逆變型電源控制策略對其故障暫態的影響分析

李斌，張慧穎，段志田，林蒙

（1．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072；2．天津市電力公司，天津300072）

逆變型電源控制策略對其故障暫態的影響分析

李斌1，張慧穎1，段志田2，林蒙2

（1．天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072；2．天津市電力公司，天津300072）

當電力系統發生擾動時，并網逆變型分布式電源受控于自身控制器經歷故障暫態過程重新達到穩定輸出。為了研究控制策略對并網逆變型分布式電源故障暫態特征的影響，首先建立了并網逆變電源的詳細模型；在此基礎上，詳細分析了控制器控制參數對逆變電源暫態響應的影響；針對對稱性故障和非對稱性故障情況，對逆變電源的故障暫態特征進行深入的分析，并通過仿真研究，驗證了上述理論分析的正確性，研究成果對分布式電源接入電網后保護控制系統的分析研究提供了理論基礎。

分布式電源；逆變；恒功率控制；故障暫態；對稱性故障；非對稱性故障

分布式能源越來越多地被應用于電力系統中，特別是配電網末端接入的小容量分布式電源。一般分布式電源依靠電力電子接口實現分布式電源與電網的連接[1]。這類分布式電源在文中被稱為逆變型分布式電源。逆變型分布式電源并網運行過程中，當電力系統出現擾動（如短路、甩負荷、故障等），逆變電源將由先前的穩定運行狀態經過一系列調整回復到原有穩定狀態或者過渡到新的穩定狀態。先后兩個穩定狀態之間的調整過程稱之為故障暫態過程。逆變電源的故障暫態特征反映的是逆變電源在經歷擾動后經過一系列調整過程重新實現穩定的動態過程。不同于傳統同步電機的電磁暫態過程，由于逆變電源自身發電特性和其通過電力電子接口與電網相連的特點，逆變電源的故障暫態將呈現出自身特征。

現階段國內外對逆變電源故障特性的研究總結如下。文獻[2-3]依據正常并網運行控制策略及特性，對故障后逆變電源的穩態特性進行了簡要分析。由于逆變電源屬于非線性電源，應用于傳統電源故障分析的戴維南等效將無法使用。文獻[4]對逆變電源故障后的等效模型進行了深入研究；文獻[5]將故障后逆變電源等效成正序壓控電流源，建立了相間故障后的短路分析序網圖。文獻[6]討論了故障位置、電源本體輸入功率及接入臺數、無功功率注入量以及所接電網短路容量等因素對逆變電源故障暫態特性的影響規律。文獻[7]考慮了電力電子器件的耐壓承流能力，提出了多種逆變并網控制的限流策略，并將逆變電源的故障暫態時間近似等效成低通濾波器濾波延遲，但并未考慮控制結構的控制延遲。文獻[8]分析了對稱故障情況下的逆變型電源故障特征。

上述研究重點在于逆變電源在達到故障穩態后的等效模型以及特性分析，而本文研究重點是逆變電源的故障暫態特性，即逆變電源在控制器的作用下在故障前后穩態之間的過渡態中所呈現的暫態特征。為此本文建立了反映逆變電源及其控制器行為特點的逆變電源詳細模型，從理論上分析了控制策略以及控制器對逆變電源暫態特性的影響；深入研究了對稱性故障和非對稱性故障情況下逆變電源的故障暫態特性，并在Matlab仿真環境下以6MW并網逆變電源為例進行了深入分析。研究成果對分布式電源接入電網后保護控制系統的分析研究提供了理論基礎。

1 逆變型分布式電源并網控制策略及其暫態響應特性

逆變型分布式電源通過逆變器與電網相連，單極式分布式發電單元并網系統拓撲結構如圖1所示，uinv、iinv為逆變器出口電壓和電流，uPCC、iPCC為逆變電源并網點電壓和輸出電流，逆變器出口經LC濾波器與電網相連。udc為逆變器直流側儲能電容電壓，idc為流過儲能電容的電流，idc0為分布式電源輸出的直流電流。

