CN117674033A - 一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，属于三相逆变电源故障控制领域，该方法采用基于无故障线电压支撑的三相逆变器相间短路故障控制策略，能实现无故障线电压的支撑以保证无故障负载的高质量供电，同时实现了继电保护所需的大故障电流馈入。该短路控制策略在非对称短路故障情况下实现了对无故障负载的低短路故障感知，显示了电力电子供电系统优于传统同步电机系统的故障控制性能。此外，该故障控制策略可直接应用于各类三相逆变电源，具有广泛的应用前景。

Description

一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法

技术领域

本发明属于三相逆变电源故障控制领域，更具体地，涉及一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法。

背景技术

三相逆变电源是一种将直流电源转换为三相交流电源的电力电子装置，它可以用于实现分布式发配电系统的并网(PQ模式)或孤岛供电(V/f模式)。孤岛供电系统是指在公共电网故障或断开时，分布式发配电系统能够继续为局部负载提供稳定的电能，这增强了电网的可靠性和灵活性，提高了电能质量和供电安全，避免了大面积停电的风险，保障了重要负载的正常运行。然而，孤岛供电系统也存在一些问题和挑战，其中最严重的是短路故障。短路故障是指由于导线、负荷或元件之间发生意外接触或击穿而造成的异常大电流现象。若三相逆变电源不进行短路故障控制将导致变换器输出过压、过流或过温，损坏逆变器内部的功率器件、驱动器件或控制器件，甚至引发火灾或爆炸，最终使得系统陷入供电瘫痪状态。为了解决短路故障对孤岛供电系统的危害，需要在该系统下实施短路故障控制。

V/f模式下变换器的常见短路控制流程如下。在无故障条件下，变换器以正常控制模式运行。在短路故障情况下，变换器切换至电流限制控制模式。变换器在电流限制控制模式下工作时，除了与继电保护装置配合输出故障电流以实现对供电系统的选择性保护外，还需要提供供电系统所需的电压支持，以确保负载和并网设备的连续运行。短路故障排除后，变换器从电流限制控制模式返回正常控制模式。

然而，在三相三线制供电系统中，负荷相当于三角形连接。其中性点通常不接地或通过消弧线圈接地，这与低压系统有很大不同。现有三相逆变电源的短路故障控制策略均无法同时实现最大化故障电流输出与非故障负荷可靠供电这两项控制目标，由此可见，三相逆变电源在短路故障下的供电可靠性有待提高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，能够同时实现最大化故障电流输出与非故障负荷可靠供电，提高三相逆变电源在短路故障下的供电可靠性。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，包括：

当所述短路故障为相间不对称短路故障时：

设故障线电压为u_zx，利用无故障线电压u_xy的参考值u_xy ^*对u_xy进行电压闭环控制，输出对应的无故障负荷的电流参考值i_xy ^*；；

将i_xy ^*输入至SOGI滤波器生成一组正交分量i_{xy_d} ^*和i_{xy_q} ^*；根据公式确定非故障相的电流参考值i_y ^*，根据公式/>确定故障相的电流参考值i_x ^*、i_z ^*；其中，θ为i_xy ^*与另一个无故障负荷的电流参考值i_yz ^*之间的相差角的一半；/>γ为故障负荷的电流参考值i_zx ^*与i_xy ^*之间的相角；若所述短路故障为ab相间短路故障，则z＝a，x＝b，y＝c；若所述短路故障为bc相间短路故障，则z＝b，x＝c，y＝a；若所述短路故障为ca相间短路故障，则z＝c，x＝a，y＝b；

利用i_x ^*、i_y ^*、i_z ^*进行三相电流闭环控制；

当所述短路故障为相间对称短路故障时：

根据公式确定故障相的电流参考值/>并利用进行三相电流闭环控制。

按照本发明的第二方面，提供了一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制系统，其包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。

