第 51 卷 第 9 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.9

2023年5月1日 Power System Protection and Control May 1, 2023

DOI: 10.19783/j.cnki.pspc.221346

不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究

陈凌彬，夏向阳，李 红，廖一丁，郭 源，关维德

(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

摘要：电网发生不对称故障会导致公共连接点(point of common coupling, PCC)电压下降，严重情况下还存在切机

风险。而传统电压支撑策略易受到机组出力影响，不能灵活支撑 PCC 电压。针对上述问题，提出了一种不对称故

障下考虑光储出力的最优电压支撑策略。首先分析了不对称故障下的电压支撑原理，推导了电压支撑方程。然后

基于上述方程，以并网标准对 PCC 电压的运行要求为目标，考虑电流峰值和有功功率波动幅值为约束条件，得出

了理想的电压支撑方案。进一步根据光储实际出力和理想的有功功率参考值，对光储出力场景进行分类。当理想

的电流参考值无法满足最优解时，联立电压支撑方程和相应约束方程，建立关于电流各分量的非线性方程组，可

解得最优电流参考值。最后通过仿真验证了所提策略的有效性和灵活性。

关键词：不对称故障；光伏；储能；电压支撑；低压穿越

An optimal voltage support strategy considering the photovoltaic and storage

output under asymmetric faults

CHEN Lingbin, XIA Xiangyang, LI Hong, LIAO Yiding, GUO Yuan, GUAN Weide

(School of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

Abstract: Asymmetric faults in the power grid will lead to voltage drop at the point of common coupling (PCC), even

resulting in severe risk e.g. cutting machine. However, the traditional voltage support strategy is easily affected by the

output of the unit, and cannot flexibly support the PCC voltage. For the above problems, an optimal voltage support

strategy considering the photovoltaic and storage output under asymmetric faults is proposed. First, the principle of

voltage support under asymmetric fault is analyzed, and the voltage support equation is deduced. Then, based on the

above equation, taking the grid-connected standard's operating requirements for PCC voltage as the target, and

considering the current peak value and active power fluctuation amplitude as constraints, the ideal voltage support scheme

is obtained. Further, according to the actual output of photovoltaic and energy storage and the ideal reference value of

active power, the output scenarios of photovoltaic and energy storage are classified. When the ideal current reference

value cannot satisfy the optimal solution, the voltage support equation and the corresponding constraint equation are

combined to establish a nonlinear equation system about each component of the current, and the optimal current reference

value can be solved. Finally, the effectiveness and flexibility of the proposed strategy are verified by simulation.

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51977014).

Key words: asymmetric fault; photovoltaic; energy storage; voltage support; low voltage ride through

0 引言

为实现“碳达峰，碳中和”目标，光伏大规模

接入电网，但随着光伏装机容量的增大，其出力缺

陷给电网带来了新的挑战，严重影响了电力系统的

可靠运行[1-2]。而储能作为解决光伏平滑接入和灵活

消纳的有效手段，近年来也得到了迅速的发展。并

网变换器是光储并网的关键设备，它不仅在电网正

基金项目：国家自然科学基金项目资助(51977014)

