考慮多控制目標的IIDG低壓穿越控制方法

何晉， 李智軒， 左金花， 李維希， 孫琮岳， 李光耀

(云南民族大學電氣信息工程學院，云南 昆明 650031)

0 引言

隨著新能源發電在電網中所占比重的不斷增加，采用逆變器接口與電網相連的光伏、風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注和應用[1—4]。在電網發生不對稱故障時，若不對并網運行的IIDG采取合理的控制，將可能導致IIDG的大規模解列，嚴重影響電網運行安全。因此并網規程要求，IIDG應能在電網發生不對稱故障時支撐電網電壓，實現低壓穿越運行[5—6]。

國內外學者對此進行了大量研究，文獻[7—10]基于光伏、風電并網規程，提出正序分量控制法，在IIDG公共連接點(point of common coupling,PCC)電壓跌落時，注入一定比例正序無功電流，但這一方法在三相電壓不平衡度較高時的電壓支撐效果較弱。文獻[11]中提出正負序無功電流注入的電壓支撐控制方法，但須對故障情況和IIDG出力情況進行運行場景劃分，控制較為繁瑣。文獻[12]提出采用序列二次規劃對所需正負序無功電流進行求解，但未考慮有功功率的控制。文獻[13]提出正負序無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[14—15]提出了在αβ坐標系下，含系數分配的正負序分量控制方法，可有效提升PCC正序電壓，降低三相電壓不平衡度，同時考慮了故障時IIDG的有功功率輸出，但未能給出有效的有功和無功功率參考值計算方法。文獻[16]在實現有功和無功功率的靈活調節時，有效解決了變流器過流問題。文獻[17]提出一種IIDG有功功率控制方法，但故障時，IIDG應優先向電網注入無功功率。文獻[18—19]分析了不對稱故障下對IIDG有功和無功功率振蕩抑制的控制，實現有功和無功振蕩抑制的靈活控制，但未考慮IIDG的電壓支撐控制。文獻[20—21]提出一種動態調整正負序電壓參考值的正負序無功電流注入方法，雖然電壓支撐效果較好，但未考慮有功輸出振蕩抑制控制。

分析上述文獻可知，目前針對IIDG的低壓穿越控制或是單獨考慮電壓支撐和電流限幅控制，或是只考慮有功和無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的IIDG低壓穿越控制方法，實現了電網發生不對稱故障時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個控制目標，有效提升了IIDG的運行穩定性。最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型，驗證了該控制策略的可行性。

1 不對稱故障下IIDG輸出特性

圖1為IIDG并網結構拓撲，由DG發電單元、直流升壓電路、逆變電路、LC濾波器構成。PWM為脈寬調制；Vdc為直流母線電壓；Rf,Lf，Cf分別為LC濾波器的等效電阻、電感和電容；Rg，Lg分別為電網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調制波信號；vg為電網側電壓相量；PDG為IIDG發電單元輸出功率。

圖1 IIDG并網拓撲Fig.1 IIDG grid-connected topology

當電網側出現短路故障或是突然接入不對稱大容量負載時將會導致IIDG的并網點電壓出現不對稱跌落。對于電網中任意不對稱故障，PCC處電壓相量在αβ坐標下由正負序分量可表示為式(1)?？紤]到IIDG多并入三相三線制配電網運行，故下文分析中忽略零序分量[5]。

(1)

(2)

進一步將式(1)中的正負序電壓分量進行Park變換，可得到正負序電壓dq分量為：

(3)

同理，對式(2)中正負序電流分量進行Park變換，可得到正負序電流dq分量為：

(4)

由圖1所示網絡結構可列出PCC電壓與電網側電壓vg在αβ坐標系下的關系為：

(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 電流內環控制框圖Fig.2 The block diagram of the current inner loop control

2 IIDG電壓支撐控制

在IIDG容量充足和電網線路阻抗并不是特別小的情況下，通過對IIDG輸出電流進行合理的控制，PCC三相電壓幅值可較為準確地控制在限定電壓范圍內，確保不出現過電壓或電壓低于限值的情況。同時做出2點假設：(1) 電網線路阻抗Zg已知；(2) 電網側電壓vg已知。實際上Zg和vg可利用電網阻抗檢測技術獲得[25]，但計算Zg和vg不是討論重點，故假設這2個值為已知條件。根據并網規程規定，設定相電壓上、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滿足以下約束條件：