圖1 逆變電源并網系統拓撲結構Fig.1Grid-connected topology of IBDG

并網型逆變電源最常見的控制策略是基于電網電壓矢量定向的恒功率控制[9]。如圖2所示，控制環節采用雙閉環控制，外環是電壓控制環，內環是電流控制環，控制基礎是利用比例積分環節（PI環節）實現無差調節，從而達到恒功率控制的目的。

圖2 逆變電源控制拓撲結構Fig.2Control topology of IBDG

功率參考值Pref、Qref由控制策略決定。當采用單位功率因數控制時，Qref=0。id，ref，iq，ref分別表示輸出電流期望值在d、q軸上的投影，其值從電壓控制環得到。Kp1、Ki1、Kp2、Ki2為PI環節中的比例積分參數。

電流控制通過調節PCC點電流在dq軸上的投影值，來調節逆變電源的輸出功率。ud，ref、uq，ref表示逆變器的期望輸出電壓在的d、q軸上的投影，ud和uq代表PCC點電壓的d、q軸分量。-ωLiq與ωLid是控制環中用來補償等效電抗器的電壓降落。id與iq為輸出電流iPCC在d、q軸上的投影。

控制器在d、q軸上具有相同的控制結構，在此以d軸為例來進行分析。電流控制結構如圖3所示。圖中，KPWM和Ts分別為PWM調制的比例增益和開關周期，R和L表示LC濾波器中濾波電感的電阻和電感值。

圖3 電流內環控制拓撲Fig.3Control topology of inner current loop

為了使電流內環獲得較快的電流跟隨性能，可以按照典型I型系統設計[10-11]，即將PI調節器的零點抵消電流控制對象傳遞函數中的極點，即Ki3/ Kp3=R/L。此時，電流內環開環控制函數可以簡化表示為

電流內環閉環控制傳遞函數為

電流控制環通過控制輸入電流跟蹤指令電流來實現對輸出功率的調節。由于開關周期Ts、比例增益KPWM和濾波電感參數已經給定，PI環節的控制參數Kp3和Ki3將決定系統的快速跟隨性和抗擾動性。在控制環的作用下，逆變電源輸出電流的變化將不會瞬間增大或減小，存在一定的延遲性，時間常數由控制參數決定。

由瞬時功率理論推得，逆變器直流側儲能電容電流idc與并網輸出電流iPCC在d軸上的投影id之間的數學關系為

式中：m為PWM調制比，θ為IGBT導通角。

電壓外環控制結構如圖4所示，圖中C為LC濾波器中的電容值。電壓外環控制的閉環傳遞函數為

電壓外環的控制目標包括穩定直流電壓、功率控制以及為內環控制提供目標參考值。而控制目的的實現也是依靠比例積分控制實現的。將電流內環用一階慣性環節代替[12]，并且考慮到3mcos θ/4為一時變環節，以該環節的最大比例增益3/4取值代之。簡化后的電壓環控制拓撲如圖5所示，其中Ti為電流環等效慣性時間常數。

圖4 電壓外環拓撲Fig.4Double-closed loop control of outer voltage

圖5 電壓外環簡化拓撲Fig.5Simplifieddouble-closedloopcontrolofoutervoltage

由圖5可知，類似于電流環控制結構的分析，電壓控制環中比例調節增益和積分調節增益的選擇同樣直接影響了直流側電壓的抗擾動性能以及功率控制的阻尼特性。

因此，逆變電源的故障暫態特性和逆變器的控制結構以及控制參數息息相關。對于某種選定的控制結構而言，控制參數即比例積分環節中的比例增益Kp和積分增益Ki將決定控制環節的控制特性。比例增益將決定比例積分控制的跟隨性，反映在故障暫態特性上就是暫態過程的持續時間。而積分增益的選擇影響著控制的穩定性，反映在故障暫態特性上就是暫態過程中控制量的振蕩次數以及暫態峰值等特性的變化。對于雙閉環控制器，比例積分系數的選擇并不是唯一的，但其數值的改變將直接影響到逆變電源故障暫態特性，甚至可能會導致在故障發生后無法達到穩態。

