CN112994104A - 含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，所述方法为采集公共耦合点处电压和输出电流，获取电压序分量及对应无功电压；获取αβ0坐标系下公共耦合点处电压序分量及对应无功电压，输出电流αβ0坐标系分量；获取公共耦合点电压各相幅值并与额定电压幅值比较判定微电网是否发生故障；当判定发生故障时，获取故障类型系数、负序和零序电压不平衡度及各序电压相位差；获取αβ0坐标系参考电流；比较αβ0坐标系参考电流与实际输出电流生成调制波电压，通过反Clark变换得abc坐标系四组半桥模块调制波电压；利用PWM模块产生四组半桥模块驱动信号；返回并继续执行以上步骤。本发明所述方法有效提升了含三相四线制逆变器的微电网不对称故障穿越能力。

Description

含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法

技术领域

本发明属于分布式电源并网发电技术领域，涉及一种含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法。

背景技术

现阶段，随着分布式光伏、风电并网逆变器的渗透率不断提高，当低压微电网发生常见单相接地、两相接地等不对称故障时，容易引发严重的运行可靠性问题。基于此，有关国家和机构起草了相应的新能源并网规范，要求电网发生短时故障时，并网逆变器必须保持不脱网运行，同时对故障电网电压提供足够支撑，即具备故障穿越能力。然而，在低压系统电压不平衡跌落时，三相四线制并网逆变器将存在有功功率振荡、不对称过流以及网侧电压支撑不佳等问题，如何综合考虑上述目标下的微电网故障穿越优化控制方法成为研究重点。

目前，国内外针对三相三线制逆变器在电网故障时注入的功率和电流质量进行了研究，主要包括功率振荡控制、谐波电流抑制和过电流限制等，但以上研究主要集中在逆变器自身目标优化控制。随着新能源并网逆变器在微电网中比例逐渐提高，传统微电网将由刚性电网转变成弱电网，较大容量并网逆变器对所接入的公共耦合点(PCC)的故障电压支撑将成为可行途径。理论上，不对称故障电压支撑的理想情况是完全补偿公共耦合点(PCC)处正序电压，消除公共耦合点(PCC)处负序电压，显然该目标对整体逆变器的容量要求极高。为此，Camacho等人提出了基于正序和负序电流注入的并网逆变器控制策略，在自身限流约束条件下实现对公共耦合点(PCC)处不平衡电压的最大支撑，然而其局限性在于微电网发生接地故障时忽略了网侧零序电压的影响，无法实现对三相四线制微电网故障电压的最佳支撑。

发明专利CN201410131069.8公开了一种光伏并网逆变器故障穿越控制方法。该方法利用有功和无功参考电流、电压正负序分量以及调节系数生成并网参考电流，采用PR调节器和SVPWM调制模块生成开关管驱动信号。该发明以三相三线制光伏并网逆变器为研究对象，在故障穿越时对输出有功电流和无功电流进行协调控制，使得并网电流始终保持在最大允许范围内。然而，该方法无法实现输出有功振荡抑制与故障电网电压的有效支撑。

因此，当含三相四线制逆变器的低压微电网发生接地故障时，由于弱电网中等效电网阻抗较大的影响，公共耦合点(PCC)处零序电压与变流器输出零序电流存在耦合，使得故障电压支撑、有功振荡控制以及峰值限流策略将更加复杂，国内外现有研究未见综合考虑不对称电压最大支撑、有功振荡控制及限流约束等条件的故障穿越优化控制策略。

发明内容

本发明提供一种含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，解决现有技术中以三相三线制并网逆变器为研究对象时三相三线制逆变器无法输出零序电流，使得微电网发生接地故障时公共耦合点(PCC)处零序电压无法得到抑制，故障电压支撑效果受限；并且无法同时实现公共耦合点(PCC)处电压优化支撑、输出有功振荡抑制与峰值电流限制等多目标控制的问题。

本发明所采用的技术方案是含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，所述含三相四线制逆变器的微电网包括控制系统、三相四线制并网逆变器主电路、微电网等效电路；

所述控制系统用于获取公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号，并对公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号进行计算分析，得到驱动信号；

所述三相四线制并网逆变器主电路用于执行驱动信号的动作，实现相应故障穿越功能；

所述微电网等效电路用于简化逆变器支撑故障电压策略的分析；

所述方法具体包括步骤：

步骤S1：利用所述控制系统中的调理电路采集公共耦合点处电压v_abc和三相四线制逆变器输出电流i_abc，并利用对称分量法获取电压v_abc正序分量v_a ⁺、v_b ⁺、v_c ⁺，负序分量v_a ^-、v_b ^-、v_c ^-，零序分量v⁰，并求得正序分量无功电压v_a⊥ ⁺、v_b⊥ ⁺、v_c⊥ ⁺，负序分量无功电压v_a⊥ ^- v_b⊥ ^-v_c⊥ ^-，零序分量无功电压v_⊥ ⁰；