(7)

在電壓不對稱跌落情況下，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)可定義不對稱電壓跌落時PCC三相電壓幅值最大和最小值為：

(10)

其中：

(11)

根據式(7)的相電壓約束條件，可定義正負序電壓參考限值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即可求解得出正負序電壓參考值為：

(13)

其中：

(14)

將式(13)所求的正負序電壓參考值代入電壓支撐方程式(6)中，即可求出實現電壓支撐目標所需的正負序電流參考值，其計算如下：

(15)

由上式同樣可以得到上文分析中的結論，即在Xg>>Rg時，有功電流分量幾乎不起電壓支撐作用，電壓支撐完全由無功電流分量實現。但當線路電阻不能被忽略時，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

在感性網絡條件下，為實現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，需要對負序無功電流分量和正序有功電流分量進行額外的控制。

3 有功輸出振蕩抑制控制

在電網發生不對稱故障期間，IIDG將向電網注入負序電流。這將導致IIDG的瞬時有功功率輸出出現二倍頻波動，同時有功輸出中的倍頻分量將使得IIDG直流側母線電壓出現波動，影響系統運行安全。直流母線電壓振蕩峰值和有功輸出振蕩峰值之間的關系如下[19]：

(16)

不對稱故障時，IIDG的瞬時有功功率為：

(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)

由此即獲得了實現最大有功功率輸出的正序有功電流參考值，同時可將IIDG輸出的三相電流幅值控制在Iset，max內。感性網絡條件下的多目標低壓穿越控制框圖如圖4所示。

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

5 仿真算例驗證

為了驗證上文所述控制策略的可行性，同時對比傳統低壓穿越控制，根據圖1所示IIDG并網結構圖，搭建仿真測試平臺。為了還原不對稱故障時IIDG所采用不同控制策略對直流母線電壓的影響，IIDG發電單元采用光伏發電模型[25]?？紤]到不對稱故障持續時間較短，故設定為恒定光照和溫度條件，而最大功率點追蹤控制(maximum power point tracker，MPPT)采用恒定電壓觀察法來實現。仿真測試一共設置3個測試案例，主要為驗證以下3點：(1) 文中控制方法與傳統正序無功電流注入控制方法在感性網絡條件下的電壓支撐控制效果對比；(2) 在感性網絡下，電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關系；(3) 文中所提低壓穿越控制在阻感性網絡條件下的電壓支撐效果。系統參數和測試參數如表1所示。

表1 系統參數和測試參數Table 1 The system parameters and test parameters

5.1 算例1：電壓支撐控制對比傳統正序無功電流注入控制

本算例目的是對比文中控制方法與傳統正序無功電流注入法面對不對稱故障時的電壓支撐效果，線路阻抗設置為Zg=j0.3 Ω。設置在仿真0.5 s時電網發生不對稱故障，故障共持續1 s，在1.5 s時切除故障，故障期間共發生5種不同情況的電壓跌落,網側電壓跌落情形如圖5所示。

圖5 網側三相電壓幅值Fig.5 Grid-side three-phase voltage amplitude

仿真結果如圖6—圖10所示，其中0.5～1.0 s為電壓支撐控制結合有功功率振蕩抑制控制作用結果，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，正序無功電流注入控制在0.5～1.5 s故障期間，出現多處電壓越出限值范圍的情況；對比圖6(b)可知，在多目標低壓穿越控制策略的控制下，PCC三相電壓幅值較為準確地被控制在限值范圍內。忽略暫態過程，主要對比穩態控制效果，可以看出，文中所提多目標低壓穿越控制較傳統正序無功電流注入控制有更好的電壓支撐效果。

根據圖7對比2個控制的正序電壓幅值提升程度和負序電壓幅值降低程度。由圖7(a)可以看到，正序無功電流注入控制將PCC正序電壓幅值較網側正序電壓幅值提升了0.267 8 p.u.，但PCC負序電壓幅值與網側負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正序電壓幅值較網側正序電壓幅值提升了0.282 9 p.u.，同時負序電壓幅值在2個取樣點分別減少了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，且由圖8(b)可以看到，在1.0 s時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.，仿真結果與理論分析一致。

