深度不对称故障下逆变电源控制策略研究

刘素梅，毕天姝，薛安成

（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206）

近年来，随着风能、太阳能等新能源电源的迅猛增长，其对电网的影响已经不能忽视.特别是电网故障下，这些新能源电源的暂态行为特性将直接影响电网的安全与稳定运行.目前，许多国家已发行相关电网运行准则，要求它们具有一定低电压穿越能力，即一定程度电网跌落下仍能够保持并网运行［1-3］，且能提供一定的无功支撑.

对于目前应用广泛的永磁直驱风电机组或光伏电池系统等仅通过逆变器与电网相连的新能源电源（又称为逆变电源）来说，其低电压穿越方面的研究多关注于三相对称故障的情况，而在不对称故障下相关控制策略的研究相对还较少.尽管文献［4-7］已提出在电网电压不平衡情况下，通过调整逆变电源交流侧正负序电流来抑制直流电压的二次谐波量的控制策略，但并未真正地从低电压穿越要求角度考虑逆变电源的故障穿越控制策略.

事实上，在不对称故障下，若仅单纯地考虑如何消除逆变电源直流母线电压脉动，而忽略逆变器通流能力的限制（其上流过的电流一般最大不能超过额定值的1.5～2.0倍），并不能从真正意义上提高逆变电源的故障穿越能力.特别是在深度不对称故障情况下，逆变电源很有可能由于变流器过流保护动作而被迫从电网切除［3，8］.

为此，笔者通过分析深度不对称故障下逆变电源直流母线电压、交流侧电流等电气量之间的关联规律，提出满足新能源电源故障穿越要求的不对称故障穿越策略设计准则.该策略将不仅能有效抑制深度不对称故障下直流电压脉动，同时也能使逆变电源在故障期间发出所需的有功和无功功率，并在故障切除后能快速恢复到正常运行状态.

1 深度不对称故障下逆变电源数学模型

对永磁直驱风力发电机和光伏电池组件等逆变电源来说，其网侧变换器的故障特性对电源本身低电压穿越能力起决定性作用，若能保证故障下变换器直流侧电压恒定不变，永磁直驱发电机与机侧变换器、光伏阵列与DC／DC变换器均将不会受故障影响［9-11］.为此，笔者主要研究在深度不对称故障下网侧变换器各电气量的关联规律.

如图1所示为典型的三相电压型逆变器拓扑结构.忽略基频下LCL滤波器并联电容支路上流过的电流，即i1k＝ik（k＝a，b，c）.电网不对称故障下，在两相dq旋转坐标系中变换器交流侧电压、电流矢量之间的关系表达式为

式中 上标p和n分别表示正序量和负序量；Edq，Idq和Vdq分别表示在两相旋转坐标系下电网电压、LCL滤波器上流过的电流和逆变器出口处电压矢量，其中Edq＝ed-jeq，其他矢量的表示方法均类似.可以看出，在电网电压不平衡时，变换器交流侧电压和电流的正负序分量之间相互独立，互不影响.

图1 三相电压型逆变器拓扑结构Figure 1 Topology of three phase voltage-type inverter

在电网深度不对称故障下，逆变电源输出到电网的有功功率为

所以，不对称故障引起的电网电压不平衡将会导致逆变电源输出的有功功功率中包含直流平均分量、二次正弦谐波分量和二次余弦谐波分量.其中，二次谐波量主要由负序量引起.

同理，逆变器交流侧出口处有功功率可用其交流侧出口处电压和电流表示，其表达式为

将式（1）代入（5）中，可得到逆变器交流侧出口处瞬时有功功率P1out与电源输出到电网的瞬时有功功率Pout的各分量之间的关系：

式中Pdc表示逆变器直流侧输入功率；Pin＝2udciin表示逆变电源的输入功率；PC＝2Cudcdudc／dt表示直流母线电容的充放电功率.电网不对称故障下由于负序电网电压的存在，瞬时功率P1out中将包含二倍基频的脉动量，导致直流母线侧电压二倍频波动，这将会影响逆变电源的稳定性，也会减小直流侧电容的寿命.

