孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统及其实现方法

摘要

本发明公开了一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统及其实现方法，由变流器输出电压与电流采集模块、故障检测与判断模块、虚拟同步控制模块和差异化故障穿越控制模块组成；变流器输出电压与电流采集模块检测变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流，并分别反馈至虚拟同步控制模块、故障检测与判断模块和差异化故障穿越控制模块；故障检测与判断模块判断变流器故障是否发生并检测故障程度；采用差异化故障穿越控制模块实现孤岛微电网虚拟机的故障穿越控制。在故障期间能够限制冲击电流保护变流器，同时维持微电网频率稳定，保证短路故障时孤岛微电网安全运行，解决了现有故障过程中保护变流器装置与维护微电网稳定运行两种需求之间的矛盾。

说明书

技术领域

本发明属于微电网故障控制技术领域，涉及一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统及其实现方法。

背景技术

以风能、太阳能为主的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，但也同时增加了配电网侧的潮流复杂性。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。在微电网中，分布式能源常常通过变流器装置接入以实现电能灵活变换及提高可控性。其中，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。

常见电压控制方式有恒压恒频控制以及下垂控制。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。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。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。然而变流器装置相较于同步发电机热过流能力较差，在短路故障过程中产生的冲击电流极有可能损坏功率器件，带来安全问题。因此，在故障期间通过切换控制来保护变流器成为一种重要手段。

对于常见电压控制，针对故障冲击电流已有一些抑制方法，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。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。

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。根据传统电压控制型变流器故障穿越方式，提出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。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。

变流器本身控制器中的限幅器对于故障期间变流器的输出电流有一定的限制作用，然而这种限制对于变流器输出功率无法主动控制，且在故障恢复阶段易产生冲击。已有主动低电压穿越控制主要有直接切换至直接电流控制或者直接控制变流器内电势两种方法。切换至直接电流控制能够快速控制电流，但无法支撑网络频率；直接控制变流器内电势存在通信延时、对冲击电流抑制能力差等缺点。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统，在故障期间能够限制冲击电流保护变流器，同时维持微电网频率稳定，保证短路故障时孤岛微电网安全运行，解决了现有故障过程中保护变流器装置与维护微电网稳定运行两种需求之间的矛盾。

本发明的另一目的是，提供一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统的实现方法。

本发明所采用的技术方案是，一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统，由变流器输出电压与电流采集模块、故障检测与判断模块、虚拟同步控制模块和差异化故障穿越控制模块组成；其中，

所述变流器输出电压与电流采集模块，用于检测变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流，并将检测的电压和电流分别反馈至虚拟同步控制模块、故障检测与判断模块和差异化故障穿越控制模块；

所述故障检测与判断模块，用于判断变流器故障是否发生并检测故障程度；

所述虚拟同步控制模块，用于实现变流器正常运行时输出控制；

所述差异化故障穿越控制模块，用于实现孤岛微电网虚拟机的故障穿越控制，由快速限流控制模块与虚拟阻抗限流控制模块组成，其中，所述快速限流控制模块，用于实现故障程度严重时变流器限制故障电流的控制；所述虚拟阻抗限流控制模块，用于实现故障程度较浅时变流器限制故障电流的控制。

本发明所采用的另一技术方案是，一种孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，变流器输出电压与电流采集模块检测变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流，并将检测的电压和电流分别反馈至虚拟同步控制模块、故障检测与判断模块和差异化故障穿越控制模块；

步骤2，故障检测与判断模块判断变流器故障是否发生并检测故障程度；当未发生故障时，采用虚拟同步控制模块实现变流器正常运行时输出控制；

步骤3，当发生故障，且故障程度严重时，采用快速限流控制模块实现变流器限制故障电流的控制；当发生故障，且故障程度较浅时，采用虚拟阻抗限流控制模块实现变流器限制故障电流的控制。

进一步，所述故障检测和判断模块，以变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流信号为输入，将电流信号瞬时值与设定的电流保护值做比较，当电流信号瞬时值小于或等于电流保护值时，算法切换开关连接虚拟同步控制模块；当电流信号瞬时值大于电流保护值时，输出控制切换信号，变流器切换进入差异化故障穿越控制模块，同时，故障检测和判断模块依据变流器端口电压信号的大小判断变流器故障跌落深度，当变流器电压跌落深度大于等于所设定阀值，算法切换开关连接快速限流控制模块；当变流器电压跌落深度小于所设定阀值，算法切换开关连接虚拟阻抗限流控制模块。

