楊秋霞, 王 虎, 李 坤

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

一種具有電壓支撐功能的改進(jìn)無(wú)功注入策略

楊秋霞, 王 虎, 李 坤

(燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

電壓跌落是輸配電系統(tǒng)面臨的最嚴(yán)重的問(wèn)題之一。隨著分布式光伏電源在電力系統(tǒng)中的滲透率越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)外最新標(biāo)準(zhǔn)要求光伏逆變器必須具備低電壓穿越能力。為了消除有功功率振蕩，在傳統(tǒng)的正/負(fù)序控制基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的有功/無(wú)功注入策略；針對(duì)現(xiàn)有電壓支撐方法缺乏電壓抬升范圍控制，將三相電壓幅值作為控制目標(biāo)，詳細(xì)推導(dǎo)了適用于不同電壓跌落情況下的數(shù)學(xué)模型，得出為保證各相電壓均保持在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)所需注入無(wú)功功率參考值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的正確性和有效性。

電壓跌落； 電壓支撐； 功率振蕩； 無(wú)功功率控制； 低電壓穿越

0 引 言

隨著光伏發(fā)電在電網(wǎng)中的滲透率越來(lái)越高，其對(duì)輸配電系統(tǒng)的影響也越來(lái)越大。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，如光伏發(fā)電系統(tǒng)大面積脫網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的有功平衡造成沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會(huì)造成電網(wǎng)崩潰[1]。國(guó)內(nèi)外最新標(biāo)準(zhǔn)[2]要求光伏并網(wǎng)逆變器必須具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力，即電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，逆變器通過(guò)合理的策略向電網(wǎng)注入無(wú)功功率，抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓，減少電壓跌落給電網(wǎng)帶來(lái)的惡劣影響。

電壓跌落會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)一系列負(fù)面影響，例如：不平衡負(fù)序分量導(dǎo)致光伏逆變器輸出功率波動(dòng)，電流波形畸變[3]；并網(wǎng)電流過(guò)大，危及逆變器安全[4]；直流側(cè)電壓波動(dòng)[5]等。文獻(xiàn)[6-8]提出了一種靈活的電壓支撐控制策略，分析了不同的電壓跌落類(lèi)型，并通過(guò)調(diào)節(jié)控制參數(shù)k實(shí)現(xiàn)了電壓抬升與均衡的雙重效果。但是，該控制方法中由于缺少電壓控制，控制參數(shù)k需不斷調(diào)試后才能獲得較好的效果，實(shí)用性較差。針對(duì)上述不足，文獻(xiàn)[9-10]在考慮電壓控制的前提下通過(guò)詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析，得到了需要注入的無(wú)功功率Q和控制參數(shù)k的參考值。但是，該控制方法需要測(cè)量電網(wǎng)阻抗值，并且只能適用于幾種典型的電壓跌落情況(單相跌落、兩相對(duì)稱(chēng)跌落、三相對(duì)稱(chēng)跌落)。文獻(xiàn)[11]提出一種針對(duì)靜止無(wú)功補(bǔ)償器的電壓支撐策略，該方法無(wú)需測(cè)量電網(wǎng)阻抗。文獻(xiàn)[12-13]對(duì)電網(wǎng)電壓不平衡下的功率流進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出恒定有功功率對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)電流參考值，同時(shí)滿(mǎn)足了并網(wǎng)有功功率恒定且并網(wǎng)電流正弦的要求。文獻(xiàn)[14-15]提出了基于電壓定向矢量控制的穿越策略，但電流參考值計(jì)算復(fù)雜，多次運(yùn)用坐標(biāo)變換，可能引起相位滯后。

值得注意的是，大部分現(xiàn)有的電壓支撐策略都是根據(jù)電壓跌落深度注入無(wú)功電流以抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓，忽略了電壓控制及抬升范圍[16-18]。本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將三相電壓幅值作為控制目標(biāo)，保證各相電壓均保持在并網(wǎng)準(zhǔn)則要求的范圍之內(nèi);同時(shí)針對(duì)電壓跌落下功率振蕩的問(wèn)題，研究了一種消除有功振蕩的無(wú)功功率注入策略。

