CN112803383B - 一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法及系统，当系统发生双极短路故障时，换流器输出电流快速升高，极间压降骤降，得到故障发生信号，此时电压输出控制策略启动，通过自适应系数和电流变化率得到了阻抗效果，而且阻抗效果随着时间的变化而变化，因此在故障发生后能够显示出明显的电流抑制效果；由算法控制虚拟阻抗的大小，且具有自适应性，参数调整较实际设备和不具备自适应性的虚拟阻抗控制更加灵活；是由控制策略而产生限流电抗器的效果，不增加一次设备限流电抗器，因此可节省工程造价，有更好的经济性，也不存在限流电抗器选型和定值困难等问题。
Description
技术领域
本发明涉及采用直流接入的分布式交流接入技术领域，具体涉及一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法及系统。
背景技术
分布式交流电源与公用电网的连接可采用交流形式，也可采用直流形式。由于分布式电源的普及极大地促进了直流配电网的发展，采用直流接入的交流分布式电源，成为了直流电网的重要组成部分。现有的直流接入的分布式交流接入方法一般包括串联电抗法和虚拟阻抗法，其中，串联电抗法是采用直流接入直流电网的分布式交流接入系统，由交流电源和AC/DC换流器(下文简称换流器)组成，分布式交流电源发出的电能经换流器整流调控后与直流电网相连，交流电源的电能经换流器低压侧(或高压侧)接入，换流器换流之后，由换流器高压侧(或低压侧)与直流电网并联。当系统发生极间短路，在故障发生瞬间，换流器端口电容器快速放电，交流接入系统的输出电流迅速上升，约在故障发生后1.8ms到达第一个电流尖峰，约为0.705kA，随后电流开始下降，约在故障发生后3.6ms，达到极低值，约为0.698kA，随后电流开始上升，在故障发生后约8.6ms达到最大值，约为0.996kA，约65ms后故障电流下降到极低值，约为0.62kA，并保持在此范围内输出。目前常用的故障过电流抑制办法主要是采用串联限流电抗器，即在交流电源并网换流器出口串联限流电抗器，以减缓电容器放电的速度，降低故障电流上升率及峰值，从而实现过电流抑制。
虚拟阻抗法是采用数学建模的方法，将阻抗特性映射入控制器，从而发挥阻抗的作用将利用电流的快速变化特性，通过预先设计好控制参数，加入到控制器中，该方法的优点是基于二次侧控制保护，而无需使用一次侧设备。在故障发生后，使用虚拟阻抗控制对电流的峰值产生了抑制效果，将故障电流降低至0.946kA，降低约5％，故障峰值延迟到故障发生后10ms。
现有技术的缺点：
串联限流电抗法：原理简单、易实现、效果明显，是目前工程中普遍采用的方法。
此方法主要存在以下几个缺点：
1、限流电抗器选型困难。铁芯电抗器在大电流下容易饱和而失去限流作用；空芯电抗器漏磁大，容易对周边设备造成影响，且体积大，需要较大的占地面积。
2、增加了一次设备，使得项目成本、占地等都相应增加。尤其当额定电流较大时，为方便电抗器散热，电抗器体积较大。
3、限流电抗器的电感值不宜确定。感值太小，限流效果不明显，感值太大，电抗器体积较大，且易造成系统失稳。另外，电抗器还可能与系统中的电容器等产生谐振。
虚拟阻抗法：将控制器加入到系统中，会影响到系统在正常情况下的电流运行，因此虚拟阻抗参数不能设置较大，否则会对正常运行的电流产生影响，这也使得虚拟阻抗的抑制效果有限，阻抗参数需要手动设置，参数设计过程较为复杂，工程量较大，实用性较差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
本发明在不增加额外电气元件的情况下通过将实际电路元件的特性映射入控制系统以达到抑制故障过电流的目的，不需要在主电路中增加限流电抗器，同时具有自适应特性，增强了控制灵活性，对系统影响较小，不会对系统的正常运行产生影响，因此阻抗的抑制效果更好，且能够随系统电流的变化而自动变化阻抗参数，而不用手动预设，具有较好的实用性。
为了提高交流接入系统换流器的响应速度，采用基于工业串级控制思想的双环控制系统，即在目标电压环的内部，增加变化较快的电流量作为反馈变量以提高控制系统的工作频率。因此，交流接入系统并网换流器一般采用电压电流双闭环控制模式。
当系统发生双极短路故障时，换流器输出电流快速升高，极间压降骤降，得到故障发生信号，此时电压输出控制策略启动，通过自适应系数和电流变化率得到了阻抗效果，而且阻抗效果随着时间的变化而变化，因此在故障发生后能够显示出明显的电流抑制效果，而在系统正常运行时，不会对系统运行产生任何影响。
本发明采用数学建模的方法，利用系统在故障发生后的时间、电流变化特性，得到阻抗值参数，且阻抗值能随系统电流的变化而变化，相比使用电抗器更加灵活，能够随系统工况变化而自动做出调整。
为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，所述方法包括以下步骤：
S100，在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗LGE；
S200，对直流微电网的并网换流器的输出电流IGE进行实时检测；