1. 遗传因素：PSD的发生与遗传因素密切相关。5-羟色胺转运体基因连锁多态性区域(5-hydroxytryptamine transporter-linked polymorphic region，5-HTTLPR)、5-羟色胺受体和脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)基因型的多肽性对PSD的发生有重要影响。一项276例脑卒中队列研究显示：5-羟色胺受体2A抗体(5-HTR2A)的1438 A/A基因型与主要PSD相关，而5-HTTLPR的s/s和BDNF met/met基因型与PSD密切相关[5]。

在电网深度不对称故障下，逆变电源输出到电网的无功功率表达式为

对比式（10）与式（4），可看出，无功功率的二倍频余弦分量系数与有功功率二倍频正弦分量系数相反，而无功功率的二倍频正弦分量系数与有功功率二倍频余弦分量系数相等.

2 深度不对称故障穿越综合控制策略

通过以上分析，不对称故障下逆变电源直流直线电压波动主要是由于逆变器交流侧出口处有功功率中的二倍基频谐波量造成.为了有效抑制直流母线电压脉动，目前，主要采用的控制策略包括两相旋转坐标系下双DQ控制、两相静止坐标系下的双电流控制和直流功率控制等策略.其中，双DQ控制策略的应用最为广泛.

在不对称电网故障条件下，尽管双DQ控制策略能通过对逆变器交流侧正、负序电流进行精确的跟踪与控制，实现消除直流电压脉动的控制目标，但是这些控制目标的实现并没有考虑变换器容量限制，实际上变换器的过流和电压耐受能力均较差［12］.因此，深度不对称故障下，逆变电源故障穿越控制策略的设计应该综合考虑3个方面的因素：

1）变换器的电流和电压耐受能力限制，一般情况下由IGBT构成的变换器的最大允许电流为额定电流1.5～2.0倍，耐受电压由所选择的具体型号决定.

2）直流母线电容的电压耐受能力限制，一般为正常运行电压的1.1～1.3倍.

若设计逆变电源不对称故障穿越控制策略时，未考虑以上因素，很有可能会因变换器过流保护动作而是逆变电源被迫从电网切除，或直流母线侧电容损坏，或因PWM过调制而导致逆变器控制系统失去稳定.为此，上述因素是逆变电源不对称故障穿越控制策略设计时需考虑的必要因素.

同时，若使逆变电源能满足电网导则所要求的故障穿越能力，故障期间逆变电源除了能够并网运行，还应能向电网提供所需的无功功率支撑，且在故障切除后逆变型新能源电源能够迅速恢复到正常运行状态（如有功功率以至少小于10%额定功率变化率恢复到故障前的稳定值）.

3 仿真分析

为了论证深度不对称故障下通过考虑上述各因素所设计的逆变电源故障穿越控制综合策略的正确性和有效性，基于RTDS仿真平台，笔者搭建了主要参数如表1所示的含逆变型新能源电源的电网电磁暂态仿真模型，如图2所示，主要开展的实验包括：单相接地、两相接地、两相相间故障下在故障发生和切除全过程中逆变电源的暂态性能测试与分析.

3.1 单相接地故障下电源的暂态特性

故障前电源处于典型运行状态，为分析综合控制策略下电源在故障发生及切除全过程中电磁暂态特性，设t＝0.6s时线路OA末端发生A相接地短路（持续时间为0.7s）.如图3所示为公共连接点处正负序电压幅值变化曲线，不对称度（负序电压0.34p.u.与正序电压0.68p.u.比值）为50%.综合控制策略和传统双DQ控制策略下，逆变电源直流电压和交流电流变化曲线分别如图4，5所示.

