段青(1974),男,高级工程师,博士后,研究方向为配电网运行控制、电力电子技术、柔性配电技术、分布式发电、配电自动化、并网技术,E-mail:duanqing@epri.sgcc.com.cn;
0引言
分布式电源大量接入配电网,提升了配电网的电能质量和供电可靠性[1- 2]。微电网作为能够有效整合分布式能源、负荷、储能装置以及电动汽车的系统,近年来得到了广泛关注与推广[ 3- 4]。在微电网中,以电压控制型变流器装置作为接口的分布式能源在电压与频率的支撑中起着不可替代的作用,尤其是在孤岛条件下[ 5]。
常见电压控制方式有恒压恒频控制以及下垂控制[ 6- 9]。恒压恒频控制在孤岛条件下能够稳定系统的电压与频率,保证较好的电能质量,然而对变流器的容量要求较高[ 7]。具备自动分配负荷特性的下垂控制变流器既能维持微电网电压与频率的稳定,又能实现负荷均分。但是下垂控制对线路阻感特性要求较为严格,在线路呈现阻性的低压网络中往往需要额外的控制去适应[ 9]。近些年,从控制上模拟同步电机电磁特性与转动特性的逆变器—虚拟机,由于较强的适应性以及电网友好性成为研究热点[ 10- 11]。然而相较于传统电压控制方式,虚拟机的虚拟惯性在短路故障时会产生更大的冲击电流,甚至达到7倍的额定电流,严重威胁系统安全[ 11]。
对于常见电压控制,针对故障冲击电流已有一些抑制方法。文献[12]提出一种根据电压跌落幅值大小增加虚拟阻抗的限流方式,从而保证下垂控制器在暂态过程中能够限制故障电流;然而在近端发生故障时(电压跌落幅度较深),增加的虚拟阻抗达到上限值,很难有效限制冲击电流。文献[13]提出一种区别过载与过流的调制波电压直接控制方式,通过直接控制调制波电压在故障时能够有效控制变流器输出电流;然而这种方式严重依赖通信,给系统可靠性带来隐患。此外,常见电压控制中电流内环的电流限幅器能够对短路故障引起的冲击电流起到一定的限制作用[ 14- 15]。
虚拟机在短路过程中存在更为严重的冲击电流,且虚拟同步控制中缺少电流限幅器,依靠原有控制无法限制冲击电流[ 10]。文献[16]描述了一种并网模式下基于模式平滑切换的低电压穿越控制方法,该方法采用传统低电压切换成电流控制的方法限制故障电流,并在故障切除后能够平滑切换至虚拟同步控制;然而这一方法未对电压控制型变流器故障电流成分进行分析,限流方法缺乏针对性。
在孤岛模式下,微电网的频率与电压由变流器提供。切换成电流控制的变流器无法提供电压与频率支撑,使得暂态过程中的微电网变得更为脆弱,甚至导致系统失稳。因此在孤岛条件下,变流器的故障穿越控制既要防止过流可能带来的装置损坏,又要保持微电网的电压与频率稳定。然而已有研究故障穿越的相关文献往往较少考虑这一情况。
针对孤岛模式下多虚拟机所组成的微电网,本文提出一种差异化故障穿越方法。该方法通过检测虚拟机滤波器端口电压以及输出电流,判断虚拟机所需要采用的故障限流方式。对于故障程度严重的近端虚拟机,将虚拟同步控制切换成直接电流控制以限制冲击电流,同时合理分配功率。对于故障程度较浅的远端虚拟机,通过虚拟阻抗控制限制短路电流,同时为微电网提供频率支撑。
1 微电网典型拓扑及虚拟机控制
本文研究孤岛状态下多分布式电源(distributed generator,DG)所组成的微电网,其典型拓扑结构如
\(\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}{{T}_{\text{e}}}={{M}_{\text{f}}}{{i}_{\text{f}}}<i,\sin \theta > \\Q=-\omega {{M}_{\text{f}}}{{i}_{\text{f}}}<i,\cos \theta > \\e=\omega {{M}_{\text{f}}}{{i}_{\text{f}}}\sin \theta \\\end{array} \right.\) (1)
式中:<,>代表传统内积计算;
在功率控制外环中,