S300，当监测到输出电流IGE突然升高时，提取电流的变化率dIΔfault，通过自适应系数K从而产生阻抗效应，而配合时间常数
由于阻抗效应能够随时间的变化而变化，由此得到了具有自适应性虚拟阻抗LAGE；
即，
S400，当电流通过自适应虚拟阻抗LGE感应到一个电压降增量ΔUGE时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量ΔUGE；
ΔUGE＝LAGE·IGE(2)；
S500，通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制。
进一步地，在S100中，直流微电网的并网换流器采用电压电流双闭环控制模式。
进一步地，在S300中，输出电流IGE突然升高的定义为：输出电流IGE较前一个时刻突然升高12.65％以上。
进一步地，在S300中，其中，IΔfault为电流突然升高时刻采集到的输出电流IGE，变化率dIΔfault为对IΔfault的微分，即输出电流的变化率。
进一步地，在S300中，自适应系数K为预设的乘数，是一个常数，用于调整产生的阻抗效应。
进一步地，在S300中，时间常数
为，其中，tfault为电流突然升高时刻，即线路发生双极短路故障的时刻。
进一步地，在S500中，调整换流器的电压输出控制策略的方法为：由自适应虚拟阻抗产生的电压增量作为对换流器电压控制环的修正，此时电压控制的反馈值UGE应为直流微电网系统电压测量值UGE2与电压增量ΔUGE之和，即：
UGE＝UGE2+ΔUGE＝UGE2+LAGE·IGE (3)。
进一步地，当系统发生双极短路故障时，换流器输出电流快速升高，极间压降骤降，得到故障发生信号，此时调整换流器的电压输出控制策略启动，通过自适应系数和电流变化率得到了阻抗效果，而且阻抗效果随着时间的变化而变化，因此在故障发生后能够显示出明显的电流抑制效果，而在系统正常运行时，不会对系统运行产生任何影响。
本发明还提供了一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
虚拟阻抗增加单元，用于在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗；
输出电检测单元，用于对直流微电网的并网换流器的输出电流进行实时检测；
虚拟阻抗计算单元，用于在监测到输出电流突然升高时计算得到自适应性虚拟阻抗；
故障电压计算单元，用于当电流通过自适应虚拟阻抗感应到一个电压降增量时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量；
故障电流抑制单元，用于通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制。
本发明的有益效果为：本发明提供一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法及系统，有益效果包括以下几点：①本发明是基于故障电流的产生而启动，当系统正常运行时不会产生阻抗效果，因此不会影响系统的正常运行；②本发明是由算法控制虚拟阻抗的大小，且具有自适应性，参数调整较实际设备和不具备自适应性的虚拟阻抗控制更加灵活；③本发明是由控制策略而产生限流电抗器的效果，不增加一次设备限流电抗器，因此可节省工程造价，有更好的经济性，也不存在限流电抗器选型和定值困难等问题。
附图说明
通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本发明的上述以及其他特征将更加明显，本发明附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，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，在附图中：
图1所示为一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法流程图；
图2所示为输出侧增加自适应虚拟阻抗示意图；
图3所示为附加自适应虚拟阻抗的电压控制示意图；
图4所示为160kW工况下虚拟阻抗效果图；
图5所示为160kW工况下自适应虚拟阻抗效果图；
图6所示为一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统结构图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示为一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法流程图，下面结合图1来阐述根据本发明的实施方式的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法。
本发明提出一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，所述方法包括以下步骤：
S100，在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗LGE；如图2所示，为输出侧增加自适应虚拟阻抗示意图；
S200，对直流微电网的并网换流器的输出电流IGE进行实时检测；