进一步的，所述虚拟同步控制模块，以变流器输出电流信号i_s为输入，以此时三相电压参考值为电压，该电压与电流i_s相乘作为虚拟同步控制模块的功率输入，与有功功率参考值P^*与额定角速度ω^*的商T_m作比较，所述虚拟同步控制模块中的有功惯性下垂环接收有功功率输入后进行惯性计算和下垂计算，得到参考波角速度ω，同时对参考波角速度ω进行积分，得到参考波的相位角θ；所述虚拟同步控制模块中的无功惯性下垂环接收无功功率输入后与额定无功功率Q^*比较，并进行惯性和下垂计算，得到虚拟励磁M_fi_f，虚拟励磁M_fi_f乘以参考波角速度ω得到输出信号的幅值，该幅值乘以参考波的相位角θ的正弦值作为虚拟同步控制模块的输出，完成变流器正常运行时输出控制。

进一步的，所述快速限流控制模块，检测公共连接点的电压相位θ加移相角以I_set作为参考电流幅值产生三相电流参考值i_abcref，与变流器输出三相电流i_abc作差，通过滞环控制模块产生驱动信号控制IGBT开关器件的开通与关断，从而实现对变流器故障电流的限制。

进一步的，所述虚拟阻抗限流控制模块，以虚拟同步控制模块输出的调制电压V_{ref>为输入，将调制电压Vref>与变流器输出三相电流iabc在虚拟阻抗Zv上产生的压降作差，经过低通滤波器LPF消除高频谐波之后，进行SPWM调制，驱动IGBT开关器件的开通与关断，从而实现变流器的故障限流控制。}

本发明的有益效果是，本发明针对变流器热过流能力差带来的故障过程易于烧毁以及孤岛微电网频率由电压控制型变流器所支撑等特性，通过检测微电网中各变流器端口电压跌落深度以及输出电流大小，判断变流器需要采用的低压穿越控制方式，即根据变流器故障状态选择合适的故障穿越控制方式，从而实现孤岛微电网在故障条件下的安全稳定运行。当微电网发生故障时，对于端口电压跌落较深的故障近端变流器，切换至快速限流控制，将输出电流反馈至快速限流控制模块，采用滞环控制模块实现对冲击电流的快速控制，同时合理分配输出电流，支撑微电网电压，抑制冲击电流，保护变流器；对于端口电压跌落较浅的故障远端变流器，切换至虚拟阻抗限流控制，将输出电流值反馈至虚拟阻抗限流控制模块，将调制电压V_{ref>与变流器输出三相电流iabc在虚拟阻抗Zv上产生的压降作差，进行SPWM调制，驱动IGBT开关器件的开通与关断，从而限制短路电流，同时为微电网提供频率支撑。本发明保证故障过程中整个微电网的稳定与安全运行，实现了既要防止冲击电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的实际需要。}

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例孤岛微电网拓扑结构图。

图2是本发明实施例虚拟同步控制实现图。

图3是本发明实施例快速限流控制实现图。

图4是本发明实施例虚拟阻抗限流控制实现图。

图5是本发明实施例差异化故障穿越控制实现图。

图6是本发明实施例SPWM调制原理图。

图7a是采用本发明差异化故障穿越系统控制后变流器DG1的输出电流变化图。

图7b是采用本发明差异化故障穿越系统控制后变流器DG2的输出电流变化图。

图7c是采用本发明差异化故障穿越系统控制后变流器DG3的输出电流变化图。

图7d是采用本发明差异化故障穿越系统控制后公共母线的频率波形图。

图7e是采用本发明差异化故障穿越系统控制后公共母线的电压变化图。

图中，1.虚拟同步控制模块，2.虚拟阻抗限流控制模块，3.快速限流控制模块，4.滞环控制模块，5.低通滤波器LPF，6.故障检测与判断模块，7.差异化故障穿越控制模块，8.PLL锁相环模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细阐述。应当理解，所述实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的保护范围。此外应理解，在阅读了本发明描述的内容以后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的保护范围。

孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统由变流器输出电压与电流采集模块、故障检测与判断模块6、虚拟同步控制模块1和差异化故障穿越控制模块7组成；其中，

变流器输出电压与电流采集模块，用于检测变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流，并将检测的电压和电流分别反馈至虚拟同步控制模块1、故障检测与判断模块6和差异化故障穿越控制模块7；