1 電壓跌落檢測(cè)和正負(fù)序分離

三相光伏并網(wǎng)逆變器示意圖如圖1所示。其中，Udc為直流側(cè)電壓；Ug為電網(wǎng)電壓；Lg為線路電抗；LC濾波器用于消除逆變器輸出的高頻諧波。

圖1 光伏并網(wǎng)逆變器

在三相三線制系統(tǒng)中，PCC處的瞬時(shí)電壓經(jīng)過(guò)Clark變換后，在兩相靜止坐標(biāo)系(SRF)下的表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，PCC處電壓由正序分量和負(fù)序分量組成。為了確定PCC處電壓跌落類(lèi)型，本文采用雙二階廣義積分器鎖相環(huán)(DSOGI-PLL)[19]對(duì)PCC處電壓進(jìn)行正負(fù)序分離和鎖相。

分離后，SRF下的電壓表達(dá)式如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

U+、U-——正序分量和負(fù)序分量幅值；

ω——電網(wǎng)角頻率；

φ+、φ-——正、負(fù)序電壓分量的初始相角。

PCC電壓正負(fù)序分量幅值的計(jì)算表達(dá)式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

定義電壓不平衡度為

(6)

為了簡(jiǎn)化分析，設(shè)φ=φ+-φ-，其表達(dá)式如式(7)所示。

(7)

2 消除有功振蕩的電流注入策略

根據(jù)瞬時(shí)功率理論可知，電網(wǎng)中有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式為

(8)

將式(2)、式(3)代入式(8)，可得有功和無(wú)功并網(wǎng)電流參考表達(dá)式如下：

(9)

式中:iα(p)、iβ(p)——參考電流有功分量；iα(q)、iβ(q)——參考電流無(wú)功分量。

由式(2)、式(3)可知，式(9)的分母項(xiàng)可表示為

(10)

式(10)中，在2倍電網(wǎng)頻率處存在振蕩分量。該振蕩分量會(huì)使并網(wǎng)電流參考值中存在諧波，電流波形發(fā)生畸變。但是，如果除去參考電流表達(dá)式分母中的振蕩分量，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際并網(wǎng)有功功率和無(wú)功功率出現(xiàn)波動(dòng)[3]。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論可知，電網(wǎng)電壓不平衡情況下，有功無(wú)功瞬時(shí)功率表達(dá)式為

(11)

(12)

由式(11)可知有功振蕩包括有功電流振蕩和無(wú)功電流振蕩。

為了使得并網(wǎng)電流正弦和有功功率恒定，本文采用消除有功電流振蕩項(xiàng)的對(duì)稱(chēng)正/負(fù)序控制策略注入有功電流[17]：

(13)

(14)

通過(guò)改進(jìn)PNSC策略，得到消除無(wú)功電流振蕩項(xiàng)的約束條件為

(15)

計(jì)算式(15)中的兩個(gè)方程得

(16)

改進(jìn)后的無(wú)功電流參考值的表達(dá)式為

(17)

(18)

3 電壓支撐控制策略

電壓跌落時(shí)，逆變器在向電網(wǎng)輸出有功功率的同時(shí)，需要向電網(wǎng)注入無(wú)功功率抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓至正常運(yùn)行范圍，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常。

我國(guó)2012年出版的《光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[2]規(guī)定光伏發(fā)電站正常運(yùn)行時(shí)，PCC電壓范圍為

(19)

式中:U——PCC電壓標(biāo)幺值。

假設(shè)電網(wǎng)阻抗為純電抗，并且設(shè)電抗值為L(zhǎng)g。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖可得電網(wǎng)電壓Ug和PCC電壓U的關(guān)系為

(20)

(21)

將式(2)、式(3)、式(17)、式(18)代入式(20)和式(21)得到跌落后的電網(wǎng)電壓的幅值

(22)

(23)

其中：

(24)

(25)

根據(jù)式(22)～式(25)可以看出，電網(wǎng)電壓跌落越深，需要注入越多的無(wú)功功率來(lái)抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓。對(duì)式(1)、式(2)進(jìn)行反Clark變換，可以得到PCC處三相電壓幅值的表達(dá)式

