小，而有功功率輸出略微上升，這是因?yàn)镮IDG注入的負(fù)序無(wú)功電流減小，導(dǎo)致整的無(wú)功輸出減小，同時(shí)多出的容量則轉(zhuǎn)換為有功功率注入電網(wǎng)。綜上所述，仿真結(jié)果符合理論分析結(jié)果，驗(yàn)證了電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關(guān)系。

5.3 算例3：阻感性網(wǎng)絡(luò)條件下電壓支撐控制

本算例目的為驗(yàn)證電壓支撐控制在阻感性網(wǎng)絡(luò)條件下(R/X=1)電壓支撐的效果，此時(shí)線路阻抗設(shè)置為Zg=0.21+j0.21 Ω。設(shè)置仿真0.4 s時(shí)發(fā)生故障，共持續(xù)0.7 s，在1.1 s時(shí)切除故障，期間設(shè)置發(fā)生6種不同的電壓跌落情形。仿真結(jié)果如圖15—圖18所示。由圖15可見(jiàn)，PCC三相電壓幅值被較為良好地控制在限值范圍內(nèi)。由圖16可見(jiàn)，PCC處正序電壓幅值較網(wǎng)側(cè)正序電壓幅值在取樣點(diǎn)處提升了0.137 p.u.，同時(shí)PCC處負(fù)序電壓幅值較網(wǎng)側(cè)負(fù)序電壓幅值在取樣點(diǎn)處減小了0.03 p.u.。

圖15 PCC與Vg三相電壓幅值(算例3)Fig.15 Three-phase voltage amplitude of PCC and Vg (example 3)

圖16 PCC與Vg正負(fù)序電壓幅值(算例3)Fig.16 Positive and negative sequence voltage amplitude of PCC and Vg(example 3)

圖17 PCC三相電流(算例3)Fig.17 Three-phase current of PCC (example 3)

圖18 IIDG輸出功率(算例3 )Fig.18 Output power of IIDG (example 3)

由圖17可知，IIDG輸出的三相電流均被控制在限值范圍內(nèi)。在之前的測(cè)試中，電網(wǎng)被設(shè)定為感性網(wǎng)絡(luò)，電壓支撐控制只通過(guò)注入無(wú)功電流實(shí)現(xiàn)電壓支撐目標(biāo)，在算例3中，根據(jù)式(15)分析可知，在電網(wǎng)為阻感性時(shí)，電壓支撐控制通過(guò)注入正負(fù)序有功和無(wú)功電流實(shí)現(xiàn)電壓支撐，因此由圖18可知，有功和無(wú)功功率被同時(shí)輸出注入電網(wǎng)。綜上分析可知，仿真結(jié)果符合理論分析。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前IIDG低壓穿越控制存在的電壓支撐效果不理想，控制目標(biāo)單一等缺陷，提出一種考慮多控制目標(biāo)的IIDG低壓穿越控制，通過(guò)控制IIDG向電網(wǎng)注入合適比例的正負(fù)序有功和無(wú)功電流，分別實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo)：(1) 任意阻感性網(wǎng)絡(luò)條件下的電壓支撐，確保PCC三相電壓幅值可較好地控制約束在電壓范圍內(nèi)；(2) 感性網(wǎng)絡(luò)條件下有功輸出振蕩抑制控制，有效抑制有功輸出出現(xiàn)的波動(dòng)，提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；(3) 最大有功功率輸出和電流限幅控制，充分利用IIDG的剩余容量。

本文得到云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2021Y654)資助，謹(jǐn)此致謝！