2 逆變型電源在對稱性故障情況下的暫態特性分析

由于逆變器中的電力電子開關器件具有較低的熱慣量，需要限制電流大小防止過大電流流過燒壞器件。本文采用同步旋轉坐標系下的直流瞬時限流，當電流達到限流門檻值，將dq坐標下的電流id，ref、iq，ref限值，本文選擇限流值ith為2 p.u.，定義臨界電壓uth為0.5 p.u.。

并網點電壓跌落程度直接影響著電壓環輸出處的限流元件是否作用。一旦故障后穩態電流達到限流值，雙閉環控制中的電壓控制環和電流控制環就會斷開，導致控制結構發生變化，這將直接影響到逆變電源的故障暫態特征。

當PCC點電壓跌落后數值仍大于至臨界電壓時（uPCC＞uth），逆變電源輸出電流會經歷一個緩慢上升后小幅下降最終穩定在穩態電流值的過程，故障后穩態仍然滿足

式中，Pref為逆變電源有功功率輸出期望值。

逆變電源由雙閉環共同控制，控制結構如圖4所示。逆變電源的輸出功率在經歷暫態過程后會重新恢復到功率參考值上，故可將其等效成一個恒功率源。

當PCC點電壓跌落后數值已小于臨界電壓時（uPCC＜uth），逆變電源輸出電流經過暫態過程后保持2 p.u.輸出。控制結構斷裂為單環控制。在頻域下的控制拓撲如圖3所示。由于控制結構的變化，控制環慣性時間減少，暫態時間縮短。逆變電源輸出功率正比于并網點電壓，且小于故障前的輸出。此時，逆變電源被等效成一個恒電流源。

逆變電源的故障暫態是逆變電源因擾動等因素偏離穩態后，在自身控制結構的作用下，經過一系列的調整重新獲得穩態的過程。類似于傳統電機的電磁暫態過程，逆變電源的故障暫態過程也是伴隨著內部能量的動態變化，具體故障暫態特性分析如下。

本文基于Simulink仿真平臺搭建如圖6所示含逆變型分布式電源的并網模型，其中逆變電源工作在恒功率控制策略下。故障點選取在k點，來模擬逆變電源的不同的故障情況。

圖6 Simulink仿真分析拓撲Fig.6Simulation model of power network with IBDG

2.1 并網點電壓跌落值大于臨界電壓（uPCC＞uth）

對稱性故障發生后，逆變電源并網點電壓輕微跌落，大于臨界電壓uth。圖7為電壓輕微跌落時，逆變電源B相輸出電流和三相電流在dq軸分量id、iq的電流波形。故障發生后，逆變電源并網點輸出電流經歷了一個緩慢上升后下降的波動過程才達到最終穩態值。

圖7 并網點輸出電流（uppc＞uth）Fig.7Output current at PCC（uppc＞uth）

圖8所示為逆變電源在故障暫態過程中能量動態變化過程。

正常運行時，逆變器兩側的功率相同，即Pdc= Pac，由于PI控制器的無差調節作用，電壓和電流均等于參考值，udc=uref，Q=Qref。故障發生后逆變器輸出電流的動態過程如圖8所示，可以分成3個階段。

故障發生后，并網點電壓驟降，交流側瞬時功率突然下降，直流側功率不會突變，即Pdc＞Pac。直流側多余的功率將儲存于直流側電容，電容電壓udc上升，udc＞uref。電壓環中PI調節器的作用下電流輸出參考值id，ref開始上升，使逆變器輸出的電流增大，交流側功率也隨之增大。

