季 亮，郭佳龍，李博通，洪啟騰，李振坤，米 陽，楊興武

不對稱電壓跌落下分布式新能源多目標(biāo)主動控制策略研究

季 亮1，郭佳龍1，李博通2，洪啟騰3，李振坤1，米 陽1，楊興武1

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3.英國思克萊德大學(xué)，英國 格拉斯哥 G1 1RD)

在電網(wǎng)電壓不平衡跌落下，分布式新能源面臨多控制目標(biāo)缺乏協(xié)調(diào)、控制策略復(fù)雜等問題，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致切機，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行。對此，充分考慮電壓跌落場景，提出了一種不對稱電壓跌落下新能源多目標(biāo)主動控制策略。首先，充分考慮電網(wǎng)阻抗對于電壓的影響，建立了不對稱電壓跌落下的逆變器正負(fù)序電壓支撐方程，實現(xiàn)了對相電壓的靈活控制。其次，提出了不對稱電壓跌落下多個新能源控制目標(biāo)，并建立了基于正負(fù)序有功和無功電流的控制目標(biāo)方程。在此基礎(chǔ)上，深入分析多控制目標(biāo)相互制約機理，并根據(jù)電壓跌落程度優(yōu)化控制目標(biāo)，構(gòu)建不同場景下的目標(biāo)函數(shù)與約束條件。最后，利用Fmincon優(yōu)化算法，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在不對稱電壓跌落下的多目標(biāo)優(yōu)化控制。利用Matlab/Simulink仿真平臺，驗證了該方法在不同電壓跌落場景下的有效性。

不對稱電壓跌落；多目標(biāo)控制策略；電流參考值；主動電壓支撐；有功功率控制

0 引言

隨著風(fēng)能、太陽能等分布式新能源大量接入電網(wǎng)，發(fā)展以高比例可再生能源滲透為核心的低碳可持續(xù)能源系統(tǒng)已成為世界各國的重要戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。在故障暫態(tài)下，電力電子接口的新能源面臨因電壓支撐能力弱、電流越限、有功功率振蕩等問題而切機的風(fēng)險，大規(guī)模新能源發(fā)電單元接入對電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性影響不斷增大。當(dāng)新能源發(fā)電單元并網(wǎng)點發(fā)生不對稱電壓跌落時，一方面電力電子接口耐受能力差，往往導(dǎo)致風(fēng)電和光伏脫網(wǎng)，而另一方面電力電子裝置的高可控性也為高比例新能源接入電力系統(tǒng)提供了有力的解決方案[2]。因此，根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定控制目標(biāo)電氣量，通過主動改變新能源的控制策略，為電壓不平衡跌落下的新能源發(fā)電單元提供較強的故障穿越能力，對提升高比例新能源系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性具有重要意義。

目前，基于對稱分量法提取序分量實現(xiàn)不對稱電壓跌落下不同控制目標(biāo)的改進控制策略已有大量研究[3]。文獻[4-5]基于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和故障特性分析，提出了保證風(fēng)機、光伏逆變器能穩(wěn)定可靠穿越電網(wǎng)故障的控制策略。隨著新能源滲透率的提高，電網(wǎng)準(zhǔn)則要求其注入無功功率以主動支撐電網(wǎng)電壓。文獻[6-7]提出一種參考電流指令算法，通過選取不同正負(fù)序無功電流比例系數(shù)可實現(xiàn)在不同電壓跌落場景下靈活電壓支撐控制，但未對該比例系數(shù)的計算方法加以討論。文獻[8-9]在滿足最大電流限制條件下靈活控制逆變器的正負(fù)序有功和無功功率，并分析了合理選擇功率指令對電網(wǎng)電壓支撐的作用，但其有功、無功功率指令難以直接確定。文獻[10]提出一種將撬棒保護電路與魯棒反演控制策略結(jié)合的方法，使得風(fēng)力發(fā)電機在故障下能提供較大無功功率以提升系統(tǒng)電壓水平。以上研究提出的電壓支撐控制只適用于電網(wǎng)阻抗呈感性且沒有實現(xiàn)具體電壓支撐目標(biāo)的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，基于此，文獻[11]根據(jù)電網(wǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則提出一種計及電網(wǎng)阻抗特性的最大正序支撐控制策略，但該控制策略無法在較大不對稱故障下有效支撐公共并網(wǎng)點電壓，文獻[12]將文獻[11]推廣到更一般的情況，對正負(fù)序電壓進行同時控制。更進一步地，文獻[13-15]以相電壓幅值上下限為約束，將并網(wǎng)點相電壓支撐到并網(wǎng)運行電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實現(xiàn)最大電壓支撐。然而，上述控制策略雖然避免了過電流跳閘，但不具備有功輸出能力，并且均未考慮功率振蕩對逆變器的影響，而這可能導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)。隨著研究的深入，考慮多目標(biāo)和具體場景下的協(xié)調(diào)控制策略被提出。文獻[16]提出基于靈活的電流注入以實現(xiàn)最大有功功率輸出目標(biāo)的控制策略，將注入電流始終控制在設(shè)定最大值的同時避免了有功功率振蕩。文獻[17]通過比較電流指令將不同電壓跌落分為不同場景，在不同場景下注入相應(yīng)電流指令，同時實現(xiàn)了多個控制目標(biāo)。文獻[18]提出一種多目標(biāo)的優(yōu)化控制策略，首先考慮了正負(fù)序電壓下的相電壓支撐控制，且兼顧了有功振蕩約束和有功輸出多個目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)，但所提控制策略過于復(fù)雜、受限于逆變器的容量大小，將難以實現(xiàn)。