按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，采用基于无故障线电压支撑的三相逆变器相间短路故障控制策略，能实现无故障线电压的支撑以保证无故障负载的高质量供电，同时实现了继电保护所需的大故障电流馈入。该短路控制策略在非对称短路故障情况下实现了对无故障负载的低短路故障感知，显示了电力电子供电系统优于传统同步电机系统的故障控制性能。此外，该故障控制策略可直接应用于各类三相逆变电源，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为三相三线制独立供电系统的典型结构；

图2为本发明实施例提供的基于无故障线电压支撑的三相逆变器相间短路故障控制策略示意图；

图3为本发明实施例提供的基于无故障线电压支撑故障控制目标下三相电压电流相量图；

图4为SOGI滤波器伯德图；

图5为本发明实施例提供的计算U_xy的框图；

图6为本发明实施例提供的计算I_zx的框图；

图7为本发明实施例提供的计算U_zx的框图；

图8为本发明实施例阻感性负荷相间不对称短路故障仿真波形图；

图9为本发明实施例纯阻性负荷相间不对称短路故障仿真波形图；

图10为本发明实施例纯阻性负荷相间对称短路故障仿真波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，采用基于无故障线电压支撑的三相逆变器短路控制策略，其中，包括相间不对称短路控制模式与相间对称短路控制模式两种故障控制模式。

三相三线制独立供电系统的一种代表性结构如图1所示，直流母线(DC Bus)、线路断路器(CB)和多个负载(load)是三相独立供电系统的主要组成部分。为了保证负载的可靠供电，功率需要从直流侧单相流向负载。三相三线制独立供电系统通常采用小电流接地方式，其三相中性点不接地或通过消弧线圈接地装置进行接地。在单相接地故障发生时，小电流接地方式可以继续运行两至三小时。由此可见，在三相三线制独立供电系统中，只存在两种类型的短路故障：相间不对称短路故障和相间对称短路故障。在三相三线制供电系统中，每路负荷等效连接在相间，因此在相间不对称短路下存在两个无故障负荷与一个故障负荷。基于无故障线电压的高可靠供电的故障控制目标要求无故障负荷的供电质量不受短路故障影响，故障相最大化输出电流以满足系统继电保护需求。

在相间不对称短路控制模式下，故障控制策略分为无故障线电压闭环控制、三相电流参考值计算环节和电流闭环控制三个部分：

无故障线电压闭环采用准比例谐振控制器对一路无故障线电压进行闭环控制；无故障线电压闭环的输出作为无故障负荷的电流参考值，作为三相电流参考值计算环节的输入；

三相电流参考值计算环节根据无故障负荷的电流参考值、负载阻抗、故障阻抗、无故障线电压幅值与故障相限流值产生三相输出电流参考值；

三相输出电流参考值被送入电流闭环以实现电流闭环控制。

在相间对称短路下，由于系统不存在无故障线电压，因此在相间对称短路故障控制模式中仅三相电流参考值计算环节和电流闭环生效，三相电流幅值被限制在故障相限流值。

进一步地，本发明所提出的基于无故障线电压支撑的三相逆变器相间短路故障控制策略如图2所示。图中T₁和T₂用于切换不同的控制状态，如下所示

相间短路故障控制策略分为无故障线电压闭环控制、三相电流参考计算环节和电流闭环控制三个部分。电流闭环控制既适用于正常控制状态，也适用于短路故障控制状态，即未发生故障时在正常控制模式下的三相电流闭环控制与相间不对称短路控制模式下的三相电流闭环控制共用同一个控制结构，该控制结构的类型有多种控制结构，如基于abc坐标系的控制结构，基于dq坐标系的控制结构、基于αβ坐标系的控制结构等。相间不对称短路控制模式下的无故障线电压闭环控制结构和三相电流参考值计算环节与上述电流闭环控制结构的坐标系可相同也可以不同，不同时，将相间不对称短路控制模式下计算得到的三相电流参考值进行坐标变换，使其与电流闭环控制结构的坐标系相同即可。