步骤S2：利用等幅值Clark变换获取公共耦合点处αβ0坐标系下电压正序分量v_α ⁺、v_β ⁺，负序分量v_α ^-、v_β ^-，及正序分量无功电压v_α⊥ ⁺、v_β⊥ ⁺，负序分量无功电压v_α⊥ ^-、v_β⊥ ^-，及输出电流i_abc在αβ0坐标系下的分量i_α、i_β、i₀；

步骤S3：利用所述控制系统中DSP28335核心控制器的故障检测单元获取公共耦合点电压的各相幅值V_am、V_bm、V_cm，然后将电压各相幅值V_am、V_bm、V_cm与额定电压幅值V_N比较判定微电网是否发生故障；

步骤S4：当步骤S3判定为微电网发生故障时，获取故障类型系数m，负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀以及正序、负序与零序电压相位差δ_v ^+-、δ_v ^-0、δ_v ⁰⁺；

步骤S5：获取三相四线制并网逆变器主电路在αβ0坐标系下具备故障电压支撑能力的参考电流i_αref、i_βref、i_0ref；

步骤S6：将参考电流i_αref、i_βref、i_0ref分别与三相四线制并网逆变器主电路实际输出电流i_α、i_β、i₀进行比较，生成αβ0坐标系下的调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref；

步骤S7：将E_αref、E_βref、E_0ref通过反Clark变换得到abc坐标系下三相半桥IGBT模块S₁～S₆调制波电压E_aref、E_bref、E_cref和第四桥臂IGBT模块S₇～S₈调制波电压E_nref；

步骤S8：利用DSP28335核心控制器的PWM模块分别产生三相半桥IGBT模块S₁～S₆和第四桥臂IGBT模块S₇～S₈的驱动信号；

步骤S9：返回步骤S1并继续执行以上步骤。

进一步的，所述步骤S1中正序分量无功电压v_a⊥ ⁺、v_b⊥ ⁺、v_c⊥ ⁺，负序分量无功电压v_a⊥ ^-v_b⊥ ^- v_c⊥ ^-，零序分量无功电压v_⊥ ⁰具体为

v_⊥ ⁰＝v⁰.e^-j90°

其中，e^-j90°为对应电压将滞后90度，具体程序是利用寄存器变量存储进行提取相关数据。

进一步的，所述步骤S3具体为：

公共耦合点处电压v_abc的各相幅值V_am、V_bm、V_cm为

其中，e^-j90°为对应相电压滞后90度；

若各相幅值V_am、V_bm、V_cm均≥0.9V_N，故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0；

若各相幅值V_am、V_bm、V_cm中有一相或者多相＜0.9V_N，则故障检测单元输出故障标志位Flag_f置1，并获取公共耦合点电压v_abc的正序分量幅值V_m ⁺、负序分量幅值V_m ^-和零序分量幅值V_m ⁰为

进一步的，步骤S4具体为：

当微电网常见接地短路故障时，若为单相接地故障，此时故障类型系数m＝1；若为两相接地故障，此时故障类型系数m＝-1；

负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀为：

则总电压不平衡度u_t为负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀之和；

电压正序分量相位δ_v ⁺和电压负序分量相位δ_v ^-的相位差δ_v ^+-为：

电压负序分量相位δ_v ^-和电压零序分量相位δ_v ⁰的相位差δ_v ^-0为：

电压零序分量相位δ_v ⁰和电压正序分量相位δ_v ⁺的相位差δ_v ⁰⁺为：

进一步的，所述步骤S5具体为：

三相四线制并网逆变器主电路在αβ0坐标系下具备故障电压支撑能力的参考电流i_αref、i_βref、i_0ref模型为

通过参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足故障穿越的公共耦合点处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制控制目标，求得正序有功电流幅值I_p ⁺、负序有功电流幅值I_p ^-、零序有功电流幅值I_p ⁰、正序无功电流幅值I_q ⁺、负序无功电流幅值I_q ^-、零序无功电流幅值I_q ⁰，进而求得参考电流i_αref、i_βref、i_0ref。

进一步的，所述步骤S6具体为：通过准比例谐振控制器、公共耦合点电压前馈v_α、v_β、v₀和直流电压归一化U_dcref/2等环节进行闭环跟踪，其传递函数G_PR(s)为：

其中，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，ω_c为谐振角频率，ξ为阻尼系数，s为频域；

则调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref为

E_αref＝[G_PR(s)·(i_αref-i_α)+v_α]/(U_dcref/2)

E_βref＝[G_PR(s)·(i_βref-i_β)+v_β]/(U_dcref/2)

E_0ref＝[G_PR(s)·(i_0ref-i₀)+v₀]/(U_dcref/2)

