一種具有電壓支撐功能的改進無功注入策略

楊秋霞, 王 虎, 李 坤

(燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

一種具有電壓支撐功能的改進無功注入策略

楊秋霞, 王 虎, 李 坤

(燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004)

電壓跌落是輸配電系統面臨的最嚴重的問題之一。隨著分布式光伏電源在電力系統中的滲透率越來越高，國內外最新標準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，在傳統的正/負序控制基礎上提出了一種改進的有功/無功注入策略；針對現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，詳細推導了適用于不同電壓跌落情況下的數學模型，得出為保證各相電壓均保持在安全運行范圍之內所需注入無功功率參考值。仿真結果驗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； 無功功率控制； 低電壓穿越

0 引 言

隨著光伏發電在電網中的滲透率越來越高，其對輸配電系統的影響也越來越大。當電網電壓跌落時，如光伏發電系統大面積脫網，會對電網的有功平衡造成沖擊，嚴重時甚至可能會造成電網崩潰[1]。國內外最新標準[2]要求光伏并網逆變器必須具備低電壓穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力，即電網發生故障時，逆變器通過合理的策略向電網注入無功功率，抬升并網點電壓，減少電壓跌落給電網帶來的惡劣影響。

電壓跌落會給電網帶來一系列負面影響，例如：不平衡負序分量導致光伏逆變器輸出功率波動，電流波形畸變[3]；并網電流過大，危及逆變器安全[4]；直流側電壓波動[5]等。文獻[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型，并通過調節控制參數k實現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k需不斷調試后才能獲得較好的效果，實用性較差。針對上述不足，文獻[9-10]在考慮電壓控制的前提下通過詳細的數學分析，得到了需要注入的無功功率Q和控制參數k的參考值。但是，該控制方法需要測量電網阻抗值，并且只能適用于幾種典型的電壓跌落情況(單相跌落、兩相對稱跌落、三相對稱跌落)。文獻[11]提出一種針對靜止無功補償器的電壓支撐策略，該方法無需測量電網阻抗。文獻[12-13]對電網電壓不平衡下的功率流進行分析，并在此基礎上推導出恒定有功功率對應的并網電流參考值，同時滿足了并網有功功率恒定且并網電流正弦的要求。文獻[14-15]提出了基于電壓定向矢量控制的穿越策略，但電流參考值計算復雜，多次運用坐標變換，可能引起相位滯后。

值得注意的是，大部分現有的電壓支撐策略都是根據電壓跌落深度注入無功電流以抬升并網點電壓，忽略了電壓控制及抬升范圍[16-18]。本文在此基礎上，進一步將三相電壓幅值作為控制目標，保證各相電壓均保持在并網準則要求的范圍之內;同時針對電壓跌落下功率振蕩的問題，研究了一種消除有功振蕩的無功功率注入策略。

1 電壓跌落檢測和正負序分離

三相光伏并網逆變器示意圖如圖1所示。其中，Udc為直流側電壓；Ug為電網電壓；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 光伏并網逆變器

在三相三線制系統中，PCC處的瞬時電壓經過Clark變換后，在兩相靜止坐標系(SRF)下的表達式如式(1)所示。

(1)

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

分離后，SRF下的電壓表達式如式(2)、式(3)所示。

(2)

(3)

U+、U-——正序分量和負序分量幅值；

ω——電網角頻率；

φ+、φ-——正、負序電壓分量的初始相角。

PCC電壓正負序分量幅值的計算表達式如式(4)、式(5)所示。

(4)

(5)

定義電壓不平衡度為

(6)

為了簡化分析，設φ=φ+-φ-，其表達式如式(7)所示。

(7)

2 消除有功振蕩的電流注入策略

根據瞬時功率理論可知，電網中有功功率和無功功率表達式為

(8)

將式(2)、式(3)代入式(8)，可得有功和無功并網電流參考表達式如下：

(9)

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

由式(2)、式(3)可知，式(9)的分母項可表示為

(10)