圖8 故障暫態過程中逆變電源能量動態變化過程uppc＞uthFig.8Power on dc and ac side during the fault transient process uppc＞uth

隨著輸出電流的上升，交流側功率不斷上升，到達T1時刻時，Pdc=Pac，此時已經達到了故障后逆變器兩側功率的第一次匹配。但此時仍有udc＞uref，控制器將繼續控制電流上升，交流側功率也繼續上升，即Pdc＜Pac，直流側電源功率不能滿足交流側的輸出，電容開始向交流側釋放能量，電容電壓udc將開始下降，在T1時刻電容電壓達到最大值。

3）T2～T3

隨著電容向交流側不斷輸送能量，電容電壓下降，到達T2時刻時，udc=uref，電壓控制器輸入故障后第一次回到無差狀態。此時仍有Pdc＜Pac，因此電容繼續放電，電容電壓繼續下降，udc＜uref，電壓控制輸出的電流參考值將開始下降，交流側輸出電流id跟隨參考值變化，隨之交流側功率也開始下降。T2時刻是輸出電流以及輸出功率達到最大值時刻。此后上述過程反復幾次，逆變器電壓、電流及功率經過小幅振蕩后在T3時刻，逆變器達到了故障后的穩態。

2.2 并網點電壓跌落值小于臨界電壓（uPCC＜uth）

仿真條件與輕微跌落情況相同，只是故障后并網點電壓嚴重跌落，小于臨界電壓uth。故障發生后，由于并網點電壓嚴重跌落，電壓環輸出id，ref和iq，ref迅速增大到限流值，此時雙閉環控制斷裂成為單環控制，輸出電流在電流環控制作用下增大到2 p.u.，如圖9所示。由于超調量的增大以及控制結構的變化，暫態時間縮短。具體暫態過程分析如圖10所示。

圖9并網點輸出電流（uppc＜uth）

Fig.9Output currents at PCC（uppc＜uth）

圖10 故障暫態過程中逆變電源能量動態變化過程uppc＜uthFig.10Power on dc and ac side during the fault transient process uppc＜uth

1）T0～T1

故障發生后，逆變電源呈現與上一情況類似的暫態特征，此處不再贅述。

2）T1時刻

T1時刻，id，ref增大至2 p.u.，電壓環電流環隨即斷開，雙閉環控制斷開成為單環控制，由電流環單獨控制逆變電源的輸出。

3）T1～T2

控制環斷開后，在單環電流環的控制下，輸出電流跟隨2 p.u.逐漸增大，但由于輸出電流被鉗制于最大值為2p.u.，直流側功率始終大于交流側功率，多余的功率將儲存于直流側電容，因此其電壓將不斷增大。考慮到光伏發電單元自身的PV特性[12]，直流側功率會隨著直流側電壓的增大而下降，最終與交流側功率達到平衡。

2.3 限流環節對故障暫態特性的影響

由于限流環節的作用，使逆變電源穩態輸出電流最大只能達到2 p.u.，在并網點電壓跌落嚴重的情況下，逆變電源在故障后達到穩態時其輸出功率將無法滿足恒功率輸出的控制目的，輸出功率將小于功率參考值。

為了實現輸出功率等于功率參考值的控制目的，取消限流環節，使輸出電流能夠增大以抵消出口電壓跌落對輸出功率的影響。此時并網點電壓跌落情況與上一種情況相同。

圖11所示為取消限流環節后，逆變電源輸出有功功率的變化過程。在故障發生瞬間，輸出功率瞬時跌落，后在控制環節的作用下，有功功率緩慢上升后下降最終達到穩態，但故障穩態值仍然無法回復到故障前的功率輸出。