其中，U_dcref为直流侧电压参考值。

进一步的，所述步骤S7中三相半桥IGBT模块S₁～S₆调制波电压E_abcref为

第四桥臂IGBT模块S₇～S₈调制波电压E_nref为

E_nref＝E_aref+E_bref+E_cref。

进一步的，所述故障穿越的公共耦合点处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制控制目标确定参考电流i_αref、i_βref、i_0ref具体为：

(1)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足公共耦合点处电压优化支撑目标

根据正序、负序和零序网络中基尔霍夫电压定律，逆变器输出的正序无功电流幅值I_q ⁺与正序有功电流幅值I_p ⁺之比、负序无功电流幅值I_q ^-与负序有功电流幅值I_p ^-之比、零序无功电流幅值I_q ⁰与零序有功电流幅值I_p ⁰之比应保持相等，且等于所估计网侧等效阻抗角θ_g的正切值tanθ_g，即

I_q ⁺/I_p ⁺＝I_q ^-/I_p ^-＝I_q ⁰/I_p ⁰＝tanθ_g (1)

最大程度提高了公共耦合点处正序电压，降低了公共耦合点处负序和零序电压分量；

此时，正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰为

此时，正序电流相位δ_i ⁺、负序电流相位δ_i ^-和零序电流相位δ_i ⁰与公共耦合点处正序电压相位δ_v ⁺、负序电压相位δ_v ^-和零序电压相位δ_v ⁰满足

δ_v ⁺-δ_i ⁺＝θ_g，δ_v ^--δ_i ^-＝δ_v ⁰-δ_i ⁰＝π+θ_g (5)

(2)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足输出有功振荡抑制目标

根据瞬时功率理论，三相四线制逆变器输出瞬时有功功率p为：

p＝v.i＝(v⁺+v^-).(i⁺+i^-)+v⁰.i⁰ (6)

其中，v为三相四线制逆变器输出瞬时电压，i为三相四线制逆变器输出瞬时电流，v⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电压正序分量，v^-为三相四线制逆变器输出瞬时电压负序分量，i⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电流正序分量，i^-为三相四线制逆变器输出瞬时电流负序分量，v⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电压零序分量，i⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电流零序分量；

进一步化简得到

P₀、P_c2和P_s2分别为瞬时有功的直流分量、余弦和正弦二倍频分量；

P_c2和P_s2均等于0，此时正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰将满足式

I_m ^-＝u_-I_m ⁺+mu₀I_m ⁰＝(u_-+kmu₀)I_m ⁺ (8)

其中，k为零序电流系数，设为零序电流幅值I_m ⁰与正序电流幅值I_m ⁺的比值；

则零序电流幅值在允许范围内为

I_m ⁰＝k·I_m ⁺ (9)

(3)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足最大峰值电流限制目标

中间变量x₁、x₂、x₃为

其最大值赋予中间变量x为

x＝max{x₁，x₂，x₃} (11)

设最大峰值电流允许值为I_limit，则可以得到正序电流幅值I_m ⁺满足式(12)

综合式(1)至(12)求得正序无功电流幅值I_q ⁺、正序有功电流幅值I_p ⁺、负序无功电流幅值I_q ^-、负序有功电流幅值I_p ^-、零序无功电流幅值I_q ⁰、零序有功电流幅值I_p ⁰，进而求得参考电流i_αref、i_βref、i_0ref。

本发明的有益效果是：本发明提出了含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，一方面通过优化输出正序、负序和零序电流与公共耦合点(PCC)处正序、负序和零序的相位关系，最大程度提升公共耦合点(PCC)处正序电压、减小公共耦合点(PCC)处负序和零序电压，实现了故障电网不平衡电压的最佳支撑；另一方面通过设计输出正序、负序和零序电流幅值间的大小关系，以改善三相四线制逆变器自身的控制性能，同时实现输出有功功率振荡抑制和最大峰值电流限制的功能；本发明所提出的支撑方法通过对输出正序、负序和零序电流的相位关系及幅值关系进行优化设计，有效提升了含三相四线制逆变器的微电网不对称故障穿越能力。

