CN105470991A - 一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，在对称故障下及不对称故障下均可保证逆变型分布式电源输出有功功率的最大化，同时提高了逆变型分布式电源输出的正序电压幅值，减小负序电压幅值，降低了逆变型分布式电源输出电压的不对称度，对不同限流方法下：在不对称故障时，保证了逆变型分布式电源较高的电压输出水平，因而较不易触发低压保护动作。同时对于负序过电流保护，本发明所提出的限流方法由于限制了负序电流的输出，较不易触发负序过电流保护。与不限流控制方法和其他两种限流控制方法相比，本发明在对称及不对称故障条件下均能更好的保证逆变型分布式电源稳定运行不退出系统，提高了系统的稳定性。

Description

一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法

技术领域

本发明属于控制器参数优化设计技术领域，具体涉及一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法。

背景技术

为保证逆变型分布式电源电力电子器件正常工作，需将逆变型分布式电源输出电流限定在一定范围内，通常为电力电子器件额定电流的两倍。故障电压跌落深度较大时，逆变型分布式电源输出电流很容易达到限流值。因此限流运行模式是逆变型分布式电源故障条件下的常见运行模式之一，研究逆变型分布式电源限流措施及特定限流方法下的故障特性对逆变型分布式电源研究具有重要意义。

传统的逆变型分布式电源限流方法有以下几种：

(1)在并网及孤岛运行条件下，逆变型分布式电源中通常采用电流解耦控制，即控制逆变型分布式电源输出的有功电流及无功电流以实现不同的控制目标。

(2)孤岛条件下，采用等幅限制有功电流和无功电流的方法。

(3)优先输出无功电流的限流方法，将有功电流和无功电流之和限制在一定值以下。

以上方法均能实现有效的限流，但忽视了对逆变型分布式电源有功功率输出以及输出电压不对称度的控制，有可能导致逆变型分布式电源由于交直流侧功率不平衡引发直流侧电压保护动作而退出运行，或者输出电压严重不对称。

传统的限流方法可以有效地将逆变型分布式电源输出的电流限定到限值Imax以下，但是在不对称故障发生时，仍存在一些问题：

1)对于不能随交流侧输出功率及时调整直流侧输出功率的逆变型分布式电源，发生故障时若直流侧输出的有功功率远大于限流作用下交流侧输出功率，直流侧电压将骤升，导致直流母线电压保护动作，逆变型分布式电源退出运行。

2)故障发生时，逆变型分布式电源将输出负序电流，其中负序无功电流可以降低输出电压的不对称度，而负序有功电流的输出会增加输出电压的不对称度。

发明内容

本发明的目的是提供一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，解决了现有技术中存在的逆变型分布式电源限流输出时电压不对称度增加的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、对逆变型分布式电源输出电流进行分析；

步骤2、经步骤1分析后得出逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式；

步骤3、实施限流。

本发明的特点还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、当三相电流对称时，将三相电流转换为旋转坐标系下的电流：

通常，低压分布式电源均采用三相三线制系统与电网相连，因此不存在零序电流分量；

步骤(1.2)、当三相电流不对称时，将正负序电流分别转换到旋转坐标系下：

将逆变型分布式电源输出电压矢量定向与d轴，则横轴电流i_d和纵轴电流i_q分别对应于有功电流和无功电流分量，因此i_d ¹、i_d ²为正负序有功电流分量，i_q ¹、i_q ²为正负序无功电流分量；

步骤(1.3)、由步骤(1.1)和步骤(1.2)分析得出：增加有功电流分量和无功电流分量均能分别增加逆变型分布式电源输出的有功功率和无功功率。

步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤(2.1)、逆变型分布式电源输出电流对其输出的电压亦有影响：利用余弦定理得到逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式如下：

${V_{DG}}^1=({I_d}^{1}R+{I_q}^{1}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^1\right)}^2+{\left({I_q}^1\right)}^2){(R+jX)}^2+{\left(\right({I_d}^1)R+({I_q}^1\left)X\right)}^2}---\left(4\right)$

