利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法及系统，所述方法利用瞬时电流快速激活虚拟限流阻抗抑制瞬时冲击电流与稳态过载电流，并根据变流器的出口矢量电压幅值来控制虚拟限流阻抗的退出。所述系统由传统电压型变流器和虚拟限流阻抗控制器组成。该方法利用虚拟限流阻抗产生的电压负反馈，与传统电压型变流器电压指令合成新的电压指令，实现了在短路故障时限制变流器输出电流的目的。本发明专利技术提供的控制方法具有简单高效等特点，采用瞬时电流作为故障发生的判断依据，采用矢量电压幅值变化作为故障清除的判断依据，实现虚拟限流阻抗的快速激活与自动退出，当故障清除后，变流器自动恢复至正常运行模式，提高变流器的抗故障能力。提高变流器的抗故障能力。提高变流器的抗故障能力。

【技术实现步骤摘要】
利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法及系统


[0001]本专利技术涉及变流器控制领域，具体涉及一种利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法及系统。

技术介绍

[0002]储能变流器是储能发电技术常用的接口电路，其电压型控制有利于从根本上改变变流器的低惯量、欠阻尼等弱网运行特性，且理论上可以摆脱锁相环的约束。
[0003]电压型控制变流器在弱电网环境下的运行稳定性有所提升，可为电网提供动态的电压和频率支撑，受到广泛关注。但其没有对输出电流进行直接控制，当电网电压发生短路故障时，受电力电子器件过流特性的限制，存在过流故障的风险。为避免变流器因故障损毁，最直接的处理方式是通过继电保护电路跳闸，计划外脱网，但这种方法不仅依赖保护电路的可靠性，而且无法为故障期间的电网提供电压和频率支撑。对此，广大学者提出电压型控制变流器的短路故障穿越控制。
[0004]电压型控制变流器的一般拓扑及控制方法如图1所示，其中变流器采用经典的下垂控制，其生成的电压指令角频率ω
i
和幅值E
i
可表示为:
[0005]ω
i
＝ω0‑
mP
i
[0006]E
i
＝E0‑
nQ
i
[0007]ω0、E0分别为变流器空载输出电压角频率和幅值；m、n为下垂控制系数；P
i
和Q
i
分别为变流器i的输出有功功率和无功功率。频率和电压的偏差应限制在合理范围，可以设定：
[0008]|ω
i
‑
ω0|<Δω
max
[0009]|E
i
‑
E0|<ΔE
max
[0010]△
ω
max
、
△
E
max
分别为允许的频率和电压最大偏差。变流器通常采用电容电压外环与电感电流内环相结合的双环控制，其中电压外环采用比例谐振控制，电感电流内环采用比例控制。静止坐标系下，虚拟阻抗由Z
V
、R
FCL
两部分组成，其中虚拟阻抗Z
V
用于解耦有功功率和无功功率分配控制，为感性为主的阻感性阻抗R
V
+jX
V
。R
FCL
为阻性虚拟限流阻抗，仅在故障期间才被激活，而在正常运行和故障清除后自动退出。
[0011]首先分析下不考虑虚拟限流阻抗作用时，电网发生三相短路的暂态过程。电压型变流器带负荷的电路模型如图2所示，图中的f
(3)
表示三相短路，故障前电路处于稳态，其中变流器等效内电势到故障点的等效阻抗为Zeq＝Req+jXeq，包含虚拟阻抗Z
V
和变流器出口电压到故障点间的连线阻抗Z
Line
。故障点到负载端的等效阻抗为Z
L
＝R
L
+jX
L
。典型电压型变流器电压环响应速度较慢，其内电势矢量U
g
的幅值和相位在故障发生前和故障时可近似假设不发生变化，α为故障发生时刻变流器的电压相角，可以表示为：
[0012]U
g
(0
‑
)＝U
g
(0
+
)＝E
i
sin(ω
i
t+α)
[0013]由于三相电路对称，以A相为例，得到电网对称故障发生前变流器电流微分方程如下：
[0014][0015]可以解得故障前变流器电流如下：
[0016][0017]考虑最严重的短路故障，即三相对称接地短路，故障时整个电路被分成两个独立的电路，其中右边电路变为没有电源的短接电路，电流将从发生短路瞬间的初始值衰减到零。左边的电路仍与变流器相连接，变流器电流将从短路前的数值逐渐变化到新的稳态值。以A相为例，假设短路在t＝0时刻发生，得到电网对称故障发生时变流器电流微分电路方程如下：