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是一种三相四线制逆变器并网系统结构图；

图2是一种三相四线制逆变器并网系统的故障电压最大支撑、输出有功振荡抑制、最大峰值电流限制方法示意图；

图3(a)是电网三相等效电压v_gabc的波形图；

图3(b)是公共耦合点(PCC)处电压v_abc波形图；

图3(c)是逆变器输出三相电流和中线电流i_abcn波形图；

图3(d)是三相四线制逆变器输出瞬时有功功率p和无功功率q波形图；

图3(e)是公共耦合点(PCC)处总电压不平衡度u_t与电网侧总电压不平衡度u_gt对比波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示为本发明实施例提供的一种三相四线制逆变器并网系统，包括微电网等效电路、三相四线制并网逆变器主电路、控制系统；其中，三相四线制并网逆变器主电路在公共耦合点(PCC)处与微电网等效电路进行电气连接，并向电网侧注入一定的有功和无功功率；控制系统通过采样公共耦合点(PCC)处电压信号和逆变器输出电流信号，并进行相关故障穿越控制算法后生成逆变器的驱动信号，驱动逆变器进行工作，与主电路不进行电气连接。所述控制系统用于获取公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号，并对公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号进行计算分析，得到驱动信号；所述三相四线制并网逆变器主电路用于执行驱动信号的动作，实现相应的故障穿越功能；所述微电网等效电路为等效电压源串联等效阻抗的形式，即利用二端口网络对采样公共耦合点(PCC)处的故障电网进行戴维南等效，用于简化逆变器支撑故障电压策略的分析；微电网等效电路包括电网等效电压v_gabc、电网等效电阻R_g和等效电感L_g组成；公共耦合点(Coupling of Common Point，PCC)的三相电压为v_abc；三相四线制并网逆变器主电路包含直流侧电容电压I_dc、三相半桥IGBT模块S₁～S₆、第四桥臂IGBT模块S₇～S₈、LCL滤波电感L_f、L_o、电容C_f和阻尼电阻r_d；控制系统包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、调理电路、AD7656转换单元、DSP28335核心控制器、IGBT驱动及保护电路；所述调理电路实时获取公共耦合点(PCC)处电压信号和三相四线制并网逆变器的输出电流信号；所述DSP28335核心控制器对所述电压信号和输出电流信号进行计算分析与控制得到驱动信号；然后所述驱动信号经驱动保护电路后作用于对应的IGBT功率器件，进而使三相四线制并网逆变器实现相应的故障穿越功能，即电网电压优化支撑、输出有功振荡抑制、最大峰值电流限制等控制；DSP28335核心控制器用于执行并网逆变器的故障穿越控制算法，包括故障检测单元、序分量提取单元、无功电压计算单元、Clark变换单元、参考电流计算单元、PR电流控制单元、Clark反变换单元和SPWM调制单元。其中，故障检测单元用于快速获取公共耦合点电压的各相幅值；序分量提取单元目的是利用对称分量法获取PCC电压的正序、负序和零序分量；无功电压计算单元目的是获取公共耦合点(PCC)电压的正序、负序和零序分量在滞后四分之一周期时对应的无功电压分量；Clark变换单元用于获取等幅值变换后αβ0坐标系各电压分量取值；参考电流计算单元是根据上述各电压分量、电压幅值计算、三大控制目标(公共耦合点(PCC)处电压优化支撑、输出有功振荡抑制、最大峰值电流限制)计算正序、负序和零序电流相位和幅值，求得最终所需电流的给定值；PR电流控制单元是根据上述参考电流给定值，在αβ0坐标系下闭环控制实际输出电流；Clark反变换单元用于将所获得调制波电压转换到abc坐标系下；SPWM调制单元用于根据调制波电压和DSP28335的PWM模块产生相应的三相四线制逆变器驱动信号。

当微电网正常运行时，三相四线制并网逆变器采用恒功率控制向微电网注入额定有功功率，此时故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0，并继续实时监测微电网运行状态。当微电网发生单相接地、两相接地等常见的不对称故障时，故障检测单元输出故障标志位Flag_f置1，此时控制系统采取相应故障穿越控制算法，实现最大峰值电流约束条件下故障电网电压最优支撑和输出有功振荡抑制等功能。如图2所示为本发明实施例提供的一种含三相四线制逆变器的微电网挂账电压优化支撑方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤S1：采集公共耦合点(PCC)处电压信号和输出电流信号，并获取电压正序、负序及零序分量及其正序、负序及零序分量各自的无功电压；

具体为：利用采样调理电路和AD7656转换单元实时获取3路公共耦合点(PCC)电压信号v_abc和3路输出电流信号i_abc，利用对称分量法(symmetrical component method，SCM)分别获取公共耦合点处电压v_abc的正序分量v_a ⁺、v_b ⁺、v_c ⁺，负序分量v_a ^-、v_b ^-、v_c ^-，零序分量v⁰如式(1)、(2)、(3)所示，

v⁰＝(v_a+v_b+v_c)/3 (3)

其中，e^-j120°、e^j120°分别代表对应电压将滞后120度、超前120度，具体程序是利用寄存器变量存储进行提取相关数据。

根据公共耦合点(PCC)处电压v_abc的正序分量无功电压v_a⊥ ⁺、v_b⊥ ⁺、v_c⊥ ⁺，负序分量无功电压v_a⊥ ^- v_b⊥ ^- v_c⊥ ^-，零序分量无功电压v_⊥ ⁰如式(4)、(5)、(6)所示

v_⊥ ⁰＝v⁰.e^-j90° (6)

