深度不對(duì)稱故障下逆變電源控制策略研究

劉素梅，畢天姝，薛安成

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

近年來(lái)，隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源電源的迅猛增長(zhǎng)，其對(duì)電網(wǎng)的影響已經(jīng)不能忽視.特別是電網(wǎng)故障下，這些新能源電源的暫態(tài)行為特性將直接影響電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行.目前，許多國(guó)家已發(fā)行相關(guān)電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，要求它們具有一定低電壓穿越能力，即一定程度電網(wǎng)跌落下仍能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行［1-3］，且能提供一定的無(wú)功支撐.

對(duì)于目前應(yīng)用廣泛的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組或光伏電池系統(tǒng)等僅通過逆變器與電網(wǎng)相連的新能源電源（又稱為逆變電源）來(lái)說(shuō)，其低電壓穿越方面的研究多關(guān)注于三相對(duì)稱故障的情況，而在不對(duì)稱故障下相關(guān)控制策略的研究相對(duì)還較少.盡管文獻(xiàn)［4-7］已提出在電網(wǎng)電壓不平衡情況下，通過調(diào)整逆變電源交流側(cè)正負(fù)序電流來(lái)抑制直流電壓的二次諧波量的控制策略，但并未真正地從低電壓穿越要求角度考慮逆變電源的故障穿越控制策略.

事實(shí)上，在不對(duì)稱故障下，若僅單純地考慮如何消除逆變電源直流母線電壓脈動(dòng)，而忽略逆變器通流能力的限制（其上流過的電流一般最大不能超過額定值的1.5～2.0倍），并不能從真正意義上提高逆變電源的故障穿越能力.特別是在深度不對(duì)稱故障情況下，逆變電源很有可能由于變流器過流保護(hù)動(dòng)作而被迫從電網(wǎng)切除［3，8］.

為此，筆者通過分析深度不對(duì)稱故障下逆變電源直流母線電壓、交流側(cè)電流等電氣量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出滿足新能源電源故障穿越要求的不對(duì)稱故障穿越策略設(shè)計(jì)準(zhǔn)則.該策略將不僅能有效抑制深度不對(duì)稱故障下直流電壓脈動(dòng)，同時(shí)也能使逆變電源在故障期間發(fā)出所需的有功和無(wú)功功率，并在故障切除后能快速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài).

1 深度不對(duì)稱故障下逆變電源數(shù)學(xué)模型

對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池組件等逆變電源來(lái)說(shuō)，其網(wǎng)側(cè)變換器的故障特性對(duì)電源本身低電壓穿越能力起決定性作用，若能保證故障下變換器直流側(cè)電壓恒定不變，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)與機(jī)側(cè)變換器、光伏陣列與DC／DC變換器均將不會(huì)受故障影響［9-11］.為此，筆者主要研究在深度不對(duì)稱故障下網(wǎng)側(cè)變換器各電氣量的關(guān)聯(lián)規(guī)律.

如圖1所示為典型的三相電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).忽略基頻下LCL濾波器并聯(lián)電容支路上流過的電流，即i1k＝ik（k＝a，b，c）.電網(wǎng)不對(duì)稱故障下，在兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中變換器交流側(cè)電壓、電流矢量之間的關(guān)系表達(dá)式為

式中 上標(biāo)p和n分別表示正序量和負(fù)序量；Edq，Idq和Vdq分別表示在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓、LCL濾波器上流過的電流和逆變器出口處電壓矢量，其中Edq＝ed-jeq，其他矢量的表示方法均類似.可以看出，在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，變換器交流側(cè)電壓和電流的正負(fù)序分量之間相互獨(dú)立，互不影響.

