不对称故障下的IIDG改进功率控制策略

李智轩，何 晋，李维希，孙琮岳

（云南民族大学电气信息工程学院，昆明 650031）

随着以风能、太阳能为代表的分布式电源DG（distributed generation）大量接入电网，对电网的运行造成了显著的影响[1-4]。分布式电源根据其并网接口类型可以分为旋转型DG和逆变型DG，IIDG（inverter-interfaced distributed generation）以其灵活性和可靠性被广泛的应用。根据并网规程，在电网发生不对称故障出现电压跌落时，接入电网运行的IIDG在规定的时间和电压跌落范围内要能保证连续并网运行，同时注入无功功率支撑电网电压，实现低压穿越运行[3-5]。因此，在电网发生不对称故障时，IIDG有功和无功功率的输出应进行合理的控制。

目前，对于IIDG的低压穿越控制策略，国内外学者进行了大量的工作研究。文献[3]提出PCC（point of common coupling）电压每跌落1%，注入至少2%的无功电流，但这一控制策略只能适用于电网对称故障情形。对此文献[4]提出正序分量控制，以PCC正序电压为参考，同时抑制负序电流分量，可抑制输出功率中的倍频分量，减小有功输出的振荡。文献[5-6]基于正、负序对称分量，得到实现电压支撑所需正、负序参考电流，但未考虑负序电流对有功输出振荡的影响。文献[7]提出正、负序无功功率注入的方法，可有效实现电压支撑目标，同时减小三相电压的不平衡度，但未考虑有功功率的控制。文献[8-11]通过为正、负序分量分配不同的控制系数，可有效地控制有功无功输出出现的倍频分量，同时实现电压支撑，但有功和无功参考功率值未能给出有效的计算方法。文献[12-13]根据不同并网规程综合提出了一种不对称故障穿越控制方法，通过实时调整正、负序电压参考值，实现了动态的电压支撑，但同样未考虑有功输出振荡的问题。由此可知上述文献工作多针对一两个特定目标进行，其控制策略存在一些缺陷。为能实现在不对称故障情况下IIDG电压支撑、有功功率输出、有功输出振荡抑制3个控制目标，分析提出了一种正、负序无功功率控制方法，可有效地将PCC电压控制在约束电压范围内，在此基础上补充有功功率控制和有功振荡抑制控制，在实现电压支撑的前提下，分别控制实现了不对称故障下IIDG有功功率的最大输出和有功功率输出振荡的抑制。最后搭建仿真测试系统，验证了所提控制策略的可行性。

1 不对称故障时IIDG运行特性

IIDG并网拓扑如图1所示，当电网侧发生一个不对称故障时或是接入不对称负载时将导致IIDG的PCC并网点处电压发生不对称跌落。在电网发生不对称故障时，PCC点电压的正负序电压分量在SRF坐标系下可以表示[14-15]为

图1 IIDG并网拓扑Fig.1 Topology of grid-connected IIDG

式中：v+和v-分别为PCC点电压的正、负序分量；和为SRF坐标系下正序电压分量；和为SRF坐标系下负序电压分量。本文采用双二阶广义积分器来实现正负序分量的提取[16-18]。由于IIDG多接入配电网系统，而配电网一般采用中性点不直接接地，故可忽略零序分量，只对正、负序分量进行分析[6，19-21]。SRF坐标系下正、负序电压可由正、负序电压幅值表示为[22]

式中：V+和V-分别为正、负序电压幅值；ω为电网角频率；φ+和φ-分别为正、负序电压初相角。同理可得IIDG输出电流可表示为

由式（7）可以看到，在纯感性网络或网络R/X值较小时，有功电流分量起到的电压支撑效果微弱，因此在感性网络下可认为电压支撑主要由无功电流分量来完成，忽略有功电流对电压支撑的影响。

根据瞬时功率理论，IIDG输出的瞬时有功和无功功率可表示为

在不对称故障时，p、q同理式（1）可由正负序分量表示为[23]

式中：P+、P-和Q+、Q-分别为正、负序平均有功和无功功率；p～和q～分别为有功和无功功率的振荡分量。上述各个功率分量表达式可表示为

2 IIDG无功功率控制

在电网发生不对称故障时，IIDG无功功率控制主要是实现电压支撑目标，通过向电网注入正序无功功率提升PCC正序电压，向电网注入负序无功功率，减小PCC负序电压，提升PCC三相电压的平衡度。如图2所示，以A相电压跌落为例，展示了不同正、负序无功功率注入情况下三相电压的提升情况。由图2（b）、（c）和（d）可知，对比单独注入正序无功功率或负序无功功率，同时向电网注入正、负序无功功率可获得较为良好的电压支撑效果。电压不对称跌落时，PCC点三相电压幅值由正、负电源分量幅值的关系表达式为[24]

图2 不同无功功率控制下PCC三相电压Fig.2 Three-phase voltage at PCC under different reactive power control

3 IIDG有功功率控制

在IIDG的无功功率控制完成后，IIDG有功功率的控制在本节进行讨论。对IIDG的有功功率控制策略主要是针对上文所述无功功率控制实现电压支撑目标后，除去电压支撑所需的无功功率，IIDG还存有剩余容量，通过有功功率控制将剩余容量以有功功率形式输出，实现能源的最大化利用。由上文可知正、负序无功参考电流幅值计算表达式为

4 有功振荡抑制控制

在上文的分析中可知，在不对称电压跌落时，无功功率控制策略将控制IIDG向电网注入负序无功功率实现降低PCC点三相电压不平衡度的目标。在三相电压不平衡度较高时，注入的负序无功功率将可能过高，而注入过多的负序无功电流将导致IIDG有功功率输出出现较大振荡，因此需要对负序无功电流的注入进行限制，确保有功功率振荡幅值小于有功振荡限值。将式（2）、（3）代入式（11）可得到有功功率振荡得幅值表达式为