圖11 逆變電源輸出有功功率變化Fig.11Output active power at PCC

圖12所示為取消限流環節后，逆變電源輸出電流的變化過程。輸出電流在經歷緩慢上升后下降等一系列暫態過程后最終穩定在4 p.u.左右。由電流包絡線可以看出，不同于傳統發電機輸出電流在故障瞬間增大的特征，逆變電源并網點輸出電流在故障發生后需要經歷一個暫態過程才能調整到穩定狀態。與此同時，雖然控制環節不再對輸出電流進行限制，但逆變電源輸出電流并不是無限增大，而是存在上限值。

圖12 并網點輸出電流Fig.12Output current at PCC

逆變電源這一故障暫態特性是由PWM調制原理所決定的。由于并網點電壓跌落后已小于臨界電壓值，控制環輸出即PWM調制波信號幅值將會不斷增大，最終導致逆變器晶閘管在調制波正半周保持導通，負半周保持關斷狀態。逆變器輸出電壓將嚴重失真，且波形的幅值最大值只能達到

外環控制環凈差未能減小，將產生更大的電流參考值，逆變器的輸出電流未隨參考值增大而增大，控制環發散。因此，考慮到電力電子器件的安全性，合適的限流措施也是必不可少的。

3 逆變型電源在非對稱性故障情況下的特性分析

非對稱故障條件下，并網點電壓將出現負序分量。系統不再是三相對稱系統，瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q為直流量和二倍頻交流量疊加而成。負序分量的存在造成了有功功率和無功功率的波動，如圖13所示。而并網點電流為了維持輸出有功不變，由于負序分量的存在，輸出三相相電流波形將包含大量的高次諧波，如圖14（a）所示。此時電流分量由正序分量和負序分量組成，如圖14（b）和圖14（c）所示。本文選擇的基波正負序分量檢測方法[13]具有濾波作用，因此得到的正負序分量波形平滑。

圖13 恒功率控制的逆變電源在外部AB相間故障時的輸出功率Fig.13Output power at PCC after phase to phase fault（AB）with constant power control

由于雙閉環控制中電壓環輸出的d軸電流指令以2倍工頻振蕩，傳統的PI控制器無法對正弦量進行無誤差跟蹤。為了解決此問題，需要對現有基于電壓矢量的恒功率控制策略進行改進。下面對現有的幾種控制策略進行總結[13]。

平均功率控制的控制目標是電源輸出的平均功率，克服了瞬時功率控制在非對稱故障期間輸出電流在波形上呈現高次諧波的不足。但由于輸出電流仍存在負序分量，使輸出電流呈現不對稱的正弦型，且輸出有功功率存在較大幅度的雙基頻振蕩。

圖14 恒功率控制的逆變電源在外部AB相間故障時的輸出電流Fig.14Output current at PCC after phase to phase fault（AB）with constant power control

瞬時有功控制是為了克服平均功率控制輸出有功包含雙基頻振蕩的不足而提出的。此控制方法設定不對稱故障時，分布式電源輸出功率恒等于平均功率，雙基頻振蕩部分為零。但此時注入的電壓和電流矢量方向不同，因此，提供給電網的瞬時無功功率不等于零，存在二階振蕩。

瞬時正序控制向電網側只注入正序電流，負序電流為零。此方法通過控制正序電流來提供有功功率，注入到電網的瞬時無功功率以兩倍于基頻的大小振蕩。電網電流仍然無法實現正弦波形。

對稱正序控制向電網側注入的電流矢量由一系列完全對稱的正序正弦波形組成，大大改善了電能質量，但提供給電網的瞬時有功功率和無功功率都將存在2倍于基準頻率的功率振蕩。

現國內多采用的逆變電源正序分量控制，在故障穩態的短路分析中，將逆變電源等效成壓控型正序電流源[5]，逆變電源在非對稱故障時，只輸出對稱正序電流。但是這種控制方式是以犧牲逆變電源輸出功率的代價以實現輸出電流的對稱正弦化，有功功率和無功功率都存在振蕩，兩者二倍頻波動幅度相近，且波動隨著故障引起的電壓不對稱度的增大而增大，如圖15所示。逆變電源輸出的三相相電流如圖16（a）所示，輸出的三相正序電流如圖16（b）所示，輸出的三相負序電流如圖16（c）所示。對比于圖16所示的恒功率控制，正序分量控制下的逆變電源輸出電流只包含正序分量，負序分量為零。