[0018][0019]根据电路的开闭定律，电感中的电流在短路前瞬间和短路后瞬间不能突变，I
S
、I
T
分别为故障期间变流器的稳态工作电流幅值和瞬态电流幅值，可以解得：
[0020][0021]由上式可知，故障期间变流器的稳态工作电流与变流器的内电势矢量成正比，与变流器到故障点的等效阻抗成反比。故障期间变流器的瞬态电流按时间常数τ＝L
eq
/R
eq
衰减。特别当变流器之前处于空载状态，即I
m
＝0，且故障时刻满足α
‑
θ＝3π/2，代入上式得：
[0022]i(t)＝I
S
(e
‑
t/τ
‑
cosω
i
t)
[0023]变流器短路电流的最大瞬时值将在故障发生后的半个周波出现，T为电网周波，最大冲击电流表达式为：
[0024]I
im
＝I
S
+I
S
e
‑
T/2τ
[0025]以上分析表明，电压型控制变流器无法直接抑制故障电流，威胁其安全稳定运行。在传统的变流器控制方法中，一些学者采用模式切换控制，如标题为基于准PR控制的虚拟同步变流器故障冲击电流快速抑制方法研究(中国电机工程学报，2018(16):第4768
‑
4776页)的文献提出了当故障发生时，将电压型控制切换为电流型控制，通过直接控制网侧电流，来合理限制输出电流。
[0026]但模式切换过程繁琐，需准备电压型和电流型一主一备两套控制方法，当电网故障清除后，无法自动恢复到正常运行状态，需通过反切换控制才能重新恢复到电压型控制，为此一些学者提出了基于虚拟阻抗的电流抑制策略。
[0027]虚拟限流阻抗能增加变流器的输出阻抗，改变输出阻抗特性，理想情况下，虚拟限流阻抗R
FCL
将在故障发生的瞬间就被引入，变流器等效内电势到故障点的等效阻抗变化为Req+R
FCL
+jXeq，同样以A相为例，计及虚拟限流阻抗，t＝0电网故障后变流器电流微分电路方程表示为：
[0028][0029]引入虚拟阻抗后，令I
S0
、I
T0
分别为计及虚拟限流阻抗，故障期间变流器的稳态工作电流幅值和瞬态电流幅值。可以解得变流器电流为：
[0030][0031]由上式可知，引入虚拟限流电阻R
FCL
能有效限制故障期间变流器的稳态工作电流，同时加速变流器的瞬态电流衰减，虚拟限流电阻将有效抑制瞬时冲击电流与稳态过载电流。
[0032]标题为A fault clearing method in converter
‑
dominated microgrids wit本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法，所述方法利用瞬时电流快速激活虚拟限流阻抗抑制瞬时冲击电流与稳态过载电流，并根据变流器的出口矢量电压幅值来控制虚拟限流阻抗的退出。2.根据权利要求1所述的利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：S1.采样三相输出瞬时电流i，判断其绝对值是否大于门槛电流Ith，所述门槛电流Ith为变流器的安全电流；S2.当采样瞬时电流i的绝对值大于门槛电流Ith时，激活虚拟限流阻抗R
FCL
，对虚拟限流阻抗R
FCL
产生的电压负反馈与传统电压型变流器电压指令进行求和，最终通过脉冲宽度调制得到变流器的控制值，以降低短路时变流器输出电流幅值；若输出电流绝对值小于门槛电流，返回步骤S1；S3.等待一段时间待电路稳定后，采样并计算变流器三相出口电压幅值最小值U0；S4.将步骤S3获取的三相出口矢量电压幅值最小值U0与变流器下垂控制产生的参考电压幅值E
i
比较，当满足条件：U0大于E
i
/2时，虚拟限流阻抗自动退出；若不满足，则返回步骤S3。3.根据权利要求2所述的利用瞬时电流激活虚拟阻抗的短路电流限制方法，其特征在于，所述步骤S2中采用变流器瞬时电流作为激活虚拟阻抗的判别依据，具体为：当采样的三相出口电流中任意一相的输出电流大于门槛电流时，都会激活虚拟限流阻抗；当采样的三相出口电流中三相的输出电流均小于门槛电流时，则继续采...

【专利技术属性】
技术研发人员：王逸超，贺徙，
申请(专利权)人：新源智储能源发展北京有限公司，
类型：发明
国别省市：