總結(jié)上述研究可知，不平衡電壓跌落下新能源控制策略多針對某一兩個控制目標(biāo)進行研究，并網(wǎng)逆變器仍面臨一定的切機風(fēng)險。而考慮多目標(biāo)的控制策略對并網(wǎng)逆變器容量有較大要求，因逆變器容量不足導(dǎo)致控制目標(biāo)無法實現(xiàn)的情況時有發(fā)生。因此，有必要通過充分考慮電壓跌落場景，在不同電壓跌落場景下選取合適的控制目標(biāo)，保證在充分利用逆變器容量下實現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制。

基于以上研究，為了實現(xiàn)不平衡電壓跌落下電壓支撐、電流限幅、有功功率振蕩約束和有功輸出4個控制目標(biāo)，本文分析推導(dǎo)了計及線路阻抗特性的正負(fù)序電壓支撐方程，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于正負(fù)序電流幅值表示的多目標(biāo)控制方程，通過充分考慮電壓跌落場景，構(gòu)建不同電壓跌落場景下控制目標(biāo)，利用Fmincon優(yōu)化算法求解實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在不同電壓跌落場景下安全可靠并網(wǎng)。最后，基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，算例結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性。

1 不對稱電壓跌落下逆變器的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1 分布式新能源的控制結(jié)構(gòu)

圖1 分布式新能源并網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖2 提出的故障下控制系統(tǒng)

1.2 不對稱電壓跌落下的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

式中：、為PCC正負(fù)序電壓幅值；為網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)序電壓幅值；為PCC點正負(fù)序電壓初始相角；為網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)序電壓相角。從式(5)—式(8)可以看出，通過設(shè)置4個電流指令幅值，可以實現(xiàn)支撐正序電壓、降低負(fù)序電壓從而控制相電壓的目標(biāo)，同時電壓支撐效果取決于送出線阻抗參數(shù)[20]。

2 不對稱電壓跌落下逆變器的目標(biāo)方程

為保證不對稱電壓跌落下的逆變器能夠安全穩(wěn)定并網(wǎng)，改進控制策略需要逆變器具備以下幾種能力：

1) 支撐正序電壓、降低負(fù)序電壓以盡可能滿足相電壓約束以提升低壓穿越能力；

2) 逆變器輸出電流不超過最大允許電流限制；

3) 減少不對稱故障下由正負(fù)序電流電壓引起的有功振蕩；

4) 在滿足逆變器不脫網(wǎng)前提下充分利用其容量，盡可能輸出有功功率，減少瞬時有功功率不平衡。

因此，新能源并網(wǎng)逆變器需要滿足以上的控制目標(biāo)，并建立所提目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達式。