\(\left\{ \begin{align} \frac{\text{d}\omega }{\text{d}t}=\frac{1}{J}[{{T}_{\text{m}}}-{{T}_{\text{e}}}-{{D}_{\text{P}}}({{\omega }^{*}}-\omega )] \\ \frac{\text{d}({{M}_{\text{f}}}{{i}_{\text{f}}})}{\text{d}t}=\frac{1}{K}[{{Q}^{*}}-Q+{{D}_{\text{q}}}({{E}^{*}}-{{E}_{\text{m}}})] \\\end{align} \right.\) (2)
2 虚拟机故障电流分析
2.1 故障电流成分分析
由于虚拟机为电压控制型逆变器,所以虚拟机可以等值为受控电压源串联阻抗的形式[ 11]。为了分析虚拟机在短路故障发生时所产生的故障电流,将微电网其余部分简化等值为一电压源串联阻抗,如
当系统发生短路故障时系统的主要参数总阻抗、总阻抗角、网络等值电压以及功角分别变为
${{L}^{'}}\frac{\text{d}{{i}_{\text{a}}}}{\text{d}t}+{{R}^{'}}{{i}_{\text{a}}}=\sqrt{2}E\sin (\omega t+\delta )-\sqrt{2}V_{\text{g}}^{'}\sin (\omega t+\delta -{{\delta }^{'}})$(3)
由数学理论可知,式(3)的解由特解与通解组成。通解由电压源决定,代表故障电流的周期分量;特解与故障时刻及系统等值阻抗有关,代表故障电流的非周期分量。周期分量
非周期分量
$\begin{align} {{i}_{\text{ap}}}=\text{ }\!\![\!\!\text{ }\sqrt{2}\frac{|\mathbf{E}-{{\mathbf{V}}_{\text{g}}}|}{{{Z}_{\text{eq}}}}\sin (\omega {{t}_{0}}+\varphi )- \\ \quad \quad \quad \sqrt{2}\frac{|\mathbf{E}-\mathbf{V}_{\text{g}}^{'}|}{Z_{\text{eq}}^{'}}\cdot \ \sin (\omega {{t}_{0}}+{{\varphi }^{'}})\text{ }\!\!]\!\!\text{ }{{\text{e}}^{-\frac{t}{{{T}_{\text{a}}}}}} \\\end{align}$ (5)
式中:
$i_{\text{a}}^{'}={{i}_{\text{p}}}+{{i}_{\text{ap}}}$ (6)
b相、c相电流可以通过上述方法依次求得。
上面给出了理想电压源故障电流数学描述方法。然而对于虚拟机,故障电流有所不同。虚拟同步控制中,功率控制环根据虚拟机输出有功功率与无功功率调整内电势的电压幅值与相角。当故障发生时,虚拟机输出功率增加,虚拟机内电势幅值与频率都相应减小,进而调整虚拟机的输出功率。这种内电势与输出功率的关系称之为耦合,这种耦合使得虚拟机故障电流与理想电压源有所不同。
在故障发生后,由于虚拟机具备较大的惯性,其内电势的幅值及相角不突变,由式(5)所确定的非周期分量幅值仍由故障时刻决定。然而此后虚拟机的内电势幅值与相角缓慢变化,由式(4)所确定的周期分量的计算过程需要考虑内电势幅值与相角的变化。
2.2 故障电流峰值主导因素分析
如前所述,虚拟机在故障时会产生较大的冲击电流,极端条件下甚至达到额定电流的7倍,这严重威胁了设备安全。从2.1节的分析可知,虚拟机故障电流由周期分量与衰减的非周期分量组成。非周期分量在故障瞬间决定,并且以固定时间常数衰减(如式(5)所示);由于虚拟机内电势的幅值与相角在短路过程中缓慢改变,导致周期分量的幅值与相角也在改变,且总体呈现减小趋势(输出功率增加,内电势幅值与相角逐渐减小)。
为避免虚拟机冲击对设备可能带来的损害,必须在故障电流达到峰值之前限制故障电流。
如
由上述分析可知,虚拟机故障电流峰值主要由非周期分量所决定。而非周期衰减分量主要与初始幅值以及衰减时间常数2个量有关,如式(5)所示。初始幅值等于故障前电流瞬时值及故障后电流瞬时值之差。由于虚拟机虚拟惯性的存在,故障瞬间虚拟机内电势不突变,因此衰减分量幅值为不可改变量。通过改变衰减时间常数
