CN116054148B - 一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，选用级联H桥型柔性限流器作为辅助应急型微网故障穿越的设备，通过电容耦合串联接入外部配网与应急型微网的PCC之间，对设备器件进行参数设计；在多同步旋转坐标系下，通过将dq⁺¹坐标系的旋转角频率设定为电网工频对应值，提取PCC电压电流的dq轴直流分量，作为双环PI控制器的受控量；针对给定频率与实际电网频率的偏差，推导频率矫正量的数学计算式，基于迭代法对给定频率进行自适应矫正；设计基于幅值反馈的改进双闭环控制策略，作为抑制负序基波和谐波分量的控制方案。本发明有效提高了应急型微网在复杂工况下的故障穿越能力，为逆变型限流装置的多目标控制提供了一种优化方案。

Description

一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法

技术领域

本发明涉及微电网故障穿越技术领域，具体涉及一种柔性限流器的多目标控制方法。

背景技术

在发生灾害情况下，保证重要负荷的持续供电，是电网可靠性研究的一个重点内容。近年来，随着分布式电源装机容量的增长，具有即插即用优势的应急型微电网及其相关技术成为了研究热点，利用应急型微电网进行配网重构，克服了传统配网重构方案因失去外部电源而失效的缺点，能够为重要负荷提供持续性供电。然而，当外部电网发生故障时，微电网出于自身保护的需要将转换为孤岛运行状态，这不符合灾害下重构配网的弹性要求，因此，微电网应具备一定的故障穿越能力，减少脱网事件的发生。

故障限流器因其具有灵活可控性，能够实现调压、限流，提高微网故障穿越能力，且不改变电网结构等优点，因此受到国内外广泛关注。但现有的故障限流器，如超导型限流器因存在着对散热系统依赖性高、动作后恢复时间长等问题，固态型限流器因受限于电力电子器件的耐压和耐流水平等原因，均无法得以广泛应用。随着多级联型变流器的发展，级联H桥型结构的柔性限流器被证实具有更加宽泛的应用前景，其具有的容量大、输出特性好、控制灵活等优势，更加契合灾害下应急型微网的故障穿越场景。

逆变器型电力电子设备的控制往往通过锁相环提取控制电压电流信息，但基于反馈控制的锁相环技术存在着抗干扰能力弱和动态性能差等问题，不适用于电力电子化重构配电网，相比较而言，无锁相环方案则具有优良的抗扰动性以及快速响应能力。现有基于给定频率的无锁相环方案未考虑电网实际频率偏差的影响，或者通过无功反馈进行频率矫正，前者适用性受限，而后者未能去除反馈控制环路，仍存在抗干扰能力差等问题。

谐波分次补偿策略常用于不平衡分量以及谐波分量的抑制，该方法具有输出波形质量优、针对性强等优势，但对于每一次谐波而言，都需要设计双环控制策略，随着谐波量的增加带来参数整定困难以及动态响应慢等问题，不利于谐波抑制功能的扩展。

综上，需要研究应急型微网在谐波不平衡复杂工况下的故障穿越方法，为灾害性停电事故提供一种可行的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种柔性限流器的多目标控制策略，实现对PCC的调压、限流以及有源滤波功能，为提高应急型微网在复杂工况下的故障穿越能力提供一种新思路。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，包括以下步骤：

将CHB-FFCL通过耦合电容串联接入外部电网与PCC之间，将其视为一幅值和相角均可控的受控电压源，基于叠加原理与对称分量原理，辅助应急型微网实现故障穿越；

参考解耦双同步参考坐标系锁相环(decoupled double synchronous referenceframe phase-locked loop,DDSRF-PLL)原理，在多同步旋转坐标系下，直接给定dq⁺¹坐标系的旋转角频率等于电网工频对应值，使其达到同步条件，应用解耦网络，实现无锁相环提取得到各次电压电流的dq轴直流分量，作为柔性限流器完全补偿控制策略的受控量；

针对频率偏差问题，推导频率矫正量的计算式，基于迭代法，实现无需反馈控制环路对旋转坐标系的给定频率进行自适应矫正；

以抑制负序和谐波分量幅值为目标，设计基于幅值反馈的PI控制环路，通过限流器输出电压矢量的幅值与其d轴分量关系，给出限流器输出的dq轴分量计算式，以确保输出矢量的方向与故障电压矢量方向相反；