2.1 相電壓支撐方程

新能源電站在故障暫態(tài)情況下應(yīng)具有一定的主動電壓支撐能力，控制逆變器向系統(tǒng)釋放大量無功避免電壓跌落[21]。為了最大程度地提升逆變器的低壓穿越能力，我國規(guī)定光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)處電壓偏差應(yīng)滿足電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)準(zhǔn)則對并網(wǎng)點電壓的上下限提出要求[14]。PCC的相電壓幅值與不平衡電壓下的正負(fù)序電壓幅值之間的表達式為

其中

根據(jù)電網(wǎng)運行電壓偏差相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要將PCC電壓提升到額定電壓的0.85～1.1倍，即相電壓約束方程為

在電壓跌落嚴(yán)重情況下，以上相電壓的約束要求難以滿足，此時的約束條件為

2.2 電流限幅

為保證在低壓穿越過程中改進的控制策略不會因為過流導(dǎo)致逆變器切機，需要設(shè)計合理的限流控制算法將逆變器三相電流控制在最大允許輸出電流范圍內(nèi)。因此，需對三相電流的幅值表達式進行推導(dǎo)，由式(2)可得，逆變器三相電流幅值表達式轉(zhuǎn)化為

其中

逆變器輸出電流一般為額定電流1.2～1.5倍，為了充分利用逆變器容量，本文將電流限幅轉(zhuǎn)化為等式約束，故障情況下逆變器輸出最大相電流恒為1.2倍額定電流。

2.3 有功功率振蕩

在不對稱電壓跌落下，逆變器輸出的有功、無功功率不僅含有直流分量，還含有正余弦振蕩分量，且會導(dǎo)致直流母線電壓存在二次紋波，嚴(yán)重時影響變流器的穩(wěn)定運行。當(dāng)采用正負(fù)序電壓矢量定向的控制策略時，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，軸分量均為0，軸分量分別與正負(fù)序電壓幅值相等。展開可得到以幅值形式表達的有功功率振蕩分量表達式[22]，如式(16)所示。

直接消除有功功率振蕩不利于系統(tǒng)有功功率的輸出，本文考慮將有功振蕩約束在一個合理范圍內(nèi)，而有功功率的二倍頻振蕩會引起直流鏈路電壓紋波，因此可以根據(jù)直流電容電壓紋波要求間接約束有功振蕩，如式(17)所示。

2.4 有功功率輸出

在電壓跌落期間，為了保證逆變器不脫網(wǎng)，需要提升無功電流大小以支撐PCC電壓，所以通常需要進行有功功率削減。本文提出的電壓支撐目標(biāo)是以相電壓為目標(biāo)的，以相電壓為控制目標(biāo)需要無功電流分量較大將難以實現(xiàn)，且此時無功功率輸出限制了有功功率輸出，有功功率輸出減少會導(dǎo)致瞬時功率不平衡進而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，因此在考慮電壓支撐控制和電流限幅控制的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分利用逆變器容量輸出有功功率。根據(jù)瞬時功率理論，電網(wǎng)電壓不平衡下，逆變器輸出的有功功率可以表示為

3 不對稱電壓跌落下逆變器的多目標(biāo)控制策略

第2節(jié)提出的4個目標(biāo)均可以通過設(shè)置合適的4個參考電流值實現(xiàn)，但這些控制目標(biāo)相互沖突，提升一個控制目標(biāo)往往導(dǎo)致另外目標(biāo)性能惡化，且單個控制目標(biāo)的電流參考值也難以直接確定。因此，有必要設(shè)計一種控制策略根據(jù)不同場景在多目標(biāo)之間進行協(xié)調(diào)，通過對電流指令進行優(yōu)化，得到一種兼顧多目標(biāo)的控制策略。

3.1 不同電壓跌落情況下的控制目標(biāo)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對稱電壓跌落時，多個控制目標(biāo)相互影響，并且不同故障類型下故障電流復(fù)雜多變，因此多目標(biāo)控制下的電流參考值很難直接求解。因此，為了協(xié)調(diào)多個控制目標(biāo)，本文將電流參考值求解轉(zhuǎn)化為多約束非線性目標(biāo)函數(shù)求解，同時根據(jù)電壓跌落情況設(shè)置不同優(yōu)化控制目標(biāo)。