常运行时要保证系统可靠并网，还应该在电网故障

时具备主动支撑电网的能力[3-4]，保证系统安全地进

行故障穿越。不对称故障是电网最常见的故障类型，

一旦发生，将对整个并网系统产生较大的冲击，会

造成输出电流峰值增大、功率波动和 PCC 电压跌

落[5-6]等不利影响。因此，研究不对称故障下并网变

换器的控制策略具有重要意义。

早期研究主要针对有功功率波动、无功功率波

动和电流平衡进行控制，常用的控制策略有瞬时有

功无功控制、平均有功无功控制、正序分量瞬时控

陈凌彬，等 不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究 - 77 -

制、平衡正序分量控制和正负序分量补偿控制[7-8]。

由于上述 5 种控制策略的控制目标单一，很难灵活

应对电网故障，于是文献[9]提出了多目标控制策

略，对有功功率波动、无功功率波动和电流平衡进

行协调控制。对于低压穿越而言，不仅要实现对功

率和电流的灵活控制，还要保证 PCC 电压满足运行

要求[10]。例如德国的并网标准规定，若正序电压低

于额定电压的 90%，正序电压每跌落 1%则并网变

换器需要向电网提供 2%的无功电流[11]。但是，现

有的并网标准只考虑抬升正序电压，没有将降低负

序电压作为控制目标，并且还忽略了电网实际阻抗，

很容易造成电压支撑效果不佳或者电压越限。鉴于

此，文献[12]以最大化抬升正序电压为主要目标，

在保证有功功率波动和电流峰值不越限的前提下，

进一步降低了负序电压。文献[13-14]同时整定了正

负序无功电流参考值，不仅实现了电压支撑，还降

低了电压的不平衡度。

然而，上述研究针对的是大功率高压电网，不

适用于中低压配电网。在配电网中，系统阻抗呈现

阻感性[15]，因此不能仅靠输出无功电流来支撑电

压。为解决此问题，文献[16]以支撑最低相电压为

目标，并根据线路阻抗比分配正序有功电流和无功

电流，实现了有效支撑最低相电压，由于没有考虑

降低负序电压，仍具有局限性。文献[17]以抬升正

序电压为首要目标，降低负序电压为次要目标，通

过拉格朗日乘数法整定了正负序有功电流和无功电

流参考值，能有效支撑 PCC 电压。文献[18]以小功

率分布式电源为研究对象，在根据阻抗比分配电流

各分量的基础上，实现了最大化支撑 PCC 电压。文

献[17,19-20]证明了发电系统出力较大且并网变换

器输出受限时，以阻抗比来约束电流各分量能最大

化支撑 PCC 电压。需要注意的是，现有阻感性电网

故障下的电压支撑策略，主要是根据阻抗比来分配

电流各分量，但电压支撑效果往往还受到发电系统

有功出力的影响。当有功出力较小时，根据阻抗比

分配电流各分量容易造成电压支撑效果不佳；当有

功出力较大时，根据阻抗比分配电流各分量会造成

大量弃光弃风现象。因此，以阻抗比来约束电流各

分量不是所有情况下的最优解。为实现不对称故障

下灵活支撑 PCC 电压，并网变换器的控制策略还需

进一步优化和完善。

针对上述问题，本文提出了一种不对称故障下

考虑光储出力的最优电压支撑策略。首先分析了不

对称故障下的电压支撑原理，推导了电压支撑方程。

然后基于上述电压支撑方程，以并网标准对 PCC 电

压的运行要求为目标，以最大电流峰值和有功功率

波动幅值为约束条件，得到了理想的电流参考值。

进一步根据光储实际出力和理想的有功功率参考

值，对光储出力场景进行分类。在理想的电流参考

值无法满足最优解时，联立电压支撑方程和相应的

约束方程，建立关于电流各分量的非线性方程组，

可解得此时的最优电流参考值。最后通过仿真验证

了所提策略的有效性和灵活性。

1 不对称故障下的电压支撑原理

光储并网系统结构如图 1 所示。图中：Cpvf 为

光伏输出滤波电容；Lpvf 为光伏输出滤波电感；Cbatf

为储能输出滤波电容； Lbatf 为储能输出滤波电感；

Cdc 为直流侧电容；Udc 为直流侧电压；Lf 为交流侧

滤波电感； abc i 为并网变换器输出电流； abc u 为 PCC

电压。光储并网系统一般经升压变压器并网，本文

在图 1 中简化了结构，将电网参数都折算至低压侧，

Lg 为折算至低压侧的等效电感； Rg 为折算至低压

侧的等效电阻； gabc u 为折算至低压侧的电网电压。

图 1 光储并网系统结构

Fig. 1 Structure of photovoltaic and energy storage

grid-connected system

在图 1 中，光伏系统首先利用 Boost 变换器实

现最大功率点跟踪(maximum power point tracking,

MPPT)控制，然后通过后级并网变换器将功率输送

到电网，储能系统的作用是配合光伏出力和稳定直

流侧电压。光储并网系统的出力原理为

P PP bat c pvmpp   (1)

式中： Pbat 为储能系统输出的功率； Pc 为调度中心

下发的功率指令；Ppvmpp 为光伏最大功率点(maximum

power point, MPP)功率。

升压变压器通常采用Dyn11或Yyn0接线方式，

故发生不对称故障时，低压侧不能为零序分量提供

通路，可忽略零序分量，因此 PCC 电压 u、电网电

压 g u 和输出电流 i 在 坐标系上可表示为

cos( ) cos( )

sin( ) sin( )

u Ut Ut

u

u Ut Ut





 

 

  

  

                 

(2)

- 78 - 电力系统保护与控制

g g gg g

g

g g gg g

cos( ) cos( )

sin( ) sin( )

uU t U t

u

u Ut Ut





 

 

  

  

                   

(3)

+ +

p q

+ +

p q

p q

p q

cos( ) sin( )

sin( ) cos( )

cos( ) sin( )

sin( ) cos( )

i I t It

i i It I t

I t It

It I t





 

 

 

 

 

 

  

  

     

           

     

    

(4)

式中：u 、u 、 g u  、 g u  、i

、i 分别为坐标

系上的 PCC 电压、电网电压和输出电流；U 和U

分别为 PCC 正负序电压幅值；Ug

 和Ug

 分别为电网

正负序电压幅值； 和 分别为 PCC 正负序电压

相位； g

 和 g

 分别为电网正负序电压相位；为基

波角频率； +

p I 和 p I  分别为正负序有功电流幅值； +

q I

和 q I  分别为正负序无功电流幅值，当上述电流幅值

为正时，表示输出，反之表示吸收。

由式(2)可得到 PCC 电压幅值最大值Umax 和最

小值Umin ，如式(5)所示。





2 2

max max

2 2

min min

max

min

2

2

max cos( ),cos( 120 ),

cos( 120 )

min cos( ),cos( 120 ),

cos( 120 )

U UU U U

U UU U U





  

 

  

 

   

   

 

 

 

 

   

   



  

   

    

     

     









(5)

根据图 1，可得到 PCC 电压与电网电压的电气

关系为

gg g

d

d

i u u Ri L

t

  (6)

将式(2)—式(4)代入式(6)，并进一步化简，可

得到

+ +

g gp gq

+ +

g gq gp

g gp gq

g gq gp

g

g

cos

sin + 0

cos +

sin 0

U U RI LI

U RI LI

U U RI LI

U RI LI

 

 

 

 





 

 

   

  

 

 

   

  



  



  

   

   

(7)

