逆变型电源控制策略对其故障暂态的影响分析

李斌，张慧颖，段志田，林蒙

（1．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2．天津市电力公司，天津300072）

逆变型电源控制策略对其故障暂态的影响分析

李斌1，张慧颖1，段志田2，林蒙2

（1．天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2．天津市电力公司，天津300072）

当电力系统发生扰动时，并网逆变型分布式电源受控于自身控制器经历故障暂态过程重新达到稳定输出。为了研究控制策略对并网逆变型分布式电源故障暂态特征的影响，首先建立了并网逆变电源的详细模型；在此基础上，详细分析了控制器控制参数对逆变电源暂态响应的影响；针对对称性故障和非对称性故障情况，对逆变电源的故障暂态特征进行深入的分析，并通过仿真研究，验证了上述理论分析的正确性，研究成果对分布式电源接入电网后保护控制系统的分析研究提供了理论基础。

分布式电源；逆变；恒功率控制；故障暂态；对称性故障；非对称性故障

分布式能源越来越多地被应用于电力系统中，特别是配电网末端接入的小容量分布式电源。一般分布式电源依靠电力电子接口实现分布式电源与电网的连接[1]。这类分布式电源在文中被称为逆变型分布式电源。逆变型分布式电源并网运行过程中，当电力系统出现扰动（如短路、甩负荷、故障等），逆变电源将由先前的稳定运行状态经过一系列调整回复到原有稳定状态或者过渡到新的稳定状态。先后两个稳定状态之间的调整过程称之为故障暂态过程。逆变电源的故障暂态特征反映的是逆变电源在经历扰动后经过一系列调整过程重新实现稳定的动态过程。不同于传统同步电机的电磁暂态过程，由于逆变电源自身发电特性和其通过电力电子接口与电网相连的特点，逆变电源的故障暂态将呈现出自身特征。

现阶段国内外对逆变电源故障特性的研究总结如下。文献[2-3]依据正常并网运行控制策略及特性，对故障后逆变电源的稳态特性进行了简要分析。由于逆变电源属于非线性电源，应用于传统电源故障分析的戴维南等效将无法使用。文献[4]对逆变电源故障后的等效模型进行了深入研究；文献[5]将故障后逆变电源等效成正序压控电流源，建立了相间故障后的短路分析序网图。文献[6]讨论了故障位置、电源本体输入功率及接入台数、无功功率注入量以及所接电网短路容量等因素对逆变电源故障暂态特性的影响规律。文献[7]考虑了电力电子器件的耐压承流能力，提出了多种逆变并网控制的限流策略，并将逆变电源的故障暂态时间近似等效成低通滤波器滤波延迟，但并未考虑控制结构的控制延迟。文献[8]分析了对称故障情况下的逆变型电源故障特征。

上述研究重点在于逆变电源在达到故障稳态后的等效模型以及特性分析，而本文研究重点是逆变电源的故障暂态特性，即逆变电源在控制器的作用下在故障前后稳态之间的过渡态中所呈现的暂态特征。为此本文建立了反映逆变电源及其控制器行为特点的逆变电源详细模型，从理论上分析了控制策略以及控制器对逆变电源暂态特性的影响；深入研究了对称性故障和非对称性故障情况下逆变电源的故障暂态特性，并在Matlab仿真环境下以6MW并网逆变电源为例进行了深入分析。研究成果对分布式电源接入电网后保护控制系统的分析研究提供了理论基础。

1 逆变型分布式电源并网控制策略及其暂态响应特性

逆变型分布式电源通过逆变器与电网相连，单极式分布式发电单元并网系统拓扑结构如图1所示，uinv、iinv为逆变器出口电压和电流，uPCC、iPCC为逆变电源并网点电压和输出电流，逆变器出口经LC滤波器与电网相连。udc为逆变器直流侧储能电容电压，idc为流过储能电容的电流，idc0为分布式电源输出的直流电流。

图1 逆变电源并网系统拓扑结构Fig.1Grid-connected topology of IBDG

并网型逆变电源最常见的控制策略是基于电网电压矢量定向的恒功率控制[9]。如图2所示，控制环节采用双闭环控制，外环是电压控制环，内环是电流控制环，控制基础是利用比例积分环节（PI环节）实现无差调节，从而达到恒功率控制的目的。