其中，e^-j90°代表对应电压将滞后90度，具体程序是利用寄存器变量存储进行提取相关数据。

步骤S2：获取αβ0坐标系下公共耦合点(PCC)处电压正序、负序分量及各自的无功电压，及输出电流i_abc在αβ0坐标系下的分量；

具体为利用等幅值Clark变换将公共耦合点(PCC)电压正序、负序分量及其各自无功电压转换成αβ0坐标系正序分量v_α ⁺、v_β ⁺，负序分量v_α ^-、v_β ^-，正序分量无功电压v_α⊥ ⁺、v_β⊥ ⁺，负序分量无功电压v_α⊥ ^-、v_β⊥ ^-，如式(7)、(8)、(9)、(10)所示，

利用等幅值Clark变换将输出电流i_abc转换成αβ0坐标系分量i_α、i_β、i₀，如式(11)所示

步骤S3：获取公共耦合点(PCC)电压v_abc的各相幅值V_am、V_bm、V_cm，然后将电压v_abc的各相幅值V_am、V_bm、V_cm与额定电压的幅值V_N比较判定微电网是否发生故障；

具体为故障检测单元快速获取公共耦合点(PCC)电压v_abc的各相幅值V_am、V_bm、V_cm如式(12)所示

其中e^-j90°为对应相电压滞后90度。

然后将各相幅值V_am、V_bm、V_cm与额定电压幅值V_N进行比较，若各相幅值均高于或等于0.9V_N，则故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0，若各相幅值中有一相或者多相低于0.9V_N，则故障检测单元输出故障标志位Flag_f置1，并获取公共耦合点(PCC)电压v_abc的正序分量幅值V_m ⁺、负序分量幅值V_m ^-和零序分量幅值V_m ⁰如式(13)、(14)、(15)所示，

其中，各相幅值V_am、V_bm、V_cm与额定电压幅值v_N的0.9V_N进行比较，是因为中低压电网电压正常波动范围通常为±10％，这个区间对于逆变器而言为正常运行状态。

步骤S4：获取故障类型系数m，负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀及正序、负序与零序电压相位差；

当微电网发生接地短路故障时，若为单相接地故障(以A相为例)，此时故障类型系数m＝1；若为两相接地故障(以BC相为例)，此时故障类型系数m＝-1，如公式(16)所示，

负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀，具体获取过程为，

总电压不平衡度u_t为负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀之和。

获取电压正序分量相位δ_v ⁺和电压负序分量相位δ_v ^-的相位差δ_v ^+-、电压负序分量相位δ_v ^-和电压零序分量相位δ_v ⁰的相位差δ_v ^-0，电压零序分量相位δ_v ⁰和电压正序分量相位δ_v ⁺的相位差δ_v ⁰⁺如式(19)、(20)、(21)所示，

步骤S5：获取三相四线制并网逆变器主电路在αβ0坐标系下具备故障电压支撑能力的参考电流i_αref、i_βref、i_0ref数学模型如式(22)所示；

其中，式中I_p ⁺为正序有功电流幅值、I_p ^-为负序有功电流幅值、I_p ⁰为零序有功电流幅值、I_q ⁺为正序无功电流幅值、I_q ^-为负序无功电流幅值、I_q ⁰为零序无功电流幅值。

接着，参考电流i_αref、i_βref、i_0ref需要满足故障穿越的三个控制目标：即公共耦合点(PCC)处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制；

(1)满足公共耦合点(PCC)处电压优化支撑目标

根据正序、负序和零序网络中基尔霍夫电压定律，为最大程度提高公共耦合点(PCC)处正序电压，降低公共耦合点(PCC)处负序和零序电压分量，逆变器输出的正序无功电流幅值I_q ⁺与正序有功电流幅值I_p ⁺之比、负序无功电流幅值I_q ^-与负序有功电流幅值I_p ^-之比、零序无功电流幅值I_q ⁰与零序有功电流幅值I_p ⁰之比应保持相等，且等于所估计网侧等效阻抗角θ_g的正切值tanθ_g，如式(23)所示

I_q ⁺/I_p ⁺＝I_q ^-/I_p ^-＝I_q ⁰/I_p ⁰＝tanθ_g (23)

此时，正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰如式(24)、(25)、(26)所示

此时，正序电流相位δ_i ⁺、负序电流相位δ_i ^-和零序电流相位δ_i ⁰与公共耦合点(PCC)处正序电压相位δ_v ⁺、负序电压相位δ_v ^-和零序电压相位δ_v ⁰满足式(27)

δ_v ⁺-δ_i ⁺＝θ_g，δ_v ^--δ_i ^-＝δ_v ⁰-δ_i ⁰＝π+θ_g (27)

(2)满足输出有功振荡抑制目标

根据瞬时功率理论，三相四线制逆变器输出瞬时有功功率p的一般式如公式(28)所示，并通过化简得到公式(28)

p＝v·i＝(v⁺+v^-)·(i⁺+i^-)+v⁰·i⁰ (28)

