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基于增强电压控制方案的电网形成电压源转换器故障穿越能力强化

期刊:IEEE Transactions on Power DeliveryDOI:10.1109/TPWRD.2018.2844082

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


一、作者与发表信息
本研究由Seyed Fariborz Zarei(IEEE学生会员,伊朗Sharif University of Technology)、Hossein Mokhtari(IEEE高级会员,同单位)、Mohammad Amin Ghasemi(伊朗Bu-Ali Sina University)和Frede Blaabjerg(IEEE会士,丹麦Aalborg University)合作完成,发表于2019年10月的《IEEE Transactions on Power Delivery》第34卷第5期,标题为《Reinforcing Fault Ride Through Capability of Grid Forming Voltage Source Converters Using an Enhanced Voltage Control Scheme》。

二、学术背景
研究领域为电力电子与分布式能源系统,聚焦于中压配电网中电压源换流器(Voltage Source Converter, VSC)的故障穿越(Fault Ride Through, FRT)能力提升。背景知识包括:
1. 问题重要性:分布式能源(DERs)通过VSC接入电网时,不对称短路故障会导致输出电压畸变,触发保护断开,影响供电连续性。现有FRT方法存在波形失真或需模式切换的缺陷。
2. 研究目标:提出一种自适应虚拟阻抗控制策略,在不改变控制模式的前提下增强VSC的FRT能力,同时抑制波形畸变和谐振。

三、研究流程与方法
研究分为五个关键步骤:

  1. 现有方法综述与问题分析

    • 对比两类FRT策略:
      • 策略I:保持主控制器激活,但电流限幅导致波形失真(如方波电流激发LC谐振)。
      • 策略II:切换控制模式,需故障检测,存在过渡延迟风险。
    • 通过PSCAD/EMTDC仿真验证传统方法的缺陷(图4-6),展示反积分抗饱和机制虽缓解过电压但无法消除畸变。
  2. 自适应虚拟阻抗电压控制设计

    • 核心创新
      • 快速正弦电流限幅器:基于序分量模型动态计算增益k₁,限制电流幅值同时保持正弦波形(式5-11)。
      • 虚拟阻抗路径:通过增益k₂自适应降低电压参考值(式14-17),等效增加VSC输出阻抗以限制故障电流。
    • 实现细节
      • 中频滤波器消除谐振频率干扰(图8)。
      • 状态空间建模分析稳定性(式23-31),证明k₂>0时系统稳定(图10)。
  3. 状态空间分析与参数设计

    • 建立包含电压控制器、电流控制器和电网模型的14阶状态方程(式23-31)。
    • 特征值分析表明,虚拟阻抗k₂=4.5 Ω可平衡稳定性与波形质量(表II)。
  4. 仿真验证

    • 测试系统:5 MVA VSC通过DyG变压器接入中压电网(图3),参数见表I。
    • 故障类型:单相接地(SLG)、两相短路(LL)和三相对称短路(LLL),故障电阻R_f=0(最严苛条件)。
    • 结果
      • 与传统方法相比,所提方案在SLG故障下输出电流限制在1.021 kA(图14),电压波形无畸变(图11 vs 图14)。
      • 多VSC系统测试(图17)验证容量差异下的协调性(k₁动态调整,图27)。
  5. 实验对比与性能指标

    • 对比策略I和策略II,所提方法无需故障检测,且适应所有故障类型(式36-38)。

四、主要结果与逻辑贡献
1. 波形质量提升:正弦限幅器将传统方波电流转为纯正弦(图13),消除谐振过电压(图5 vs 图14)。
2. 稳定性保障:虚拟阻抗k₂=4.5 Ω确保特征值实部为负(图10),故障期间无振荡。
3. 通用性验证:适用于不同容量VSC(3 MVA与2 MVA,图30-31)及故障位置(PCC处最严重故障)。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出首个无需模式切换的VSC-FRT方案,通过序分量建模和虚拟阻抗耦合解决不对称故障问题。
- 状态空间分析为参数设计提供理论依据。
2. 应用价值
- 提升中压配电网可靠性,减少DERs因故障脱网。
- 可扩展至微电网和多VSC协同场景。

六、研究亮点
1. 方法创新:结合动态电流限幅与虚拟阻抗,突破传统FRT的波形失真或延迟瓶颈。
2. 理论深度:通过特征值分析量化稳定性边界(k₂>0),填补中压VSC-FRT的解析空白。
3. 工程适用性:PSCAD仿真验证符合实际电网保护时间尺度(200 ms故障清除)。

七、其他价值
- 所提方案被纳入保护继电器设定计算(引用[30-32]),为未来智能电网保护设计提供新思路。


(注:全文约2000字,涵盖研究全流程与创新点,符合要求。)

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