不对称故障下考虑电压跌落程度的新能源逆变器控制策略

李 红，粟时平，唐铭泽，苏乾坤，胥朝夫

不对称故障下考虑电压跌落程度的新能源逆变器控制策略

李 红1，粟时平1，唐铭泽1，苏乾坤1，胥朝夫2

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；2.国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南 岳阳 414000)

电网发生不对称故障会影响新能源并网系统可靠运行，严重情况下还会存在切机风险。针对上述问题，提出一种不对称故障下考虑电压跌落程度的电压支撑策略。首先根据逆变器在不对称故障下的输出特性，分析了对公共连接点(point of common coupling, PCC)电压的支撑原理。然后推导了任意不对称故障下PCC电压幅值的通式，进而分析了改变无功电流注入方式的临界点。最后在上述基础上，以逆变器输出电流峰值和已利用容量为约束条件，分别对3种典型的不对称故障进行了分析。确定了每种故障在不同电压跌落阶段的最优无功电流，并推导了各电压跌落阶段的电流参考值计算公式。仿真验证了所提控制策略的有效性与优越性。

不对称故障；不同电压跌落阶段；最优电压支撑；逆变器；低压穿越

0 引言

随着“双碳”目标的提出，光伏、风电等新能源的发展被提高到战略高度，同时也加快了构建新型电力系统的速度[1-3]。在新能源大规模接入电网时，其出力波动性与随机性不仅影响了电网的稳定运行，电网发生不对称故障也影响了新能源的可靠并网[4-7]。并网标准规定：并网逆变器在不对称故障期间应具备低压穿越能力[8-9]，因此研究不对称故障下的逆变器控制策略、提升逆变器低压穿越性能显得尤为重要。

对于不对称故障下的逆变器控制，已有大量学者进行了相关研究。文献[10-11]基于瞬时功率理论分析了不对称故障下常用的5种控制策略：瞬时有功-无功控制、平均有功-无功控制、正序分量瞬时控制、平衡正序分量控制和正负序分量补偿控制。文献[12-13]在上述5种控制的基础上引入控制参数，实现了多目标协调控制，但未考虑逆变器输出电流峰值越限。为解决上述问题，文献[14]以有功功率波动和输出电流峰值为约束条件，绘制了并网逆变器的运行韧性区间并扩展了逆变器的最大有功功率输出能力。值得注意的是，新能源并网系统进行低压穿越不仅要考虑逆变器的运行性能，还需具备电压支撑能力，提高故障期间的不脱网运行时间。文献[15]在正负序分量补偿控制中引入了多个调节参数，不仅能对输出电流峰值和功率波动进行抑制，还能根据电压跌落程度向电网提供无功支撑。文献[16]根据并网标准中的低压穿越曲线要求，以配电网的阻抗比来分配有功电流和无功电流，解决了中低压电网对于无功支撑要求的空缺。由于文献[15-16]未考虑PCC电压与电网电压之间的阻抗，仍不能有效支撑PCC电压。于是，文献[17]以相电压幅值为控制目标，以输出电流峰值为约束条件，实现了正序电压的最大化支撑，但在负序电压较大的情况下仍存在缺陷。文献[18]以正序电压最优支撑为首要目标，在逆变器容量允许范围内再进行负序电压最优抑制，能同时实现支撑PCC电压和降低电压不平衡度，但会引起较大的有功功率波动。文献[19]通过设置相电压上下限值得到了正负序电压参考值，并结合无功补偿装置，能在电流峰值不越限情况下有效支撑PCC电压，但逆变器容量不足或者电压跌落程度较大时，此方法并不是最优解。不同故障时，正负序电压相位不一样，不同电压跌落程度时，满足支撑PCC电压要求的正负序电流大小也不一样，所以根据故障类型和电压跌落程度来支撑PCC电压是最优解。文献[20]在电流参考值计算公式中设置正、负序分量加权分配因子，能根据电压故障类型输出相应的无功电流，但只考虑了对称故障与不对称故障，没有对不对称故障进行具体分析、并且设计方法单一，此方法仍具有局限性。

对此，本文提出了一种不对称故障下考虑电压跌落程度的电压支撑策略。首先分析了不对称故障下逆变器对PCC电压的支撑原理；然后根据PCC电压幅值的表达式，得到了改变无功电流注入方式的临界点；最后以逆变器电流峰值和已利用容量为约束条件，对3种典型的不对称故障进行了分析，推导了不同电压跌落阶段的最优电流参考值计算公式。仿真验证了所提控制策略的有效性与优越性。