${V_{DG}}^2=({I_d}^{2}R-{I_q}^{2}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^2\right)}^2+{\left({I_q}^2\right)}^2){(R-jX)}^2+{\left(\right({I_d}^2)R-({I_q}^2\left)X\right)}^2}---\left(5\right)$

式中，VDG1、VDG2为逆变型分布式电源输出的正负序电压幅值，I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²分别为正负序有功无功电流的有效值，R、X分别为逆变型分布式电源到系统或者负荷侧的等值阻抗；

步骤(2.2)、由步骤(2.1)的(4)、(5)式可知：增加正序有功电流和无功电流均能增大逆变型分布式电源输出的正序电压有效值，增加负序无功或者减小负序有功可以减小逆变型分布式电源输出的负序电压有效值，降低电压的不对称度。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤(3.1)、在不对称故障时，将旋转坐标系下的电流I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²转换故障相电流，并对相电流进行限幅得到相电流幅值I_mag；

步骤(3.2)、为了降低电压的不对称度，负序电压幅值应尽量小，由(5)式可得，应增加负序无功电流或者减小负序有功电流，因此令负序有功电流幅值I_d ²＝0；

步骤(3.3)、在保证电流不超过限制的条件下，尽可能的满足逆变型分布式电源有功功率的输出，因此，对正序有功电流幅值I_d ¹进行限值约束，即在限值一下的按照最大值给定，超过限值得，以最大限值I_max给定；

步骤(3.4)、满足以上步骤要求的剩余电流来满足无功支持，提高逆变式分布式电源的输出电压

步骤(3.5)、对由步骤(3.4)得到的I_q与步骤1中得到的I_q ¹取最小值得到最终的I_q ¹的取值，防止在计算过程中由误差等造成I_d ²＜0；

步骤(3.6)、步骤(3.4)得到的I_q与步骤(3.5)得到的I_q ¹做差得到最终的负序无功电流I_q ²；

通过以上步骤，完成对分布式电源电流内环控制的限流操作，得到了I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²的给定值，这样在保证电流不超过限值的条件下满足逆变型分布式电源有功功率的输出要求，并最大可能的提高了逆变型分布式电源的输出电压同时降低了其不对称度。

本发明的有益效果是，一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，通过对传统的逆变型分布式电源的限流环节进行改进达到限流的目的，采取的措施包括以下几点：限流环节尽可能保证交流侧输出有功功率等于直流侧输出的功率，避免直流侧电压保护动作逆变电源退出运行，为减小输出电压的不对称度，减小负序有功电流的输出，输出有功电流未达到电流限值的前提下，输出正序无功电流以增加逆变型分布式电源输出的电压幅值，保证正序有功和无功电流输出的前提下，若电流仍未到限值，可输出负序无功电流以减小输出电压的不对称度。

附图说明

图1是本发明一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法中逆变型分布式电源输出端正序电压矢量图；

图2是本发明一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法中逆变型分布式电源输出端负序电压矢量图；

图3是本发明一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法中设计的限流器框图；

图4是常见的软件限流方法中的电流限制方法I；

图5是常见的软件限流方法中的电流限制方法Ⅱ；

图6是不限流、使用限流方法Ⅰ、限流方法Ⅱ和本发明限流方法下的逆变型分布式电源输出电压向量图；

图7是将逆变型分布式电源等效为正序电流源时的正序电路图；

图8是将逆变型分布式电源等效为负序电流源时的负序电路图；

图9是不对称故障发生时的正负序等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，达到限流目的的同时，尽可能保证了有功功率的输出并降低了电压的不对称度，具体按照以下步骤实施：

步骤1、对逆变型分布式电源输出电流进行分析，具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、当三相电流对称时，将三相电流转换为旋转坐标系下的电流：

通常，低压分布式电源均采用三相三线制系统与电网相连，因此不存在零序电流分量；

步骤(1.2)、当三相电流不对称时，将正负序电流分别转换到旋转坐标系下：

将逆变型分布式电源输出电压矢量定向与d轴，则横轴电流i_d和纵轴电流i_q分别对应于有功电流和无功电流分量，因此i_d ¹、i_d ²为正负序有功电流分量，i_q ¹、i_q ²为正负序无功电流分量；

