不對(duì)稱電壓跌落下分布式新能源多目標(biāo)主動(dòng)控制策略研究

季 亮，郭佳龍，李博通，洪啟騰，李振坤，米 陽(yáng)，楊興武

不對(duì)稱電壓跌落下分布式新能源多目標(biāo)主動(dòng)控制策略研究

季 亮1，郭佳龍1，李博通2，洪啟騰3，李振坤1，米 陽(yáng)1，楊興武1

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；3.英國(guó)思克萊德大學(xué)，英國(guó) 格拉斯哥 G1 1RD)

在電網(wǎng)電壓不平衡跌落下，分布式新能源面臨多控制目標(biāo)缺乏協(xié)調(diào)、控制策略復(fù)雜等問(wèn)題，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致切機(jī)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，充分考慮電壓跌落場(chǎng)景，提出了一種不對(duì)稱電壓跌落下新能源多目標(biāo)主動(dòng)控制策略。首先，充分考慮電網(wǎng)阻抗對(duì)于電壓的影響，建立了不對(duì)稱電壓跌落下的逆變器正負(fù)序電壓支撐方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)相電壓的靈活控制。其次，提出了不對(duì)稱電壓跌落下多個(gè)新能源控制目標(biāo)，并建立了基于正負(fù)序有功和無(wú)功電流的控制目標(biāo)方程。在此基礎(chǔ)上，深入分析多控制目標(biāo)相互制約機(jī)理，并根據(jù)電壓跌落程度優(yōu)化控制目標(biāo)，構(gòu)建不同場(chǎng)景下的目標(biāo)函數(shù)與約束條件。最后，利用Fmincon優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在不對(duì)稱電壓跌落下的多目標(biāo)優(yōu)化控制。利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了該方法在不同電壓跌落場(chǎng)景下的有效性。

不對(duì)稱電壓跌落；多目標(biāo)控制策略；電流參考值；主動(dòng)電壓支撐；有功功率控制

0 引言

隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能等分布式新能源大量接入電網(wǎng)，發(fā)展以高比例可再生能源滲透為核心的低碳可持續(xù)能源系統(tǒng)已成為世界各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。在故障暫態(tài)下，電力電子接口的新能源面臨因電壓支撐能力弱、電流越限、有功功率振蕩等問(wèn)題而切機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，大規(guī)模新能源發(fā)電單元接入對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性影響不斷增大。當(dāng)新能源發(fā)電單元并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，一方面電力電子接口耐受能力差，往往導(dǎo)致風(fēng)電和光伏脫網(wǎng)，而另一方面電力電子裝置的高可控性也為高比例新能源接入電力系統(tǒng)提供了有力的解決方案[2]。因此，根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定控制目標(biāo)電氣量，通過(guò)主動(dòng)改變新能源的控制策略，為電壓不平衡跌落下的新能源發(fā)電單元提供較強(qiáng)的故障穿越能力，對(duì)提升高比例新能源系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