式中： 为 PCC 正序电压和电网正序电压相位之

差； 为 PCC 负序电压和电网负序电压相位之差。

由式(5)和式(7)可知，合理输出有功电流和无功

电流，能有效抬升正序电压与降低负序电压。而提

前获取线路电阻和电感是关键，可通过注入非特征

谐波[21]在线测量线路阻抗。为实现有效支撑 PCC

电压，下文将式(5)和式(7)作为电压支撑方程来分析

PCC 电压支撑策略。

2 理想的电压支撑方案

2.1 电压参考值

为便于对电压支撑策略进行分析，以电网最常

见的故障，即单相接地故障为例进行说明。假设发

生 A 相接地故障，忽略相位跳变，电网三相电压[17]

可表示为

ga N

gb N

gc N

cos( )

cos( 120 )

cos( 120 )

u kU t

uU t

uU t







  

   

    

(8)

式中：UN 为电网额定电压；k 为电压跌落程度系数，

k[0,1]。

由对称分量法可得到电网电压正负序分量的表

达式为

gg g N

gg g N

2 cos( ) cos( ) 3

1 cos( ) cos( 180 ) 3

k uU t U t

k uU t U t

 

 

 

 

 

  

       

(9)

控制 PCC 正负序电压的夹角与电网正负序电

压的夹角一致，即  ，有利于简化控制，下文

将用 代替 。由式(5)和式(9)可得到

 2 2

max

min

U UU U U

U UU

   

 



   

  

(10)

并网标准[22]规定：当 PCC 电压处于 0.9~

1.1 p.u. ，并网系统可不脱网连续运行。将

max N U U 1.1 和 min N U U  0.9 代入式(10)，可得到正

序电压参考值Uref1

 和负序电压参考值Uref1

 为

ref1 N

ref1 N

2.7 12.09

6

12.09 2.7

6

U U

U U





    



   

(11)

由式(10)和式(11)可知，当U U g ref1

  ≤ 时，只需

抬升正序电压就能支撑 PCC 电压至0.9UN ~1.1UN 。

将 min N U U  0.9 和U Ug

   代入式(10)，可得到正序

电压参考值Uref2

 为

ref2 N g U UU 0.9 +    (12)

2.2 理想的电流参考值

根据阻抗比分配电流时，电流各分量之间的关

陈凌彬，等 不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究 - 79 -

系可表示为 +

qq g

+

p p g

I I L

I I R

 

    (13)

此时 PCC 电压与电网电压相位一致，即

 0   。将式(13)代入式(7)，可得到

+ 2

g pg g g

2

g pg g g

( )

( )

U U IR L R

U U IR L R





 

 

       

       

(14)

当U U g ref1

  ≤ 时，只需抬升正序电压，若不考

虑光储实际出力的影响，由式(12)—式(14)可得到电

流参考值 ref1 I 为

+ g ref2 g

pref1

+ + g

qref1 pref

g

pref1

qref1

( )

0

0

RU U

I

A

L

I I

R

I

I



 





   





  



  

  

(15)

式中， 2 2

g g A   () ( ) R L  ； +

pref1 I 、 +

qref1 I 、 pref1 I  和 qref1 I 

分别为电流参考值 ref1 I 所对应的正序有功、无功电

流参考值和负序有功、无功电流参考值。

为保证并网系统的安全，还需对并网变换器的

输出性能进行限制。由式(2)和式(4)，可得到 PCC

有功功率各分量和电流峰值的表达式为

p p

2 2

p p q q lim

3 ( )

2

3 ( )( ) 2

P UI UI

P IU IU IU IU P

 

   

   





      ≤

(16)

2 2

max lim

2 2

p q

2 2

p q

qp qp

() () 2

() ()

() ()

max cos( ),cos( 120 ),cos( 120 )

atan 2( , ) atan 2( , )

I I I II I

III

III

II II



  

 

  





   

   

   



   

       

   

≤

 

(17)

式中：P 为有功功率的平均值；ΔP 为有功功率波动

幅值；Plim 为允许的最大有功功率波动幅值； max I

为最大电流峰值； lim I 为允许的最大电流峰值；I  、

I  分别为正、负序电流幅值。

若式(15)会使并网变换器输出性能越限，则令

U Ug

   、 max lim I  I 和   P Plim ，由式(13)、式(14)、

式(16)和式(17)，可得到电流参考值 ref2 I 为

lim g lim g +

pref2

g

+ + g

qref2 pref2

g

pref2

qref2

2

min ,

3

0

0

I R PR

I

A U A

L

I I

R

I

I









           



 



  

  

(18)

式中， +

pref2 I 、 +

qref2 I 、 pref2 I  和 qref2 I  分别为电流参考值

ref2 I 所对应的正序有功、无功电流参考值和负序有功、

无功电流参考值。

当U U g ref1



＞  时，首先判断仅抬升正序电压能否

将 Umax 支撑至 1.1 UN 以上。将 max N U U 1.1 和

U Ug

   代入式(10)，可得到正序电压参考值Uref3

 为

2 2

gg N

ref3

3( ) 4.84

2

UU U

U

 

     (19)

由式(14)和式(19)，可得到电流参考值 ref3 I 为

+ g ref3 g

pref3

+ + g

qref3 pref3

g

pref3

qref3

( )

0

0

RU U

I

A

L

I I

R

I

I



 





   





  



  

  

(20)