式(10)中，在2倍電網頻率處存在振蕩分量。該振蕩分量會使并網電流參考值中存在諧波，電流波形發生畸變。但是，如果除去參考電流表達式分母中的振蕩分量，會導致實際并網有功功率和無功功率出現波動[3]。

根據瞬時功率理論可知，電網電壓不平衡情況下，有功無功瞬時功率表達式為

(11)

(12)

由式(11)可知有功振蕩包括有功電流振蕩和無功電流振蕩。

為了使得并網電流正弦和有功功率恒定，本文采用消除有功電流振蕩項的對稱正/負序控制策略注入有功電流[17]：

(13)

(14)

通過改進PNSC策略，得到消除無功電流振蕩項的約束條件為

(15)

計算式(15)中的兩個方程得

(16)

改進后的無功電流參考值的表達式為

(17)

(18)

3 電壓支撐控制策略

電壓跌落時，逆變器在向電網輸出有功功率的同時，需要向電網注入無功功率抬升并網點電壓至正常運行范圍，直到電網恢復正常。

我國2012年出版的《光伏發電站接入電力系統技術規定》[2]規定光伏發電站正常運行時，PCC電壓范圍為

(19)

式中:U——PCC電壓標幺值。

假設電網阻抗為純電抗，并且設電抗值為Lg。從系統的結構框圖可得電網電壓Ug和PCC電壓U的關系為

(20)

(21)

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

(22)

(23)

其中：

(24)

(25)

根據式(22)～式(25)可以看出，電網電壓跌落越深，需要注入越多的無功功率來抬升并網點電壓。對式(1)、式(2)進行反Clark變換，可以得到PCC處三相電壓幅值的表達式

(26)

(27)

(28)

由式(26)～式(28)可以看出，電壓跌落類型確定后，電壓相角一定，三相電壓幅值與正、負序電壓分量幅值有關。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是注入盡可能少的無功功率將跌落電壓抬升到并網準則要求的正常運行范圍之內。

令UH=1.1 p.u.，UL=0.9 p.u.。

當ΔU>0.2 p.u.時：

(36)

(37)

聯立式(33)、式(34)、式(36)、式(37)，可得正、負序電壓分量期望的幅值表達式為

(38)

(39)

同上，當ΔU<0.2 p.u.時，只需令

(40)

(41)

式(38)、式(39)是電壓支撐策略的核心公式，不管電網電壓是對稱跌落還是不對稱跌落，均可使PCC處瞬時相電壓達到期望值大小，滿足分布式光伏電源并網運行的要求。

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

(42)

圖3 電壓支撐策略的控制框圖

4 仿真分析

在MATLAB/Simulink仿真平臺對提出的控制策略進行驗證。光伏并網逆變器的參數如下：電網電壓為380 V/50 Hz，直流側電壓為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，開關頻率為20 kHz。本文所選電壓基準值為相電壓幅值311 V。

情景1：兩相不對稱跌落。0.1 s前電網正常運行，逆變器向電網輸送有功功率，0.1 s時，b相電壓跌落20%，c相電壓跌落30%，0.2 s時電壓恢復正常。圖4為傳統PNSC策略與改進策略的功率波形圖。

圖4 傳統PNSC策略與改進策略的功率波形圖

圖4(a)為采用傳統的PNSC策略注入功率時的波形圖，電網正常運行時，逆變器向電網注入恒定的有功功率，注入無功功率為零；當電壓跌落時，由于需要注入無功功率支撐并網點電壓，此時有功功率發生振蕩。圖4(b)為采用改進策略注入功率時的波形圖，從圖中可以看出，當在0.1～0.2 s期間注入無功功率抬升電壓時，消除了有功功率波動。

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

圖5 未注入無功功率時的仿真波形圖

圖6 注入無功功率時的仿真波形圖

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

圖6表示根據本文提出的策略注入無功功率時的仿真結果，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安全運行范圍內，正序分量幅值升高到297 V(9.5 p.u.)，負序分量降低為23 V(0.074 p.u.)，電壓不平衡度降低到7.7%，由于注入了無功功率，并網電流幅值繼續升高。圖6也給出了根據提出的電壓支撐策略計算出的無功功率參考值Q與瞬時無功功率q的仿真波形圖。由于不平衡原因，瞬時無功功率q在二倍電網頻率處存在振蕩。