故障检测与判断模块6，用于判断变流器故障是否发生并检测故障程度；

虚拟同步控制模块1，用于实现变流器正常运行时输出控制；

差异化故障穿越控制模块7，用于实现孤岛微电网虚拟机的故障穿越控制，由快速限流控制模块3与虚拟阻抗限流控制模块2组成，其中，所述快速限流控制模块3，用于实现故障程度严重时变流器限制故障电流的控制；所述虚拟阻抗限流控制模块2，用于实现故障程度较浅时变流器限制故障电流的控制。

孤岛微电网虚拟机差异化故障穿越系统的实现方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，变流器输出电压与电流采集模块检测变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流，并将检测的电压和电流分别反馈至虚拟同步控制模块1、故障检测与判断模块6和差异化故障穿越控制模块7；

步骤2，故障检测与判断模块6判断变流器故障是否发生并检测故障程度；当未发生故障时，采用虚拟同步控制模块1实现变流器正常运行时输出控制；

步骤3，当发生故障，且故障程度严重时，采用快速限流控制模块3实现变流器限制故障电流的控制；当发生故障，且故障程度较浅时，采用虚拟阻抗限流控制模块2实现变流器限制故障电流的控制。

本发明实施例的孤岛微电网拓扑结构，如图1所示，包括变流器DG1、变流器DG2、变流器DG3以及负载，变流器DG1与LC滤波器Z_LC1连接，变流器DG2与LC滤波器Z_LC2连接，变流器DG3与LC滤波器Z_LC3连接，变流器DG1、变流器DG3分别通过输电线路line1、line3向电网模拟三相接地短路故障阻抗Z_g供电；变流器DG2通过输电线路line2向负载阻抗Z_load供电；输电线路line1、line2和line3均与母线Bus连接。

每个变流器包含主电路、变流器输出电压与电流采集模块、虚拟同步控制模块1以及驱动模块；变流器输出电压与电流采集模块分别采集三个变流器输出滤波电容两端电压和滤波电感电流，并传送至虚拟同步控制模块1，实现正常运行条件下的虚拟同步控制以及故障条件下的差异化故障穿越控制，并将驱动信号传至硬件驱动电路，控制开关器件的开断，实现电能变换。

本发明实施例的虚拟同步控制，如图2所示，公式(1)如下，

上式中，T_e为虚拟机虚拟电磁转矩，Q代表虚拟机输出无功功率，e为虚拟同步控制算法产生的调制波电压幅值，M_fi_f为虚拟磁链，ω为虚拟机角速度，i代表虚拟机输出电流，θ是虚拟机相角。虚拟同步控制模块1以变流器输出电流信号i_s为输入，以此时三相电压参考值为电压，该电压与电流i_s相乘作为虚拟同步控制模块1的功率输入并与有功功率参考值P^*与额定角速度ω^*的商T_m作比较，然后虚拟同步控制模块中的有功惯性下垂环接收有功功率输入后进行惯性计算和下垂计算，得到参考波角速度ω，同时对参考波角速度ω进行积分，得到参考波的相位角θ；虚拟同步控制模块1中的无功惯性下垂环接收无功功率输入后与额定无功功率Q^*比较，并进行惯性和下垂计算，得到虚拟励磁M_fi_f，虚拟励磁M_fi_f乘以参考波角速度ω得到输出信号的幅值，最后，该幅值乘以参考波的相位角θ的正弦值作为虚拟同步控制模块的输出，完成变流器正常运行时输出控制。图2中K_s、J_s分别为无功环与有功环积分常数，D_p与D_q分别是有功环与无功环下垂系数，E^*与E分别是电压参考幅值与虚拟机输出电压幅值，△T是虚拟转矩补偿值。

微电网中变流器DG1、变流器DG2与变流器DG3接入交流母线共同向负载供电。采用三个变流器共同向负荷供电能够保证本实施例微电网结构的一般性，同时充分体现本实施例中孤岛微电网在短路故障发生时种种暂态响应过程。变流器DG1、DG2和DG3结构包含直流微源以及进行电能变换的DC/AC变换器。其中直流微源包括但不限于储能电池、光伏板等直流形式电源。直流电输入经过DC/AC变换器变换为交流电接入公共母线，能够保证较高的电能质量以及较强的电能可控性。