式中， +

pref3 I 、 +

qref3 I 、 pref3 I  和 qref3 I  分别为电流参考值

ref3 I 所对应的正序有功、无功电流参考值和负序有

功、无功电流参考值。

若式(20)会使并网变换器输出性能越限，则说

明仅抬升正序电压不能将Umax 支撑至 1.1UN 以上，

此时的电流参考值可通过式(18)进行计算。否则，

同时抬升正序电压和降低负序电压，把Umax 稳定在

1.1UN ，将Umin 支撑至 0.9UN 。由式(11)、式(13)和

式(14)，可得到电流参考值 ref4 I 为

+ g ref1 g

pref4

+ + g

qref4 pref4

g

g ref1 g

pref4

g

qref4 pref4

g

( )

( )

RU U

I

A

L

I I

R

RU U

I

A

L

I I

R





 

 



 

   





  



   



   



(21)

- 80 - 电力系统保护与控制

式中， +

pref4 I 、 +

qref4 I 、 pref4 I  和 qref4 I  分别为电流参考值

ref4 I 所对应的正序有功、无功电流参考值和负序有

功、无功电流参考值。

若式(21)会使并网变换器输出性能越限，则重

新整定电流参考值。由式(10)、式(13)、式(14)、式

(16)和式(17)可知，Umax 、 max I 和 ΔP 都能看作关于

+

p I 和 p I  的二元函数。为最大化支撑 PCC 电压，令

max N U U 1.1 、 max lim I  I 和   P Plim ，可得到两个

二元方程组，如式(22)所示。





2 2

N

lim

2 2

N

2 2

p p q q lim

g g

1.1

1.1

3 ( )( ) 2

,

U U UU U

III

U U UU U

I U IU IU IU P

U UU U

   

 

   

   

  



  

   

  



     



 ＞ ＜

(22)

将式(13)和式(14)代入式(22)，再利用牛顿迭代

法求解[23]，可得到两组解，选取其中 max I 较小的一

组作为电流参考值 ref5 I ( +

pref5 I 、 +

qref5 I 、 pref5 I  和 qref5 I  )，

其中， +

pref5 I 、 +

qref5 I 、 pref5 I  和 qref5 I  分别为电流参考值

ref5 I 所对应的正序有功、无功电流参考值和负序有

功、无功电流参考值。

3 最优电压支撑策略

3.1 光储出力场景分类

储能系统的充放电性能一般用倍率进行描述，

充放电倍率越高，充放电功率就越大。而储能电池

在高倍率下进行充放电时，会损害电池寿命，不利

于系统安全运行。以文献[24]为参考，设置储能系

统充放电功率不超过其额定充放电功率，即

PcN bat dN ≤ ≤ P P (23)

式中： PcN 为储能系统额定充电功率； PdN 为储能系

统额定放电功率。

荷电状态(state of charge, SOC)也是影响储能系

统出力的重要因素，在实际工程中，当 SOC 低于

20%，储能系统不再进行放电工作，此时可将 PdN 看

作 0；当 SOC 处于 20%~80%，储能系统可以进行

正常的充放电工作；当 SOC 高于 80%，储能系统

不再进行充电工作，此时可将 PcN 看作 0。

不考虑弃光时，光储出力范围可表示为

PoutL pvmpp cN out pvmpp dN outH   P P P P PP ≤ ≤ + (24)

式中： Pout 为光储出力； PoutL 为不考虑弃光时的最

小出力； PoutH 为不考虑弃光时的最大出力。

根据光储实际出力和理想的有功功率参考值，

可划分 4 个场景。

1) 理想的有功功率参考值大于 PoutH ：若仍按阻

抗比分配电流各分量，将达不到理想的电流参考值，

会造成电压支撑效果不佳。此时为提升电压支撑效

果，需要输出更多的无功功率。

2) 理想的有功功率参考值大于 PoutL ，且小于

PoutH ：此时可按照理想的电流参考值输出电流。

3) 理想的有功功率参考值小于 PoutL ，且理想的

电流参考值为 ref1 I 或者 ref4 I ：若仍按 ref1 I 或者 ref4 I 输

出电流，会造成大量弃光现象。此时为减小弃光量，

需要输出更多的有功功率。

4) 理想的有功功率参考值小于 PoutL ，且理想的

电流参考值为 ref2 I 或者 ref5 I ：此时并网变换器输出受

限[17,19-20]，根据阻抗比分配电流各分量能最大化支

撑电压。

ref2 I 或者 ref5 I 可作为第 4 种场景下的最优解，而

在第 1 种和第 3 种场景下，以阻抗比来约束电流各

分量不是最优解。为实现最优电压支撑，还需进一

步整定不同光储出力时的最优电流参考值。

3.2 最优电压支撑策略的电流参考值

将式(7)、Umax 、P、ΔP 和 max I 都看作非线性

方程，如式(25)和式(26)所示。

+ +

1 g gp gq

+ +

2 g gq gp

3 g gp gq

4 g gq gp

cos 0

sin + =0

cos 0

sin 0

f U U RI LI

f U RI LI

f U U RI LI

f U RI LI

 

 

 

 

 

 

   

  

     

   



    



    

(25)

式中： 1f 、 2f 为正序电压抬升方程； 3f 、 4f 为负序

电压抑制方程。

 2 2

u max max

p pp

2 2

p pp qq

2 2

i max

2 0

3 ( )0

2

3 ( )( ) 2

0

() () 2 0

f UU U U U

f UI UI P

f IU IU IU IU

P

f I I II I





   

 

   



  

     



   



     



  



     

(26)