基于我國新能源發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)定了一種電壓跌落場景劃分標(biāo)準(zhǔn)，并提出各電壓跌落場景下的控制目標(biāo)。當(dāng)在新能源并網(wǎng)點發(fā)生嚴(yán)重電壓跌落時，應(yīng)優(yōu)先發(fā)出無功盡可能動態(tài)支撐并網(wǎng)點電壓，為系統(tǒng)提供較大的電壓支撐。而當(dāng)發(fā)生輕微電壓跌落時，應(yīng)保證向系統(tǒng)輸送最大有功功率的同時對系統(tǒng)提供電壓支撐。因此，將以有功輸出為目標(biāo)同時滿足相電壓約束有解(具體求解方法見3.2節(jié))定義為輕微電壓跌落。反之定義為較大電壓跌落；同時，當(dāng)電壓跌落較大時需考慮電壓不平衡度問題，當(dāng)電壓不平衡度較小時無需注入負(fù)序功率，本文基于不平衡電壓跌落下相電壓最大差值判定電壓不平衡程度：

基于圖4定義的場景情況，分別提出對應(yīng)場景下的控制目標(biāo)。

1) 電壓輕微跌落下的控制目標(biāo)

根據(jù)第2節(jié)介紹的不平衡電壓跌落下的多個控制目標(biāo)，其中電壓支撐、電流限幅及有功功率振蕩必須滿足一定的約束要求，有功輸出在這3個目標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能多地注入，在定義的輕微電壓跌落場景下，不對稱電壓跌落下的多目標(biāo)控制策略可以轉(zhuǎn)化為以最優(yōu)有功輸出為目標(biāo)，以相電壓、相電流和有功振蕩為約束下的多變量優(yōu)化求解問題，此時，不對稱電壓跌落下的控制目標(biāo)為

圖4 電壓跌落場景定義

2) 電壓跌落較大且不平衡度較小的控制目標(biāo)

3) 較大電壓跌落且電壓不平衡度大的控制目標(biāo)

在電壓跌落程度較大且不平衡度較大的情況下，僅提升正序電壓不能有效支撐相電壓，為了最大程度地提升并網(wǎng)點電壓水平，應(yīng)盡可能提升正序電壓、降低負(fù)序電壓，在最大相電壓約束、最大相電流及功率振蕩約束下實現(xiàn)最優(yōu)電壓支撐效果，提升在電壓不平衡度較大情況下的低壓穿越能力，此時控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為最大化正負(fù)序電壓差值，如式(21)所示。

3.2 基于Fmincon函數(shù)求解的參考電流計算

由3.1節(jié)可以看出，針對不同電壓跌落類型與電壓跌落程度，首先根據(jù)電壓跌落場景劃分結(jié)果確定控制目標(biāo)，然后在不同控制目標(biāo)場景下確定電壓、電流及功率振蕩約束要求。不難理解，多目標(biāo)控制可以通過多約束下求目標(biāo)函數(shù)極值問題求解實現(xiàn)。本文采用Matlab中的Fmincon優(yōu)化算法，F(xiàn)mincon函數(shù)使用內(nèi)點法對有約束問題進行求解，可以求解帶約束的非線性多變量函數(shù)的最小值。通過求解多約束下目標(biāo)函數(shù)極值，即可得到電流參考指令，具體流程如圖5所示。

圖5 電流參考值計算流程圖

采用Fmincon函數(shù)求解得到實現(xiàn)多控制目標(biāo)的電流參考值，具體函數(shù)的定義為

4 實驗驗證

為驗證在不同電壓跌落場景下所提多目標(biāo)控制策略均能實現(xiàn)協(xié)調(diào)多個控制目標(biāo)的優(yōu)化效果，基于Matlab/Simulink建立如圖 1所示的逆變型新能源并網(wǎng)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

算例設(shè)置在= 0.1 s網(wǎng)側(cè)發(fā)生不對稱電壓跌落，在0～0.2 s并網(wǎng)逆變器采用單位功率因數(shù)控制，在0.2～0.35 s將逆變器控制策略切換為本文提出的多目標(biāo)控制策略。為驗證本文的多目標(biāo)控制策略在不同電壓跌落場景下的有效性，設(shè)置了表2的3個仿真算例。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