其中，v为三相四线制逆变器输出瞬时电压，i为三相四线制逆变器输出瞬时电流，v⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电压正序分量，v^-为三相四线制逆变器输出瞬时电压负序分量，i⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电流正序分量，i^-为三相四线制逆变器输出瞬时电流负序分量，v⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电压零序分量，i⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电流零序分量。P₀、P_c2和P_s2分别为瞬时有功的直流分量、余弦和正弦二倍频分量。为保证有功振荡抑制，P_c2和P_s2均应等于0，此时正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰将满足式(30)所示的关系

I_m ^-＝u_-I_m ⁺+mu₀I_m ⁰＝(u_-+kmu₀)I_m ⁺ (30)

其中，k为零序电流系数，设为零序电流幅值I_m ⁰与正序电流幅值I_m ⁺的比值；

则零序电流幅值在允许范围内任意取值，给定为

I_m ⁰＝k·I_m ⁺ (31)

(3)满足最大峰值电流限制目标

三相电流幅值I_abcm和中线电流幅值I_nm如式(32)所示

中间变量x₁、x₂、x₃如式(33)所示

其最大值赋予中间变量x如式(34)所示

x＝max{x₁，x₂，x₃} (34)

假设最大峰值电流允许值为I_limit，则可以得到正序电流幅值I_m ⁺满足式(35)

综上所述，通过参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足公共耦合点(PCC)处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制求得I_p ⁺为正序有功电流幅值、I_p ^-为负序有功电流幅值、I_p ⁰为零序有功电流幅值、I_q ⁺为正序无功电流幅值、I_q ^-为负序无功电流幅值、I_q ⁰为零序无功电流幅值，进而求得参考电流i_αref、i_βref、i_0ref。

步骤S6：将参考电流分别与三相四线制并网逆变器主电路实际输出电流i_α、i_β、i₀进行比较，生成αβ0坐标系下的调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref；

通过准比例谐振(proportional resonance controller，PR)控制器、公共耦合点(PCC)电压前馈v_α、v_β、v₀和直流电压归一化U_dcref/2等环节进行闭环跟踪，其传递函数G_PR(s)如式(36)所示

其中，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，ω_c为谐振角频率，ξ为阻尼系数，s为频域。

调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref如式(37)所示

E_αref＝[G_PR(s)·(i_αref-i_α)+v_α]/(U_dcref/2)

E_βref＝[G_PR(s)·(i_βref-i_β)+v_β]/(U_dcref/2) (37)

E_0ref＝[G_PR(s)·(i_0ref-i₀)+v₀]/(U_dcref/2)

其中，U_dcref为直流侧电压参考值。

步骤S7：将E_αref、E_βref、E_0ref通过反Clark变换得到abc坐标系下三相半桥IGBT模块S₁～S₆调制波电压E_aref、E_bref、E_cref和第四桥臂IGBT模块S7～S8调制波电压E_nref如式(38)、(39)所示

E_nref＝E_aref+E_bref+E_cref (39)

步骤S8：利用DSP28335核心控制器的PWM模块分别产生三相半桥IGBT模块S₁～S₆和第四桥臂IGBT模块S₇～S₈的驱动信号；

步骤S9：返回步骤S1并继续执行以上步骤。

在一种具体的实施方式中，本发明实施例提供了一种含三相四线制逆变器对微电网故障电压最大支撑及其输出有功振荡的控制效果如图3所示，图3(a)为电网侧等效电压v_gabc的波形，以A相接地故障为例，其电压跌落深度为50％；图3(b)为公共耦合点(PCC)处电压v_abc的波形，可以看出v_abc相比于v_gabc各相电压幅值均有大幅提高；图3(c)为三相四线制逆变器输出三相及中线电流i_abcn的波形，可以看出，其最大相电流满足峰值电流约束的条件；图3(d)为三相四线制逆变器输出瞬时有功功率p和无功功率q的波形，可以看出，瞬时有功功率p中不存在任何振荡分量；图3(e)为公共耦合点(PCC)处总电压不平衡度u_t与电网侧总电压不平衡度u_gt的对比波形，可以看出，该方法注入的正序、负序和零序电流能有效减小PCC电压不平衡度。

本发明提出了一种含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，实施对象为三相四线制逆变器并网系统，重点针对低压微电网故障期间电压支撑不够、输出有功振荡、相电流幅值过流等问题进行解决。根据所提具备故障电压支撑能力的通用型参考电流表达式，分别利用序电压优化支撑目标来获取正序、负序和零序电流分量的精准相位关系，利用输出有功振荡抑制以及最大峰值电流限制等目标来获取各序电流分量的幅值大小。一方面，可实现三相三线制系统中不具备的功能，即注入零序电流来减小公共耦合点(PCC)处零序电压分量，提高故障电压支撑能力；另一方面，在相电流约束条件下合理设计负序电流与正序电流及零序电流幅值之间的关系，使其满足输出有功振荡的条件，有效提升了含三相四线制逆变器的微电网不对称故障穿越能力。