圖1 三相電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 1 Topology of three phase voltage-type inverter

在電網(wǎng)深度不對(duì)稱故障下，逆變電源輸出到電網(wǎng)的有功功率為

所以，不對(duì)稱故障引起的電網(wǎng)電壓不平衡將會(huì)導(dǎo)致逆變電源輸出的有功功功率中包含直流平均分量、二次正弦諧波分量和二次余弦諧波分量.其中，二次諧波量主要由負(fù)序量引起.

同理，逆變器交流側(cè)出口處有功功率可用其交流側(cè)出口處電壓和電流表示，其表達(dá)式為

將式（1）代入（5）中，可得到逆變器交流側(cè)出口處瞬時(shí)有功功率P1out與電源輸出到電網(wǎng)的瞬時(shí)有功功率Pout的各分量之間的關(guān)系：

式中Pdc表示逆變器直流側(cè)輸入功率；Pin＝2udciin表示逆變電源的輸入功率；PC＝2Cudcdudc／dt表示直流母線電容的充放電功率.電網(wǎng)不對(duì)稱故障下由于負(fù)序電網(wǎng)電壓的存在，瞬時(shí)功率P1out中將包含二倍基頻的脈動(dòng)量，導(dǎo)致直流母線側(cè)電壓二倍頻波動(dòng)，這將會(huì)影響逆變電源的穩(wěn)定性，也會(huì)減小直流側(cè)電容的壽命.

1. 遺傳因素：PSD的發(fā)生與遺傳因素密切相關(guān)。5-羥色胺轉(zhuǎn)運(yùn)體基因連鎖多態(tài)性區(qū)域(5-hydroxytryptamine transporter-linked polymorphic region，5-HTTLPR)、5-羥色胺受體和腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)基因型的多肽性對(duì)PSD的發(fā)生有重要影響。一項(xiàng)276例腦卒中隊(duì)列研究顯示：5-羥色胺受體2A抗體(5-HTR2A)的1438 A/A基因型與主要PSD相關(guān)，而5-HTTLPR的s/s和BDNF met/met基因型與PSD密切相關(guān)[5]。

在電網(wǎng)深度不對(duì)稱故障下，逆變電源輸出到電網(wǎng)的無(wú)功功率表達(dá)式為

對(duì)比式（10）與式（4），可看出，無(wú)功功率的二倍頻余弦分量系數(shù)與有功功率二倍頻正弦分量系數(shù)相反，而無(wú)功功率的二倍頻正弦分量系數(shù)與有功功率二倍頻余弦分量系數(shù)相等.

2 深度不對(duì)稱故障穿越綜合控制策略

通過以上分析，不對(duì)稱故障下逆變電源直流直線電壓波動(dòng)主要是由于逆變器交流側(cè)出口處有功功率中的二倍基頻諧波量造成.為了有效抑制直流母線電壓脈動(dòng)，目前，主要采用的控制策略包括兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙DQ控制、兩相靜止坐標(biāo)系下的雙電流控制和直流功率控制等策略.其中，雙DQ控制策略的應(yīng)用最為廣泛.

在不對(duì)稱電網(wǎng)故障條件下，盡管雙DQ控制策略能通過對(duì)逆變器交流側(cè)正、負(fù)序電流進(jìn)行精確的跟蹤與控制，實(shí)現(xiàn)消除直流電壓脈動(dòng)的控制目標(biāo)，但是這些控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)并沒有考慮變換器容量限制，實(shí)際上變換器的過流和電壓耐受能力均較差［12］.因此，深度不對(duì)稱故障下，逆變電源故障穿越控制策略的設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮3個(gè)方面的因素：

1）變換器的電流和電壓耐受能力限制，一般情況下由IGBT構(gòu)成的變換器的最大允許電流為額定電流1.5～2.0倍，耐受電壓由所選擇的具體型號(hào)決定.

2）直流母線電容的電壓耐受能力限制，一般為正常運(yùn)行電壓的1.1～1.3倍.

