柔性電力電子開關低電壓穿越控制策略研究

張蝶，袁旭峰，張臘華，楊榮，班國邦,2

柔性電力電子開關低電壓穿越控制策略研究

張蝶1，袁旭峰1，張臘華1，楊榮1，班國邦1,2

（1. 貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網有限公司 電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

針對電網遠端發生故障引起的換流器電壓出現驟降以及電網受到沖擊等問題，提出一種計及無功支撐的低電壓穿越（LVRT）控制策略。首先，從電流控制內環角度分析低電壓穿越補償機理，建立相應的附加控制策略；然后，提出附加控制策略，在電壓跌落后重新計算并分配有功電流和無功電流指令傳到電流內環控制器，在保證穩定運行的同時提供一定的無功功率支持電壓恢復；最后，以柔性電力電子開關（SOP）為研究對象，利用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了仿真模型，對提出的LVRT附加策略與不加LVRT的策略進行了仿真結果對比分析，驗證了控制策略的可行性。

柔性電力電子開關；低電壓穿越；附加控制策略；無功功率

0 引言

當發生電壓跌落時，分布式并網系統輸出能量會瞬間降低，出現電壓越限、電流超過額定值等問題。為保證電網的穩定運行，各個國家針對自身國情制定了低電壓穿越的要求。低電壓期間大規模自動脫網將會給生產、生活帶來巨大的損失，因此有必要對低電壓穿越（LVRT）展開研究。為了使逆變器在電壓短時跌落時仍然能保持并網，要求光伏并網系統在低電壓期間具備一定的LVRT能力。現已有大量文獻對光伏并網[1]、雙饋風力發電機[2]的LVRT展開了研究。柔性電力電子開關是可以替代常規開關的智能軟開關，使用SOP可以實現饋線之間的“軟連接”，使配電網實現閉環運行[3]。SOP接入配電網中后，在遠端發生故障導致電壓跌落時，為了使SOP依然可以保持穩定運行，要求其在低電壓期間具備LVRT能力。

已有大量文獻針對LVRT展開討論與研究。文獻[4]通過改變逆變器內部控制策略從而提供無功支撐使其完成LVRT，但這種方法沒有考慮到發生的各種工況。文獻[5]提出一種混合儲能從而實現LVRT，所提方法可以減少功率波動對電網的沖擊。文獻[6]針對雙端的MMC-HVDC，結合送受端電網電壓對稱跌落兩種情況，通過改變VSG控制實現LVRT；由于傳統的VSG算法不能實現LVRT，因此通過改變VSG慣性系數和阻尼系數，可在電壓跌落后發出無功功率支撐，實現低電壓穿越。文獻[7]分析了故障電流特性，利用超級電容實現低電壓穿越。文獻[8]分析了并網光伏系統及其對系統暫態性能的影響，最后結果表明維持低電壓穿越對系統暫態性能具有重要意義。文獻[9]利用鎖相環超前實際相位產生的控制誤差完成直驅風機的低電壓穿越。文獻[10]建立限流器仿真模型，通過將定子暫態分量沖擊減小進而改善轉子過電流，實現故障穿越。文獻[11]針對VSG控制在限制電流和提供無功功率方面不能發揮出很好性能的問題，將VSG的電壓源模式轉換為電流源模式來限制電流，并且通過電網故障下比例諧振控制算法提供無功功率支持實現LVRT。文獻[12]將電壓中的負序分量前饋到調制中，與電流調節器的輸出進行疊加作為給定電壓輸入，抵消了負序分量的影響，在LVRT時可準確地控制無功輸出。該方法更加適用于分布式分布率高的系統。文獻[13]提出在MMC內部電壓電流雙閉環系統中附加控制策略，以在電壓跌落期間抑制背靠背（BTB）系統的過電壓過電流，使基于MMC的BTB具有零電壓穿越能力和低電壓穿越能力。文獻[14]采用降壓控制實現MMC-HVDC的LVRT。文獻[15]在電網故障時根據無功電流的分配原則，通過向電網注入無功電流完成低電壓穿越。

綜上所述，已有文獻都是通過改變逆變器內部控制策略，在系統發生故障時補償所需的無功功率。采用補償無功功率的難點在于，補償無功功率不足時不能支撐電網穩定運行，補償無功功率過多則會造成系統的功率因素降低。因此有必要對無功功率參考值進行推導。