图2 逆变电源控制拓扑结构Fig.2Control topology of IBDG

功率参考值Pref、Qref由控制策略决定。当采用单位功率因数控制时，Qref=0。id，ref，iq，ref分别表示输出电流期望值在d、q轴上的投影，其值从电压控制环得到。Kp1、Ki1、Kp2、Ki2为PI环节中的比例积分参数。

电流控制通过调节PCC点电流在dq轴上的投影值，来调节逆变电源的输出功率。ud，ref、uq，ref表示逆变器的期望输出电压在的d、q轴上的投影，ud和uq代表PCC点电压的d、q轴分量。-ωLiq与ωLid是控制环中用来补偿等效电抗器的电压降落。id与iq为输出电流iPCC在d、q轴上的投影。

控制器在d、q轴上具有相同的控制结构，在此以d轴为例来进行分析。电流控制结构如图3所示。图中，KPWM和Ts分别为PWM调制的比例增益和开关周期，R和L表示LC滤波器中滤波电感的电阻和电感值。

图3 电流内环控制拓扑Fig.3Control topology of inner current loop

为了使电流内环获得较快的电流跟随性能，可以按照典型I型系统设计[10-11]，即将PI调节器的零点抵消电流控制对象传递函数中的极点，即Ki3/ Kp3=R/L。此时，电流内环开环控制函数可以简化表示为

电流内环闭环控制传递函数为

电流控制环通过控制输入电流跟踪指令电流来实现对输出功率的调节。由于开关周期Ts、比例增益KPWM和滤波电感参数已经给定，PI环节的控制参数Kp3和Ki3将决定系统的快速跟随性和抗扰动性。在控制环的作用下，逆变电源输出电流的变化将不会瞬间增大或减小，存在一定的延迟性，时间常数由控制参数决定。

由瞬时功率理论推得，逆变器直流侧储能电容电流idc与并网输出电流iPCC在d轴上的投影id之间的数学关系为

式中：m为PWM调制比，θ为IGBT导通角。

电压外环控制结构如图4所示，图中C为LC滤波器中的电容值。电压外环控制的闭环传递函数为

电压外环的控制目标包括稳定直流电压、功率控制以及为内环控制提供目标参考值。而控制目的的实现也是依靠比例积分控制实现的。将电流内环用一阶惯性环节代替[12]，并且考虑到3mcos θ/4为一时变环节，以该环节的最大比例增益3/4取值代之。简化后的电压环控制拓扑如图5所示，其中Ti为电流环等效惯性时间常数。

图4 电压外环拓扑Fig.4Double-closed loop control of outer voltage

图5 电压外环简化拓扑Fig.5Simplifieddouble-closedloopcontrolofoutervoltage

由图5可知，类似于电流环控制结构的分析，电压控制环中比例调节增益和积分调节增益的选择同样直接影响了直流侧电压的抗扰动性能以及功率控制的阻尼特性。

因此，逆变电源的故障暂态特性和逆变器的控制结构以及控制参数息息相关。对于某种选定的控制结构而言，控制参数即比例积分环节中的比例增益Kp和积分增益Ki将决定控制环节的控制特性。比例增益将决定比例积分控制的跟随性，反映在故障暂态特性上就是暂态过程的持续时间。而积分增益的选择影响着控制的稳定性，反映在故障暂态特性上就是暂态过程中控制量的振荡次数以及暂态峰值等特性的变化。对于双闭环控制器，比例积分系数的选择并不是唯一的，但其数值的改变将直接影响到逆变电源故障暂态特性，甚至可能会导致在故障发生后无法达到稳态。

2 逆变型电源在对称性故障情况下的暂态特性分析

由于逆变器中的电力电子开关器件具有较低的热惯量，需要限制电流大小防止过大电流流过烧坏器件。本文采用同步旋转坐标系下的直流瞬时限流，当电流达到限流门槛值，将dq坐标下的电流id，ref、iq，ref限值，本文选择限流值ith为2 p.u.，定义临界电压uth为0.5 p.u.。

并网点电压跌落程度直接影响着电压环输出处的限流元件是否作用。一旦故障后稳态电流达到限流值，双闭环控制中的电压控制环和电流控制环就会断开，导致控制结构发生变化，这将直接影响到逆变电源的故障暂态特征。

