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电网构网型变流器的电压限幅电流限制方法研究
1. 研究作者与发表信息
本研究由Junru Chen(IEEE会员)、Federico Prystupczuk(IEEE学生会员)和Terence O’Donnell(IEEE高级会员)合作完成,三位作者均来自爱尔兰都柏林大学(University College Dublin)电气与电子工程学院。论文发表于《CSEE Journal of Power and Energy Systems》2020年6月刊(第6卷第2期),标题为《Use of Voltage Limits for Current Limitations in Grid-Forming Converters》。研究得到爱尔兰科学基金会(SFI)的部分资助。
2. 学术背景与研究目标
科学领域:电力电子与可再生能源并网技术。
研究背景:随着可再生能源(如风电、光伏)替代传统同步发电机(SG),电网中构网型变流器(Grid-Forming Converter)需承担电压源功能,但其功率电子器件存在严格的电流限制以避免过流损坏。传统电流限幅方法(如电流饱和控制)在构网型变流器中会导致电压失控和同步失稳问题。
研究目标:提出一种基于电压限幅的新型控制策略,在保证同步稳定性的同时实现电流限制,并满足电网规范对不同电网状态(如对称/不对称故障)的响应要求。
3. 研究方法与流程
(1)问题分析与现有方法缺陷
- 构网型变流器特性:通过外环电压控制(Voltage Source Control, VSC)和内环电流控制直接调节电压幅值与相位,其功率输出由变流器端电压与电网电压的阻抗差间接决定。与传统电网跟随型变流器(Grid-Feeding Converter)不同,其电流不可直接控制。
- 现有方法缺陷:
- 自适应功率同步控制:通过调节阻尼参数减缓相位移动,但依赖故障持续时间,重载时易失效。
- 电流限幅切换控制:强制变流器切换至电流源模式,导致功率失衡和同步失稳(相位超过临界值α₃时失步)。
- 备用锁相环(PLL):虽可维持相位锁定,但故障清除后切换回功率同步时可能引发瞬态过流。
(2)新型电压限幅控制设计
- 核心思想:通过限制电压幅值(emax)和相位(δmax)间接限制电流,避免控制模式切换。
- 数学模型:
- 基于dq坐标系电流限值(id,max, iq,max),推导最大允许电压幅值(式9):
[ e{\text{max}} = \frac{i{q,\text{max}}xf + \sqrt{u{\text{pcc}}^2 - i_{d,\text{max}}^2 x_f^2}}{1 - x_f b_c} ] - 功率限值(式10):( p{\text{max}} = e{\text{max}} i_{d,\text{max}} )。
- 电网状态响应:
- 正常工况:按式(14)设置电压限值,优先保证有功功率输出。
- 严重电压跌落(如0.2 pu):按式(21)设置emax,强制id,max=0以最大化无功支撑。
(3)仿真与硬件验证
- 仿真平台:MATLAB/Simulink,验证传统电流限幅的失稳问题(图4)。
- 硬件在环实验:基于OPAL-RT平台,测试对称故障(50%和20%电压跌落)下的性能:
- 中度跌落(50%):电压限幅成功将电流限制在7A以内,维持最大有功输出(图6-7)。
- 严重跌落(20%):切换至无功优先模式,电流无过流(图8-9)。
- 不对称故障验证:仿真显示电压限幅对单相跌落的适应性(图10-11),但需进一步研究负序控制。
4. 主要研究结果
- 理论贡献:提出电压限幅与电流限值的数学关系,证明其可避免同步失稳。
- 实验验证:
- 对称故障下,电流限制在1个周期内完成,瞬态过流符合耐受标准(如IEC 60909)。
- 不对称故障中,以最低相电压为upcc基准,电流抑制效果优于对称故障。
- 对比优势:相比传统方法,电压限幅无需切换控制模式,鲁棒性更强。
5. 研究结论与价值
- 科学价值:揭示了构网型变流器电流限制与同步稳定的内在矛盾,提出通过电压限幅统一解决的范式。
- 应用价值:为高比例可再生能源电网提供了一种兼容电网规范(如德国并网导则)的故障穿越方案。
- 未来方向:需结合负序电压控制以优化不对称故障响应。
6. 研究亮点
- 方法创新:首次将电压限幅直接关联电流限制,避免控制模式切换。
- 工程实用性:仅需在电压参考中添加饱和模块,无需修改原有控制架构。
- 多场景适配性:通过动态调整emax和pmax,适应电网不同故障状态。
7. 其他有价值内容
- 虚拟同步发电机(VSG)对比:论文指出VSG的惯量模拟虽可增强稳定性,但未解决电流限制问题,凸显本方法的必要性。
- 参数约束分析:如式(9)中( u{\text{pcc}} \geq i{d,\text{max}} x_f )为稳定性必要条件,避免电压崩溃。
该研究为构网型变流器的安全运行提供了理论支撑和工程实践指导,尤其适用于高比例新能源电网的稳定性优化。