由上式可知，若考虑电压不对称跌落时有功功率输出振荡抑制，需要对IIDG输出的负序无功功率加以限制，但这一限制将会对上文无功功率控制完成电压支撑目标造成影响。因此在实现电压支撑，降低三相电压不平衡度和抑制有功功率振荡之间需要根据实际电网运行要求平衡考虑。在下一章中，将通过仿真算例验证无功功率控制和有功振荡抑制控制之间的关系。最终由无功功率控制结合有功功率输出控制和有功振荡抑制控制构成得到IIDG不对称故障下的功率控制策略，总体控制策略如图3所示。

图3 IIDG改进功率控制策略Fig.3 IIDG improved power control strategy

5 仿真算例验证

为验证上文有功/无功功率控制策略的可行性，根据图1的IIDG并网结构图，于PSCAD/EMTDC中搭建仿真验证模型，模型的直流侧采用理想直流电源代替，这一简化模型已在多篇文献中得到应用[5-7，12]。设置3个不同的电压不对称跌落案例验证控制策略的可行性，同时对比传统正序无功功率注入控制策略验证上文所提控制策略的有效性。仿真系统参数如表1所示，仿真测试参数如表2所示。

表1 系统参数Tab.1 System parameters

表2 仿真测试参数Tab.2 Parameters of simulation test

5.1 Test1有功/无功功率控制

Test1设置验证正序无功电流注入控制策略和上文无功功率控制在不对称电压跌落情况下对PCC处电压支撑的效果，同时验证有功功率控制是否能实现最大有功功率输出。如图4所示，从0.4～1.2 s，Vgabc三相电压分别经历了不同程度的电压跌落，如在0.6～0.7 s，Vga和Vgb两相电压跌落至0.7 p.u.，在未出现电压跌落故障时，即正常运行时，设置IIDG以单位功率因数运行。

图4 电网侧三相电压幅值Fig.4 Magnitude of three-phase grid voltage

正序无功功率注入控制策略和无功/有功功率控制策略在电压跌落情况下的仿真结果如图5所示。其中图5（a）～（d）为正序无功功率注入控制策略仿真结果图，从图5（a）中可以看到，正序无功功率注入控制策略在正序电压跌落较深的0.6～0.9 s时无法将PCC三相电压抬升到设定的限值范围内，从图5（c）中可知，PCC处正序电压相对电网侧正序电压提升较小，同时由于只注入了正序无功功率，所以PCC处负序电压并没有下降。由图5（e）～（h）可知，在面对不同情况的电压跌落时，无功功率控制较为有效地将PCC处三相电源控制在限值范围内，在0.8 s投入有功功率控制实现了在较低电压跌落情况时IIDG有功功率的输出，且确保了三相电流不会超过。但在Test1测试中，并未考虑抑制有功功率振荡，所以由图5（h）可以看到瞬时有功功率输出曲线出现了较大的波动，有功振荡抑制控制将在下一测试进行验证。

图5 正负序无功功率注入控制和无功/有功功率控制仿真结果Fig.5 Simulation results under positive-and negative-sequence reactive power injection control and reactive/active power control

5.2 Test2有功/无功/有功振荡抑制控制

Test2设置验证有功振荡抑制控制策略的控制效果和对无功功率控制的影响，且以有功振荡抑制控制为第一控制目标，控制实现有功振荡峰峰值约束在0.15 p.u.内。设置在0.4～0.8 s时电网侧电压出现电压不平衡跌落，在0.6 s时投入有功振荡抑制控制，仿真结果如图6所示。由图6（a）可知，在0.6 s时投入有功振荡抑制控制对电压支撑造成了一些负面的影响，导致B相电压略低于限值。但从图（c）中可以看到，施加有功振荡抑制控制后，有功振荡峰峰值从1.432 p.u.减小至0.136 p.u.，实现了控制目标，仿真结果符合上文中对无功功率控制和有功振荡控制之间关系的理论分析，同时由图6（b）可以看到整个控制过程，电流未出现越限。由此可知有功振荡抑制和电压支撑的协调需要根据实际运行情况的要求进行设置。

图6 Test2仿真结果Fig.6 Simulation results of Test2

5.3 Test3阻感性网络下有功/无功控制

Tset3设置从0.4～1.1 s发生6种不同的电压跌落情形，同时电网络设置为阻感性网络，验证控制策略在阻感性网络中的控制效果。由7（a）可知，无功功率控制成功的将PCC三相电压幅值控制在限值范围内。由图7（b）、（c）可知有功功率控制实现了有功功率的最大输出，同时确保了IIDG输出电流不超过限值。Test3验证了控制策略在阻感性网络下的可行性，表明其具有更强的实际应用性。

6 结论

针对并网运行的IIDG在电网发生不对称电压跌落时，应能够支撑并网点电压实现低压穿越运行。对此本文通过对IIDG有功和无功功率控制实现了以下功能：

（1）无功功率控制实现了纯感性和阻感性网络不对称电压跌落情况下PCC处的电压支撑，PCC三相电压均能确保约束在预设电压限值范围内；

（2）在电压支撑目标实现的前提下，有功功率控制实现了IIDG有功功率的最大输出，充分利用了分布式电源的容量；

（3）有功振荡抑制控制通过约束IIDG输出负序无功功率的大小，有效地减小了有功输出的振荡，提升了系统运行的稳定性。