目前，基于對(duì)稱分量法提取序分量實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱電壓跌落下不同控制目標(biāo)的改進(jìn)控制策略已有大量研究[3]。文獻(xiàn)[4-5]基于新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的控制和故障特性分析，提出了保證風(fēng)機(jī)、光伏逆變器能穩(wěn)定可靠穿越電網(wǎng)故障的控制策略。隨著新能源滲透率的提高，電網(wǎng)準(zhǔn)則要求其注入無(wú)功功率以主動(dòng)支撐電網(wǎng)電壓。文獻(xiàn)[6-7]提出一種參考電流指令算法，通過(guò)選取不同正負(fù)序無(wú)功電流比例系數(shù)可實(shí)現(xiàn)在不同電壓跌落場(chǎng)景下靈活電壓支撐控制，但未對(duì)該比例系數(shù)的計(jì)算方法加以討論。文獻(xiàn)[8-9]在滿足最大電流限制條件下靈活控制逆變器的正負(fù)序有功和無(wú)功功率，并分析了合理選擇功率指令對(duì)電網(wǎng)電壓支撐的作用，但其有功、無(wú)功功率指令難以直接確定。文獻(xiàn)[10]提出一種將撬棒保護(hù)電路與魯棒反演控制策略結(jié)合的方法，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)在故障下能提供較大無(wú)功功率以提升系統(tǒng)電壓水平。以上研究提出的電壓支撐控制只適用于電網(wǎng)阻抗呈感性且沒有實(shí)現(xiàn)具體電壓支撐目標(biāo)的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，基于此，文獻(xiàn)[11]根據(jù)電網(wǎng)并網(wǎng)準(zhǔn)則提出一種計(jì)及電網(wǎng)阻抗特性的最大正序支撐控制策略，但該控制策略無(wú)法在較大不對(duì)稱故障下有效支撐公共并網(wǎng)點(diǎn)電壓，文獻(xiàn)[12]將文獻(xiàn)[11]推廣到更一般的情況，對(duì)正負(fù)序電壓進(jìn)行同時(shí)控制。更進(jìn)一步地，文獻(xiàn)[13-15]以相電壓幅值上下限為約束，將并網(wǎng)點(diǎn)相電壓支撐到并網(wǎng)運(yùn)行電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最大電壓支撐。然而，上述控制策略雖然避免了過(guò)電流跳閘，但不具備有功輸出能力，并且均未考慮功率振蕩對(duì)逆變器的影響，而這可能導(dǎo)致新能源脫網(wǎng)。隨著研究的深入，考慮多目標(biāo)和具體場(chǎng)景下的協(xié)調(diào)控制策略被提出。文獻(xiàn)[16]提出基于靈活的電流注入以實(shí)現(xiàn)最大有功功率輸出目標(biāo)的控制策略，將注入電流始終控制在設(shè)定最大值的同時(shí)避免了有功功率振蕩。文獻(xiàn)[17]通過(guò)比較電流指令將不同電壓跌落分為不同場(chǎng)景，在不同場(chǎng)景下注入相應(yīng)電流指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[18]提出一種多目標(biāo)的優(yōu)化控制策略，首先考慮了正負(fù)序電壓下的相電壓支撐控制，且兼顧了有功振蕩約束和有功輸出多個(gè)目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)，但所提控制策略過(guò)于復(fù)雜、受限于逆變器的容量大小，將難以實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)上述研究可知，不平衡電壓跌落下新能源控制策略多針對(duì)某一兩個(gè)控制目標(biāo)進(jìn)行研究，并網(wǎng)逆變器仍面臨一定的切機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。而考慮多目標(biāo)的控制策略對(duì)并網(wǎng)逆變器容量有較大要求，因逆變器容量不足導(dǎo)致控制目標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況時(shí)有發(fā)生。因此，有必要通過(guò)充分考慮電壓跌落場(chǎng)景，在不同電壓跌落場(chǎng)景下選取合適的控制目標(biāo)，保證在充分利用逆變器容量下實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制。

基于以上研究，為了實(shí)現(xiàn)不平衡電壓跌落下電壓支撐、電流限幅、有功功率振蕩約束和有功輸出4個(gè)控制目標(biāo)，本文分析推導(dǎo)了計(jì)及線路阻抗特性的正負(fù)序電壓支撐方程，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于正負(fù)序電流幅值表示的多目標(biāo)控制方程，通過(guò)充分考慮電壓跌落場(chǎng)景，構(gòu)建不同電壓跌落場(chǎng)景下控制目標(biāo)，利用Fmincon優(yōu)化算法求解實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在不同電壓跌落場(chǎng)景下安全可靠并網(wǎng)。最后，基于Matlab/Simulink搭建仿真模型，算例結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1 不對(duì)稱電壓跌落下逆變器的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1 分布式新能源的控制結(jié)構(gòu)

圖1 分布式新能源并網(wǎng)拓?fù)鋱D

圖2 提出的故障下控制系統(tǒng)

1.2 不對(duì)稱電壓跌落下的并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型

式中：、為PCC正負(fù)序電壓幅值；為網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)序電壓幅值；為PCC點(diǎn)正負(fù)序電壓初始相角；為網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)序電壓相角。從式(5)—式(8)可以看出，通過(guò)設(shè)置4個(gè)電流指令幅值，可以實(shí)現(xiàn)支撐正序電壓、降低負(fù)序電壓從而控制相電壓的目標(biāo)，同時(shí)電壓支撐效果取決于送出線阻抗參數(shù)[20]。