式中： uf 为 Umax的约束方程； pf 为 P 的约束方程；

p f 为∆P 的约束方程； i f 为 Imax的约束方程。

1) U U g ref1

 ≤ 

陈凌彬，等 不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究 - 81 -

在理想的电压支撑方案下，电流参考值为 ref1 I

或者 ref2 I ， ref1 I 和 ref2 I 对应的有功功率参考值 Pref1和

Pref2 分别为

+ +

ref1 pref1 g pref1

g

+ +

ref2 pref2 g pref2

g

1.5

1.5

A

P I U I

R

A

P I U I

R





         

          

(27)

当 outH ref1 ref2 0 min( , ) ≤ ＜ 时，为实现有效支 P PP

撑 PCC 电压，必须增大无功功率的输出。联立式(25)

和 pf ，可得到方程组 F1 为

1 p1234 g g F fffff U UU U ( , , , , ), ,     ＞ ≤ (28)

将U Uref2

   、U Ug

   和 P  PoutH 代入式(28)，

可得到一个关于电流各分量和 的五元非线性方

程组，再利用牛顿迭代法求解，可解得一组解。同

时为保证并网变换器输出性能不越限，联立式(25)、

pf 和 i f ，可得到非线性方程组 F2 ；联立式(25)、 pf

和 p f ，可得到非线性方程组 F3 。

2 ip1234

g g

3 pp1234

(, ,, , , ) , , ( ,,,,, )

F ff ff ff

U UU U

F f fffff

  



  



  

＞ ≤ (29)

将U Ug

   、P  PoutH 、 max lim I  I 和   P Plim

代入式(29)，可得到两个关于电流各分量、 和U

的六元非线性方程组，进而可解得两组解。最后在

解得的 3 组电流参考值中，选取 max I 较小的一组为

最终解。当 min( , ) Pref1 ref2 ref2 P P  时，通过式(29)即可

解得最终的电流参考值。由于牛顿迭代法的局部收

敛性，设置接近真实值的迭代初值有利于加快迭代

速度，迭代初值的设置见附录 A。

当 PoutL ref1 ref2 outH ≤ ≤ 时，储能能完全 min( , ) PP P

补偿光伏出力，电流参考值仍可通过式(15)或式(18)

进行计算。

当 min( , ) Pref1 ref2 ref1 outL P PP  ＜ 时，为实现有效支

撑 PCC 电压又减少弃光量，必须增大有功功率的输

出。将U Uref2

   、U Ug

   、 max lim I  I 和   P Plim

代入式(29)，可得到两个关于电流各分量、 和 P

的六元非线性方程组。需要注意的是，增大无功功

率的输出也能实现U Uref2

   和U Ug

   。此时迭代

初值不仅会影响算法的收敛速度，还会影响算法的

收敛方向，根据附录 A 设置迭代初值，可以解得两

组满足要求的解，再选取较小的 P 作为允许的最大

有功功率参考值 Prefmax 。若 P P outL refmax ≤ ，则将

U Uref2

   、U Ug

   和 P  PoutL 代入式(28)，可解得

最终的电流参考值。否则，进行弃光，将 Prefmax 对

应的电流参考值作为最终解，弃光量为

P P outL refmax  。

当 min( , ) Pref1 ref2 ref2 outL P PP  ＜ 时，根据阻抗比分

配电流各分量是最优解，电流参考值可通过式(18)

进行计算，弃光量为 PoutL ref2  P 。

2) U U g ref1



＞ 

在理想的电压支撑方案下，仅抬升正序电压不

能将Umax 支撑至 1.1UN 以上时，电流参考值为 ref2 I 。

若考虑光储实际出力，则按照 U U g ref1



＞  且

min( , ) Pref1 ref2 ref2 P P  时的方法计算电流参考值。

在理想的电压支撑方案下，仅抬升正序电压能

够将Umax 支撑至 1.1UN 以上时，电流参考值为 ref4 I

或者 ref5 I 。 ref3 I 、 ref4 I 和 ref5 I 对应的有功功率参考值

Pref3、 Pref4 和 Pref5 分别为

+ +

ref3 pref3 g pref3

g

+ +

ref4 pref4 g pref4

g

pref4 g pref4

g

+ +

ref5 pref5 g pref5

g

pref5 g pref5

g

ref3 ref4 ref5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

min( , )

A

P I U I

R

A

P I U I

R

A

I U I

R

A

P I U I

R

A

I U I

R

P PP





  



  

        

      

 

       

      

 

      

＜



































(30)

当 P PP outH ref4 ref5 ＜ 时，可分为两种情况， min( , )

即 Pref3 outH ≤ 和 P outH ref3 0≤ ＜。 P P

当 Pref3 outH ≤ 时，将 P U Uref1

   、U Uref1

  ＞ 和

P  PoutH 代入式(28)，可解得一组解。同时联立式

(25)、 pf 、 i f 和 uf ，可得到非线性方程组 F4 ；联立

式(25)、 pf 、 p f 和 uf ，可得到非线性方程组 F5 。

4 uip1234

g g

5 u pp1234

(,, ,, ,, ) , , (, ,,,,, )

F f ff ff ff

U UU U

F f f fffff

  



  



  

＞ ≤

(31)