(26)

(27)

(28)

由式(26)～式(28)可以看出，電壓跌落類(lèi)型確定后，電壓相角一定，三相電壓幅值與正、負(fù)序電壓分量幅值有關(guān)。令

x=max{cos(φ),

(29)

y=min{cos(φ),

(30)

則

max{Ua,Ub,Uc}=

(31)

min{Ua,Ub,Uc}=

(32)

(33)

(34)

令

(35)

圖2顯示了電壓跌落時(shí)的兩種典型情況。

圖2 電壓抬升示意圖

電壓支撐策略的主要目標(biāo)是注入盡可能少的無(wú)功功率將跌落電壓抬升到并網(wǎng)準(zhǔn)則要求的正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。

令UH=1.1 p.u.，UL=0.9 p.u.。

當(dāng)ΔU>0.2 p.u.時(shí)：

(36)

(37)

聯(lián)立式(33)、式(34)、式(36)、式(37)，可得正、負(fù)序電壓分量期望的幅值表達(dá)式為

(38)

(39)

同上，當(dāng)ΔU<0.2 p.u.時(shí)，只需令

(40)

(41)

式(38)、式(39)是電壓支撐策略的核心公式，不管電網(wǎng)電壓是對(duì)稱(chēng)跌落還是不對(duì)稱(chēng)跌落，均可使PCC處瞬時(shí)相電壓達(dá)到期望值大小，滿(mǎn)足分布式光伏電源并網(wǎng)運(yùn)行的要求。

一旦得到正、負(fù)序電壓分量幅值的期望值后，根據(jù)式(22)～式(25)可得到無(wú)功功率的參考值

(42)

圖3 電壓支撐策略的控制框圖

4 仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。光伏并網(wǎng)逆變器的參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓為380 V/50 Hz，直流側(cè)電壓為800 V，逆變器額定功率為20 kW，濾波電感L為7 mH，濾波電容為11 μF，線路阻抗Lg為3 mH，開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。本文所選電壓基準(zhǔn)值為相電壓幅值311 V。

情景1：兩相不對(duì)稱(chēng)跌落。0.1 s前電網(wǎng)正常運(yùn)行，逆變器向電網(wǎng)輸送有功功率，0.1 s時(shí)，b相電壓跌落20%，c相電壓跌落30%，0.2 s時(shí)電壓恢復(fù)正常。圖4為傳統(tǒng)PNSC策略與改進(jìn)策略的功率波形圖。

圖4 傳統(tǒng)PNSC策略與改進(jìn)策略的功率波形圖

圖4(a)為采用傳統(tǒng)的PNSC策略注入功率時(shí)的波形圖，電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，逆變器向電網(wǎng)注入恒定的有功功率，注入無(wú)功功率為零；當(dāng)電壓跌落時(shí)，由于需要注入無(wú)功功率支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，此時(shí)有功功率發(fā)生振蕩。圖4(b)為采用改進(jìn)策略注入功率時(shí)的波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)在0.1～0.2 s期間注入無(wú)功功率抬升電壓時(shí)，消除了有功功率波動(dòng)。

圖5和圖6分別為注入無(wú)功功率和注入無(wú)功功率時(shí)的電壓正負(fù)序分量幅值、PCC三相電壓幅值等的仿真波形圖。

圖5 未注入無(wú)功功率時(shí)的仿真波形圖

圖6 注入無(wú)功功率時(shí)的仿真波形圖

由圖5的仿真結(jié)果可知：電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，如果無(wú)功功率未注入電網(wǎng)，PCC處電壓和電網(wǎng)電壓相等，其中最小值為239 V(0.77 p.u.)，小于 0.9 p.u.，不滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，正序分量幅值為259 V(0.83 p.u.)，負(fù)序分量幅值為27.3 V(0.088 p.u.)，電壓不平衡度為10.54%，由于注入電網(wǎng)的有功功率不變，因此并網(wǎng)電流變大。