应用上述所提具有频率自适应矫正能力的无锁相环方案提取各次电压电流的dq轴直流分量，对负序与谐波分量采用基于幅值反馈的改进双环控制策略，而正序基波分量采用典型双环控制方案，据此设计柔性限流器的多目标控制策略，辅助应急型微网在不对称与谐波环境下实现故障穿越。

进一步的，所述基于叠加原理与对称分量原理，应用CHB-FFCL辅助应急型微网实现故障穿越，具体如下：

(1)调压基本原理：

微网并网系统中外部电网发生故障，未接入CHB-FFCL进行补偿时的PCC电压即为故障点f电压：

补偿后PCC电压表达式为：

式中，为CHB-FFCL接入前，外部电网故障时PCC的电压，在不考虑短路点f与PCC间的线路阻抗时，其值为短路点f电压值；/>为CHB-FFCL输出电压；/>为CHB-FFCL输出电压；

通过调节的幅值与相位，以此实现对PCC电压矢量的调节；

(2)限流基本原理

以故障点f发生bc两相短路为例，补偿前故障相短路电流表达式为：

式中：

分别为b、c两相线路的故障电流；/>分别为故障点的正序和负序电流；/>为未发生故障时，f点开路电压；^z∑₍₁₎、^z∑₍₂₎分别为从故障点f看入的正序和负序等效阻抗；

故障时CHB-FFCL投入，相当于在线路中串联一个大小为k倍(0≤k≤1)方向与电源电压相反的电压源，此时故障点f开口电压减低为原来的1-k倍，则补偿后故障相短路电流减小为：

式中：

分别为b、c两相线路的故障电流；/>分别为故障点的正序和负序电流；/>为未发生故障时，f点开路电压；^z∑₍₁₎、^z∑₍₂ ⁾分别为从故障点f看入的正序和负序等效阻抗；k为等效电压源幅值相对于电源电压的比例系数，取值为[0,1]；

(3)有源滤波原理

根据对称分量法，不考虑零序分量情况下，任意不平衡分量可分解成正序、负序各自三相对称分量组成，而各次谐波分量亦属于正序或负序分量，通过控制CHB-FFCL输出电压，产生与负序基波和谐波分量相反的电压矢量进行补偿，实现有源滤波功能。

进一步的，所述基于无锁相环的CHB-FFCL完全补偿控制方案，具体如下：

以故障电流为例进行阐述，电压具有相同形式，根据对称分量法，含有特定次谐波的三相不平衡电流表达式为：

式中，所有参数的上标+1、-1、x分别代表正序基波、负序基波与x次谐波分量(x为绝对值不等于1的整数，正号代表正序，负号代表负序)；I为电流幅值，上标代表其对应的次数；ω为正序基波分量的角频率；φ为电流初相角，上标代表其对应的次数；

经过各次Park变换得到各次dq轴分量表达式如下：

式中，θ'＝ω't，ω'为dq⁺¹坐标系的旋转角速度；ω为正序基波分量的角频率；所有参数上标+1、-1、x分别代表正序基波、负序基波与x次谐波分量(x为绝对值不等于1的整数，正号代表正序，负号代表负序)；I为电流幅值，上标代表其对应的次数；φ为电流初相角，上标代表其对应的次数；[P⁺¹]、[P^-1]和[P^x]分别为正序基波、负序基波和x次谐波的Park变换矩阵；

当同步条件成立，有：

ω′＝ω

此时，各次dq轴分量表达式转换为：

式中，ω为正序基波分量的角频率；所有参数上标+1、-1、x分别代表正序基波、负序基波与x次谐波分量(x为绝对值不等于1的整数，正号代表正序，负号代表负序)；I为电流幅值，上标代表其对应的次数；φ为电流初相角，上标代表其对应的次数；

为达到同步条件，采用直接给定旋转坐标系dq⁺¹的旋转角频率等于电网工频对应角频率的方案，实现无需锁相环提取各次dq轴直流分量作为受控电压电流，以此设计各次分量的双环控制策略，对PCC电量进行幅值和相位的补偿控制。