本文首先分析SOP的工作原理以及MMC拓撲；然后，針對交流系統發生故障，提出一種計及無功支撐的LVRT策略，通過在換流器內部附加LVRT控制策略，實現不同工況下的LVRT；最后，利用PSCAD/EMTDC搭建了仿真模型，對本文提出的控制策略進行了驗證。

1 柔性電力電子開關

SOP是一種全新的電力電子設備，安裝在配電網中以代替常開聯絡開關，具有實現配電網閉環運行的功能。

當前，SOP在配電網中的實現方式主要有3種，分別是：背靠背電壓源型變流器（B2B-VSC）[16]、統一潮流控制器（UPFC）[17]以及靜止同步串聯補償器（SSSC）[18]。本文討論背靠背模塊化多電平換流器（back to back modular multilevel converter，B2B-MMC）。B2B-MMC在配電網中的接入如圖1所示。

圖1 SOP接入示意圖

圖1中，兩端S1、S2為交流系統等效電源，2個MMC組成的B2B-MMC替代原來的聯絡開關，同時連接變壓器10 kV低壓側，實現柔性互聯；通過改變兩端換流器控制方式實現交流系統之間的功率交換，可實現功率均衡控制和線路潮流主動調控[16]。與傳統的聯絡開關相比，使用SOP后有如下優點：可以實現配電網的規范化閉環運行；具有靈活的功率調節能力；具有很強的功能擴展性，可提高可再生能源的消納能力。

1.1 換流器拓撲結構

近年來，MMC成為HVDC和MTDC應用中的熱門拓撲之一。考慮到減少開關頻率、降低損耗且輸出波形質量較好等優點，可采用最近電平逼近調制（nearest level modulation，NLM），圖2為MMC拓撲結構。

圖2 換流器拓撲結構

MMC在旋轉坐標系下的數學模型，以a相為例，可表示為：

式中：dc為直流側電壓；pa、na為上橋臂、下橋臂電壓；為系統等效電感。

1.2 換流器附加控制策略框圖

矢量控制是目前許多研究學者采用的控制方式。MMC內部采用電流內環控制和功率外環控制的雙閉環結構[17]。圖3、圖4為兩側MMC控制附加LVRT框圖，其中MMC1采用定dc控制，MMC2采用定控制。

圖3 MMC1附加低電壓穿越控制策略框圖

圖4 MMC2附加低電壓穿越控制策略框圖

首先，在電壓暫降檢測環節檢測到電壓跌落后，斷開換流器內部的電壓外環或功率外環；隨后，LVRT附加控制策略重新計算和分配有功電流和無功電流指令到電流內環控制器，發出無功功率實現LVRT。電壓恢復后，換流器內部采用電壓電流雙閉環控制穩定運行。

2 計及無功支撐的低電壓穿越控制策略

2.1 計及無功支撐的低電壓穿越

根據式（3）可得：如果發生故障時有功電流不變，此時無功電流需低于額定電流的0.46倍，否則就會出現過流；當發生深度跌落時，需要提升無功電流，減小有功電流。

當無功補償不足時，無功功率將由電網提供，將造成線路上電流增大，電網電壓進一步下降，無功功率越大則電壓下降越大。無功補償與電壓跌落程度的關系為[4]：

式中：N為額定電流；0為跌落前電壓值；I為跌落前無功電流；I0為跌落后無功電流；N為額定電流。

此時取0=0.9N，則無功電流指令可變為：

此時若取=1.5，則有功電流參考值為：

當電網電壓跌落時，斷開電壓外環，無功電流考值與額定電流的關系為：

按照上述的取值，在不降低i的情況下，按照式（7）可得電壓允許跌落的最大深度為Δ≈0.307N；電壓跌落在0.593N以上時，按照式（3）輸出無功電流，有功輸出電流為iref=N。

電壓跌落至0.593N以下時，要滿足電流幅值需減小有功電流，增大無功電流。此時無功電流參考值按照式（5）計算，有功電流參考值按照式（6）計算。

2.2 含低電壓穿越的控制策略

本文的控制方法是當MMC穩定運行時采用電壓電流雙閉環控制；當電壓跌落檢測環節檢測到電壓跌落時，切換到LVRT控制模式運行；在低電壓時，保持穩定運行并且發出無功功率，然后再轉到電壓電流雙閉環控制穩定運行。