3 虚拟机故障穿越控制
由第2节分析可知,虚拟机故障电流主要由衰减的非周期分量和周期分量组成。一种可行的限制故障电流的方式是通过虚拟阻抗控制方式减小故障电流周期分量幅值。与此同时,通过合理分配虚拟阻抗值还能够减小故障后等值电路的时间常数,从而实现非周期分量在较短时间内衰减至较小值。另一种方式是切换至直接电流控制方式,从而有效地控制故障冲击电流。从这2个方面出发,本节将给出故障穿越控制具体实现方法。
3.1 快速限流控制
虚拟机故障过程会产生较大的冲击电流,且故障电流峰值出现在故障后半个周期内,需要较快的控制对峰值电流进行限制,以保证设备安全。通过检测三相电流瞬时值以及逆变器端口电压值判断故障是否发生。故障检测判定条件为
$\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}\max ({{i}_{\text{a}}},{{i}_{\text{b}}},{{i}_{\text{c}}})\ge {{i}_{\text{th}}} \\{{E}_{\text{m}}}\le {{V}_{\text{th}}} \\\end{array} \right.$ (8)
式中:
\({{E}_{\text{m}}}=\sqrt{-\frac{4}{3}({{v}_{\text{a}}}{{v}_{\text{b}}}+{{v}_{\text{b}}}{{v}_{\text{c}}}+{{v}_{\text{a}}}{{v}_{\text{c}}})}\) (9)
式中
时输送额外的电流有功分量以及无功分量,这里我们优先考虑有功分量的满足。因此电流有功分量
\(\left\{ \begin{matrix}{{I}_{\text{P}}}=1.5{{I}_{\text{rated}}}\quad \quad \ \ \, \\\begin{matrix}{{I}_{\text{Q}}}=\sqrt{I_{\text{set}}^{2}-I_{\text{P}}^{2}}\quad \quad \\\varphi =\arctan ({{I}_{\text{Q}}}/{{I}_{\text{P}}}) \\\end{matrix} \\\end{matrix} \right.\) (10)
式中
\(\left\{ \begin{matrix}{{i}_{\text{a}\text{ref}}}={{I}_{\text{set}}}\sin (\theta +\varphi )\quad \quad \ \ \, \\{{i}_{\text{b}\text{ref}}}={{I}_{\text{set}}}\sin (\theta +\varphi -{{120}^{\circ }}) \\{{i}_{\text{c}\text{ref}}}={{I}_{\text{set}}}\sin (\theta +\varphi +{{120}^{\circ }}) \\\end{matrix} \right.\) (11)
滞环控制广泛应用电流跟踪控制[ 19],能够实现快速电流跟踪。考虑到器件的驱动信号的死区设置,滞环控制驱动信号频率不宜过高。同时,滞环带宽设置还要考虑电能质量要求。这里我们通过设置滞环带宽为1 A,在保证驱动信号可靠的同时维持较高的电能质量[ 19]。
3.2 虚拟阻抗限流控制
虚拟阻抗限流控制通过在控制环中增加虚拟阻抗,从而减小调制波电压,实现故障限流。
化,带来宽频带的信号,而虚拟电感对高频谐波具有一定的放大作用。因此增加低通滤波器(LPF)用来滤除高频谐波,增强抗高频扰动能力,但与此同时也会带来限流保护延迟问题。经过大量仿真验证,我们低通滤波器的截止频率取3000 Hz,既能改善电能质量,又不影响虚拟阻抗控制的限流效果。
从上文分析可知,虚拟机故障电流主要包含衰减非周期分量与周期分量。非周期分量的幅值由故障时刻决定,以时间常数
\({{T}_{\text{a}}}=({{L}^{'}}+{{L}_{\text{v}}})/({{R}^{'}}+{{R}_{\text{v}}})\) (12)