进一步的，所述基于迭代法的给定频率自适应矫正方法，具体如下：

考虑电网频率偏离工频，偏移量满足：

ω′＝ω-Δω

式中，ω'为dq⁺¹旋转坐标系的给定角频率，Δω为角频率偏移量；

将正序基波和负序基波分别视作1次谐波与-1次谐波，得到x次电流dq轴分量对应的通用表达式为：

式中，Δω为角频率偏移量；ω为正序基波分量的角频率；参数上标x代表x次谐波分量(x为整数，正号代表正序，负号代表负序，其中，+1代表正序基波，-1代表负序基波)；I为电流幅值，上标代表其对应的次数；φ为电流初相角，上标代表其对应的次数；

由该表达式，此时dq轴分量由三个交流振荡量组成，根据国标规定，Δω取值在[-π，π]；且通常x的值不至于过大，因此上式中的交流量在经过低通滤波器时，其第一项交流量得以保留，并被解耦网络视为提取得到的直流量，经过解耦网络，上式对应的解耦表达式为：

式中：

θ′＝(ω-Δω)t；

分别为解耦后x次谐波的d、q轴直流电流估计值；/>分别为未经过解耦的带有交流分量的d、q轴分量；/>分别为正序基波的d、q轴直流分量；/> 分别为负序基波的d、q轴直流分量；

推得电流此时dq轴的直流量估计值为：

推得频率偏差的矫正量计算式为：

式中，Δf为频率偏差量；Δω为角频率偏差量；x表示x次谐波，其对应的初相角为φ^x；分别为解耦后x次谐波的d、q轴直流电流估计值；

得到基于迭代法的给定频率矫正式为：

式中，为经过n次矫正后的设定频率；f⁽⁰⁾为初始给定频率，通常取值为电网工频；Δf⁽ⁿ⁾为/>与电网实际频率之间的偏差矫正量。

进一步的，所述基于幅值反馈控制的改进双环控制策略，具体如下：

提取得到的各次电流幅值为：

电压矢量幅值具有相同表达式；

负序基波以及谐波分量的控制目标值固定为0，则其幅值目标值也固定为0，且在对应的同步旋转坐标系下，电压电流的矢量幅值为直流量，能够通过闭环反馈PI控制器实现无静差控制；

经过幅值反馈控制的输出量需要转换为同步旋转坐标系下的dq轴分量才能进一步转化为输出的abc三相调制波，确定输出电压dq轴分量的表达式如下：

式中，为abc三相静止坐标系下CHB-FFCL输出的三相电压矢量；/>为输出的三相电压矢量与d轴输出电压矢量的夹角；/>和/>分别为无锁相环得到的d、q轴x次电压分量；U^x为x次电压分量的幅值。

进一步的，所述用于提高应急型微网在不对称与谐波环境下实现故障穿越能力的CHB-FFCL多目标控制策略，具体如下：

设定dq⁺¹旋转坐标系角频率为电网工频对应值，即为2π×50，对于电网频率偏离工频50Hz情况，实时计算频率偏差矫正值，基于迭代法修正给定频率，保证多同步旋转坐标系的建立，实现无需锁相环生成同步角，用于支撑控制策略所需的坐标变换；通过解耦网络提取得到各次电压电流dq轴直流分量，作为PI控制器受控量；正序基波电压电流设计dq轴解耦双环控制策略，而负序及谐波分量由于幅值目标值固定为0，采用基于幅值反馈控制的改进双环控制策略；据此形成CHB-FFCL的多目标控制策略，实现对PCC调压、限流以及有源滤波，提高应急型微网故障穿越能力。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明结合电网工频特性，通过给定频率方法实现无锁相环提取各次电压电流dq轴直流分量，克服了锁相环方案的诸多缺陷；提出一种基于数学计算与迭代法的频率矫正方法，与现有相关无锁相环的频率矫正方案相比，无需另外设计反馈控制回路，提高了无锁相环方案频率自适应能力的同时，避免了复杂的参数设计、具有更加快速的动态响应能力；

2、本发明提出一种基于幅值反馈的改进双环控制策略，用于负序基波以及谐波分量的抑制，在控制环节中，无需将dq分量解耦控制，相比较传统dq解耦双环控制具有以下优势：(1)减少了控制器数量，简化了控制器结构，有利于扩展应用于谐波分量增多的场景；(2)无需引入dq解耦前馈，方便控制参数的整定；此外，由于幅值为直流量，所设计PI控制器仍保持着无静差控制特性。