作为示例，本发明实施例仅展示一种供参考，本发明实施例提供的控制方案是在abc和αβ坐标系下建立的(即相间不对称短路控制模式下的无故障线电压闭环控制结构及三相电流闭环控制结构与正常模式下的三相电流闭环控制结构均是在abc和αβ坐标系下建立)，即所有被控变量都是正弦信号。因此，所有的控制器都是准比例谐振(QPR)控制器，以实现被控信号的无静差跟踪。QPR控制器的传递函数下

式中k_pro和k_res分别为QPR控制器的比例系数和谐振系数。ω_res为QPR控制器的谐振频率。ω_c与控制器的带宽有关，设为2πrad/s。

当供电系统发生相间不对称短路故障时，采用相间不对称短路故障控制模式，假设无故障线电压分别为u_xy和u_yz，则故障线电压为u_zx。值得注意的是，假如供电系统发生ab相间短路故障，则z＝a，x＝b，y＝c；假如系统发生bc相间短路故障，则z＝b，x＝c，y＝a；假如系统发生ca相间短路故障，则z＝c，x＝a，y＝b。各个三相变量之间的相量图如图3所示，i_yz滞后于i_xy，i_xy滞后于i_zx。

1、无故障线电压闭环控制

由当供电系统发生相间不对称短路故障时具有两路无故障线电压，无故障线电压闭环的被控变量可以为任一路无故障线电压，即当故障线电压为u_zx时，无故障线电压闭环的被控变量可以为u_xy或u_yz。本实施例以无故障线电压闭环的被控变量为u_xy为例进行说明。

无故障线路电压闭环被控变量为u_xy,参考值为u_xy ^*(u_xy ^*的幅值为额定线电压，相位可根据实际情况设定)，QPR控制器输出为i_xy ^*。

2、三相电流参考值计算环节

由上述分析可知，当发生相间不对称短路故障时，存在两个无故障负荷与一个故障负荷，一个非故障相与两个故障相。因此，在相间不对称短路故障控制模式下，三相电流参考值包括一个非故障相的电流参考值与两个非故障相的电流参考值。

首先计算非故障相的电流参考值i_y ^*。

将i_xy ^*通过SOGI滤波器生成一组正交分量i_{xy_d} ^*和i_{xy_q} ^*。SOGI滤波器的频率响应如图4所示，i_{xy_d} ^*与i_xy ^*保持同相位，i_{xy_q} ^*滞后i_xy ^*90°，所有变量经过SOGI滤波器的两路输出均有这一性质。假设i_xy ^*＝I_xy ^*sin(θ_ixy)，θ_ixy为i_xy ^*的相位角，它们之间的关系可以表示为

其中I_xy ^*是i_xy ^*的幅值。

计算i_xy ^*与i_yz ^*之间的相位差2θ，如图3所示，以得到无故障相电流i_y ^*。

其中，由于三相负载具有对称性，因此i_xy ^*与i_yz ^*之间的相位差与u_xy ^*与u_yz ^*之间的相位差相同，均为2θ；将i_xy ^*滞后2θ后可得i_yz ^*，进而无故障相电流可被计算为i_y ^*＝i_yz ^*－i_xy ^*。

θ的计算公式如下所示

其中，上式各项系数为 R_L和X_L分别为无故障负荷的电阻与感抗，R_f和X_f分别为故障负荷的电阻与感抗。I_Fault为故障相限流设定值。U_xy无故障线电压的幅值，/>u_{xy_d}与u_{xy_q}分别为无故障线电压u_xy经过SOGI滤波器后的两路输出，如图5所示。

因此为计算θ，需要获取R_L，X_L，R_f和X_f。由于三相逆变电源在正常控制状态下实时计算输出有功功率和无功功率(P和Q)，且通常三相负载保持对称。因此无故障负载的电阻R_L、感抗X_L和阻抗Z_L可以计算如下