2 不對(duì)稱電壓跌落下逆變器的目標(biāo)方程

為保證不對(duì)稱電壓跌落下的逆變器能夠安全穩(wěn)定并網(wǎng)，改進(jìn)控制策略需要逆變器具備以下幾種能力：

1) 支撐正序電壓、降低負(fù)序電壓以盡可能滿足相電壓約束以提升低壓穿越能力；

2) 逆變器輸出電流不超過(guò)最大允許電流限制；

3) 減少不對(duì)稱故障下由正負(fù)序電流電壓引起的有功振蕩；

4) 在滿足逆變器不脫網(wǎng)前提下充分利用其容量，盡可能輸出有功功率，減少瞬時(shí)有功功率不平衡。

因此，新能源并網(wǎng)逆變器需要滿足以上的控制目標(biāo)，并建立所提目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

2.1 相電壓支撐方程

新能源電站在故障暫態(tài)情況下應(yīng)具有一定的主動(dòng)電壓支撐能力，控制逆變器向系統(tǒng)釋放大量無(wú)功避免電壓跌落[21]。為了最大程度地提升逆變器的低壓穿越能力，我國(guó)規(guī)定光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)處電壓偏差應(yīng)滿足電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并網(wǎng)準(zhǔn)則對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓的上下限提出要求[14]。PCC的相電壓幅值與不平衡電壓下的正負(fù)序電壓幅值之間的表達(dá)式為

其中

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行電壓偏差相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要將PCC電壓提升到額定電壓的0.85～1.1倍，即相電壓約束方程為

在電壓跌落嚴(yán)重情況下，以上相電壓的約束要求難以滿足，此時(shí)的約束條件為

2.2 電流限幅

為保證在低壓穿越過(guò)程中改進(jìn)的控制策略不會(huì)因?yàn)檫^(guò)流導(dǎo)致逆變器切機(jī)，需要設(shè)計(jì)合理的限流控制算法將逆變器三相電流控制在最大允許輸出電流范圍內(nèi)。因此，需對(duì)三相電流的幅值表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)，由式(2)可得，逆變器三相電流幅值表達(dá)式轉(zhuǎn)化為

其中

逆變器輸出電流一般為額定電流1.2～1.5倍，為了充分利用逆變器容量，本文將電流限幅轉(zhuǎn)化為等式約束，故障情況下逆變器輸出最大相電流恒為1.2倍額定電流。

2.3 有功功率振蕩

在不對(duì)稱電壓跌落下，逆變器輸出的有功、無(wú)功功率不僅含有直流分量，還含有正余弦振蕩分量，且會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓存在二次紋波，嚴(yán)重時(shí)影響變流器的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)采用正負(fù)序電壓矢量定向的控制策略時(shí)，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的軸與電網(wǎng)電壓矢量重合，軸分量均為0，軸分量分別與正負(fù)序電壓幅值相等。展開可得到以幅值形式表達(dá)的有功功率振蕩分量表達(dá)式[22]，如式(16)所示。

直接消除有功功率振蕩不利于系統(tǒng)有功功率的輸出，本文考慮將有功振蕩約束在一個(gè)合理范圍內(nèi)，而有功功率的二倍頻振蕩會(huì)引起直流鏈路電壓紋波，因此可以根據(jù)直流電容電壓紋波要求間接約束有功振蕩，如式(17)所示。

2.4 有功功率輸出

在電壓跌落期間，為了保證逆變器不脫網(wǎng)，需要提升無(wú)功電流大小以支撐PCC電壓，所以通常需要進(jìn)行有功功率削減。本文提出的電壓支撐目標(biāo)是以相電壓為目標(biāo)的，以相電壓為控制目標(biāo)需要無(wú)功電流分量較大將難以實(shí)現(xiàn)，且此時(shí)無(wú)功功率輸出限制了有功功率輸出，有功功率輸出減少會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)功率不平衡進(jìn)而影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此在考慮電壓支撐控制和電流限幅控制的基礎(chǔ)上，還應(yīng)充分利用逆變器容量輸出有功功率。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，電網(wǎng)電壓不平衡下，逆變器輸出的有功功率可以表示為

3 不對(duì)稱電壓跌落下逆變器的多目標(biāo)控制策略

第2節(jié)提出的4個(gè)目標(biāo)均可以通過(guò)設(shè)置合適的4個(gè)參考電流值實(shí)現(xiàn)，但這些控制目標(biāo)相互沖突，提升一個(gè)控制目標(biāo)往往導(dǎo)致另外目標(biāo)性能惡化，且單個(gè)控制目標(biāo)的電流參考值也難以直接確定。因此，有必要設(shè)計(jì)一種控制策略根據(jù)不同場(chǎng)景在多目標(biāo)之間進(jìn)行協(xié)調(diào)，通過(guò)對(duì)電流指令進(jìn)行優(yōu)化，得到一種兼顧多目標(biāo)的控制策略。