DC/AC变换器输出端接LC滤波电感电容，达到滤除电压与电流高次谐波的目的。DC/AC变换器交流侧负载与母线连接，采集交流侧滤波端口电压以及电流信息并传送至虚拟同步控制模块。电压与电流传递方式包括但不限于恒定阻抗线材、数字信号传送等方式。虚拟同步控制模块经过算法计算得到调制波信号，并进行SPWM调制，从而驱动变换器中的IGBT开关器件。

本发明实施例的快速限流控制，如图3所示，快速限流控制模块3检测公共连接点的电压相位θ加移相角以I_set作为参考电流幅值产生三相电流参考值i_abcref，与变流器输出三相电流i_abc作差，通过滞环控制模块4产生驱动信号控制IGBT开关器件的开通与关断，从而实现对变流器故障电流的限制。电压相位θ是通过采集虚拟机输出端电压e_abc经过PLL锁相环模块8得到的。

本发明实施例的虚拟阻抗限流控制模块，如图4所示，虚拟阻抗限流控制模块2以虚拟同步控制模块1输出的调制电压V_{ref>作为输入，进行虚拟阻抗限流处理后进行SPWM调制，从而驱动IGBT开关器件。虚拟同步控制模块1以参考有功功率P^*、无功功率Q^*、参考电压E^*、参考角速度ω^*、虚拟机输出电压幅值Em以及输出电流iabc作为输入，产生调制电压Vref>；虚拟阻抗限流控制模块2将调制电压Vref>与变流器输出三相电流iabc在虚拟阻抗Zv上产生的压降作差，经过低通滤波器LPF>}

本发明实施例差异化故障限流控制，如图5所示，故障检测和判断模块6以变流器输出的滤波电容两端电压和滤波电感电流信号为输入，将电流信号瞬时值与设定的电流保护值做比较，当电流信号瞬时值小于或等于电流保护值时，微电网正常运行时，算法切换开关停留在1'处，连接虚拟同步控制模块1，变流器采用虚拟同步控制，增强系统虚拟惯性与阻尼。在故障情况下，以快速限流控制和虚拟阻抗限流控制为基础，通过检测变流器端口电压跌落深度判断变流器所需要采用的故障穿越控制方式；当电流信号瞬时值大于电流保护值时，输出控制切换信号，变流器切换进入差异化故障穿越控制模块，同时，故障检测和判断模块6依据变流器端口电压信号的大小判断变流器故障跌落深度，当变流器电压跌落深度大于等于所设定阀值，变流器端口电压跌落较深，算法切换开关切换至3'处，连接快速限流控制模块3，采用快速限流控制对故障电流进行直接控制，产生产生三相电流参考值i_abcref，与变流器输出三相电流i_abc作差，通过滞环控制模块4产生驱动信号，从而驱动IGBT开关器件，实现限制冲击电流，保护故障情况下变流器的安全；当变流器电压跌落深度小于所设定阀值，变流器端口电压跌落较浅，算法切换开关切换至2'处，连接虚拟阻抗限流控制模块2，采用虚拟阻抗限流控制，产生调制电压V_{ref>并进行SPWM调制，从而驱动IGBT开关器件，实现限制短路电流同时为微电网提供频率支撑。}

本发明实施例中SPWM调制原理，如图6所示，SPWM驱动电路接收到虚拟阻抗限流控制模块2输出的调制电压V_{ref>后，将调制电压Vref>信号与SPWM驱动器内5kHz频率的锯齿波进行比较，当调制电压信号值小于或等于锯齿波信号值时，由SPWM驱动器向直流变换器中IGBT开关器件输送高电平开通驱动信号，当调制电压Vref>信号值大于锯齿波信号值时，SPWM驱动器向直流变换器中IGBT开关器件输送低电平关断信号；本实施例仅以现有模型锯齿波信号频率为5kHz而举例，实际应用此频率并不只限于该数值。}

本发明中，故障程度较浅的远端虚拟机采用虚拟阻抗限流控制，限制短路电流同时为微电网提供频率稳定；故障程度严重的近端虚拟机采用快速限流控制，抑制冲击电流同时合理分配功率，从而保证故障过程中整个微电网的稳定与安全运行。

微电网在2s发生三相对称电压跌落，2.5s时故障清除，故障过程中采用本发明实施例差异化故障穿越系统进行控制，变流器DG1、变流器DG2、变流器DG3的输出电流变化，如图7a-7c；公共母线频率波形如图7d；公共母线电压变化如图7e；从图中可以看出，本发明实施例差异化故障穿越系统能够很好地限制短路冲击电流，同时公共母线频率、电压能够维持在允许范围内。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。