无故障负载的阻抗均在短路故障发生前被计算且记录，在短路故障控制期间保持恒定。

进一步的还需要获取R_f和X_f。无故障负荷Z_xy的电流i_xy为

其中θ_zxy是无故障负荷Z_xy的阻抗角，即图3中与/>的夹角，/>为xy线电压相量，为xy相间电流相量。

故障负荷支路的电流可根据电流定律计算得到

i_zx＝i_xy-i_x (7)

i_zx为故障负荷Z_zx的电流，i_x为x相电流。i_zx经过SOGI滤波器产生i_{zx_d}和i_{zx_q}。I_zx是i_zx的幅值，如图6所示。至此，故障负荷的电阻与感抗R_f和X_f可以被计算为

其中，u_{zx_d}和u_{zx_q}分别是故障线电压u_zx通过SOGI过滤器后的输出。U_zx是u_zx的幅值，如图7所示，Z_L为故障负荷的阻抗。将U_xy，I_Fault，R_L，X_L，R_f和X_f带入(4)可计算sinθ与cosθ，sin(2θ)与cos(2θ)可由如下计算得到：

有关标准规定，电力系统公共连接点的正常电压不平衡允许为2％，短时间内不超过4％。因此，可以认为两个无故障负荷电流I_xy ^*和I_yz ^*相等。i_yz ^*可以认为是i_xy ^*滞后于相位2θ。因此，非故障相电流参考值可以采用以下公式计算：

计算出无故障相电流参考i_y ^*后，需要计算故障相电流i_x ^*。由于故障相需要最大化故障电流以保证系统的继电保护可靠运行，因此i_x ^*的幅值需要被限制在I_Fault。根据图3的相量图可计算相角γ如下

其中θ_zzx是故障负荷Z_zx的阻抗角，即图3中与/>的夹角。

I_zx ^*为i_zx ^*的幅值，图3中相量和/>三者的幅值构成了一个钝角三角形，则根据余弦定理可以构造方程如下

通过求解(12)，可解得I_zx ^*为

因此，可进一步求解i_zx ^*为

根据节点电流定律与基尔霍夫电流定律两个故障相电流i_x ^*和i_z ^*可被计算为

通过将i_x ^*、i_y ^*和i_z ^*经过参考分配并进行αβ变换如下所示

3、电流闭环控制

将i_αF ^*和i_βF ^*送入电流环进行闭环控制，可以实现相间不对称故障下的基于无故障线电压支撑的高可靠供电控制目标。

当供电系统发生相间对称短路故障时，采用相间对称短路故障控制模式，此时三相均为故障相，系统不存在非故障负荷，因此三相电流输出均需要被限制在I_Fault。三相电流的控制目标如下

将三相电流控制目标进行αβ变换可得

i_αsF ^*和i_βsF ^*是图2中αβ坐标系下的相间对称故障的控制目标。

图8-图10分别为本发明所提故障控制策略在不同短路故障下的仿真实验图。三相逆变电源的仿真参数如下：额定容量5kVA，额定交线流电压380V(有效值)，额定相电流7.60A(有效值)，额定直流电压750V。

图8展示了三相逆变电源在阻感性负荷条件(负荷有功功率3kW，滞后无功功率2kVar)下发生ab相间短路故障时的仿真波形。在0.1s-0.4s期间，系统发生短路故障。在短路过程中线电压u_ab迅速跌落，线电压u_bc与u_ca在经历断在调节过程后稳定在与故障前一致水平即额定线电压380V(有效值)，使得无故障负荷的供电不受短路故障影响，实现了其高可靠供电。故障相电流i_b达到故障限流值I_Fault＝16A(幅值)，约1.5倍额定电流幅值，实现了故障电流的最大化输出，这能保证系统继电保护的可靠运行。仿真实验结果充分的证明了本发明所提故障控制策略具备高可靠供电性能。