步骤(1.3)、由步骤(1.1)和步骤(1.2)分析得出：增加有功电流分量和无功电流分量均能分别增加逆变型分布式电源输出的有功功率和无功功率；

步骤2、经步骤1分析后得出逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式，具体按照以下步骤实施：

步骤(2.1)、逆变型分布式电源输出电流对其输出的电压亦有影响：逆变型分布式电源输出端电压矢量图如图1、图2所示，根据图1所示的电压矢量图，利用余弦定理得到逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式如下：

${V_{DG}}^1=({I_d}^{1}R+{I_q}^{1}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^1\right)}^2+{\left({I_q}^1\right)}^2){(R+jX)}^2+{\left(\right({I_d}^1)R+({I_q}^1\left)X\right)}^2}---\left(4\right)$

${V_{DG}}^2=({I_d}^{2}R-{I_q}^{2}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^2\right)}^2+{\left({I_q}^2\right)}^2){(R-jX)}^2+{\left(\right({I_d}^2)R-({I_q}^2\left)X\right)}^2}---\left(5\right)$

式中，VDG1、VDG2为逆变型分布式电源输出的正负序电压幅值，I_d1、I_d2、I_q ¹、I_q ²分别为正负序有功无功电流的有效值，R、X分别为逆变型分布式电源到系统或者负荷侧的等值阻抗；

步骤(2.2)、由步骤(2.1)的(4)、(5)式可知：增加正序有功电流和无功电流均能增大逆变型分布式电源输出的正序电压有效值，增加负序无功或者减小负序有功可以减小逆变型分布式电源输出的负序电压有效值，降低电压的不对称度；

本方法对传统的逆变型分布式电源的限流环节进行改进，考虑以下几个方面：

1)限流环节应尽可能保证交流侧输出有功功率等于直流侧输出的功率，避免直流侧电压保护动作逆变电源退出运行；

2)为减小输出电压的不对称度，应减小负序有功电流的输出；

3)输出有功电流未达到电流限值的前提下，输出正序无功电流以增加逆变型分布式电源输出的电压幅值；

4)保证正序有功和无功电流输出的前提下，若电流仍未到限值，可输出负序无功电流以减小输出电压的不对称度；

根据以上分析，设计的限流器框图如图3所示：

因此，步骤3、实施限流，具体按照以下步骤实施：

步骤(3.1)、在不对称故障时，将旋转坐标系下的电流I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²转换故障相电流，并对相电流进行限幅得到相电流幅值I_mag；

步骤(3.2)、为了降低电压的不对称度，负序电压幅值应尽量小，由(5)式可得，应增加负序无功电流或者减小负序有功电流，因此令负序有功电流幅值I_d ²＝0；

步骤(3.3)、在保证电流不超过限制的条件下，尽可能的满足逆变型分布式电源有功功率的输出，因此，对正序有功电流幅值I_d ¹进行限值约束，即在限值一下的按照最大值给定，超过限值得，以最大限值I_max给定；

步骤(3.4)、满足以上步骤要求的剩余电流来满足无功支持，提高逆变式分布式电源的输出电压

步骤(3.5)、对由步骤(3.4)得到的I_q与步骤1中得到的I_q ¹取最小值得到最终的I_q ¹的取值，防止在计算过程中由误差等造成I_d ²＜0；

步骤(3.6)、步骤(3.4)得到的I_q与步骤(3.5)得到的I_q ¹做差得到最终的负序无功电流I_q ²；

通过以上步骤，完成对分布式电源电流内环控制的限流操作，得到了I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²的给定值，这样在保证电流不超过限值的条件下满足逆变型分布式电源有功功率的输出要求，并最大可能的提高了逆变型分布式电源的输出电压同时降低了其不对称度。