1 不对称故障下逆变器输出特性分析

图1 新能源并网拓扑结构

当电网发生不对称故障时，PCC电压在两相静止坐标系上可表示为

由式(1)可得到逆变器输出电流为

由式(1)、式(2)和瞬时功率理论可得到PCC瞬时功率各分量的表达式为

2 不同故障下的PCC电压支撑策略分析

2.1 改变无功电流注入方式的临界点分析

图2 、和的函数图像

图3 PCC电压向量图

为更具体地分析不同故障下和不同电压跌落程度下的最优电压支撑策略，下文将以电网中发生概率较大的单相接地故障、两相接地故障和两相短路故障为例进行分析。

2.2 单相接地故障

基于ABC故障分类法[27-28]，忽略相位跳变，可得到A相接地故障下的电网电压为

2.3 两相接地故障

发生BC两相接地故障时，电网电压可表示为

2.4 两相短路故障

发生BC两相短路故障时，电网电压可由式(27)表示，具体推导过程见附录A。

3 仿真分析

根据文献[18]设置逆变器允许的最大电流峰值为1.2倍额定电流，具体参数见表1。

表1 仿真系统参数

单相接地故障是发生概率最大的不对称故障，因此根据A相接地故障时的电压跌落程度，设置3个场景来验证所提控制策略的有效性与优越性，仿真场景设置如表2所示。

表2 仿真场景设置

仿真设置在0.2 s时发生A相接地故障，0.4 s时电网恢复正常。其中，在0.2～0.3 s期间，采用文献[18]中的控制策略进行电压支撑，电流参考值如表3所示；在0.3～0.4 s期间，切换为本文所提控制策略，电流参考值如表4所示。

表3 对比算例的电流参考值设置

表4 本文所提控制策略的电流参考值设置

3.1 场景1：电压跌落系数k为0.65

图5 场景1仿真结果

3.2 场景2：电压跌落系数k为0.4

图6 场景2仿真结果

3.3 场景3：电压跌落系数k为0

仿真在0.2～0.4 s设置电网发生A相接地故障，A相电压跌落至0，此时正序电压为207.33 V，负序电压为103.67 V。首先在0.2～0.3 s采用对比算例的电流参考值进行控制，然后在0.3～0.4 s切换为本文所提控制策略的电流参考值进行控制，仿真结果如图7所示。

图7 场景3仿真结果

3.4 不对称电压跌落严重时相比传统限幅的优越性

表5 不同限幅策略下的电压支撑效果对比

上述仿真验证了本文所提控制策略的有效性与优越性，可在电网发生不对称故障期间有效支撑PCC电压，提升了并网系统不脱网运行时间，有助于继电保护装置清除故障，能进一步提高并网系统不脱网持续运行的机率。

需要说明的是，本文为更具体地分析电压支撑策略和便于仿真验证，对3种典型的不对称故障进行了分析。但所提控制策略不仅限于上述3种故障引起的不对称电压跌落，类比本文控制策略的思路，也可在其衍生故障(受负载接线方式和变压器型号影响)和随机不对称电压跌落下进行电压支撑。

4 结论

针对不对称故障影响新能源并网系统可靠运行的问题，本文提出了一种不对称故障下考虑电压跌落程度的电压支撑策略，通过理论分析和仿真验证得出以下结论。

1) 所提控制策略能根据不对称故障类型调整改变无功电流注入方式的临界点，并以逆变器已利用容量和电流峰值为约束条件，可整定不同电压跌落程度下的最优电流参考值，在保证逆变器安全的基础上实现了最优电压支撑。

2) 所提控制策略在保证最优电压支撑的基础上，根据逆变器运行约束条件来输出有功功率，在提升并网系统不脱网运行时间的基础上，减小了故障下的有功缺额。

3) 所提控制策略相较于现有控制策略，在电压跌落程度不大的情况下，减小了输出电流的不平衡度和PCC有功功率波动；在电压跌落程度较大情况下，提升了并网系统不脱网运行时间。

需要说明的是，本文研究是在提前获取电压跌落类型和线路等效阻抗的基础上进行的。虽然国内外对故障检测和电网阻抗在线估计进行了多年研究，但要做到准确无误地获取这些信息还是颇有难度，因此这也是本文方法的不足和挑战。

附录A

根据文献[26-27]，忽略相位跳变，可得到两相短路故障下的电网电压为

进一步化简，可得到

附录B

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Control strategy of renewable energy inverter considering voltage sag degree under asymmetric faults

LI Hong1, SU Shiping1, TANG Mingze1, SU Qiankun1, XU Chaofu2

(1. Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China; 2. Yueyang Power Supply Branch,State Grid Hunan Electric Power Co., Ltd., Yueyang 414000, China)

The occurrence of asymmetric faults in the power grid will affect the reliable operation of the new energy grid-connected system, and there will be a risk of shutdown in severe cases. Given this, this paper proposes a voltage support strategy considering the degree of voltage sag under asymmetric faults. First, according to the output features of the inverter under asymmetric faults, the support principle of the point of common coupling (PCC) voltage is analyzed. Then the general formula of the PCC voltage amplitude under any asymmetrical fault is deduced, and after that the critical point of changing the reactive current injection mode is analyzed. Finally, considering the peak value of the inverter output current and the used capacity as constraints, three typical asymmetric faults are analyzed on the above groundwork. The optimal reactive current of each type of fault in a variety of voltage sag stages is determined, and the calculation formula of current reference value in each voltage sag stage is deduced. The effectiveness and superiority of the proposed control strategy is verified by the simulation results.

asymmetric fault; different voltage sag stage; optimal voltage support; inverter; low voltage ride through

10.19783/j.cnki.pspc.220490

国家自然科学基金项目资助(51708194)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51708194).

2022-04-08；

2022-06-20

李 红(1996—)，女，硕士，研究方向为电力电子在电力系统中的应用；E-mail: 1311174736@qq.com

粟时平(1963—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向为新能源并网、电能质量分析；E-mail: 2217894289@ qq.com

唐铭泽(1998—)，男，硕士，研究方向为交直流混合微电网。E-mail: 1485622015@qq.com

(编辑 周金梅)