情景2：單相跌落。0.1 s前電網正常運行，逆變器向電網輸送有功功率，0.1 s時，c相電壓跌落40%，0.2 s時電壓恢復正常。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，未注入無功功率時，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ΔU>0.2 p.u.。注入無功功率后，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.)，均在安全運行范圍之內，滿足并網要求。圖7(c)是根據電壓跌落深度計算出的無功功率參考值Q與瞬時無功功率q的仿真波形圖。與情景1相同，瞬時無功功率q在二倍電網頻率處存在振蕩。

圖8 情景3的仿真波形圖

情景3：三相對稱跌落。0.1 s前電網正常運行，逆變器向電網輸送有功功率，0.1 s時，abc三相電壓跌落20%，0.2 s時電壓恢復正常。圖8為該情景下的仿真波形圖。

由圖8(a)可以看出，三相電壓對稱跌落20%時，三相電壓幅值為249 V(0.8 p.u.)。圖8(b)顯示，當注入無功功率支撐電壓時，三相電壓幅值被抬升至280 V(0.9 p.u.)，在安全運行范圍之內。圖8(c)為無功功率參考值Q和瞬時無功功率q的仿真波形。由于該跌落類型為三相對稱跌落，系統中不存在負序分量，所以瞬時無功功率為恒定值。

5 結 語

本文研究了一種電壓跌落時，能夠消除有功功率振蕩，抬升并網點電壓的無功功率注入策略。首先根據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功功率注入策略，實現了并網有功功率恒定。其次，將PCC三相電壓幅值限制在并網準則要求的安全運行范圍內作為控制目標，對需要注入的無功功率參考值進行了詳細的數學推導，成功將三相電壓抬升至安全范圍內，避免了逆變器脫網。從三種跌落類型的仿真結果可以看出，該無功注入策略可以適應各種不同的跌落類型，動態性能較好，具有一定的工程運用價值。

[1] 丁明,王偉勝,王秀麗.大規模光伏發電對電力系統影響綜述[J].中國電機工程學報,2014,34(1): 1-14.

[2] 光伏發電站接入電力系統技術規定:GB/T 19964—2012[S].

[3] 郭小強,張學,盧志剛.不平衡電網電壓下光伏并網逆變器功率/電流質量協調控制策略[J].中國電機工程學報,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,李建,張學,等.電網電壓畸變不平衡情況下三相PWM整流器無鎖相環直流母線恒壓控制策略[J].中國電機工程學報,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.并網逆變器電壓支撐的參考電流值[J].電工技術學報,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低電壓穿越方法[J].電工技術學報,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,鄔偉揚,漆漢紅.電網電壓畸變不平衡情況下三相光伏并網逆變器控制策略[J].中國電機工程學報,2013,33(3): 22-28.

[13] TEODORESCU R, LISERRE M, RODRIGUEZ P.光伏與風力發電系統并網變換器[M].周克亮,王政,徐青山,等譯.北京: 機械工業出版社,2012.

[14] 韋徵,王俊輝,茹心芹.基于電網電壓前饋補償的光伏并網逆變器零電壓穿越控制[J].電力系統自動化,2016,40(4): 78-84.

[15] 張明光,陳曉婧.光伏并網發電系統的低電壓穿越控制策略[J].電力系統保護與控制,2014,42(11): 28-33.

[16] 賈利虎,朱永強,孫小燕.基于模型電流預測控制的光伏電站低電壓穿越控制方法[J].電力系統自動化,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.

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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)

國家自然科學基金資助項目(61573303);河北省自然科學基金資助項目(E2016203092)

楊秋霞(1972—), 女,博士研究生, 副教授, 研究方向為光伏發電及并網控制，電力系統保護與控制。 王 虎(1990—),男,碩士研究生,研究方向為光伏并網發電與電能質量的統一控制。

TM 615

A

1673-6540(2017)05- 0063- 07

2016 -11 -09