3.1 不同電壓跌落情況下的控制目標(biāo)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，多個(gè)控制目標(biāo)相互影響，并且不同故障類型下故障電流復(fù)雜多變，因此多目標(biāo)控制下的電流參考值很難直接求解。因此，為了協(xié)調(diào)多個(gè)控制目標(biāo)，本文將電流參考值求解轉(zhuǎn)化為多約束非線性目標(biāo)函數(shù)求解，同時(shí)根據(jù)電壓跌落情況設(shè)置不同優(yōu)化控制目標(biāo)。

基于我國(guó)新能源發(fā)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)定了一種電壓跌落場(chǎng)景劃分標(biāo)準(zhǔn)，并提出各電壓跌落場(chǎng)景下的控制目標(biāo)。當(dāng)在新能源并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生嚴(yán)重電壓跌落時(shí)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)出無(wú)功盡可能動(dòng)態(tài)支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，為系統(tǒng)提供較大的電壓支撐。而當(dāng)發(fā)生輕微電壓跌落時(shí)，應(yīng)保證向系統(tǒng)輸送最大有功功率的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)提供電壓支撐。因此，將以有功輸出為目標(biāo)同時(shí)滿足相電壓約束有解(具體求解方法見3.2節(jié))定義為輕微電壓跌落。反之定義為較大電壓跌落；同時(shí)，當(dāng)電壓跌落較大時(shí)需考慮電壓不平衡度問(wèn)題，當(dāng)電壓不平衡度較小時(shí)無(wú)需注入負(fù)序功率，本文基于不平衡電壓跌落下相電壓最大差值判定電壓不平衡程度：

基于圖4定義的場(chǎng)景情況，分別提出對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下的控制目標(biāo)。

1) 電壓輕微跌落下的控制目標(biāo)

根據(jù)第2節(jié)介紹的不平衡電壓跌落下的多個(gè)控制目標(biāo)，其中電壓支撐、電流限幅及有功功率振蕩必須滿足一定的約束要求，有功輸出在這3個(gè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能多地注入，在定義的輕微電壓跌落場(chǎng)景下，不對(duì)稱電壓跌落下的多目標(biāo)控制策略可以轉(zhuǎn)化為以最優(yōu)有功輸出為目標(biāo)，以相電壓、相電流和有功振蕩為約束下的多變量?jī)?yōu)化求解問(wèn)題，此時(shí)，不對(duì)稱電壓跌落下的控制目標(biāo)為

圖4 電壓跌落場(chǎng)景定義

2) 電壓跌落較大且不平衡度較小的控制目標(biāo)

3) 較大電壓跌落且電壓不平衡度大的控制目標(biāo)

在電壓跌落程度較大且不平衡度較大的情況下，僅提升正序電壓不能有效支撐相電壓，為了最大程度地提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓水平，應(yīng)盡可能提升正序電壓、降低負(fù)序電壓，在最大相電壓約束、最大相電流及功率振蕩約束下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電壓支撐效果，提升在電壓不平衡度較大情況下的低壓穿越能力，此時(shí)控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為最大化正負(fù)序電壓差值，如式(21)所示。

3.2 基于Fmincon函數(shù)求解的參考電流計(jì)算

由3.1節(jié)可以看出，針對(duì)不同電壓跌落類型與電壓跌落程度，首先根據(jù)電壓跌落場(chǎng)景劃分結(jié)果確定控制目標(biāo)，然后在不同控制目標(biāo)場(chǎng)景下確定電壓、電流及功率振蕩約束要求。不難理解，多目標(biāo)控制可以通過(guò)多約束下求目標(biāo)函數(shù)極值問(wèn)題求解實(shí)現(xiàn)。本文采用Matlab中的Fmincon優(yōu)化算法，F(xiàn)mincon函數(shù)使用內(nèi)點(diǎn)法對(duì)有約束問(wèn)題進(jìn)行求解，可以求解帶約束的非線性多變量函數(shù)的最小值。通過(guò)求解多約束下目標(biāo)函數(shù)極值，即可得到電流參考指令，具體流程如圖5所示。