圖15 正序分量控制的逆變電源在外部AB相間故障時的輸出功率Fig.15Output power at PCC after phase to phase fault（AB）with positive component control

圖16 正序分量控制的逆變電源在外部AB相間故障時的輸出電流Fig.16Output currents at PCC after phase to phase fault（AB）with positive component control

由于逆變電源存在限流環節，其故障后輸出電流最大值被鉗制于限流值，遠遠小于傳統發電機的短路電流值，這將影響到傳統保護方案中保護定值的選取；同時當控制策略采用正序分量控制時，故障后穩態輸出電流只包含對稱正序電流，不存在負序分量，這將導致傳統保護中基于負序分量的保護方案將不再適用。同時，無論故障類型故障輸出三相電流保持對稱，因此對于故障類型的判斷也提出了新的要求。上述問題在以后的保護控制方案的制定過程中需要加以注意。

4 結語

本文深入分析了并網逆變電源的故障暫態特征。不同于傳統發電機，并網逆變電源輸出電流在故障后要經歷一個故障暫態過程才能達到穩態輸出。而故障暫態是指逆變電源因擾動偏離原有工作狀態后經過一系列調整重新回復到原有穩態或者過渡到新的穩態的過程。并網逆變電源受控于自身控制器，控制參數的選擇對逆變電源的故障暫態特性有著重要影響，直接決定著暫態響應時間以及控制量的具體暫態形態。在控制器選定的情況下，決定逆變電源故障暫態特性的重要因素為其限流值以及出口電壓的跌落程度。在對稱故障情況下，故障后并網點電壓的跌落程度直接影響到逆變電源控制結構的變化，從而在不同控制結構的作用下，逆變電源呈現不同的暫態特征。對于非對稱性故障，由于負序分量的存在，逆變電源輸出的有功功率和無功功率將產生二倍頻波動，有功功率的波動也會導致直流側電容電壓的波動，且輸出電流存在大量高頻分量，無法保持正弦波形。而正序分量控制使逆變電源只輸出正序對稱電流，對于保護控制方案的選擇又提出了新的要求。

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Analysis of the Effect of Control Strategy on the Fault Transient Characteristics of Inverter-based Distributed Generators

LI Bin1，ZHANG Hui-ying1，DUAN Zhi-tian2，LIN Meng2
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300072，China）

When the power system disturbances occur，inverter-based distributed generators（IBDG）will adjust themselves through a series of operation to return to a stable state with the control of its own controller.In order to study the impact of the control strategy on the fault transient characteristics，a concrete model was constructed for the inverter control strategy.On the basis of this model，the thorough analysis on the impact of the control parameters on the fault transient characteristics of IBDG was carried on.Then in-depth analysis on the fault transient characteristics of IBDG was performed respectively in the cases of symmetry and asymmetry fault.Furthermore，simulation analysis is built up on the response of IBDG，and the correctness of the theoretical analysis is verified by simulation results.The analysis will lay a theoretical basis for the protection of the grid with distributed generation.

distributed generator；inverter；constant power control；fault transient；symmetry fault；asymmetry fault

TM72

A

1003-8930（2014）12-0001-07

李斌（1976—），男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力系統保護與控制。Email：libin_tju@126.com

2014-06-11；

2014-07-01

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA05A106）；國家自然科學基金項目（51261130473）；教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-11-0367）

張慧穎（1989—），女，通信作者，碩士研究生，研究方向為分布式發電、微網的保護與控制。Email：zhanghuiying1114@ 163.com

段志田（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為分布式發電、微網的保護與控制。Email：373718379@qq.com