附图说明

图1为本发明原理流程示意图。

图2本发明实施例的级联H桥型柔性限流器结构及其安装位置图。

图3为本发明实施例的CHB-FCL接入示意图。

图4为本发明实施例的柔性限流器故障时等效电路图。

图5为本发明实施例的多同步旋转坐标系示意图。

图6为本发明实施例的用于消除dqⁿ参考坐标轴上m次分量作用的解耦网络。

图7为本发明实施例的幅值反馈控制确定dq轴输出分量的原理图。

图8为本发明实施例的限流器多目标控制策略总体结构框图。

图9为本发明实施例的频率自适应无锁相环方案验证结果之整体电压波形示意图。

图10为本发明实施例的频率自适应无锁相环方案验证结果之局部放大示意图。

图11为本发明实施例的频率自适应无锁相环方案验证结果之频率短矫正量示意图。

图12为本发明实施例的频率自适应无锁相环方案验证结果之设定正序基波旋转坐标系频率示意图。

图13为本发明实施例的频率自适应无锁相环方案验证结果之各次电压dq轴分量提取结果示意图。

图14为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之补偿前PCC电压波形示意图。

图15为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之补偿后PCC电压波形示意图。

图16为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之补偿前微网侧流入故障点电流波形示意图。

图17为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之补偿后微网侧流入故障点电流波形示意图。

图18为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之控制器生成的调制波信号示意图。

图19为本发明实施例的柔性限流器多目标控制策略验证结果之PCC电压电流负序不平衡度示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请见图1，开始；进行级联H型柔性限流器参数设计；再给定dq⁺¹从标轴的旋转角频率为电网工频对应角频率，构建多同步旋转坐标系，参考DDSRF-PLL原理，应用解耦网络提取得到PCC电压电流的各序dq轴直流分量作为受控量；推导频率偏差情况下故障电压电流的解耦表达式，据此推导得到频率偏差的数学计算式，通过迭代法对给定坐标系角频率进行自适应矫正，保证同步条件成立；由提取得到的各序dq轴直流分量，得到负序与此同时谐波分量的幅值，根据同步旋转坐标系下dq轴分量与矢量幅值大小关系，推导得到确定输出的dq轴分量的计算式，据此提出基于幅值反馈的改进双环控制策略，抑制负序与谐波分量；设计CHB-FFCL的多目标控制方案，选取合适控制参数，实现对PCC调压、限流与有源滤波多功能，辅助应急型微网故障穿越；结束。

本发明提供一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，包括以下步骤：

如图2所示，CHB-FFCL采用三相独立的逆变器结构，各相独立控制，旨在减少三相之间的耦合，能够更加灵活地应对三相不平衡故障；其中Ci/Li(i＝1…m)为CHB-FFCL的滤波分压电容和滤波电感；n和m分别表示每相CHB-FFCL的级联数和分压电容数(也称作多重数)；U_dc为H桥逆变器的直流侧电压，由分布式电源提供。通过m个分压电容串联以及n个H桥单元级联，大大减少了加在单个电力电子器件上的压降，也便于限流器容量的扩大；通过电容耦合代替变压器的方式，将CHB-FFCL串联在外部电网与PCC之间，减小了设备体积。

对于各相电路而言，CHB-FFCL等效为一电压幅值和相角均可控的受控电压源，如图3和图4所示，其输出电压为U_C，对于故障点f而言，U_C的方向与微电网电源电压的方向相反，将该输出电压叠加到PCC电压，用于抬升其因外部故障造成的电压跌落程度，微网侧故障电流也因此得以限制。

根据CHB-FFCL结构及实际装配电网故障电压电流水平等条件，设计CHB-FFCL的设备参数，包括滤波电容电感参数、级联数目及多重数目的确定、直流侧电压水平的设置等。

在一般暂态过程中，发电机转速偏离同步转速并不多，电网频率实际上是电力系统中最稳定的变量，且根据国标规定，我国电网标称频率为50Hz，这表明在一般情况下，基波电流旋转角频率为已知量，因此，通过预设dq+1轴旋转角频率与电网工频换算得到的旋转角频率相等，以此保证旋转坐标系与各次电流矢量同步旋转，从而在无需锁相环的情况下构建如图5所示多同步旋转坐标系，通过各次Park变换，将abc三相静止坐标系下的各次电压电流映射到各次的同步旋转坐标系下，此时，各次dq轴分量现为对应次数电流投影的直流量和其他次数电流分量映射的交流量之和，由此可知，各次电压电流dq轴上交流振荡量为其他次数电压电流的耦合导致，可通过图6所示解耦网络消除该振荡量，提取得到各次电压电流的dq轴直流分量。