若設(shè)計(jì)逆變電源不對(duì)稱故障穿越控制策略時(shí)，未考慮以上因素，很有可能會(huì)因變換器過流保護(hù)動(dòng)作而是逆變電源被迫從電網(wǎng)切除，或直流母線側(cè)電容損壞，或因PWM過調(diào)制而導(dǎo)致逆變器控制系統(tǒng)失去穩(wěn)定.為此，上述因素是逆變電源不對(duì)稱故障穿越控制策略設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的必要因素.

同時(shí)，若使逆變電源能滿足電網(wǎng)導(dǎo)則所要求的故障穿越能力，故障期間逆變電源除了能夠并網(wǎng)運(yùn)行，還應(yīng)能向電網(wǎng)提供所需的無(wú)功功率支撐，且在故障切除后逆變型新能源電源能夠迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)（如有功功率以至少小于10%額定功率變化率恢復(fù)到故障前的穩(wěn)定值）.

3 仿真分析

為了論證深度不對(duì)稱故障下通過考慮上述各因素所設(shè)計(jì)的逆變電源故障穿越控制綜合策略的正確性和有效性，基于RTDS仿真平臺(tái)，筆者搭建了主要參數(shù)如表1所示的含逆變型新能源電源的電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型，如圖2所示，主要開展的實(shí)驗(yàn)包括：?jiǎn)蜗嘟拥亍上嘟拥?、兩相相間故障下在故障發(fā)生和切除全過程中逆變電源的暫態(tài)性能測(cè)試與分析.

3.1 單相接地故障下電源的暫態(tài)特性

故障前電源處于典型運(yùn)行狀態(tài)，為分析綜合控制策略下電源在故障發(fā)生及切除全過程中電磁暫態(tài)特性，設(shè)t＝0.6s時(shí)線路OA末端發(fā)生A相接地短路（持續(xù)時(shí)間為0.7s）.如圖3所示為公共連接點(diǎn)處正負(fù)序電壓幅值變化曲線，不對(duì)稱度（負(fù)序電壓0.34p.u.與正序電壓0.68p.u.比值）為50%.綜合控制策略和傳統(tǒng)雙DQ控制策略下，逆變電源直流電壓和交流電流變化曲線分別如圖4，5所示.

表1 逆變型新能源電源仿真模型主要參數(shù)Table 1 Inverter-based power supply parameters

圖2 含逆變電源的系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真模型Figure 2 Simulationg model of power network with inverter-based renewable energy resource

圖3 逆變電源出口處正負(fù)序電壓Figure 3 Positive and negative sequence voltage at point of common coupling（PCC）of the inverter-interfaced source

圖4 單相接地故障下逆變電源直流母線側(cè)電壓Figure 4 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under single-phase fault

圖5 逆變電源交流側(cè)電流Figure 5 AC-side current of the inverter-interfaced source

對(duì)比圖4（a）和（b）中綜合控制策略和僅雙DQ控制作用下逆變電源在故障發(fā)生及切除后直流電壓曲線，可發(fā)現(xiàn)故障期間，經(jīng)過較短調(diào)節(jié)時(shí)間它們均能穩(wěn)定為正常值.但僅雙DQ控制策略作用下，由于故障初始階段逆變器交直流側(cè)功率不平衡，直流電壓上升后經(jīng)過一定調(diào)節(jié)時(shí)間后才能穩(wěn)定.

由圖5可知故障后電流明顯增大，但小于變換器最大電流允許值，且在故障發(fā)生和切除后經(jīng)過較短時(shí)間均能輸出穩(wěn)定的電流，其諧波含量均較小.另外，可發(fā)現(xiàn)在故障起始階段，由于綜合控制策略作用，逆變電源表現(xiàn)出較好的阻尼特性，電流上升和下降的速度相對(duì)較緩慢.