并且式(4)所描述的故障电流周期分量变为
因此通过合理增加虚拟阻抗值,既能够加快非周期分量的衰减速度,又能够限制故障电流周期分量的幅值。
不同于下垂控制,虚拟同步控制对于线路阻感特性敏感度较低,增加阻性的虚拟阻抗依然能够维持系统的稳定,因此虚拟阻抗限流控制不需要考虑功率的耦合。此外,系统往往经受不同程度的短路故障,在电压跌落深度不同时,需要依据电压跌落幅度自适应地选择虚拟阻抗的大小。
式(14)与式(15)描述了虚拟电阻与虚拟电抗依据电压跌落幅度自适应取值方程。当变流器输出端口电压大于0.9
${{K}_{\text{R}}}=2{{K}_{\text{L}}}$ (16)
此外,为了进一步加快非周期分量的衰减,虚拟电阻初始值为2倍稳态值,以时间常数
3.3 差异化故障穿越控制
3.1以及3.2节分别介绍了快速限流控制与虚拟阻抗限流控制的具体实现方法。快速限流控制通过切换控制,直接控制变流器输出电流;而虚拟阻抗限流控制通过增加虚拟阻抗,实现故障限流。
然而针对孤岛微电网的运行,这2种方法故障穿越方法均有不足。在孤岛微电网中,由于供电半径小,短路故障往往对整个网络中变流器的运行均产生影响。为了保护变流器,将虚拟同步控制全部切换至电流控制后,微电网缺乏稳压稳频的装置,这使得微电网供电质量难以得到保证。而采用虚拟阻抗进行限流,为了保证网络稳定以及输送功率能力,虚拟阻抗取值会存在上限值[ 12]。在电压跌落幅度较大的情况下,虚拟阻抗限流很难起到很好的效果。为此,本小节将针对这一问题,提出一种差异化故障穿越控制策略。
故障深度检测需要根据故障电流大小以及电压跌落深度进行判断,并根据判断结果选择合适的
故障穿越控制方式。其对应关系如
为了充分发挥虚拟阻抗控制与快速限流控制的优势,对于电压跌落幅度较浅,故障电流较小的变流器,采用虚拟阻抗限流方式,维持电压控制模式;对于电压跌落幅度较深,故障电流较大的变流器,采用快速限流控制,保护变流器且输出额外电流,支撑电网。
4 仿真验证
依据
4.1 案例分析
4.1.1 案例1(均采用快速限流控制)
近。故障切除后,快速限流控制电流参考值设定为额定电流,并于2.8 s切换为虚拟同步控制。故障发生虚拟机切换成电流控制后,孤岛微电网失去频率支撑点,使得频率不受控制,一度达到54 Hz,电能质量出现较大问题。在实际工程中,这将给用户设备安全带来极大挑战,是不可行的。此外,在故障过程中输送额外的有功无功电流对故障母线电压有一定的抬升作用。
4.1.2 案例2(均采用虚拟阻抗控制)
了变流器的输出电流,不利于故障期间公共母线电压的抬升。
4.1.3 案例3(差异化故障穿越控制)
果。
4.2 案例对比总结
4.1节给出了针对虚拟机冲击电流所提出的几种限流控制策略的仿真结果。从仿真结果分析可知,在孤岛微电网中,采用快速限流控制能够有效抑制变流器冲击电流,然而难以维持微电网频率稳定;采用虚拟阻抗限流控制,能够维持故障期间微电网频率稳定,然而对于故障较为严重的变流器,难以有效控制冲击电流;采用差异化故障穿越控制既能够维持频率稳定又能够实现对冲击电流的有效抑制。性能参数对比结果如
5 结论
本文针对多台虚拟机所组成的微电网,给出了故障电流的数学描述。故障电流主要由衰减的非周期分量以及幅值总体呈下降趋势的周期分量组成,因而得到故障冲击电流的产生由衰减非周期分量主导。针对冲击电流很快达到峰值的特性,本文提出了快速限流控制以及虚拟阻抗限流控制2种故障穿越方法。快速限流控制能够抑制冲击电流,但缺乏对网络频率支撑的能力;虚拟阻抗控制能够很好的支撑网络频率,然而对冲击电流的抑制能力较差。基于此,对故障严重的近端变流器采用快速限流控制,对故障较浅的远端变流器采用虚拟阻抗限流控制的差异化故障穿越控制能够很好的结合两者的优势,实现孤岛微电网良好的故障穿越。
本文对孤岛微电网暂态过程电压与频率稳定问题仍属于定性认识范畴。如何定量地确定孤岛微电网的稳定边界,从而指导微电网大扰动情况下的稳定控制技术的设计是未来的研究方向。
参考文献
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