将 max N U U 1.1 、 P  PoutH 、 max lim I  I 和 P 

Plim 代入式(31)，可得到两个关于电流各分量、 、

U 和U 的七元非线性方程组，进而可解得两组

- 82 - 电力系统保护与控制

解。最后在解得的三组电流参考值中，选取 max I 较

小的一组为最终解。min( , ) Pref4 ref5 ref5 P P  时，通过式

(31)即可解得最终的电流参考值。

当 outH ref3 0≤ ＜ 时， P P 首先需要判断仅抬升正序

电压能否将Umax 支撑至 1.1UN 以上。将U Uref3

   、

U Ug

   和 P  PoutH 代入式(28)，可解得一组电流。

若此电流会使并网变换器输出性能越限，则按照

U U g ref1

  ≤ 且 PoutH ref1 ref2 ref2 ＜ 时的方法计 min( , ) PP P 

算电流参考值。否则，按照 Pref3 outH ≤ 时的方法计 P

算电流参考值。

当 PoutL ref4 ref5 outH ≤ ≤ 时，储能能完全 min( , ) PP P

补偿光伏出力，电流参考值仍可通过式(21)或式(22)

进行计算。

当 min( , ) Pref4 ref5 ref4 outL P PP  ＜ 时，电流参考值的

计算方法与U U g ref1

  ≤ 且 min( , ) Pref1 ref2 ref1 outL P PP  ＜

时类似。首先利用式(29)求解 Prefmax ，然后通过比较

Prefmax 与 PoutL 的大小，进一步整定最终的电流参考

值。需要注意的是，正负序电压需替换为Uref1

 和

Uref1

 进行计算。

当 min( , ) Pref4 ref5 ref5 outL P PP  ＜ 时，式(22)是此时

的最优解，弃光量为 PoutL ref5  P 。

4 仿真分析

为了验证所提最优电压支撑策略的有效性，在

Matlab/Simulink 中搭建了如图 1 所示的光储并网系

统仿真模型，控制结构如图 2 所示。在仿真中，设

置 lim I 为 1 p.u.， Plim 为 0.3 p.u.。光伏列阵为 20 串

12 并，环境温度保持 25 ℃不变，光伏列阵参数和

系统其他参数如表 1 所示。

在图 2 中，若所提策略整定的有功功率参考值

大于 PoutL ，光伏 Boost 变换器继续运行在 MPPT 模

式；否则，进行弃光，光伏 Boost 变换器运行在

Non-MPPT 模式。MPPT 和 Non-MPPT 非本文重点，

具体控制过程可参考文献[25]。

通过改变 A 相电压跌落程度设计 3 个故障场

景，故障场景设置如表 2 所示。并且在每种故障场

景中，设置不同的光储出力来验证最优电压支撑策

略的灵活性。

4.1 故障场景 1：A 相电压跌落至 65%

0.3 s 时电网发生 A 相接地故障，电压跌落至

0.65 p.u.，1.1 s 时电网恢复正常。由式(15)和式(27)，

可得到理想的正负序有功电流参考值分别为

32.07 A和0 A，正负序无功电流参考值分别为25.17 A

表 1 系统仿真参数

Table 1 Parameters of system simulation

光伏列阵参数 取值

开路电压/V

短路电流/A

MPP 电压/V

MPP 电流/A

36.3×20

7.84×12

29×20

7.35×12

系统其他参数 取值

光伏输出滤波电感/mH

光伏输出滤波电容/F

储能系统额定电压/V

储能系统额定放电功率/kW

储能系统额定充电功率/kW

储能输出滤波电感/mH

储能输出滤波电容/F

并网变换器额定功率/kW

并网变换器额定电流/A

直流侧电压/V

直流侧电容/F

电网电压/V

交流侧滤波电感/mH

线路电阻/Ω

线路电感/mH

5

100

550

10

8

5

100

50

107.18

800

5000

311

2

0.8

2

图 2 控制结构图

Fig. 2 Control structure diagram

表 2 故障场景设置

Table 2 Setting of fault scenarios

场景 k g U /V

g U /V   g g  /( )  

 