表2 仿真算例設(shè)置

4.1 仿真算例設(shè)置

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生不對稱電壓跌落時，通過將實時量測到的正負(fù)序電壓幅值和相角代入以有功功率輸出控制為目標(biāo)求解。若有解，此時設(shè)置為算例1；若無解，且正負(fù)序電壓幅值差低于設(shè)定值，判定電壓不平衡度較小，此時以最大正序電壓支撐為目標(biāo)進行求解，將此時電壓跌落場景設(shè)置為算例2；以有功輸出為目標(biāo)方程無解，且正負(fù)序電壓差值大于設(shè)定值，此時判定電壓跌落場景為電壓跌落較大且電壓不平衡度較大設(shè)置為算例3，此時以最大化正負(fù)序電壓差值為控制目標(biāo)。

從表2可以看出：算例1中電壓跌落程度相對較小且電壓不平衡度較低，此時三相電壓約束在逆變器容量約束下能夠滿足，根據(jù)上文提出的最大有功功率控制目標(biāo)方程可以求解電流參考值，而在算例2中電壓跌落較深且電壓不平衡度較小，以最大有功輸出為控制目標(biāo)方程無解，此時控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為最大電壓支撐。在算例3中電壓跌落程度較大且電壓不平衡度較大，此場景下以最大化正負(fù)序電壓差為控制目標(biāo)?；贔mincon函數(shù)求解下電流參考值如表3所示。

4.2 算例1：電壓輕微跌落

在= 0.1 s，網(wǎng)側(cè)母線電壓發(fā)生輕微不對稱電壓跌落，a相電壓保持不變，b相和c相跌落至0.75 p.u.。0.2 s切換為本文控制策略。

表3 多目標(biāo)下求解的電流參考值

從圖6(a)和圖6(b)可以看出，在0.1～0.2 s，因為仍采用恒功率控制策略，此時逆變器無電壓支撐能力且電流會超過電流限幅要求，0.2 s之后可以實現(xiàn)對并網(wǎng)電壓的主動支撐，將三相電壓均限制在0.85～1.1 p.u.，滿足設(shè)定的電壓約束，同時切換控制策略之后，滿足了電流低于1.2 p.u.的約束。從圖6(c)可知，功率振蕩值為0.18 p.u.，低于約束設(shè)定的0.38 p.u.，在滿足所有約束的同時，此場景下實現(xiàn)了最大有功功率輸出為0.72 p.u.。

圖6 算例1的多目標(biāo)控制效果

4.3 算例2：電壓跌落較大且不平衡度較小

由圖7(a)和圖7(b)可知，切換為本文提出控制策略之后，實現(xiàn)了對正序電壓最大化的控制，其中正序電壓從0.69 p.u.提升到0.85 p.u.，負(fù)序電壓保持不變，此時電網(wǎng)電壓不平衡度從0.15降低到0.12，三相電壓同時提升，a相電壓提升至0.95 p.u.，b、c相電壓從0.65 p.u.提升到0. 8 p.u.。從圖7(c)和圖7(d)可知，在提升電壓的同時，逆變器滿足了電流限幅和功率振蕩的約束要求，此時逆變器容量全部用來支撐正序電壓，有功功率的平均值為0，與理論分析一致。

圖7 算例2的多目標(biāo)控制效果

Fig. 7 Multi-objective control effect of Example 2

4.4 算例3：電壓跌落較大且不平衡度較大

由圖8(a)和圖8(b)可知，切換為本文提出控制策略之后，實現(xiàn)了對正負(fù)序電壓差值最大化的控制，其中正序電壓從0.75 p.u.提升到0.83 p.u.，負(fù)序電壓從0.4 p.u.降低到0.28 p.u.，將電網(wǎng)電壓不平衡度從0.53降低到0.33，而此時a、b相電壓維持在0.85～1.1 p.u.，c相電壓從0.37 p.u.提升到0.58 p.u.。從圖8(c)和圖8(d)可知，在提升電壓的同時，逆變器滿足了電流限幅和功率振蕩的約束要求，此時逆變器容量全部用來支撐電壓，有功功率的平均值為0，與理論分析一致。

圖8 算例3的多目標(biāo)控制效果

Fig. 8 Multi-objective control effect of Example 3

5 結(jié)論

并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡跌落下要考慮有功功率輸出、電壓支撐控制目標(biāo)，且滿足電流限幅、有功功率振蕩等約束，但多個目標(biāo)之間相互制約、缺乏協(xié)調(diào)。本文基于對多個控制目標(biāo)進行量化推導(dǎo)，提出一種考慮電壓跌落場景的改進控制策略，有效地協(xié)調(diào)了多個控制目標(biāo)，提升了逆變器在不平衡電壓跌落下的運行穩(wěn)定性。具體而言，本文提出方法有以下優(yōu)點：