当PCC点电压跌落后数值仍大于至临界电压时（uPCC＞uth），逆变电源输出电流会经历一个缓慢上升后小幅下降最终稳定在稳态电流值的过程，故障后稳态仍然满足

式中，Pref为逆变电源有功功率输出期望值。

逆变电源由双闭环共同控制，控制结构如图4所示。逆变电源的输出功率在经历暂态过程后会重新恢复到功率参考值上，故可将其等效成一个恒功率源。

当PCC点电压跌落后数值已小于临界电压时（uPCC＜uth），逆变电源输出电流经过暂态过程后保持2 p.u.输出。控制结构断裂为单环控制。在频域下的控制拓扑如图3所示。由于控制结构的变化，控制环惯性时间减少，暂态时间缩短。逆变电源输出功率正比于并网点电压，且小于故障前的输出。此时，逆变电源被等效成一个恒电流源。

逆变电源的故障暂态是逆变电源因扰动等因素偏离稳态后，在自身控制结构的作用下，经过一系列的调整重新获得稳态的过程。类似于传统电机的电磁暂态过程，逆变电源的故障暂态过程也是伴随着内部能量的动态变化，具体故障暂态特性分析如下。

本文基于Simulink仿真平台搭建如图6所示含逆变型分布式电源的并网模型，其中逆变电源工作在恒功率控制策略下。故障点选取在k点，来模拟逆变电源的不同的故障情况。

图6 Simulink仿真分析拓扑Fig.6Simulation model of power network with IBDG

2.1 并网点电压跌落值大于临界电压（uPCC＞uth）

对称性故障发生后，逆变电源并网点电压轻微跌落，大于临界电压uth。图7为电压轻微跌落时，逆变电源B相输出电流和三相电流在dq轴分量id、iq的电流波形。故障发生后，逆变电源并网点输出电流经历了一个缓慢上升后下降的波动过程才达到最终稳态值。

图7 并网点输出电流（uppc＞uth）Fig.7Output current at PCC（uppc＞uth）

图8所示为逆变电源在故障暂态过程中能量动态变化过程。

正常运行时，逆变器两侧的功率相同，即Pdc= Pac，由于PI控制器的无差调节作用，电压和电流均等于参考值，udc=uref，Q=Qref。故障发生后逆变器输出电流的动态过程如图8所示，可以分成3个阶段。

故障发生后，并网点电压骤降，交流侧瞬时功率突然下降，直流侧功率不会突变，即Pdc＞Pac。直流侧多余的功率将储存于直流侧电容，电容电压udc上升，udc＞uref。电压环中PI调节器的作用下电流输出参考值id，ref开始上升，使逆变器输出的电流增大，交流侧功率也随之增大。

图8 故障暂态过程中逆变电源能量动态变化过程uppc＞uthFig.8Power on dc and ac side during the fault transient process uppc＞uth

随着输出电流的上升，交流侧功率不断上升，到达T1时刻时，Pdc=Pac，此时已经达到了故障后逆变器两侧功率的第一次匹配。但此时仍有udc＞uref，控制器将继续控制电流上升，交流侧功率也继续上升，即Pdc＜Pac，直流侧电源功率不能满足交流侧的输出，电容开始向交流侧释放能量，电容电压udc将开始下降，在T1时刻电容电压达到最大值。

3）T2～T3

随着电容向交流侧不断输送能量，电容电压下降，到达T2时刻时，udc=uref，电压控制器输入故障后第一次回到无差状态。此时仍有Pdc＜Pac，因此电容继续放电，电容电压继续下降，udc＜uref，电压控制输出的电流参考值将开始下降，交流侧输出电流id跟随参考值变化，随之交流侧功率也开始下降。T2时刻是输出电流以及输出功率达到最大值时刻。此后上述过程反复几次，逆变器电压、电流及功率经过小幅振荡后在T3时刻，逆变器达到了故障后的稳态。

2.2 并网点电压跌落值小于临界电压（uPCC＜uth）

仿真条件与轻微跌落情况相同，只是故障后并网点电压严重跌落，小于临界电压uth。故障发生后，由于并网点电压严重跌落，电压环输出id，ref和iq，ref迅速增大到限流值，此时双闭环控制断裂成为单环控制，输出电流在电流环控制作用下增大到2 p.u.，如图9所示。由于超调量的增大以及控制结构的变化，暂态时间缩短。具体暂态过程分析如图10所示。

图9并网点输出电流（uppc＜uth）

Fig.9Output currents at PCC（uppc＜uth）

图10 故障暂态过程中逆变电源能量动态变化过程uppc＜uthFig.10Power on dc and ac side during the fault transient process uppc＜uth