圖6表示根據(jù)本文提出的策略注入無(wú)功功率時(shí)的仿真結(jié)果，PCC處電壓最小值升高到280 V(0.9 p.u.)，三相電壓幅值均在電網(wǎng)安全運(yùn)行范圍內(nèi)，正序分量幅值升高到297 V(9.5 p.u.)，負(fù)序分量降低為23 V(0.074 p.u.)，電壓不平衡度降低到7.7%，由于注入了無(wú)功功率，并網(wǎng)電流幅值繼續(xù)升高。圖6也給出了根據(jù)提出的電壓支撐策略計(jì)算出的無(wú)功功率參考值Q與瞬時(shí)無(wú)功功率q的仿真波形圖。由于不平衡原因，瞬時(shí)無(wú)功功率q在二倍電網(wǎng)頻率處存在振蕩。

情景2：?jiǎn)蜗嗟洹?.1 s前電網(wǎng)正常運(yùn)行，逆變器向電網(wǎng)輸送有功功率，0.1 s時(shí)，c相電壓跌落40%，0.2 s時(shí)電壓恢復(fù)正常。圖7為仿真波形圖。

圖7 情景2的仿真波形圖

由圖7(a)可知，未注入無(wú)功功率時(shí)，三相電壓幅值的最小值為227.8 V(0.73 p.u.)，最大值為292.2 V(0.94 p.u.)，此時(shí)ΔU>0.2 p.u.。注入無(wú)功功率后，圖7(b)中三相電壓最小值被抬升到280 V(0.9 p.u.)，最大值控制在342 V(1.1 p.u.)，均在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足并網(wǎng)要求。圖7(c)是根據(jù)電壓跌落深度計(jì)算出的無(wú)功功率參考值Q與瞬時(shí)無(wú)功功率q的仿真波形圖。與情景1相同，瞬時(shí)無(wú)功功率q在二倍電網(wǎng)頻率處存在振蕩。

圖8 情景3的仿真波形圖

情景3：三相對(duì)稱(chēng)跌落。0.1 s前電網(wǎng)正常運(yùn)行，逆變器向電網(wǎng)輸送有功功率，0.1 s時(shí)，abc三相電壓跌落20%，0.2 s時(shí)電壓恢復(fù)正常。圖8為該情景下的仿真波形圖。

由圖8(a)可以看出，三相電壓對(duì)稱(chēng)跌落20%時(shí)，三相電壓幅值為249 V(0.8 p.u.)。圖8(b)顯示，當(dāng)注入無(wú)功功率支撐電壓時(shí)，三相電壓幅值被抬升至280 V(0.9 p.u.)，在安全運(yùn)行范圍之內(nèi)。圖8(c)為無(wú)功功率參考值Q和瞬時(shí)無(wú)功功率q的仿真波形。由于該跌落類(lèi)型為三相對(duì)稱(chēng)跌落，系統(tǒng)中不存在負(fù)序分量，所以瞬時(shí)無(wú)功功率為恒定值。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了一種電壓跌落時(shí)，能夠消除有功功率振蕩，抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓的無(wú)功功率注入策略。首先根據(jù)PNSC策略注入有功功率，并以消除有功振蕩為約束條件得出了無(wú)功功率注入策略，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)有功功率恒定。其次，將PCC三相電壓幅值限制在并網(wǎng)準(zhǔn)則要求的安全運(yùn)行范圍內(nèi)作為控制目標(biāo)，對(duì)需要注入的無(wú)功功率參考值進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，成功將三相電壓抬升至安全范圍內(nèi)，避免了逆變器脫網(wǎng)。從三種跌落類(lèi)型的仿真結(jié)果可以看出，該無(wú)功注入策略可以適應(yīng)各種不同的跌落類(lèi)型，動(dòng)態(tài)性能較好，具有一定的工程運(yùn)用價(jià)值。

[1] 丁明,王偉勝,王秀麗.大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(1): 1-14.

[2] 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定:GB/T 19964—2012[S].

[3] 郭小強(qiáng),張學(xué),盧志剛.不平衡電網(wǎng)電壓下光伏并網(wǎng)逆變器功率/電流質(zhì)量協(xié)調(diào)控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(3): 346-353.