所提无锁相环策略的实现前提为给定旋转坐标系角频率ω'与电网基波角频率ω相同，这要求电网工频为50Hz且保持恒定；根据GB/T 15945—2008《电能质量电力系统频率偏差》规定：在电力系统正常运行条件下，我国电网的标称频率为50Hz，大容量电网频率偏移不能超过±0.2Hz，小容量电网频率偏移可以放宽到±0.5Hz，即给定频率与电网频率存在偏差，无锁相环策略需进行频率自适应矫正改进；在偏差情况下，通过对应的解耦表达式，表明解耦网络仍具备有效性，经过多重解耦输出的直流量估计值包含着频率偏差量，经过数学运算，得到频率偏差量的计算式为：

考虑到实际电网正序基波电流通常不为零，因此本实施例采用正序基波电流进行给定频率矫正量的计算，即取上式中的x为1；在未对给定频率进行反馈控制的情况下，直接将每次计算得到的校正量叠加到初始给定频率会导致设定频率的大幅度振荡；因此在进行频率矫正时，矫正量应仅在第一次叠加到初始给定频率，之后则叠加到上一次修正后的频率，其矫正过程为一迭代过程，即：

式中，为经过n次矫正后的设定频率；f⁽⁰⁾为初始给定频率，通常取值为电网工频；Δf⁽ⁿ⁾为/>与电网实际频率之间的偏差矫正量。

有源滤波器的控制常采用分次控制策略，但对于该策略而言，每一次电压电流都存在着双环控制回路，且都引入解耦前馈，在控制器设计时，难以整定控制参数；同时，过多的PI控制器也对系统的响应速度造成影响；通过分析可知，采用无锁相环时，正序基波分量的d、q轴指令电压电流取决于电网正常时同步旋转坐标轴与正序基波矢量的相对角度，而其他次d、q轴指令电压电流则固定不变为0，所以，其幅值目标值也固定为0，对幅值进行反馈控制更易于控制器设计；经过幅值反馈控制的输出量需要转换为同步旋转坐标系下的dq轴分量才能进一步转化为输出的abc三相调制波，确定电压dq轴分量的原理如图7所示，以电压矢量位于dq^x坐标系第I象限为例进行分析，在同步旋转坐标系下，电压矢量与d^x轴保持固定角度Δθ^x旋转，为了抑制谐波电压矢量/>需要输出与其方向相反且同步旋转的电压矢量/>由图7可知，当/>满足条件时，其与-d^x轴保持固定夹角/>旋转，且有：

则在dq^x同步旋转坐标系下，确定输出电压dq轴分量的表达式如下：

由此得到本发明实施例的CHB-FFCL多目标控制策略总体结构框图如图8所示，具体控制步骤如下：

S1：实时对微网外部电网状态进行监测，若外部电网发生短路故障，控制CHB-FFCL快速投入工作；

S2：初步设定多同步旋转坐标系的dq⁺¹轴旋转角频率为100π，生成多同步旋转坐标系，通过各次Park变换以及解耦网络多重解耦，提取得到各次PCC电量的dq轴直流估计量；

S3：将PCC正序基波电压或电流的dq轴直流估计量代入频率偏差量计算式，将该计算结果作为下一次频率偏差的矫正值，叠加到初步设定的频率进行初次迭代修正，若电网频率未偏离工频，则该矫正值为0，修正后的设定频率仍为初始设定频率，否则，设定频率发生变化，以此修正值作为下一次控制周期的给定频率；

S4：通过PCC负序基波和谐波分量的直流估计值，计算得到各自幅值量，作为幅值反馈控制双环控制的受控量，负序和谐波的双环控制幅值目标值均设为电压幅值为0，经过电压外环以及电流内环的幅值PI控制，得到用于抑制不平衡与谐波分量的输出电压幅值，通过提取得到的各次dq轴直流量，计算得到输出的电压dq轴分量，经过各次Park反变换，得到用于抑制负序与谐波分量的驱动信号；

S5：正序基波分量由于dq轴目标值取决于电网正常时CHB-FFCL开机时无锁相环生成的dq⁺¹轴与PCC电压矢量夹角，因此，不宜采用幅值反馈控制，设计经典dq轴解耦双环控制策略对PCC正序分量进行控制；