S300，当监测到输出电流IGE突然升高时，提取电流的变化率dIΔfault，通过自适应系数K从而产生阻抗效应，而配合时间常数
由于阻抗效应能够随时间的变化而变化，由此得到了具有自适应性虚拟阻抗LAGE；
即，
S400，当电流通过自适应虚拟阻抗LGE感应到一个电压降增量ΔUGE时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量ΔUGE；如图3所示，为附加自适应虚拟阻抗的电压控制示意图；
ΔUGE＝LAGE·IGE(2)；
S500，通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制。
进一步地，在S100中，直流微电网的并网换流器采用电压电流双闭环控制模式。
进一步地，在S300中，输出电流IGE突然升高的定义为：输出电流IGE较前一个时刻突然升高12.65％以上。
进一步地，在S300中，其中，IΔfault为电流突然升高时刻采集到的输出电流IGE，变化率dIΔfault为对IΔfault的微分，即输出电流的变化率。
进一步地，在S300中，自适应系数K为预设的乘数，是一个常数，用于调整产生的阻抗效应。
进一步地，在S300中，时间常数
为，其中，tfault为电流突然升高时刻，即线路发生双极短路故障的时刻。
进一步地，在S500中，调整换流器的电压输出控制策略的方法为：由自适应虚拟阻抗产生的电压增量作为对换流器电压控制环的修正，此时电压控制的反馈值UGE应为直流微电网系统电压测量值UGE2与电压增量ΔUGE之和，即：
UGE＝UGE2+ΔUGE＝UGE2+LAGE·IGE (3)。
进一步地，当系统发生双极短路故障时，换流器输出电流快速升高，极间压降骤降，得到故障发生信号，此时调整换流器的电压输出控制策略启动，通过自适应系数和电流变化率得到了阻抗效果，而且阻抗效果随着时间的变化而变化，因此在故障发生后能够显示出明显的电流抑制效果，而在系统正常运行时，不会对系统运行产生任何影响。
在相同工况下，在换流器的控制策略中加入自适应虚拟阻抗控制模块后，0.3s时刻f2故障时交流接入系统的输出电流波形。约在故障发生后2ms到达第一个电流尖峰，约为0.707kA，随后电流开始下降，约在故障发生后4.5ms，达到极低值，约为0.634kA，随后电流开始上升，在故障发生后约9.4ms达到最大值，约为0.87kA，随后故障电流开始下降，最终约为0.54kA，并保持在此范围内输出，故障电流峰值下降约为12.65％。可见，在控制策略中加入自适应虚拟阻抗，与在一次电路中加入限流电抗器和使用虚拟阻抗控制，三种方法得到的故障电流波形具有很强的相似性，但使用电抗器能够使得电流峰值延迟到来，而自适应虚拟阻抗在方面效果不如电抗器，但是从故障电流的抑制效果来看，在本发明的验证过程中，自适应虚拟阻抗的抑制效果更好，而虚拟阻抗控制由于参数设置范围有限，在不影响系统正常运行的情况下，其电流抑制效果也明显不如自适应虚拟阻抗。
在以上的仿真工况下，将负荷从80kW，增大至160kW，如图4所示，为160kW工况下虚拟阻抗效果图，可以看到虚拟阻抗在负荷变后，其对故障电流的抑制效果出现了较大的不同。160kW负荷时，极间故障的故障电流约在7.9ms达到最大值，约为1.033kA。加入虚拟阻抗之后，故障电流在故障发生后约9.6ms达到峰值，峰值电流约为0.966kA，故障电流的抑制效果约为6.9％，抑制效果较80kW工况下有所提升，峰值的到达时间仅延后了1.7ms。比80kW工况下，电流降幅提升了1.9％。
如图5所示为160kW工况下自适应虚拟阻抗效果图，在加入自适应虚拟阻抗后，故障电流约在故障发生后9ms到达最大值，故障电流峰值下降至0.862kA，降幅约为16.55％，故障电流达到峰值的时间延迟了1.1ms，比80kW工况下，电流降幅提升了3.9％。
因此，综上可见，当系统工况发生改变后，两种抑制方案的抑制效果都会有所改变，但是由于自适应虚拟阻抗能够适应系统电流的变化，所以它的抑制幅度更大，抑制效果更佳。
本发明的实施例提供的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统，如图6所示为本发明的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统结构图，该实施例的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统实施例中的步骤。
所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
虚拟阻抗增加单元，用于在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗；
输出电检测单元，用于对直流微电网的并网换流器的输出电流进行实时检测；
虚拟阻抗计算单元，用于在监测到输出电流突然升高时计算得到自适应性虚拟阻抗；
故障电压计算单元，用于当电流通过自适应虚拟阻抗感应到一个电压降增量时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量；
故障电流抑制单元，用于通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制。