3.2 兩相接地故障下逆變電源的暫態(tài)特性

故障前逆變電源的運(yùn)行工況與情況1相同，設(shè)t＝0.6s時(shí)線路OA末端A，B相發(fā)生接地短路故障（持續(xù)0.7s），其中正序、負(fù)序電壓分別為0.44p.u.和0.35p.u.，不對(duì)稱度為79.55%.逆變電源直流母線電壓的變化曲線如圖6所示.可看出，采用傳統(tǒng)雙DQ控制策略時(shí)，直流電壓呈明顯的2倍工頻振蕩且幅度較大，這將不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.相比之下，在綜合控制策略下，逆變電源直流母線電壓脈動(dòng)較小，且故障發(fā)生及切除后均能在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值.

圖6 兩相接地故障下逆變電源直流母線側(cè)電壓Figure 6 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under phase A and B grounding fault

由圖7（a）和（b）可看出，雙DQ控制策略下逆變電源交流側(cè)基波電流幅值遠(yuǎn)超過逆變器最大電流允許值，在實(shí)際中過流保護(hù)將會(huì)動(dòng)作，逆變電源將被迫從電網(wǎng)中切除.而綜合控制策略作用下逆變電源輸出電流得到了有效限制，其幅值不會(huì)超過變換器最大電流允許值，電源在故障期間將仍能并網(wǎng)運(yùn)行.

圖7 兩相接地故障下逆變器交流側(cè)基波電流幅值Figure 7 Amplitude of AC-side fundamental current of the inverter under A and B grounding fault

3.3 兩相相間短路時(shí)逆變電源的暫態(tài)特性

故障前逆變電源的運(yùn)行工況也與情況1相同，設(shè)t＝0.6s時(shí)線路OA末端A，B相之間發(fā)生相間短路故障（持續(xù)時(shí)間為0.7s），期間正序和負(fù)序電壓相同，均為0.48p.u.，不對(duì)稱度為100%.不同控制策略作用下，逆變電源直流電壓和交流電流的變化曲線分別如圖8，9所示.

可以看出，若逆變電源采用綜合控制策略，即使在100%不對(duì)稱度故障下直流電壓仍可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，且2倍頻量能得到有效抑制；交流側(cè)電流幅值也將不會(huì)超過變換器電流限制值，且其所含諧波量較小.而若采用傳統(tǒng)的雙DQ控制策略時(shí)，即使假設(shè)變換器的最大電流允許值相對(duì)較大（大于2p.u.），但是由于變換器的控制能力有限，當(dāng)發(fā)生大值不對(duì)稱度故障時(shí)，電源將不能輸出穩(wěn)定電流，且直流電壓波動(dòng)也非常大，電源將因不能穩(wěn)定運(yùn)行被迫從電網(wǎng)中切除.

圖8 兩相相間短路故障下逆變電源直流母線側(cè)電壓Figure 8 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under phase A to B fault

圖9 兩相相間短路故障下逆變電源交流側(cè)電流Figure 9 AC-side current of the inverter under phase A to phase B fault

4 結(jié)語(yǔ)

筆者首先分析了深度不對(duì)稱故障下逆變電源交直流側(cè)電氣量之間的關(guān)系，針對(duì)目前普遍采用的雙DQ矢量控制策略在深度不對(duì)稱度故障下存在的逆變器過流等問題，提出滿足現(xiàn)有故障穿越要求的逆變電源控制策略主要設(shè)計(jì)原則，以保證電源不僅能穿越對(duì)稱故障，也能穿越不對(duì)稱故障.最后，通過仿真對(duì)比分析了傳統(tǒng)雙DQ控制策略和依據(jù)逆變電源故障穿越控制策略設(shè)計(jì)原則提出的綜合控制策略作用下，逆變電源在故障發(fā)生及切除全過程中的直流電壓和交流電流等量變化規(guī)律，驗(yàn)證了在深度不對(duì)稱故障下采用傳統(tǒng)雙DQ矢量控制并不能使逆變電源具備真正意義上的故障穿越能力，逆變電源故障穿越控制策略的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足筆者提出的原則.

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