在換流器內部附加LVRT控制策略的邏輯框圖如圖5所示。LVRT控制策略設置有2種模式：當檢測到換流器電壓rms小于0.9N且小于0.593N時，則為模式1，屬于深度跌落情況；當rms小于0.9N且大于0.593N，則判斷為淺度跌落的情況，為模式2。采用開關選擇模式1和模式2。

圖5 基于無功支撐的LVRT邏輯框圖

下面以MMC1為例進行分析，MMC2同理。

（1）當rms>0.9N，MMC1采用電壓電流雙閉環控制穩定運行。

（2）當rms<0.9N，同時rms<0.593N，在滿足這兩個條件時，則斷開電壓外環，按照公式將有功功率指令和無功功率指令進行重新分配。此時的iref、iref將不再由外環提供而是由LVRT附加控制策略提供。此時判斷為深度跌落，啟用模式2完成低電壓穿越。

（3）當rms<0.9N，同時rms>0.593N，在滿足這兩個條件時，則斷開電壓外環，按照公式將有功功率指令和無功功率指令進行重新分配。此時iref、iref將不再由外環提供，而是由LVRT附加控制策略提供，判斷為淺度跌落，啟用模式1完成低電壓穿越。

3 仿真分析

3.1 仿真參數

在PSCAD仿真軟件中搭建如圖6所示拓撲模型。MMC采用不同的控制方式，在低電壓期間會呈現不同的特性。其中MMC1采用定dc控制，MMC2采用定控制。系統參數如表1、表2所示。

圖6 仿真模型圖

表1 MMC1參數設置

表2 MMC2參數設置

3.2 交流系統2單相接地故障

交流系統2為IEEE33節點系統。在16節點設置單相接地故障，故障發生在2 s處，持續時間為0.5 s。如圖7所示，在2 s處發生故障后，a相電壓跌落至額定電壓的15%，b、c相正常運行；在2.5 s時故障消除。

在2 s處故障發生時，a相電壓發生跌落，有功功率出現小幅波動。MMC2至2 s時開始注入無功功率。由2～2.5 s內波形可以看出，電壓跌落程度較淺，通過補償無功功率可以支撐電壓恢復，有功功率未出現功率缺失情況，且輸出的電流峰值在額定電流的1.1倍以內。通過電流波形可看出存在負序分量。在實際應用時，可采用正負序分離方法將正序分量和負序分量分離。從圖7（c）（d）可以看出，加入了控制延時后，依舊可以提供一定的無功功率實現LVRT。因此，該控制方法可以提供一定的無功支撐直到電壓恢復，滿足低電壓穿越要求。

3.3 交流系統2三相故障

交流系統2為IEEE33節點系統。在16節點設置三相故障，故障發生時間設置在2 s處，MMC2三相電壓跌落至額定值的70%，在2.5 s時故障消除，仿真結果如圖8所示。

圖8 算例2仿真波形

在2 s時，電壓發生跌落，電流上升。當MMC2電壓跌落至70%額定電壓時，能夠持續0.5 s，沒有發生電流過沖現象。同時可以看出有功功率明顯下降，無功功率明顯上升，MMC2可以發出一定的無功功率支持電壓恢復。電壓跌落70%時出現了波動，這是因為此時電壓跌落程度較大，電流微小的變化就會引起功率的波動。在2.5 s之后，MMC2有功功率和無功功率出現了短暫的波動后趨于穩定，說明此時采取無功支撐的低電壓穿越控制策略可以達到目的。從圖8（c）（d）中可看出，考慮了控制延時后，電壓雖然有短暫的波動，但是采用所提的控制策略可以發出無功功率實現LVRT。

3.4 交流系統1單相接地故障

交流系統1為IEEE33節點系統。在16節點設置單相接地短路故障，故障發生在MMC1側，故障發生時間在2 s處，持續時間為0.5 s，2.5 s后恢復。由仿真波形圖9可知，2 s處發生單相接地故障后，a相電壓跌落至額定電壓的15%，b、c相正常運行，2.5 s處故障消除。