图9展示了三相逆变电源在纯阻性负荷条件(负荷有功功率3kW)下发生ab相间短路故障时的仿真波形。在0.1s-0.4s期间，系统发生短路故障。在短路过程中线电压u_ab迅速跌落，线电压u_bc与u_ca在经历断在调节过程后稳定在与故障前一致水平即额定线电压380V(有效值)，使得无故障负荷的供电不受短路故障影响，实现了其高可靠供电。由于负荷为纯阻负荷即X_L＝0Ω,故障相电流i_a与i_b均达到到故障限流值I_Fault＝16A(幅值)，约1.5倍额定电流幅值，实现了故障电流的最大化输出，这能保证系统继电保护的可靠运行。仿真实验结果充分的证明了本发明所提故障控制策略具备高可靠供电性能。

图10展示了三相逆变电源在纯阻性负荷条件(负荷有功功率3kW)下发生相间对称短路故障时的仿真波形，由于相间对称故障下系统不存在无故障负荷，因此三相电流都需要限制在I_Fault＝16A(幅值)，约1.5倍额定电流幅值，实现了故障电流的最大化输出，这能保证系统继电保护的可靠运行。由于三相逆变电源在阻感性负荷下发生相间对称短路故障时的仿真波形与纯阻性负荷的十分相似，因此本发明单独对其展开分析说明。

本发明实施例提供一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如上述任一实施例所述的方法。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如上述任一实施例所述的方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制方法，其特征在于，包括：

当所述短路故障为相间不对称短路故障时：

设故障线电压为u_zx，利用无故障线电压u_xy的参考值u_xy ^*对u_xy进行电压闭环控制，输出对应的无故障负荷的电流参考值i_xy ^*；

将i_xy ^*输入至SOGI滤波器生成一组正交分量i_{xy_d} ^*和i_{xy_q} ^*；根据公式确定非故障相的电流参考值i_y ^*，根据公式/>确定故障相的电流参考值i_x ^*、i_z ^*；其中，θ为i_xy ^*与另一个无故障负荷的电流参考值i_yz ^*之间的相差角的一半；/>γ为故障负荷的电流参考值i_zx ^*与i_xy ^*之间的相角；若所述短路故障为ab相间短路故障，则z＝a，x＝b，y＝c；若所述短路故障为bc相间短路故障，则z＝b，x＝c，y＝a；若所述短路故障为ca相间短路故障，则z＝c，x＝a，y＝b；

利用i_x ^*、i_y ^*、i_z ^*进行三相电流闭环控制；

当所述短路故障为相间对称短路故障时：

根据公式确定故障相的电流参考值/>并利用/>进行三相电流闭环控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中， R_L和X_L分别为无故障负荷的电阻与感抗，R_f和X_f分别为故障负荷的电阻与感抗，I_Fault为故障相的限流值，U_xy为无故障线电压u_xy的幅值，/>u_{xy_d}与u_{xy_q}分别为无故障线电压u_xy经过SOGI滤波器后生成的一组正交分量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于， 其中，I_zx为故障负荷的电流i_zx的幅值，U_zx为故障线电压u_zx的幅值，/>u_{zx_d}与u_{zx_q}分别为故障线电压u_zx经过SOGI滤波器后生成的一组正交分量。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电压闭环控制采用基于αβ坐标系的控制结构，所述控制结构中的控制器为准比例谐振控制器；

或，所述电压闭环控制采用基于dq坐标系的控制结构，所述控制结构中的控制器为PI控制器。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三相电流闭环控制采用三相逆变电源在正常模式下的控制结构；

当所述正常模式下的控制结构与所述电压闭环控制的控制结构不同时，在利用i_x ^*、i_y ^*、i_z ^*或进行三相电流闭环控制之前，还包括：

对i_x ^*、i_y ^*、i_z ^*或进行坐标系变换，以将其转换至所述正常模式下的控制结构所采用的坐标系下。

6.一种三相逆变电源短路故障下线电压维持与限流控制系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如权利要求1-5任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如权利要求1-5任一项所述的方法。