1）T0～T1

故障发生后，逆变电源呈现与上一情况类似的暂态特征，此处不再赘述。

2）T1时刻

T1时刻，id，ref增大至2 p.u.，电压环电流环随即断开，双闭环控制断开成为单环控制，由电流环单独控制逆变电源的输出。

3）T1～T2

控制环断开后，在单环电流环的控制下，输出电流跟随2 p.u.逐渐增大，但由于输出电流被钳制于最大值为2p.u.，直流侧功率始终大于交流侧功率，多余的功率将储存于直流侧电容，因此其电压将不断增大。考虑到光伏发电单元自身的PV特性[12]，直流侧功率会随着直流侧电压的增大而下降，最终与交流侧功率达到平衡。

2.3 限流环节对故障暂态特性的影响

由于限流环节的作用，使逆变电源稳态输出电流最大只能达到2 p.u.，在并网点电压跌落严重的情况下，逆变电源在故障后达到稳态时其输出功率将无法满足恒功率输出的控制目的，输出功率将小于功率参考值。

为了实现输出功率等于功率参考值的控制目的，取消限流环节，使输出电流能够增大以抵消出口电压跌落对输出功率的影响。此时并网点电压跌落情况与上一种情况相同。

图11所示为取消限流环节后，逆变电源输出有功功率的变化过程。在故障发生瞬间，输出功率瞬时跌落，后在控制环节的作用下，有功功率缓慢上升后下降最终达到稳态，但故障稳态值仍然无法回复到故障前的功率输出。

图11 逆变电源输出有功功率变化Fig.11Output active power at PCC

图12所示为取消限流环节后，逆变电源输出电流的变化过程。输出电流在经历缓慢上升后下降等一系列暂态过程后最终稳定在4 p.u.左右。由电流包络线可以看出，不同于传统发电机输出电流在故障瞬间增大的特征，逆变电源并网点输出电流在故障发生后需要经历一个暂态过程才能调整到稳定状态。与此同时，虽然控制环节不再对输出电流进行限制，但逆变电源输出电流并不是无限增大，而是存在上限值。

图12 并网点输出电流Fig.12Output current at PCC

逆变电源这一故障暂态特性是由PWM调制原理所决定的。由于并网点电压跌落后已小于临界电压值，控制环输出即PWM调制波信号幅值将会不断增大，最终导致逆变器晶闸管在调制波正半周保持导通，负半周保持关断状态。逆变器输出电压将严重失真，且波形的幅值最大值只能达到

外环控制环净差未能减小，将产生更大的电流参考值，逆变器的输出电流未随参考值增大而增大，控制环发散。因此，考虑到电力电子器件的安全性，合适的限流措施也是必不可少的。

3 逆变型电源在非对称性故障情况下的特性分析

非对称故障条件下，并网点电压将出现负序分量。系统不再是三相对称系统，瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q为直流量和二倍频交流量叠加而成。负序分量的存在造成了有功功率和无功功率的波动，如图13所示。而并网点电流为了维持输出有功不变，由于负序分量的存在，输出三相相电流波形将包含大量的高次谐波，如图14（a）所示。此时电流分量由正序分量和负序分量组成，如图14（b）和图14（c）所示。本文选择的基波正负序分量检测方法[13]具有滤波作用，因此得到的正负序分量波形平滑。

图13 恒功率控制的逆变电源在外部AB相间故障时的输出功率Fig.13Output power at PCC after phase to phase fault（AB）with constant power control

由于双闭环控制中电压环输出的d轴电流指令以2倍工频振荡，传统的PI控制器无法对正弦量进行无误差跟踪。为了解决此问题，需要对现有基于电压矢量的恒功率控制策略进行改进。下面对现有的几种控制策略进行总结[13]。

平均功率控制的控制目标是电源输出的平均功率，克服了瞬时功率控制在非对称故障期间输出电流在波形上呈现高次谐波的不足。但由于输出电流仍存在负序分量，使输出电流呈现不对称的正弦型，且输出有功功率存在较大幅度的双基频振荡。

图14 恒功率控制的逆变电源在外部AB相间故障时的输出电流Fig.14Output current at PCC after phase to phase fault（AB）with constant power control

瞬时有功控制是为了克服平均功率控制输出有功包含双基频振荡的不足而提出的。此控制方法设定不对称故障时，分布式电源输出功率恒等于平均功率，双基频振荡部分为零。但此时注入的电压和电流矢量方向不同，因此，提供给电网的瞬时无功功率不等于零，存在二阶振荡。

瞬时正序控制向电网侧只注入正序电流，负序电流为零。此方法通过控制正序电流来提供有功功率，注入到电网的瞬时无功功率以两倍于基频的大小振荡。电网电流仍然无法实现正弦波形。