由圖9(a)可以看到在正序無功電流注入控制的作用下，IIDG的瞬時有功功率p和無功功率q輸出出現了較大程度的波動，其中取樣點處瞬時有功功率振蕩峰峰值為0.164 5 p.u.。與圖9(b)對比可以看到，在有功輸出振蕩抑制控制的作用下，IIDG的瞬時有功和無功功率輸出波動程度明顯較小，在取樣點處瞬時有功振蕩峰峰值僅為0.012 p.u.。同時也可以看到在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，在正序無功電流注入控制的作用下IIDG直流側母線電壓出現了較大的波動，在取樣點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，對比傳統正序無功電流注入，文中所提多目標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：電壓支撐控制結合有功輸出振蕩抑制控制

前文對電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關系進行了理論分析，本算例對此進行驗證，此時線路阻抗設置為Zg=j0.3 Ω。設置ab兩相電壓跌落故障，故障設置在0.4 s發生，故障持續時間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，設定有功振蕩峰峰值的限值為0.15 p.u.，仿真結果如圖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態被較好地控制在限值范圍內，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正序電壓幅值較網側電壓幅值提升了0.190 p.u.。同時可以看到，在0.4～0.6 s，PCC處和網側負序電壓差值為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輸出的負序無功電流，使得PCC負序電壓幅值上升。仿真結果符合理論分析。

由圖13可知,IIDG輸出的三相電流均被控制在限值范圍內。進一步分析圖14可知，0.4～0.6 s期間，IIDG瞬時有功功率輸出出現了較大振蕩，其中取樣點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，瞬時有功功率振蕩程度明顯減小，其中取樣點處的有功振蕩峰峰值僅為0.148 p.u.，小于設定的有功振蕩峰峰值限值。此外還可以看到，在0.6 s時有功輸出振蕩抑制控制投入后，IIDG無功功率輸出略微減小，而有功功率輸出略微上升，這是因為IIDG注入的負序無功電流減小，導致整的無功輸出減小，同時多出的容量則轉換為有功功率注入電網。綜上所述，仿真結果符合理論分析結果，驗證了電壓支撐控制和有功輸出振蕩抑制控制之間的關系。

5.3 算例3：阻感性網絡條件下電壓支撐控制

本算例目的為驗證電壓支撐控制在阻感性網絡條件下(R/X=1)電壓支撐的效果，此時線路阻抗設置為Zg=0.21+j0.21 Ω。設置仿真0.4 s時發生故障，共持續0.7 s，在1.1 s時切除故障，期間設置發生6種不同的電壓跌落情形。仿真結果如圖15—圖18所示。由圖15可見，PCC三相電壓幅值被較為良好地控制在限值范圍內。由圖16可見，PCC處正序電壓幅值較網側正序電壓幅值在取樣點處提升了0.137 p.u.，同時PCC處負序電壓幅值較網側負序電壓幅值在取樣點處減小了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。在之前的測試中，電網被設定為感性網絡，電壓支撐控制只通過注入無功電流實現電壓支撐目標，在算例3中，根據式(15)分析可知，在電網為阻感性時，電壓支撐控制通過注入正負序有功和無功電流實現電壓支撐，因此由圖18可知，有功和無功功率被同時輸出注入電網。綜上分析可知，仿真結果符合理論分析。

6 結語

針對目前IIDG低壓穿越控制存在的電壓支撐效果不理想，控制目標單一等缺陷，提出一種考慮多控制目標的IIDG低壓穿越控制，通過控制IIDG向電網注入合適比例的正負序有功和無功電流，分別實現以下控制目標：(1) 任意阻感性網絡條件下的電壓支撐，確保PCC三相電壓幅值可較好地控制約束在電壓范圍內；(2) 感性網絡條件下有功輸出振蕩抑制控制，有效抑制有功輸出出現的波動，提升系統運行穩定性；(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研究基金項目(2021Y654)資助，謹此致謝！