1

2

3

0.65

0.4

0

274.72

248.8

207.3

36.28

62.2

103.7

180

180

180

陈凌彬，等 不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究 - 83 -

和 0 A，有功功率参考值 Pref1为 15 209.84 W，理论

上可将 PCC 电压支撑至 0.9UN ~1.1UN 。在故障场

景 1 中，所提策略整定的 Prefmax 为 44 478.9 W，不

同光储出力时的电流参考值如表 3 所示。

表 3 故障场景 1 中电流参考值的设置

Table 3 Setting of current reference value in fault scenario 1

算例 pvmpp P /kW SOC/% +

pref I /A pref I /A  +

qref I /A qref I /A 

1

2

3

4

10

20

40

50

15

50

50

85

21.25

32.07

66.94

92.86

−1.43

0

4.61

8.03

39.96

25.17

−11.57

−31.55

−1.95

0

4.85

7.49

0.3~0.5 s 期间，采用算例 1；0.5~0.7 s 期间，

采用算例 2；0.7~0.9 s 期间，采用算例 3；0.9~1.1 s

期间，采用算例 4。仿真结果如图 3 所示。

图 3 故障场景 1 的仿真结果

Fig. 3 Simulation result of fault scenario 1

由图 3 可知，0.3~0.5 s 期间， PoutH 小于 Pref1，

但仍能将 PCC 电压支撑至 N 0.9U ~ N 1.1U 。若根据

阻抗比分配电流各分量，可得到正负序有功电流参

考值分别为 21.99 A 和 0 A，正负序无功电流参考值

分别为 17.26 A 和 0 A，代入式(10)和式(14)，可得

到Umin 的理论值为 N 266.87 V 0.9 ＜ 。由此说明， U

在光储出力较小时，根据阻抗比分配电流各分量会

影响电压支撑效果。0.5~0.7 s 期间，光伏出力大于

Pref1，而储能能完全补偿光伏出力，因此按照理想

的电流参考值输出电流，能将 PCC 电压支撑至

N 0.9U ~ N 1.1U ，加入储能后，弃光量减少了

4739 W。0.7~0.9 s 期间， PoutL 远大于 Pref1，但所提

策略能在不弃光的基础上，将 PCC 电压支撑至

N 0.9U ~ N 1.1U ，相较于理想的电压支撑方案，弃光

量减少了 24 780 W。0.9~1.1s 期间，由于 PoutL 大于

Prefmax ，因此采用 Prefmax 对应的电流参考值进行电压

支撑，能将 PCC 电压支撑至 N 0.9U ~ N 1.1U ，但需

要进行弃光，弃光量为 5520 W，相较于理想的电压

支撑方案，弃光量减少了 29 260 W。需要注意的是，

在算例 2 变化至算例 4 的过程中，电流峰值和有功

功率波动幅值都不断增大。由此说明，当电压支撑

效果相同时，根据阻抗比分配电流各分量能使并网

变换器所剩容量最大，验证了文献[17,19-20]的正确

性，即发电系统出力较大且并网变换器输出受限时，

以阻抗比来约束电流各分量能最大化支撑 PCC 电

压。同时，在上述 4 种算例中，所提策略还保证了

电流峰值和有功功率波动幅值不越限，使得并网变

换器能安全地支撑 PCC 电压。

4.2 故障场景 2：A 相电压跌落至 40%

0.3 s 时电网发生 A 相接地故障，电压跌落至

0.4 p.u.，1.1 s 时电网恢复正常。由式(21)和式(30)，

可得到理想的正负序有功电流参考值分别为

55.20 A 和−16.95 A，正负序无功电流参考值分别为

43.33 A 和 13.31 A ，有功功率参考值 Pref4 为

25 486.67 W ，理论上可将 PCC 电压支撑至

- 84 - 电力系统保护与控制

0.9UN ~1.1UN 。在故障场景 2 中，所提策略整定的

Prefmax 为 43 232.48 W，不同光储出力时的电流参考

值如表 4 所示。

表 4 故障场景 2 中电流参考值的设置

Table 4 Setting of current reference value in fault scenario 2

算例 pvmpp P /kW SOC/% +

pref I /A pref I /A  +

qref I /A qref I /A 

1

2

3

4

10

20

40

50

15

50

50

85

23.91

55.20

68.35

91.02

−19.94

−16.95

−13.67

−8.00

87.98

43.33

27.95

6.45

−1.65

13.31

17.16

22.53

故障期间，算例的先后顺序与故障场景 1 一致。

仿真结果如图 4 所示。

由图 4 可知，0.3~0.5 s 期间，因为 PoutH 远小于

Pref4 ，所以需要输出更多的无功功率来支撑电压。

图 4 故障场景 2 的仿真结果

Fig. 4 Simulation result of fault scenario 2

为保证并网变换器输出性能不越限，此时仅能将

Umin 支撑至 N 272 V 0.9 ＜ 。若根据阻抗比分配电 U

流各分量，可得到正负序有功电流参考值分别为

23.84 A 和 0 A，正负序无功电流参考值分别为

18.71 A 和 0 A，代入式(10)和式(14)，可得到Umin 的

理论值为 217.19 V 272 V ＜ 。由此说明，在光储出

力较小时，所提策略的电压支撑效果更佳。0.5~1.1 s

期间，都能将 PCC 电压支撑至 0.9UN ~1.1UN 。其

中，0.5~0.7 s 期间，光伏出力小于 Pref4 ，而储能能

完全补偿光伏出力，因此按照理想的电流参考值输

出电流。0.7~0.9 s 期间， PoutL 远大于 Pref4 ，但所提

策略能在不弃光的基础上有效支撑 PCC 电压，相较

于理想的电压支撑方案，弃光量减少了 14 360 W。

0.9~1.1s 期间，由于 PoutL 大于 Prefmax ，因此采用 Prefmax

对应的电流参考值进行电压支撑，但需要进行弃光，

弃光量为 6710 W，相较于理想的电压支撑方案，弃

光量减少了 17 650 W。同时，所提策略还保证了并

网系统能安全地进行故障穿越。

4.3 故障场景 3：A 相电压跌落至 0

0.3 s 时电网发生 A 相接地故障，电压跌落至 0，

1.1s 时电网恢复正常。由式(22)和式(30)，可得到理

想的正负序有功电流参考值分别为 67.08 A 和

−17.22 A，正负序无功电流参考值分别为 52.66 A 和

13.52 A，有功功率参考值 Pref5 为 27 481.96 W。在

PoutL 大于 Pref5 时，为保证最大化支撑 PCC 电压，应

