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基于正弦波逆变器虚拟阻抗的恒压恒频微大功率直流电源的故障控制方法

微电网孤岛运行时,恒压恒频控制模式的逆变型分布式大功率直流电源(DG)支撑整个网络的电压与频率,其控制策略对微电网的故障穿越能力具有重要影响。该文采用虚拟阻抗法设计了U/f-DG的故障控制策略,分析了基于虚拟阻抗的逆变型DG控制原理,并推导出DG在正、负序网络下的等效模型,设计了故障情况下DG的限流算法。

 

考虑到U/f-DG对并网点电压的支撑效果,提出了一种虚拟阻抗阻感比的设计方法,使不对称故障时并网点电压不平衡度最小化。并提出一种U/f-DG与从属DG的协调控制策略,使得微电网平稳度过故障暂态阶段。最后,Simulink算例仿真验证了所提故障控制策略的有效性。

 

近年来,微电网以其多样的供能方式及灵活的控制模式,成为国内外研究的热点[1,2]。微电网是由多种分布式大功率直流电源(DistributedGeneration, DG)、负荷组成的小型发电系统,既可以在孤岛模式下运行,也可以并入大电网运行。

 

微电网中的分布式大功率直流电源大多通过正弦波逆变器进行电能变换,由于正弦波逆变器中开关器件的热惯性较小,电网故障时DG输出电流受限[3],这使得DG在故障情况下的控制策略与正常情况不同。而微电网的故障穿越能力又与DG故障控制策略息息相关,因此,对DG的故障控制策略研究是非常必要的。

 

微电网正常运行时,逆变型DG采用的控制策略主要分为三种:恒功率控制(PQ control)、恒压恒频控制(U/f control)以及下垂控制。目前,针对PQ-DG低电压穿越控制策略的研究较为成熟[4-7]。

 

随着微电网技术的发展,部分学者开始着手研究U/f控制和下垂控制的逆变型DG的故障控制策略。尤其是当孤岛微电网采用主从控制策略时,U/f-DG需要支撑整个网络的电压和频率[8],其在故障情况下的控制就显得更为重要,其控制目标主要包括正弦波逆变器输出电流的限制和并网点电压的支撑。

 

文献[9]提出直接限流法,对U/f-DG的电流控制环d、q轴参考信号设置阈值,但会导致DG在不对称故障时输出电流畸变。文献[10]提出对U/f-DG的电流控制环d、q轴参考信号进行等比例压缩,但会引起并网点相角不规则跳变,U/f-DG故障模型难以等效,不利于微电网的故障稳态分析。

 

文献[11]提出将U/f-DG的电流参考信号切换至正弦波逆变器输出电流最大允许值,其弊端在于电压控制环不再起作用,不利于对并网点电压的调节。为解决上述问题,本文采用虚拟阻抗的方法,在故障时增大正弦波逆变器输出阻抗,使正弦波逆变器输出电流不越限,同时实现对并网点电压的控制。

 

虚拟阻抗法在微电网领域应用十分广泛,主要用于解决下垂控制的逆变型DG在低压线路中的功率耦合问题[12,13]、微网中多个下垂控制逆变型DG的均流问题[14]、提高逆变型DG分担不平衡负荷的能力[15]以及限制正弦波逆变器的输出电流[16,17]等。

 

文献[16,17]基于虚拟阻抗法分别对下垂控制和U/f控制的DG进行故障控制策略的设计,虚拟阻抗值仅按正弦波逆变器出口处发生三相短路故障进行整定,缺乏不对称故障下的低电压穿越控制,且未探讨虚拟阻抗值的阻感比对并网点电压支撑效果产生的影响。

 

本文首先分析了基于虚拟阻抗的逆变型DG的控制原理,推导出DG在正、负序网络下的等效模型;根据直接限流法的弊端进行改进,提出一种基于虚拟阻抗的限流方法,实现正弦波逆变器在三相对称故障和两相不对称故障时输出电流不越限。

 

探讨在限流条件下虚拟阻抗的阻感比对并网点电压产生的影响,提出虚拟阻抗阻感比的设计方法,使不对称故障时并网点电压不平衡度最小化,从而提高正弦波逆变器对微电网电压支撑的能力;提出U/f-DG与PQ-DG的协调控制策略,确保微电网平稳度过故障暂态,实现预期的控制目标;最后通过Simulink仿真验证了本文所提故障控制策略的有效性。

 

图1  逆变型DG控制系统

基于正弦波逆变器虚拟阻抗的恒压恒频微大功率直流电源的故障控制方法

 

结论 

本文针对U/f控制的逆变型分布式大功率直流电源在微电网故障时的低电压穿越控制算法进行了研究,得出以下结论。 

1)基于虚拟阻抗的U/f-DG在微电网发生故障时,其在正序网络中等效为恒定电压源串联虚拟阻抗,在负序网络中等效为电压为零的负序电压源串联虚拟阻抗,虚拟阻抗的幅值可根据电流矢量限幅边界以及正弦波逆变器并网点电压确定。 

2)采用本文提出的基于虚拟阻抗的故障控制策略,在三相短路时,可以实现并网点电压幅值达到最大;在两相短路时,设置虚拟阻抗与线路阻感比相同,可以实现并网点正、负序电压幅值之比达到最大,即电压不平衡度最小。并可根据微电网结构及控制目标对虚拟阻抗阻感比进行调整。

3)U/f-DG与其从属DG使用分阶段的协调控制策略,能够使微电网平稳度过故障暂态,实现对正弦波逆变器输出电流的限制和并网点电压的支撑,仿真结果验证了本文所提出控制策略的准确性和有效性。

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