圖5 電流參考值計(jì)算流程圖

采用Fmincon函數(shù)求解得到實(shí)現(xiàn)多控制目標(biāo)的電流參考值，具體函數(shù)的定義為

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證在不同電壓跌落場(chǎng)景下所提多目標(biāo)控制策略均能實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)多個(gè)控制目標(biāo)的優(yōu)化效果，基于Matlab/Simulink建立如圖 1所示的逆變型新能源并網(wǎng)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

算例設(shè)置在= 0.1 s網(wǎng)側(cè)發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落，在0～0.2 s并網(wǎng)逆變器采用單位功率因數(shù)控制，在0.2～0.35 s將逆變器控制策略切換為本文提出的多目標(biāo)控制策略。為驗(yàn)證本文的多目標(biāo)控制策略在不同電壓跌落場(chǎng)景下的有效性，設(shè)置了表2的3個(gè)仿真算例。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

表2 仿真算例設(shè)置

4.1 仿真算例設(shè)置

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生不對(duì)稱電壓跌落時(shí)，通過(guò)將實(shí)時(shí)量測(cè)到的正負(fù)序電壓幅值和相角代入以有功功率輸出控制為目標(biāo)求解。若有解，此時(shí)設(shè)置為算例1；若無(wú)解，且正負(fù)序電壓幅值差低于設(shè)定值，判定電壓不平衡度較小，此時(shí)以最大正序電壓支撐為目標(biāo)進(jìn)行求解，將此時(shí)電壓跌落場(chǎng)景設(shè)置為算例2；以有功輸出為目標(biāo)方程無(wú)解，且正負(fù)序電壓差值大于設(shè)定值，此時(shí)判定電壓跌落場(chǎng)景為電壓跌落較大且電壓不平衡度較大設(shè)置為算例3，此時(shí)以最大化正負(fù)序電壓差值為控制目標(biāo)。

從表2可以看出：算例1中電壓跌落程度相對(duì)較小且電壓不平衡度較低，此時(shí)三相電壓約束在逆變器容量約束下能夠滿足，根據(jù)上文提出的最大有功功率控制目標(biāo)方程可以求解電流參考值，而在算例2中電壓跌落較深且電壓不平衡度較小，以最大有功輸出為控制目標(biāo)方程無(wú)解，此時(shí)控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為最大電壓支撐。在算例3中電壓跌落程度較大且電壓不平衡度較大，此場(chǎng)景下以最大化正負(fù)序電壓差為控制目標(biāo)?；贔mincon函數(shù)求解下電流參考值如表3所示。

4.2 算例1：電壓輕微跌落

在= 0.1 s，網(wǎng)側(cè)母線電壓發(fā)生輕微不對(duì)稱電壓跌落，a相電壓保持不變，b相和c相跌落至0.75 p.u.。0.2 s切換為本文控制策略。

表3 多目標(biāo)下求解的電流參考值

從圖6(a)和圖6(b)可以看出，在0.1～0.2 s，因?yàn)槿圆捎煤愎β士刂撇呗裕藭r(shí)逆變器無(wú)電壓支撐能力且電流會(huì)超過(guò)電流限幅要求，0.2 s之后可以實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電壓的主動(dòng)支撐，將三相電壓均限制在0.85～1.1 p.u.，滿足設(shè)定的電壓約束，同時(shí)切換控制策略之后，滿足了電流低于1.2 p.u.的約束。從圖6(c)可知，功率振蕩值為0.18 p.u.，低于約束設(shè)定的0.38 p.u.，在滿足所有約束的同時(shí)，此場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)了最大有功功率輸出為0.72 p.u.。

圖6 算例1的多目標(biāo)控制效果

4.3 算例2：電壓跌落較大且不平衡度較小

由圖7(a)和圖7(b)可知，切換為本文提出控制策略之后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正序電壓最大化的控制，其中正序電壓從0.69 p.u.提升到0.85 p.u.，負(fù)序電壓保持不變，此時(shí)電網(wǎng)電壓不平衡度從0.15降低到0.12，三相電壓同時(shí)提升，a相電壓提升至0.95 p.u.，b、c相電壓從0.65 p.u.提升到0. 8 p.u.。從圖7(c)和圖7(d)可知，在提升電壓的同時(shí)，逆變器滿足了電流限幅和功率振蕩的約束要求，此時(shí)逆變器容量全部用來(lái)支撐正序電壓，有功功率的平均值為0，與理論分析一致。