S6：将各次电压的控制输出进行叠加，作为CHB-FFCL的多目标驱动信号，通过载波移相PWM技术，驱动CHB-FFCL输出合适电压，实现对PCC电压电流控制，提高应急型微网的故障穿越能力。

具体实施方式：

在本实施例中，设置如图9、10所示模拟电网发生复杂故障时的电压波形，在0-2s内，电网不发生故障正常运行，从2s开始叠加上幅值为0.3p.u.三次谐波电压和幅值为0.6p.u.的负序基波电压分量，其中，前者初相角为30°，后者-30°；在4-8s内，电网基波频率降低至49.5Hz；8-10s内基波频率升至50.5Hz；对该三相电压信号进行各次电压dq轴分量提取。

图11为计算得到的相对于基波旋转坐标系初始给定频率的频率矫正量，可以看出，计算得到的矫正量能够准确地反映给定频率与电网实际频率偏差。在6s时开始进行矫正，将计算得到的矫正量通过迭代法修正频率，得到的设定频率如图12所示，可以看出，开始矫正后，设定频率能够快速跟踪实际电网频率。基于设定频率，无锁相环方法提取得到的各次电压dq轴分量如图13所示，可以看出，当给定初始频率与电网频率一致时，无锁相环方法能够准确、快速地提取得到各次电压dq轴分量(0-4s时间段)；而当两者频率不一致时(4-6s)，提取得到的dq轴为交流量，PI控制器无法对其实现无静差控制；在6s时刻对设定频率进行矫正，可以看出，频率调整后提取得到的dq轴分量为直流量且与同步时一致，验证了频率矫正方案的有效性；在8s时刻，电网频率由49.5Hz突变到50.5Hz(仍在国标规定变化范围内)，此时设定频率也快速调整到50.5Hz，保证了同步条件，验证了所提频率矫正方案的自适应能力。

在本实施例中，搭建如图2所示模拟灾害事故下的重构配网系统，表1为系统主要参数，系统采用三相三线制供电，应急型微网系统仅考虑储能供电方式运行；在0.3s时，配电网侧f点发生bc两相短路故障，故障发生0.05s后，在PCC与故障点之间叠加一幅值为0.3p.u.、初相角为0°的3次谐波电压，上述所有故障在0.4s时得以清除；由图14、16可以看出，不对称故障造成了PCC电压的不平衡跌落与电流的不平衡升高，在谐波侵入后，电压电流波形发生严重畸变；由于此时短路故障存在，谐波源到短路点通路变短，从而使短路过电流继续增大，威胁电网系统安全运行，不利于应急型微网并网运行。

在故障时投入CHB-FFCL，故障结束0.02s后切出；由图18可以看到，故障发生时，控制器迅速作用，生成SPWM调制信号，且调制波信号也为不对称信号，不对称相与配网侧故障一致，在谐波侵入后，迅速调整为带谐波含量的不对称信号；当谐波侵入阶段(0.35-0.4s)，经过分次反馈控制与叠加，生成带谐波分量的调制波信号；根据该调制波，驱动CHB-FFCL进行补偿输出，得到如图15、17所示补偿后的PCC电压电流波形，可以看到，补偿后电压电流均恢复到接近正常状态水平，实现幅值和相位补偿，且通过对比图14、16可知，在故障消失(0.4s)后，CHB-FFCL能够辅助电网更快恢复到正常状态；且由图19，测得的电压电流负序不平衡度均在国标规定的2％以内，CHB-FFCL输出的波形质量符合电网规定；由此，外部电网故障对PCC造成的影响得以有效隔离，应急型微网能够不脱网继续保持运行状态，实现在不对称与谐波环境下的故障穿越。

表1实施例电网系统主要参数

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，包括以下步骤：

将级联H桥型柔性限流器应用在灾害应急型微电网系统，级联H桥型柔性限流器简称为CHB-FFCL，基于叠加原理与对称分量原理对公共耦合点的电压电流进行补偿，公共耦合点简称为PCC，抑制不对称和谐波分量，提高故障穿越能力，提高应急型微电网在灾害复杂故障环境下对重要负荷的支撑作用；