所述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统的示例，并不构成对一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统运行系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统可运行系统的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。
Claims (6)
1.一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S100，在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗；
S200，对直流微电网的并网换流器的输出电流进行实时检测；
S300，当监测到输出电流突然升高时计算得到自适应性虚拟阻抗；
S400，当电流通过自适应虚拟阻抗感应到一个电压降增量时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量；
S500，通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制；
在S300中，输出电流IGE突然升高的定义为：输出电流IGE较前一个时刻突然升高12.65％以上；
在S300中，当监测到输出电流IGE突然升高时，提取电流的变化率dIΔfault，通过自适应系数K从而产生阻抗效应，而配合时间常数
由于阻抗效应能够随时间的变化而变化，由此得到了具有自适应性虚拟阻抗LAGE；
即，
其中，IΔfault为电流突然升高时刻采集到的输出电流IGE，变化率dIΔfault为对IΔfault的微分，即输出电流的变化率。
2.根据权利要求1所述的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，其特征在于，在S100中，直流微电网的并网换流器采用电压电流双闭环控制模式。
3.根据权利要求2所述的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，其特征在于，在S300中，自适应系数K为预设的乘数，是一个常数，用于调整产生的阻抗效应。
4.根据权利要求2所述的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，其特征在于，在S300中，时间常数
为，其中，tfault为电流突然升高时刻，即线路发生双极短路故障的时刻。
5.根据权利要求1所述的一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制方法，其特征在于，在S500中，调整换流器的电压输出控制策略的方法为：由自适应虚拟阻抗产生的电压增量作为对换流器电压控制环的修正，此时电压控制的反馈值UGE应为直流微电网系统电压测量值UGE2与电压增量ΔUGE之和，即：
UGE＝UGE2+ΔUGE＝UGE2+LAGE·IGE (3)。
6.一种自适应虚拟阻抗的直流微电网过电流抑制系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：
虚拟阻抗增加单元，用于在直流微电网的并网换流器的输出侧增加自适应虚拟阻抗；
输出电检测单元，用于对直流微电网的并网换流器的输出电流进行实时检测；
虚拟阻抗计算单元，用于在监测到输出电流突然升高时计算得到自适应性虚拟阻抗；
故障电压计算单元，用于当电流通过自适应虚拟阻抗感应到一个电压降增量时，判断线路发生双极短路故障，计算得到双极短路故障时的电压降增量；
故障电流抑制单元，用于通过调整换流器的电压输出控制策略抑制故障电流，完成对直流微电网瞬时故障过电流的抑制；
输出电流IGE突然升高的定义为：输出电流IGE较前一个时刻突然升高12.65％以上；
当监测到输出电流IGE突然升高时，提取电流的变化率dIΔfault，通过自适应系数K从而产生阻抗效应，而配合时间常数
由于阻抗效应能够随时间的变化而变化，由此得到了具有自适应性虚拟阻抗LAGE；
即，
其中，IΔfault为电流突然升高时刻采集到的输出电流IGE，变化率dIΔfault为对IΔfault的微分，即输出电流的变化率。
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| A New Adaptive Virtual Impedance based Fault Current Limiter for Converters;Siavash Beheshtaein等;《2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)》;20191128;第2439-2444页 * |
| 基于虚拟阻抗的MMC交、直流侧故障过电流抑制方法;张帆等;《中国电机工程学报》(第08期);第2103-2113页 * |
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