1) 所提出的正負(fù)序電壓控制方程考慮了電網(wǎng)阻抗特性，實現(xiàn)了在不同線路參數(shù)下對正負(fù)序電壓的最優(yōu)支撐，保證了對相電壓的靈活控制。

2) 利用Fmincon函數(shù)求解，確定了在不同電壓跌落場景下的優(yōu)化控制目標(biāo)，充分利用逆變器容量實現(xiàn)最大有功功率輸出和最優(yōu)電壓支撐的控制目標(biāo)。

3) 本文的控制策略實現(xiàn)了多目標(biāo)下地快速協(xié)調(diào)，在不同電壓跌落情況下，均滿足電流限幅和有功功率振蕩約束要求，有效降低了并網(wǎng)逆變器的切機風(fēng)險。

[1] 卓振宇, 張寧, 謝小榮, 等. 高比例可再生能源電力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展挑戰(zhàn)[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2021, 45(9): 171-191.

ZHUO Zhenyu, ZHANG Ning, XIE Xiaorong, et al. Key technologies and developing challenges of power system with high proportion of renewable energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(9): 171-191.

[2] 熊浩, 杜雄, 孫鵬菊, 等. 三相并網(wǎng)變流器在電網(wǎng)不對稱故障時的有功功率安全運行區(qū)域[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2018, 38(20): 6110-6118.

XIONG Hao, DU Xiong, SUN Pengju, et al. Active power safe operation region of three-phase grid-connected voltage source converter under unbalanced grid faults[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(20): 6110-6118.

[3] EHSAN A, GHOLAM R M, RAMIN R, et al. Control strategy for three-phase grid-connected PV inverters enabling current limitation under unbalanced faults[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(11): 8908-8918.

[4] 譚愛國, 吳穎穎, 王傳啟, 等. 基于保障低壓穿越能力的風(fēng)電機組撬棒自適應(yīng)投切策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(18): 98-109.

TAN Aiguo, WU Yingying, WANG Chuanqi, et al. Adaptive switching strategy for a wind turbine crowbar based on the guarantee of low voltage ride-through capability[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(18): 98-109.

[5] 陳磊, 何慧雯, 王磊, 等. 基于限流器與斷路器協(xié)調(diào)的混合直流輸電系統(tǒng)故障隔離方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(19): 119-127.

CHEN Lei, HE Huiwen, WANG Lei, et al. Fault isolation method of a hybrid HVDC system based on the coordination of a fault current limiter and a DC circuit breaker[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(19): 119-127.

[6] CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J, et al. Flexible voltage support control for three-phase distributed generation inverters under grid fault[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(4): 1429-1441.

[7] 歐陽森, 馬文杰. 考慮電壓故障類型的光伏逆變器低電壓穿越控制策略[J]. 電力自動化設(shè)備, 2018, 38(9): 21-26.

OUYANG Sen, MA Wenjie. Low voltage ride through control strategy of photovoltaic inverter considering voltage fault type[J]. Electric Power Automation Equipment, 2018, 38(9): 21-26.

[8] CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J, et al. Active and reactive power strategies with peak current limitation for distributed generation inverters during unbalanced grid faults[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(3): 1515-1525.

[9] 陳琪蕾, 范忻蓉, 張沛超, 等. 逆變型分布式電源的靈活正負(fù)序電流控制方法與等值序網(wǎng)模型[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2018, 46(14): 57-62.

CHEN Qilei, FAN Xinrong, ZHANG Peichao, et al. Flexible positive and negative sequence current control method and equivalent sequence network model for inverting distributed power supply[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(14): 57-62.

[10] MOHAMED N, AHMED E, TAMOUS N. Improving low-voltage ride-through capability of a multimegawatt DFIG based wind turbine under grid faults[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(4): 370-382.

[11]??CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J, et al. Maximizing positive sequence voltage support in inductive-resistive grids for distributed generation inverters during voltage sags[C] // IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, October 23-26, 2016, Florence, Italy: 2343-2348.

[12] CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J, et al. Positive and negative sequence control strategies to maximize the voltage support in resistive–inductive grids during grid faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(6): 5362-5373.