该按照理想的电流参考值输出电流。在故障场景 3

中，不同光储出力时的电流参考值如表 5 所示。

表 5 故障场景 3 中电流参考值的设置

Table 5 Setting of current reference value in fault scenario 3

算例 pvmpp P /kW SOC/% +

pref I /A pref I /A  +

qref I /A qref I /A 

1

2

3

4

10

20

30

40

15

50

50

8%

28.41

67.08

67.08

67.08

−8.78

−17.22

−17.22

−17.22

62.39

52.66

52.66

52.66

−13.17

13.52

13.52

13.52

陈凌彬，等 不对称故障下考虑光储出力的最优电压支撑策略研究 - 85 -

故障期间，算例的先后顺序与故障场景 1 一致。

仿真结果如图 5 所示。

图 5 故障场景 3 的仿真结果

Fig. 5 Simulation result of fault scenario 3

由图 5 可知，0.3~0.5 s 期间，因为 PoutH 远小于

Pref5 ，所以需要输出更多的无功电流来支撑电压。

为保证并网系统的安全，仅能将 Umin 支撑至

N 163.5 V 0.9 ＜ 。若根据阻抗比分配电流各分量， U

可得到正负序有功电流参考值分别为 27.46 A 和

0 A，正负序无功电流参考值分别为 21.56 A 和 0 A，

代入式(10)和式(14)，可得到 Umin 的理论值为

139.49 V 163.5 ＜ V。由此说明，在光储出力较小时，

所提策略能更好地支撑 PCC 电压。0.5~0.7 s 和

0.7~0.9 s 期间，由于储能在这两个时段能完全补偿

光伏出力，因此都按照理想的电流参考值输出电流，

但仅能将Umin 支撑至 213.3 V<0.9UN 。0.9~1.1 s 期

间， PoutL 大于 Pref5 ，为最大化支撑Umin ，因此按照

理想的电流参考值输出电流，弃光量为 12 510 W。

同时，所提策略还保证了并网变换器在故障期间安

全运行。

需要说明的是，所提策略不仅限于单相接地故

障，类比本文思路，也可在其他类型的不对称故障

下进行电压支撑。

5 结论

针对电网发生不对称故障会影响光储并网系统

安全的问题，本文提出了一种不对称故障下考虑光

储出力的最优电压支撑策略。通过仿真验证，得出

以下结论：

1) 所提最优电压支撑策略以并网标准对 PCC

电压的运行要求为目标，同时以最大电流峰值和有

功功率波动幅值为约束条件，在保证并网变换器安

全的基础上对 PCC 电压进行最优支撑。

2) 根据光储实际出力整定最优电流参考值，相

较于传统电压支撑策略，降低了光储出力对电压支

撑的影响。在光储出力较小时，仍能较好地支撑

PCC 电压。在光储出力较大时，还能减少大量弃光。

在实际工程中，当多个储能电池组出力时，尤

其在电池组之间的 SOC 不均衡情况下，不考虑对

SOC 进行控制，会进一步加剧电池组之间 SOC 不

均衡，进而会影响储能系统安全运行，这也是接下

来需要进一步研究的重点，即如何在电压支撑过程

中对多个储能系统进行 SOC 均衡控制。

附录 A

以U U g ref1

 ≤  为例，当 outH ref1 ref2 0 min( , ) ≤ ＜ P P P

时，需要输出更多的无功功率来支撑电压，正序电

流满足式(A1)。

+

p pref1 pref2

+

q qref1 qref2

+

q g

+

p g

min( , )

min( , )

I II

I II

I L

I R



 

 















＜

＞

＞

(A1)

将正序有功电流迭代初值 +

p0 I 设置为

- 86 - 电力系统保护与控制

+ outH

p0 pref1 pref2

ref1 ref2

min( , ) min( , )

P I II

P P

   (A2)

由式(7)和式(A2)，可得到 和其他电流分量的

迭代初值为

2 2

g 0 p0 g g 1

0 2 2

gg g

1 g

g

+ g p0 g 0

q0

g

g g 0 g 0 0g

p0 2 2

g g

g g 0 g 0 0g

q0 2 2

g g

() ( )

cos

() ( )

tan

sin

( sin cos )

() ( )

( cos sin )

() ( )

RU I R L

UR L

L

R

LI U

I

R

U L R UR

I

R L

U L R UL

I

R L









 

 



  



 

 





 

  



  



              

    

   

 

  

   

   

































(A3)

式中： +

q0 I 、 p0 I  、 q0 I  为其他电流分量的迭代初值； 0 

为 的迭代初值；U0

 和U0

 分别为 PCC 正负序电

压的迭代初值。

根据 min , P P ref1 ref2  的取值，将U0

 和U0

 设置为

ref2 ref1 ref2 ref1

2 2

+ g g

0 g pref2

g

ref1 ref2 ref2

0 g

,min( , )

() ( ) ,

min( , )

U PP P

R L

U U I

R

P P P

U U





 

 

         

             

  

  

(A4)

当 min( , ) Pref1 ref2 ref1 outL P PP  ＜ 时，为减少弃光，

需要输出更多的有功功率来支撑电压，正序电流会

满足式(A5)。

+

p pref1

+

q qref1

+

q g

+

p g

I I

I I

I L

I R





















＞

＜

＜

(A5)

将正序有功电流迭代初值 +

p0 I 设置为

+ outL

p0 pref1

ref1

P I I

P

  (A6)

由式(A3)、式(A4)和式(A6)，可得到除 P 以外

其他变量的迭代初值，P 的迭代初值可设置为 PoutL 。

类比上述思路，也可设置U U g ref1

  ＞ 时的迭代

初值。

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收稿日期：2022-08-22； 修回日期：2022-09-20

作者简介：

陈凌彬(1998—)，男，硕士研究生，研究方向为储能安

全运行与控制；E-mail: 980967951@qq.com

夏向阳(1968—)，男，通信作者，博士，教授，研究方

向为柔性直流输电控制和储能安全控制等。 E-mail:

307351045@qq.com

(编辑 周金梅)