[4] AZEVEDO M S. Photovoltaic inverters with fault ride-through capability[C]∥International Symposium on Industrial Electronics, Seoul Olympic Parktel, Seoul, Korea: 2009: 549-553.

[5] 郭小強(qiáng),李建,張學(xué),等.電網(wǎng)電壓畸變不平衡情況下三相PWM整流器無(wú)鎖相環(huán)直流母線恒壓控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(8): 2002-2008.

[6] CAMACHO A, CASTILLA M, MIRET J. 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] 李建文,雷亞雄,李永剛,等.并網(wǎng)逆變器電壓支撐的參考電流值[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(10): 276-282.

[8] WANG F, JORGE L, MARCEL A M. Pliant active and reactive power control for grid-interactive converters under unbalanced voltage dips[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(5): 1511-1521.

[9] 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.

[10] 漆漢宏,王曉娜,魏艷君.消除有功振蕩的改進(jìn)低電壓穿越方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(1): 416-423.

[11] CASTILLA M, MIRET J, CAMACHO A, et al. Voltage support control strategies for static synchronous compensators under unbalanced voltage sags[J]. IEEE Trans Ind Electron, 2014, 61(2): 808-820.

[12] 郭小強(qiáng),鄔偉揚(yáng),漆漢紅.電網(wǎng)電壓畸變不平衡情況下三相光伏并網(wǎng)逆變器控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(3): 22-28.

[13] TEODORESCU R, LISERRE M, RODRIGUEZ P.光伏與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)變換器[M].周克亮,王政,徐青山,等譯.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[14] 韋徵,王俊輝,茹心芹.基于電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)逆變器零電壓穿越控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2016,40(4): 78-84.

[15] 張明光,陳曉婧.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制策略[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014,42(11): 28-33.

[16] 賈利虎,朱永強(qiáng),孫小燕.基于模型電流預(yù)測(cè)控制的光伏電站低電壓穿越控制方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2015,39(7): 68-74.

[17] RODRIGUEZ P, TIMBUS A V, TEODORESCU R, et al. Flexible active power control of distributed power generation systems during grid fault[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 54(5): 2583-2592.

[18] MIRET J, CAMACHO A, CASTILLA M, et al. Reactive current injection protocol for low-power rating distributed generation sources under voltage sags[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 8(6): 879-886.

[19] RODRIGUEZ P, TEODORESCU R, CANDELA I. New positive-sequence voltage detector for grid synchronizationof power converters under faulty grid conditions[J]. Power Electronics Specialists Conference, 2006, 37(6): 1-7.

中文核心期刊 中國(guó)科技核心期刊 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)

全國(guó)優(yōu)秀科技期刊 華東優(yōu)秀科技期刊

中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊 中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源期刊

An Improved Reactive Power Injection Strategy with Voltage Limits

YANGQiuxia,WANGHu,LIKun

(School of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Voltage drop was one of the most serious problems for the operation of the transmission and distribution networks. With the growing penetration level of distributed photovoltaic power sources, the latest domestic and international standards require that the PV inverter must have low voltage ride through capability. In order to eliminate the active power oscillations, an improved active/reactive current injection strategy was proposed on the basis of the conventional positive/negative sequence control. As the current voltage support schemes fail to limit voltage lifting range, a complete control scheme intended to regard three phase voltage amplitudes as the control target to regulate the maximum and minimum phase voltages at the point of common coupling within the limits established in grid codes for continuous operation. A mathematical model adapted to different types of voltage dips was derived in detail and reactive power reference was also calculated after that. Finally, the results of simulation confirmed the correctness and effectiveness of the proposed strategy.

voltage drop; voltage support; power oscillations; reactive power control; low voltage ride through (LVRT)

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573303);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2016203092)

楊秋霞(1972—), 女,博士研究生, 副教授, 研究方向?yàn)楣夥l(fā)電及并網(wǎng)控制，電力系統(tǒng)保護(hù)與控制。 王 虎(1990—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量的統(tǒng)一控制。

TM 615

A

1673-6540(2017)05- 0063- 07

2016 -11 -09