[13] SHABESTARY M M, MOHAMED Y A I. Asymmetrical ride-through and grid support in converter-interfaced DG units under unbalanced conditions[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(2): 1130-1141.

[14] 李智軒, 何晉, 李維希, 等. 不對稱故障下的IIDG改進功率控制策略[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2022, 34(3): 83-90, 99.

LI Zhixuan, HE Jin, LI Weixi, et al. Improved power control strategy for ⅡDG under asymmetric faults[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2022, 34(3): 83-90, 99.

[15] CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J, et al. Reactive power control for distributed generation power plants to comply with voltage limits during grid faults[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(11): 6224-6234.

[16]SOSA J L, CASTILLA M, MIRET J, et al. Control strategy to maximize the power capability of PV three-phase inverters during voltage sags[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(4): 3314-3323.

[17]LóPEZ M A G, DE VICU?A J L G, MIRET J, et al. Control strategy for grid-connected three-phase inverters during voltage sags to meet grid codes and to maximize power delivery capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(11): 9360-9374.

[18]SHABESTARY M M, MOHAMED Y A I. Advanced voltage support and active power flow control in grid-connected converters under unbalanced conditions[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(2): 1855-1864.

[19]MIRET J, CAMACHO A, CASTILLA M, et al. Control scheme with voltage support capability for distributed generation inverters under voltage sags[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(11): 5252-5262.

[20]李欣悅, 李鳳婷, 尹純亞, 等. 直流雙極閉鎖故障下送端系統(tǒng)暫態(tài)過電壓計算方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2021, 49(1): 1-8.

LI Xinyue, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Transient overvoltage calculation method of HVDC sending-end system under DC bipolar blocking[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 1-8.

[21]張偉晨, 熊永新, 李程昊, 等. 基于改進VDCOL的多饋入直流系統(tǒng)連續(xù)換相失敗抑制及協(xié)調(diào)恢復(fù)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2020, 48(13): 63-72.

ZHANG Weichen, XIONG Yongxin, LI Chenghao, et al. Continuous commutation failure suppression and coordinated recovery of multi-infeed DC system based on improved VDCOL[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(13): 63-72.

[22]CHEN H C, LEE C T, CHENG P T, et al.A low-voltage ride-through technique for grid-connected converters with reduced power transistors stress[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(12): 8562-8571.

A multi-objective active control strategy for distributed generation under asymmetric voltage sag

JI Liang1, GUO Jialong1, LI Botong2, HONG Qiteng3, LI Zhenkun1, MI Yang1, YANG Xingwu1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.School of Electrical Automation and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. University of Strathclyde, GlasgowG1 1RD, United Kingdom)

Under asymmetric voltage sag, distributed generation faces problems such as lack of coordination of multiple control objectives and high complexity of control strategies. These can lead to disconnection in serious cases and affect the stable operation of the power grid. Thus, a multi-objective active control strategy for DG is proposed considering voltage sags. First, the influence of grid impedance on voltage is fully considered, and the positive and negative sequence voltage supporting equation under asymmetric voltage sag is established to realize flexible control of phase voltage. Second, several control targets under asymmetric voltage sag based on positive and negative sequence active power and reactive current are established. The mutual restraint mechanism of multiple control objectives is analyzed, and the control objectives are optimized according to the voltage sag scenarios, and the objective function and constraint conditions in different scenarios are constructed. Finally, the Fmincon optimization algorithm is used to realize multi-objective optimal control of a grid-connected inverter under asymmetric voltage sag. Matlab/Simulink is used to verify the effectiveness of the proposed method in different voltage sag scenarios.

asymmetric voltages sag; multi-objective control strategy; current reference; active voltage support; active power control

10.19783/j.cnki.pspc.226418

國家自然科學(xué)基金項目資助(61873159); 上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項目資助(13DZ2251900)；上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室項目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61873159).

2021-12-05；

2022-04-24

季 亮(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)保護與控制；E-mail: jihome2002@sina.cn

郭佳龍(1997—)，男，碩士研究生，研究方向為逆變型分布式電源故障控制；E-mail: 18800206539@163.com.

李博通(1981—)，男，博士，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、高壓直流輸電控制保護技術(shù)。E-mail: libotong@tju.edu.cn

(編輯 姜新麗)