CHB-FFCL逆变输出端采用电容耦合代替变压器接入电网，减小了设备体积的同时，降低了设备造价，不存在励磁涌流的影响，更加适用于灾害应急型微网的使用条件；

在多同步旋转坐标系下，通过给定基波同步旋转坐标轴的旋转角频率与电网工频对应角频率相等，实现了无锁相环提取正序基波、负序基波和其他谐波在各自同步旋转坐标系下的dq轴直流分量，作为CHB-FFCL控制的受控量；

通过推导无锁相环提取得到的各次序dq轴电气量直流分量的表达式，总结与电网实际频率相关的数学量，据此推导得到给定频率与实际电网频率偏差的数学计算式，通过迭代方式实现旋转坐标系给定频率的自适应矫正，保证电网频率波动环境下同步条件的成立；

设计基于幅值反馈的改进双环控制策略，作为CHB-FFCL抑制负序基波和谐波电压电流的控制环路，正序基波分量采用引入前馈解耦环节的传统双环控制策略，实现对PCC点的调压、限流和有源滤波多目标控制。

2.根据权利要求1所述的一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，基于叠加原理与对称分量原理，将CHB-FFCL的输出用于对PCC电压电流进行补偿，具体如下：

补偿后PCC电压表达式为：

式中，为CHB-FFCL接入前，外部电网故障时PCC的电压，在不考虑短路点f与PCC间的线路阻抗时，其值为短路点f电压值；/>为CHB-FFCL输出电压；

短路点f为bc两相短路，补偿前故障相短路电流表达式为：

式中：

分别为故障点的正序和负序电流；/>为未发生故障时，f点开路电压；^z∑₍₁₎、^z∑₍₂₎分别为从故障点f看入的正序和负序等效阻抗；

补偿后故障相短路电流表达式为：

式中，0≤k≤1。

3.根据权利要求1所述的一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，CHB-FFCL逆变输出端采用电容串联耦合代替变压器接入电网，具体如下：

串联耦合电感与滤波电容组成LC滤波器，对CHB-FFCL输出滤波，由此得到的系统状态方程表达式为：

式中，u_H为逆变器输出电压，u_sys为PCC外部等效电源，即微电网和配电网等效电源；u_PCC和i_PCC分别为PCC电压和电流。

4.根据权利要求1所述的一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，所述在多同步旋转坐标系下，通过给定基波同步旋转坐标轴的旋转角频率与电网工频对应角频率相等，实现无锁相环提取正序基波、负序基波和其他谐波在各自同步旋转坐标系下的dq轴直流分量，作为CHB-FFCL的控制指令目标值，具体如下：

以故障电流为例进行阐述，电压具有相同形式，提取各次电压电流dq轴直流分量的关键在于构建多同步旋转坐标系，为达到同步条件，采用直接给定旋转坐标系dq⁺¹的旋转角频率等于电网工频对应角频率的方案，实现无需锁相环提取各次dq轴直流分量作为受控直流分量；

提取得到的各次电流dq轴分量表达式为：

式中，上标+1、-1、x分别代表正序基波、负序基波与x次谐波分量，x为绝对值不等于1的整数，正号代表正序，负号代表负序；I为对应次电流幅值；ω为正序基波分量的角频率；φ为对应次数电流初相角。

5.根据权利要求1所述的一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，基于迭代法的旋转坐标系给定频率的自适应矫正方法，具体为：

考虑电网频率偏离工频，偏移量满足：ω'＝ω-Δω

式中，ω'为dq⁺¹旋转坐标系的给定角频率，Δω为角频率偏移量；

频率偏差的矫正量计算式为：

基于迭代法的给定频率矫正式为：

式中，为经过n次矫正后的设定频率；f⁽⁰⁾为初始给定频率，取值为电网工频；Δf⁽ⁿ⁾为/>与电网实际频率之间的偏差矫正量。

6.根据权利要求1所述的一种应急型微网在不对称与谐波环境下的故障穿越方法，其特征在于，基于幅值反馈的负序基波与谐波的改进双环控制策略，具体为：

通过对故障电压电流的负序基波与谐波分量的幅值进行双环PI反馈控制，得到三相静止坐标系下的输出电压，进一步转换为dq旋转坐标系下的直流量进行输出，确定CHB-FFCL输出的负序与谐波电压dq轴分量的表达式为：

式中，为abc三相静止坐标系下CHB-FFCL输出的三相电压矢量；/>为输出的三相电压矢量与d轴输出电压矢量的夹角；/>和/>分别为无锁相环得到的d、q轴x次电压分量；U^x为x次电压分量的幅值。