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。

Claims (8)

1.含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述含三相四线制逆变器的微电网包括控制系统、三相四线制并网逆变器主电路、微电网等效电路；

所述控制系统用于获取公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号，并对公共耦合点处的电压信号和三相四线制逆变器的输出电流信号进行计算分析，得到驱动信号；

所述三相四线制并网逆变器主电路用于执行驱动信号的动作，实现相应故障穿越功能；

所述微电网等效电路用于简化逆变器支撑故障电压策略的分析；

所述方法具体包括步骤：

步骤S1：利用所述控制系统中的调理电路采集公共耦合点处电压v_abc和三相四线制逆变器输出电流i_abc，并利用对称分量法获取电压v_abc正序分量v_a ⁺、v_b ⁺、v_c ⁺，负序分量v_a ^-、v_b ^-、v_c ^-，零序分量v⁰，并求得正序分量无功电压v_a⊥ ⁺、v_b⊥ ⁺、v_c⊥ ⁺，负序分量无功电压v_a⊥ ^-v_b⊥ ^-v_c⊥ ^-，零序分量无功电压v_⊥ ⁰；

步骤S2：利用等幅值Clark变换获取公共耦合点处αβ0坐标系下电压正序分量v_α ⁺、v_β ⁺，负序分量v_α ^-、v_β ^-，及正序分量无功电压v_α⊥ ⁺、v_β⊥ ⁺，负序分量无功电压v_α⊥ ^-、v_β⊥ ^-，及输出电流i_abc在αβ0坐标系下的分量i_α、i_β、i₀；

步骤S3：利用所述控制系统中DSP28335核心控制器的故障检测单元获取公共耦合点电压的各相幅值V_am、V_bm、V_cm，然后将电压各相幅值V_am、V_bm、V_cm与额定电压幅值V_N比较判定微电网是否发生故障；

步骤S4：当步骤S3判定为微电网发生故障时，获取故障类型系数m，负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀以及正序、负序与零序电压相位差δ_v ^+-、δ_v ^-0、δ_v ⁰⁺；

步骤S5：获取三相四线制并网逆变器主电路在αβ0坐标系下具备故障电压支撑能力的参考电流i_αref、i_βref、i_0ref；

步骤S6：将参考电流i_αref、i_βref、i_0ref分别与三相四线制并网逆变器主电路实际输出电流i_α、i_β、i₀进行比较，生成αβ0坐标系下的调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref；

步骤S7：将E_αref、E_βref、E_0ref通过反Clark变换得到abc坐标系下三相半桥IGBT模块S₁～S₆调制波电压E_aref、E_bref、E_cref和第四桥臂IGBT模块S₇～S₈调制波电压E_nref；

步骤S8：利用DSP28335核心控制器的PWM模块分别产生三相半桥IGBT模块S₁～S₆和第四桥臂IGBT模块S₇～S₈的驱动信号；

步骤S9：返回步骤S1并继续执行以上步骤。

2.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述步骤S1中正序分量无功电压v_a⊥ ⁺、v_b⊥ ⁺、v_c⊥ ⁺，负序分量无功电压v_a⊥ ^-v_b⊥ ^-v_c⊥ ^-，零序分量无功电压v_⊥ ⁰具体为

v_⊥ ⁰＝v⁰·e^-j90°

其中，e^-j90°为对应电压将滞后90度。

3.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

公共耦合点处电压v_abc的各相幅值V_am、V_bm、V_cm为

其中，e^-j90°为对应相电压滞后90度；

若各相幅值V_am、V_bm、V_cm均≥0.9V_N，故障检测单元输出故障标志位Flag_f置0；

若各相幅值V_am、V_bm、V_cm中有一相或者多相＜0.9V_N，则故障检测单元输出故障标志位Flag_f置1，并获取公共耦合点电压v_abc的正序分量幅值V_m ⁺、负序分量幅值V_m ^-和零序分量幅值V_m ⁰为

4.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，步骤S4具体为：

当微电网常见接地短路故障时，若为单相接地故障，此时故障类型系数m＝1；若为两相接地故障，此时故障类型系数m＝-1；

负序电压不平衡度u_-和零序电压不平衡度u₀为：

电压正序分量相位δ_v ⁺和电压负序分量相位δ_v ^-的相位差δ_v ^+-为：

电压负序分量相位δ_v ^-和电压零序分量相位δ_v ⁰的相位差δ_v ^-0为：

电压零序分量相位δ_v ⁰和电压正序分量相位δ_v ⁺的相位差δ_v ⁰⁺为：

5.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：

三相四线制并网逆变器主电路在αβ0坐标系下具备故障电压支撑能力的参考电流i_αref、i_βref、i_0ref模型为

通过参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足故障穿越的公共耦合点处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制控制目标，求得正序有功电流幅值I_p ⁺、负序有功电流幅值I_p ^-、零序有功电流幅值I_p ⁰、正序无功电流幅值I_q ⁺、负序无功电流幅值I_q ^-、零序无功电流幅值I_q ⁰，进而求得参考电流i_αref、i_βref、i_0ref。