圖7 算例2的多目標(biāo)控制效果

Fig. 7 Multi-objective control effect of Example 2

4.4 算例3：電壓跌落較大且不平衡度較大

由圖8(a)和圖8(b)可知，切換為本文提出控制策略之后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)正負(fù)序電壓差值最大化的控制，其中正序電壓從0.75 p.u.提升到0.83 p.u.，負(fù)序電壓從0.4 p.u.降低到0.28 p.u.，將電網(wǎng)電壓不平衡度從0.53降低到0.33，而此時(shí)a、b相電壓維持在0.85～1.1 p.u.，c相電壓從0.37 p.u.提升到0.58 p.u.。從圖8(c)和圖8(d)可知，在提升電壓的同時(shí)，逆變器滿足了電流限幅和功率振蕩的約束要求，此時(shí)逆變器容量全部用來(lái)支撐電壓，有功功率的平均值為0，與理論分析一致。

圖8 算例3的多目標(biāo)控制效果

Fig. 8 Multi-objective control effect of Example 3

5 結(jié)論

并網(wǎng)逆變器在電網(wǎng)電壓不平衡跌落下要考慮有功功率輸出、電壓支撐控制目標(biāo)，且滿足電流限幅、有功功率振蕩等約束，但多個(gè)目標(biāo)之間相互制約、缺乏協(xié)調(diào)。本文基于對(duì)多個(gè)控制目標(biāo)進(jìn)行量化推導(dǎo)，提出一種考慮電壓跌落場(chǎng)景的改進(jìn)控制策略，有效地協(xié)調(diào)了多個(gè)控制目標(biāo)，提升了逆變器在不平衡電壓跌落下的運(yùn)行穩(wěn)定性。具體而言，本文提出方法有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 所提出的正負(fù)序電壓控制方程考慮了電網(wǎng)阻抗特性，實(shí)現(xiàn)了在不同線路參數(shù)下對(duì)正負(fù)序電壓的最優(yōu)支撐，保證了對(duì)相電壓的靈活控制。

2) 利用Fmincon函數(shù)求解，確定了在不同電壓跌落場(chǎng)景下的優(yōu)化控制目標(biāo)，充分利用逆變器容量實(shí)現(xiàn)最大有功功率輸出和最優(yōu)電壓支撐的控制目標(biāo)。

3) 本文的控制策略實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)下地快速協(xié)調(diào)，在不同電壓跌落情況下，均滿足電流限幅和有功功率振蕩約束要求，有效降低了并網(wǎng)逆變器的切機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

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A multi-objective active control strategy for distributed generation under asymmetric voltage sag

JI Liang1, GUO Jialong1, LI Botong2, HONG Qiteng3, LI Zhenkun1, MI Yang1, YANG Xingwu1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2.School of Electrical Automation and Information Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China;3. University of Strathclyde, GlasgowG1 1RD, United Kingdom)

Under asymmetric voltage sag, distributed generation faces problems such as lack of coordination of multiple control objectives and high complexity of control strategies. These can lead to disconnection in serious cases and affect the stable operation of the power grid. Thus, a multi-objective active control strategy for DG is proposed considering voltage sags. First, the influence of grid impedance on voltage is fully considered, and the positive and negative sequence voltage supporting equation under asymmetric voltage sag is established to realize flexible control of phase voltage. Second, several control targets under asymmetric voltage sag based on positive and negative sequence active power and reactive current are established. The mutual restraint mechanism of multiple control objectives is analyzed, and the control objectives are optimized according to the voltage sag scenarios, and the objective function and constraint conditions in different scenarios are constructed. Finally, the Fmincon optimization algorithm is used to realize multi-objective optimal control of a grid-connected inverter under asymmetric voltage sag. Matlab/Simulink is used to verify the effectiveness of the proposed method in different voltage sag scenarios.

asymmetric voltages sag; multi-objective control strategy; current reference; active voltage support; active power control

10.19783/j.cnki.pspc.226418

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61873159); 上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目資助(13DZ2251900)；上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 61873159).

2021-12-05；

2022-04-24

季 亮(1985—)，男，通信作者，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制；E-mail: jihome2002@sina.cn

郭佳龍(1997—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槟孀冃头植际诫娫垂收峡刂疲籈-mail: 18800206539@163.com.

李博通(1981—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、高壓直流輸電控制保護(hù)技術(shù)。E-mail: libotong@tju.edu.cn

(編輯 姜新麗)