本发明优越性的体现：

常见的软件限流方法如图4、图5所示：电流限制方法I控制逆变型分布式电源优先输出无功电流，电流限制方法Ⅱ不限制有功无功电流输出的优先性。

(1)三相短路条件下的故障特性：

发生三相金属性短路故障时，逆变型分布式电源输出的负序有功电流和无功电流均为0，假定在限流环节之前，正序有功无功电流有效值分别为16A、12A，限流值为18A。在不限流、使用限流方法Ⅰ、限流方法Ⅱ(参照图4、图5)和本发明提出的限流方法(参照图3)时得到的逆变型分布式电源的输出电流有效值及相角如表1：

表1限流条件下对称故障逆变电源输出电流

由表1可以看出，三种限流方法输出相电流的有效值相同，但是相角有所区别：根据表1分析，可以得到各类限流方法下的逆变型分布式电源输出电压向量图如图6所示，由图6可见，在三种限流方法下，限流值不变时，限流方法Ⅰ下由于优先输出无功功率，逆变型分布式电源输出的电压有效值最大，其次是限流方法Ⅱ，本发明提出的限流方法下，电压降低幅度最大，由于三种限流方法下的相角差并不大，所以输出电压的幅值差并不明显。三种限流方法中，显然本发明的限流方法能够保证最大化的有功功率输出，因此综合以上因素，在对称故障发生时，牺牲一部分的电压有效值以保证有功功率的输出是一种可取的方法。

(2)相间短路条件下的故障特性：

发生BC相间金属性短路故障时，在传统的限流方法下，逆变型分布式电源将输出正负序的有功电流和无功电流；在本发明提出的限流方法下，逆变型分布式电源只输出正序有功电流和正负序无功电流。为对比方便起见，假定在限流环节之前，逆变型分布式电源输出的正负序有功电流和正负序无功电流有效值分别为16A、16A、5A、5A，相电流限流值为18A。在不限流、使用限流方法Ⅰ、限流方法Ⅱ(参照图4、图5)和本发明提出的限流方法(参照图3)时得到的逆变型分布式电源的输出特性如表2、3：

表2不对称故障下逆变型分布式电源输出正序电流值

表3不对称故障下逆变型分布式电源输出正序电流值

将逆变型分布式电源等效为正负序电流源，根据图3所示的电路以及表2、表3所示的正负序电流，可以建立不对称故障发生时的正负序等效电路图如图9，其中，图7为正序电路图，图8为负序电路图。其中Z1＝0.5+j0.4Ω，Zs＝0.3+j0.2Ω，系统电压相量为220∠0°V。以系统电压相量为参考相量，根据正负序的等效电路图可以解得逆变型分布式电源输出的正负序电压及功率如表4所示：

表4不对称故障下逆变型分布式电源输出电压及功率

由表4可见，在本发明中所提出的限流方法下，保证了有功功率输出的最大化，同时减小了逆变型分布式电源输出电压的不对称度。

(3)不同限流方法对保护的影响分析：

在对称故障下，限流方法Ⅰ控制下的逆变型分布式电源输出的电压有效值最大，其次是限流方法Ⅱ，本发明提出的限流方法下，电压降低幅度最大。但是由于逆变型分布式电源输出的电流有限，这三种限流方法导致的逆变型分布式电源输出电压差别并不是很大，因此当故障发生时，低压水平与低压保护动作的门槛值差距较大时，对低压保护并不会产生大的影响。

在非对称故障时，在本发明提出的限流方法控制下，由于提高了正序电压的有效值，同时减小了负序电压，逆变型分布式电源输出的电压较之其余两种限流方法明显有较大的提升，同样的故障条件下，本发明所提出的限流方法将更好的保证逆变型分布式电源的输出电压维持在相对较高的水平上，避免低压保护动作，保证逆变型分布式电源不退出运行。

在对称以及不对称故障下，逆变型分布式电源输出的相电流有效值均被限制在定值，该定值应小于过流保护的动作值，因此对于相电流电流保护，在各种限流方法控制下均不会导致其动作，而相同故障条件下不限流控制可能导致过流保护动作。

