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下垂控制逆变器的不对称故障电流计算方法及影响因素分析

期刊:csee journal of power and energy systemsDOI:10.17775/cseejpes.2020.05210

学术研究报告:下垂控制逆变器不对称故障电流计算方法及影响因素分析

一、主要作者及机构
本研究的作者包括Hunan University的Huimin Zhao、Zhikang Shuai(通讯作者)、Jun Ge、An Luo;Shanghai Maritime University的Weimin Wu;以及Illinois Institute of Technology的Z. John Shen。论文发表于2024年3月的《CSEE Journal of Power and Energy Systems》(第10卷第2期)。

二、学术背景
本研究属于电力电子与微电网保护领域,聚焦于下垂控制逆变器(droop-controlled inverter)在不对称故障(asymmetrical fault)下的动态响应问题。传统同步发电机(synchronous generators, SGs)的故障分析与保护策略无法直接应用于逆变器主导的微电网,原因在于逆变器的故障特性(如过电流能力、动态响应)与同步发电机存在显著差异。现有文献对下垂控制逆变器的故障分析多存在简化(如忽略负序分量或动态控制环节),导致保护设备误动作或功率电子器件损坏。因此,本研究旨在建立精确的故障模型,提出不对称故障电流计算方法,并分析控制环路、故障类型、故障距离及非线性限幅器(limiter)对故障电流的影响,以指导微电网保护设计。

三、研究流程与方法
1. 故障模型建立
- 控制环路分析:基于下垂控制的三环结构(功率控制环、电压控制环、电流控制环),推导传递函数,证明逆变器可等效为受控对称电压源(controlled symmetrical voltage source)串联输出阻抗(output impedance)。
- 动态耦合解耦:通过迭代算法(iterative algorithm)解耦功率环路与电压源的强耦合关系,考虑低通滤波器(low-pass filter, LPF)时间常数(tf)对动态响应的影响。

  1. 故障电流计算方法

    • 数学表达式:结合对称分量法(symmetrical component method),将故障点电压等效为序网电压源,推导正序与负序电流分量的解析式(式10-13),包含周期性分量(periodic component)和衰减直流分量(DC component)。
    • 迭代计算流程
      • 步骤1-3:初始化电压幅值(vs)与相位(θs),计算故障后等效序阻抗及衰减时间常数(ta)。
      • 步骤4-7:通过功率-频率(P-f)和电压-无功(Q-v)下垂特性更新vs和θs,结合故障边界条件求解瞬时电流。
      • 步骤8-11:扩展算法以处理限幅器(如电流限幅器触发时,逆变器转为电流源模式)。
  2. 实验验证

    • 仿真与硬件在环(HIL)实验:在PSCAD/EMTDC中模拟单相接地(a-g)、两相接地(bc-g)和相间短路(b-c)故障,对比计算与仿真结果(图7、图20)。实验平台采用DSP TMS320F28335控制板与RT-Lab实时仿真器,参数如表V所示。

四、主要结果
1. 故障电流特性
- 组成:正序电流受控于功率环路动态(含双频波动分量),负序电流由故障类型决定。
- 主导因素
- 控制环路:LPF时间常数(tf)影响峰值电流(tf越大,峰值越高);下垂增益(mp、nq)影响暂态电流幅值(增益越大,电流越小)。
- 故障类型:两相接地与相间短路的故障电流水平高于单相接地(图11)。
- 限幅器:电流限幅器(current limiter)使逆变器转为对称电流源,电压限幅器(voltage limiter)导致不对称电流可能超过阈值(图16)。

  1. 模型与算法验证
    • 计算与仿真结果误差小于5%(图7、图21-23),证明所提方法可准确预测故障电流趋势及达到阈值时间(如1.2倍额定电流的响应时间 ms)。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 首次完整建立下垂控制逆变器的动态故障模型,揭示功率-电压耦合机制及限幅器对故障特性的根本影响。
- 提出的迭代算法为微电网保护设计提供高精度计算工具。

  1. 应用价值
    • 指导保护设备选型(如快速断路器的动作时间需 ms)。
    • 限幅器工作序列分析(图18)为逆变器安全运行策略(如避免电压限幅器触发导致控制失效)提供依据。

六、研究亮点
1. 创新方法:动态耦合解耦算法与序网结合,解决了传统对称分量法无法处理的逆变器控制动态问题。
2. 全面性:首次系统分析限幅器对故障电流的影响(表IV),揭示电流/电压限幅器对故障模型的根本改变。
3. 实验严谨性:通过HIL实验验证了多种故障场景下的算法鲁棒性。

七、其他发现
- 故障距离与线路阻抗呈反比,距离越近,故障电流越大且峰值时间越短(图12)。这一发现可为故障定位提供理论依据。

(注:专业术语如droop control首次出现时标注为“下垂控制(droop control)”,后续直接使用中文译名。)

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