6.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：通过准比例谐振控制器、公共耦合点电压前馈v_α、v_β、v₀和直流电压归一化U_dcref/2等环节进行闭环跟踪，其传递函数G_PR(s)为：

其中，K_p为比例系数，K_r为谐振系数，ω_c为谐振角频率，ξ为阻尼系数，s为频域；

则调制波电压E_αref、E_βref、E_0ref为

E_αref＝[G_PR(s)·(i_αref-i_α)+v_α]/(U_dcref/2)

E_βref＝[G_PR(s)·(i_βref-i_β)+v_β]/(U_dcref/2)

E_0ref＝[G_PR(s)·(i_0ref-i₀)+v₀]/(U_dcref/2)

其中，U_dcref为直流侧电压参考值。

7.根据权利要求1所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述步骤S7中三相半桥IGBT模块S₁～S₆调制波电压E_abcref为

第四桥臂IGBT模块S₇～S₈调制波电压E_nref为

E_nref＝E_aref+E_bref+E_cref。

8.根据权利要求5所述的含三相四线制逆变器的微电网故障电压优化支撑方法，其特征在于，所述故障穿越的公共耦合点处电压优化支撑、输出有功振荡抑制和最大峰值电流限制控制目标确定参考电流i_αref、i_βref、i_0ref具体为：

(1)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足公共耦合点处电压优化支撑目标

根据正序、负序和零序网络中基尔霍夫电压定律，逆变器输出的正序无功电流幅值I_q ⁺与正序有功电流幅值I_p ⁺之比、负序无功电流幅值I_q ^-与负序有功电流幅值I_p ^-之比、零序无功电流幅值I_q ⁰与零序有功电流幅值I_p ⁰之比应保持相等，且等于所估计网侧等效阻抗角θ_g的正切值tanθ_g，即

I_q ⁺/I_p ⁺＝I_q ^-/I_p ^-＝I_q ⁰/I_p ⁰＝tanθ_g (1)

最大程度提高了公共耦合点处正序电压，降低了公共耦合点处负序和零序电压分量；

此时，正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰为

此时，正序电流相位δ_i ⁺、负序电流相位δ_i ^-和零序电流相位δ_i ⁰与公共耦合点处正序电压相位δ_v ⁺、负序电压相位δ_v ^-和零序电压相位δ_v ⁰满足

δ_v ⁺-δ_i ⁺＝θ_g,δ_v ^--δ_i ^-＝δ_v ⁰-δ_i ⁰＝π+θ_g (5)

(2)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足输出有功振荡抑制目标

根据瞬时功率理论，三相四线制逆变器输出瞬时有功功率p为：

p＝v·i＝(v⁺+v^-)·(i⁺+i^-)+v⁰·i⁰ (6)

其中，v为三相四线制逆变器输出瞬时电压，i为三相四线制逆变器输出瞬时电流，v⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电压正序分量，v^-为三相四线制逆变器输出瞬时电压负序分量，i⁺为三相四线制逆变器输出瞬时电流正序分量，i^-为三相四线制逆变器输出瞬时电流负序分量，v⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电压零序分量，i⁰为三相四线制逆变器输出瞬时电流零序分量；

进一步化简得到

P₀、P_c2和P_s2分别为瞬时有功的直流分量、余弦和正弦二倍频分量；

P_c2和P_s2均等于0，此时正序电流幅值I_m ⁺、负序电流幅值I_m ^-和零序电流幅值I_m ⁰将满足式

I_m ^-＝u_-I_m ⁺+mu₀I_m ⁰＝(u_-+kmu₀)I_m ⁺ (8)

其中，k为零序电流系数，设为零序电流幅值I_m ⁰与正序电流幅值I_m ⁺的比值；

则零序电流幅值在允许范围内为

I_m ⁰＝k·I_m ⁺ (9)

(3)参考电流i_αref、i_βref、i_0ref满足最大峰值电流限制目标

中间变量x₁、x₂、x₃为

其最大值赋予中间变量x为

x＝max{x₁,x₂,x₃} (11)

设最大峰值电流允许值为I_limit，则可以得到正序电流幅值I_m ⁺满足式(12)

综合式(1)至(12)求得正序无功电流幅值I_q ⁺、正序有功电流幅值I_p ⁺、负序无功电流幅值I_q ^-、负序有功电流幅值I_p ^-、零序无功电流幅值I_q ⁰、零序有功电流幅值I_p ⁰，进而求得参考电流i_αref、i_βref、i_0ref。

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