由圖9可知，在2 s時故障發生時，有功功率出現小范圍波動，且MMC1在2 s后注入無功功率支撐故障電壓恢復，有功功率在整個過程中沒有出現缺失的情況。圖中將加入LVRT與無LVRT時的波形進行了對比，同時與加入了延時環節進行對比，可見：在無LVRT策略時MMC1沒有發出無功功率，加入了LVRT策略后MMC1可發出無功功率支撐電壓恢復。通過電流波形可看出存在負序分量，在實際應用時可采用正負序分離方法將正序分量和負序分量分離。考慮了控制延遲后可以完成LVRT。

3.5 交流系統1三相故障

交流系統1為IEEE33節點系統。在16節點設置三相故障，設置故障發生時間在2 s處，持續時間為0.5 s，仿真結果如圖10所示。

如圖10所示，當MMC1電壓跌落至60%額定電壓時能夠持續0.5 s。本文所提的控制方法在出現70%電壓跌落時，仍可以呈現出良好的穿越性能，沒有發生電流過沖現象。當出現70%電壓跌落時，有功功率下降，無功功率增加，可以發出一定的無功功率支持電壓恢復。電壓跌落70%時出現了波動，這是因為此時電壓跌落較大，電流微小的變化就會引起功率的波動；在2.5 s之后，MMC1有功功率和無功功率出現了短暫的波動后趨于穩定，說明此時采取無功支撐的低電壓穿越控制策略依然可以達到控制目的。從圖中可以看出，考慮控制延時后采用該控制策略依舊可以完成LVRT。

從以上4個仿真算例可以看出：與不加LVRT策略相比，加入了LVRT策略后可以發出無功功率支持電壓恢復，且采用控制的MMC比采用dc控制的恢復過程短。

4 結論

本文以柔性電力電子開關接入交流系統為背景，針對遠端發生故障導致柔性電力電子開關電壓跌落問題進行了分析，提出一種計及無功支撐的LVRT控制策略。得出以下結論：

（1）提出策略通過在電壓跌落時，斷開電壓外環，同時重新分配有功功率和無功功率指令來實現LVRT，在換流器內部附加LVRT控制策略，與外加輔助設備相比，不額外增加成本，更加經濟實用。

（2）采用PQ控制的MMC比采用dc控制的恢復過程短。

（3）對比加入LVRT策略和不加LVRT策略，發現本文提出的無功支撐的LVRT策略可以在低電壓期間發出無功功率支撐電壓的恢復，并且在此期間直流電壓可以保持穩定。

（4）控制策略能夠實現系統在單相接地故障和三相對稱故障的LVRT時，滿足LVRT要求，不會出現過電流和過電壓現象。

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Research on Low Voltage Ride-through Control Strategy of Soft Open Point

ZHANG Die1, YUAN Xufeng1, ZHANG Lahua1, YANG Rong1, BAN Guobang1,2

(1. The Electrical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

Aiming at solving the problems such as the sudden drop of the converter voltage and the impact of the grid caused by the fault at the remote end of the grid, a low voltage ride-through (LVRT) control strategy that takes into account the reactive power support is proposed. First, the low voltage ride-through compensation mechanism was analysed from the perspective of the current control inner loop, and the corresponding additional control strategy was established; secondly, the proposed additional control strategy can recalculate and distribute the active current and reactive current commands to the current inner loop controller after the voltage drops, so as to ensure stable operation and provide certain reactive power to support voltage recovery; finally, taking soft open points (SOP) as the research object, a simulation model was built by using PSCAD/EMTDC simulation software. By comparing the proposed LVRT additional strategy with the strategy without LVRT and analysing the simulation results, the LVRT of SOP is realized, which verifies the feasibility of the proposed control strategy and meets the requirements of LVRT.

soft open point; low voltage ride-through; additional control strategy; reactive power

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.09.001

TM721

A

1672-0792(2021)09-0001-09

2021-05-17

國家自然科學基金（52067004）；貴州省科學技術基金（[2019]1128）；貴州省科學技術基金（[2019]1058）

張 蝶（1997—），女，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統中的應用；

袁旭峰（1976—），男，教授，研究方向為電力電子在電力系統中的應用、電力系統運行與控制；

張臘華（1996—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統中的應用；

楊 榮（1997—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統中的應用；

班國邦（1983—），男，高級工程師，主要從事高電壓技術及柔性直流配電技術研究。

袁旭峰