对于不对称故障下的负序过电流保护，保护动作与否就取决于负序电流保护的整定值。显然本发明所提出的限流方法控制下，逆变型分布式电源输出的负序电流是最小的，因此在相同的故障条件下，负序过电流保护不容易动作，能保证逆变型分布式电源继续工作。

Claims (4)

1.一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、对逆变型分布式电源输出电流进行分析；

步骤2、经步骤1分析后得出逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式；

步骤3、实施限流。

2.根据权利要求1所述的一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤(1.1)、当三相电流对称时，将三相电流转换为旋转坐标系下的电流：

通常，低压分布式电源均采用三相三线制系统与电网相连，因此不存在零序电流分量；

步骤(1.2)、当三相电流不对称时，将正负序电流分别转换到旋转坐标系下：

将逆变型分布式电源输出电压矢量定向与d轴，则横轴电流i_d和纵轴电流i_q分别对应于有功电流和无功电流分量，因此i_d ¹、i_d ²为正负序有功电流分量，i_q ¹、i_q ²为正负序无功电流分量；

步骤(1.3)、由步骤(1.1)和步骤(1.2)分析得出：增加有功电流分量和无功电流分量均能分别增加逆变型分布式电源输出的有功功率和无功功率。

3.根据权利要求1所述的一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：

步骤(2.1)、逆变型分布式电源输出电流对其输出的电压亦有影响：利用余弦定理得到逆变型分布式电源输出电压幅值的表达式如下：

${V_{DG}}^1=({I_d}^{1}R+{I_q}^{1}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^1\right)}^2+{\left({I_q}^1\right)}^2){(R+jX)}^2+{\left(\right({I_d}^1)R+({I_q}^1\left)X\right)}^2}---\left(4\right)$

${V_{DG}}^2=({I_d}^{2}R-{I_q}^{2}X)+\sqrt{{V_s}^2-({\left({I_d}^2\right)}^2+{\left({I_q}^2\right)}^2){(R-jX)}^2+{\left(\right({I_d}^2)R-({I_q}^2\left)X\right)}^2}---\left(5\right)$

式中，VDG1、VDG2为逆变型分布式电源输出的正负序电压幅值，I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²分别为正负序有功无功电流的有效值，R、X分别为逆变型分布式电源到系统或者负荷侧的等值阻抗；

步骤(2.2)、由步骤(2.1)的(4)、(5)式可知：增加正序有功电流和无功电流均能增大逆变型分布式电源输出的正序电压有效值，增加负序无功或者减小负序有功可以减小逆变型分布式电源输出的负序电压有效值，降低电压的不对称度。

4.根据权利要求1所述的一种逆变型分布式电源的输出限流控制方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤(3.1)、在不对称故障时，将旋转坐标系下的电流I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²转换故障相电流，并对相电流进行限幅得到相电流幅值I_mag；

步骤(3.2)、为了降低电压的不对称度，负序电压幅值应尽量小，由(5)式可得，应增加负序无功电流或者减小负序有功电流，因此令负序有功电流幅值I_d ²＝0；

步骤(3.3)、在保证电流不超过限制的条件下，尽可能的满足逆变型分布式电源有功功率的输出，因此，对正序有功电流幅值I_d ¹进行限值约束，即在限值一下的按照最大值给定，超过限值得，以最大限值I_max给定；

步骤(3.4)、满足以上步骤要求的剩余电流来满足无功支持，提高逆变式分布式电源的输出电压

步骤(3.5)、对由步骤(3.4)得到的I_q与所述步骤1中得到的I_q ¹取最小值得到最终的I_q ¹的取值，防止在计算过程中由误差等造成I_d ²＜0；

步骤(3.6)、步骤(3.4)得到的I_q与步骤(3.5)得到的I_q ¹做差得到最终的负序无功电流I_q ²；

通过以上步骤，完成对分布式电源电流内环控制的限流操作，得到了I_d ¹、I_d ²、I_q ¹、I_q ²的给定值，这样在保证电流不超过限值的条件下满足逆变型分布式电源有功功率的输出要求，并最大可能的提高了逆变型分布式电源的输出电压同时降低了其不对称度。