表1 逆变型新能源电源仿真模型主要参数Table 1 Inverter-based power supply parameters

图2 含逆变电源的系统电磁暂态仿真模型Figure 2 Simulationg model of power network with inverter-based renewable energy resource

图3 逆变电源出口处正负序电压Figure 3 Positive and negative sequence voltage at point of common coupling（PCC）of the inverter-interfaced source

图4 单相接地故障下逆变电源直流母线侧电压Figure 4 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under single-phase fault

图5 逆变电源交流侧电流Figure 5 AC-side current of the inverter-interfaced source

对比图4（a）和（b）中综合控制策略和仅双DQ控制作用下逆变电源在故障发生及切除后直流电压曲线，可发现故障期间，经过较短调节时间它们均能稳定为正常值.但仅双DQ控制策略作用下，由于故障初始阶段逆变器交直流侧功率不平衡，直流电压上升后经过一定调节时间后才能稳定.

由图5可知故障后电流明显增大，但小于变换器最大电流允许值，且在故障发生和切除后经过较短时间均能输出稳定的电流，其谐波含量均较小.另外，可发现在故障起始阶段，由于综合控制策略作用，逆变电源表现出较好的阻尼特性，电流上升和下降的速度相对较缓慢.

3.2 两相接地故障下逆变电源的暂态特性

故障前逆变电源的运行工况与情况1相同，设t＝0.6s时线路OA末端A，B相发生接地短路故障（持续0.7s），其中正序、负序电压分别为0.44p.u.和0.35p.u.，不对称度为79.55%.逆变电源直流母线电压的变化曲线如图6所示.可看出，采用传统双DQ控制策略时，直流电压呈明显的2倍工频振荡且幅度较大，这将不利于系统稳定运行.相比之下，在综合控制策略下，逆变电源直流母线电压脉动较小，且故障发生及切除后均能在较短时间内达到稳定值.

图6 两相接地故障下逆变电源直流母线侧电压Figure 6 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under phase A and B grounding fault

由图7（a）和（b）可看出，双DQ控制策略下逆变电源交流侧基波电流幅值远超过逆变器最大电流允许值，在实际中过流保护将会动作，逆变电源将被迫从电网中切除.而综合控制策略作用下逆变电源输出电流得到了有效限制，其幅值不会超过变换器最大电流允许值，电源在故障期间将仍能并网运行.

图7 两相接地故障下逆变器交流侧基波电流幅值Figure 7 Amplitude of AC-side fundamental current of the inverter under A and B grounding fault

3.3 两相相间短路时逆变电源的暂态特性

故障前逆变电源的运行工况也与情况1相同，设t＝0.6s时线路OA末端A，B相之间发生相间短路故障（持续时间为0.7s），期间正序和负序电压相同，均为0.48p.u.，不对称度为100%.不同控制策略作用下，逆变电源直流电压和交流电流的变化曲线分别如图8，9所示.

可以看出，若逆变电源采用综合控制策略，即使在100%不对称度故障下直流电压仍可在较短时间内达到稳定，且2倍频量能得到有效抑制；交流侧电流幅值也将不会超过变换器电流限制值，且其所含谐波量较小.而若采用传统的双DQ控制策略时，即使假设变换器的最大电流允许值相对较大（大于2p.u.），但是由于变换器的控制能力有限，当发生大值不对称度故障时，电源将不能输出稳定电流，且直流电压波动也非常大，电源将因不能稳定运行被迫从电网中切除.

图8 两相相间短路故障下逆变电源直流母线侧电压Figure 8 DC-link voltage of the inverter-interfaced source under phase A to B fault

图9 两相相间短路故障下逆变电源交流侧电流Figure 9 AC-side current of the inverter under phase A to phase B fault

4 结语

笔者首先分析了深度不对称故障下逆变电源交直流侧电气量之间的关系，针对目前普遍采用的双DQ矢量控制策略在深度不对称度故障下存在的逆变器过流等问题，提出满足现有故障穿越要求的逆变电源控制策略主要设计原则，以保证电源不仅能穿越对称故障，也能穿越不对称故障.最后，通过仿真对比分析了传统双DQ控制策略和依据逆变电源故障穿越控制策略设计原则提出的综合控制策略作用下，逆变电源在故障发生及切除全过程中的直流电压和交流电流等量变化规律，验证了在深度不对称故障下采用传统双DQ矢量控制并不能使逆变电源具备真正意义上的故障穿越能力，逆变电源故障穿越控制策略的设计应满足笔者提出的原则.

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