对称正序控制向电网侧注入的电流矢量由一系列完全对称的正序正弦波形组成，大大改善了电能质量，但提供给电网的瞬时有功功率和无功功率都将存在2倍于基准频率的功率振荡。

现国内多采用的逆变电源正序分量控制，在故障稳态的短路分析中，将逆变电源等效成压控型正序电流源[5]，逆变电源在非对称故障时，只输出对称正序电流。但是这种控制方式是以牺牲逆变电源输出功率的代价以实现输出电流的对称正弦化，有功功率和无功功率都存在振荡，两者二倍频波动幅度相近，且波动随着故障引起的电压不对称度的增大而增大，如图15所示。逆变电源输出的三相相电流如图16（a）所示，输出的三相正序电流如图16（b）所示，输出的三相负序电流如图16（c）所示。对比于图16所示的恒功率控制，正序分量控制下的逆变电源输出电流只包含正序分量，负序分量为零。

图15 正序分量控制的逆变电源在外部AB相间故障时的输出功率Fig.15Output power at PCC after phase to phase fault（AB）with positive component control

图16 正序分量控制的逆变电源在外部AB相间故障时的输出电流Fig.16Output currents at PCC after phase to phase fault（AB）with positive component control

由于逆变电源存在限流环节，其故障后输出电流最大值被钳制于限流值，远远小于传统发电机的短路电流值，这将影响到传统保护方案中保护定值的选取；同时当控制策略采用正序分量控制时，故障后稳态输出电流只包含对称正序电流，不存在负序分量，这将导致传统保护中基于负序分量的保护方案将不再适用。同时，无论故障类型故障输出三相电流保持对称，因此对于故障类型的判断也提出了新的要求。上述问题在以后的保护控制方案的制定过程中需要加以注意。

4 结语

本文深入分析了并网逆变电源的故障暂态特征。不同于传统发电机，并网逆变电源输出电流在故障后要经历一个故障暂态过程才能达到稳态输出。而故障暂态是指逆变电源因扰动偏离原有工作状态后经过一系列调整重新回复到原有稳态或者过渡到新的稳态的过程。并网逆变电源受控于自身控制器，控制参数的选择对逆变电源的故障暂态特性有着重要影响，直接决定着暂态响应时间以及控制量的具体暂态形态。在控制器选定的情况下，决定逆变电源故障暂态特性的重要因素为其限流值以及出口电压的跌落程度。在对称故障情况下，故障后并网点电压的跌落程度直接影响到逆变电源控制结构的变化，从而在不同控制结构的作用下，逆变电源呈现不同的暂态特征。对于非对称性故障，由于负序分量的存在，逆变电源输出的有功功率和无功功率将产生二倍频波动，有功功率的波动也会导致直流侧电容电压的波动，且输出电流存在大量高频分量，无法保持正弦波形。而正序分量控制使逆变电源只输出正序对称电流，对于保护控制方案的选择又提出了新的要求。

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Analysis of the Effect of Control Strategy on the Fault Transient Characteristics of Inverter-based Distributed Generators

LI Bin1，ZHANG Hui-ying1，DUAN Zhi-tian2，LIN Meng2
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300072，China）

When the power system disturbances occur，inverter-based distributed generators（IBDG）will adjust themselves through a series of operation to return to a stable state with the control of its own controller.In order to study the impact of the control strategy on the fault transient characteristics，a concrete model was constructed for the inverter control strategy.On the basis of this model，the thorough analysis on the impact of the control parameters on the fault transient characteristics of IBDG was carried on.Then in-depth analysis on the fault transient characteristics of IBDG was performed respectively in the cases of symmetry and asymmetry fault.Furthermore，simulation analysis is built up on the response of IBDG，and the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation results.The analysis will lay a theoretical basis for the protection of the grid with distributed generation.

distributed generator；inverter；constant power control；fault transient；symmetry fault；asymmetry fault

TM72

A

1003-8930（2014）12-0001-07

李斌（1976—），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统保护与控制。Email：libin_tju@126.com

2014-06-11；

2014-07-01

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2011AA05A106）；国家自然科学基金项目（51261130473）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-11-0367）

张慧颖（1989—），女，通信作者，硕士研究生，研究方向为分布式发电、微网的保护与控制。Email：zhanghuiying1114@ 163.com

段志田（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为分布式发电、微网的保护与控制。Email：373718379@qq.com