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第一章绪论1.1课题研究的背景和意义随着时间的推移,经济和科学的迅速发展,人们对大电网有了更深的认知,让其成为在现在电力供应的主要渠道。但是,过去几年中世界上经常发生一些大面积停电的事故,让人们看出现今的大电网存在许多隐患和不足。,如果发生自然灾害或者紧急情况下,突然停电会对军队,医院,金融等体系造成很大的经济损失,影响社会安定与发展。目前,在电力系统中分布式电电机的数量越来越多,促使分布式发电技术的迅速发展。分布式发电,一般是指利用各种清洁能源,包括风能,太阳能,小型水能等可再生能源生产电力能源。分布式发电非常有灵活性,可以在峰谷电价时启动,降低用电成本。与此同时,边远贫困地区安装一个小型分布式发电设备,可以充分利用当地资源,以避免损失,由于长距离传输,有效提高了系统的可靠性和稳定性。分布式发电还具有较高的机动性,具有投资少,见效快的特点,从而弥补了大型电力系统的稳定性和安全性方面的问题。当地震,水灾,冰灾等自然灾害或意外事故而造成电网奔溃,分布式发电可以继续对一部分用户供电,从而避免大规模的停电给国家造成损失。分布式发电,虽然具有许多优点,但也有不少不足,此外,相比于大电网,分布式电源是不可控源,造成了电网和用户对系统运行,电能质量,可靠性等方面产生巨大的影响,使得并网的规模受到限制。所以往往采取隔离和限制的方式应对分布式电源接入,从而削弱了使用分布式发电的利用率。为了充分利用分布式发电,减少对电网和一些负面影响的冲击,以达到尽可能高的效率和价值。在本世纪初,有专家提出微型电网的概念,称为微网,是指用电力电子器件为可再生能源为主的分布式电源连接起来,用能量转换装置,控制系统,能够供给电力和热能,是一个能够实现自我控制,保护和管理,也能满足用户的电能供应,安全和电能质量的要求,可以并网也可以孤岛运行的小型电网。微电源,主要有水力发电,风力发电,太阳能发电。为了提高微电网的可靠性和电力质量,还含有电能储存装置,如飞轮储能系统,超导存储系统,超级电容器。引入微电网,是对传统的低电压配电网络的保护的一个挑战:辐射状线路的单向潮流方向可能变成双向,使得传统的保护分布式系统不得不退出。同时,在DG中使用,故障电流幅值额定电流通常只有2-3倍。孤岛运行和并网运行都能够做到大电网故障不懂做,对网内故障做出有效的响应,成为了微电网保护的难点和关键。1.2微电网在国内外的研究现状1.2.1国内外对微网的定义和研究方向微电网解决了高渗透率的并网问题,发挥其各种优势,成为一种有效形式,自然越来越受到世界各国的重视和支持,发展潜力巨大。1.美国微网美国在早期提出微电网的概念。在1999年,对于电力可靠性技术解决方案协会(CERTS),第一次完整的对微电网定义:微电网是一个由单一单元控制,能够为用户提供高质量和安全的需要。内部微电网由微电源和负载共同产生电能和热能;微电源产生的能量是由电力电子器件内部所产生;并提出了“即插即用”和“对等”控制的想法和设计,这成为微电网概念的最早和最权威的概念。目前,美国对建模与仿真,保护和控制,以及经济和理论等方面进行了分析,并逐步形成了相关管理政策和法规;同时,美国政府将建立一个“电网现代化”和微电网建设相结合,重点将对研究和开发未来提高重要负荷供电可靠性,以满足不同用户的用电需求,智能化和降低成本。2.日本微电网由于缺乏能源和负荷快速增长的需求,日本重视在其能源结构越来越多的利用非常重视可再生能源。微电网可以发挥分布式电源效率的想法促使微电网在日本的快速发展。日本微电网定义为:根据用户需求,在安装小型分布式能源系统的一些特殊领域,为客户提供电力和热能。他们研究微电网主要分布在能源多样化,能源效率和环境保护的需求。日本政府现在与,国内高校,相关企业与国家重点科研室合作,在利用新能源和可再生能源利用和微电网的发展取得了良好的效果。3.欧盟微电网欧盟研究机构对微电网微型电网的定义是:存储设备;使用的主要能源,通过电力电子能量控制和转换;可冷,热,电三联供;更加注重微型分布式发电设备。欧盟将“智能电网”的方向归为电力系统的发展方向,而微电网本身智能化,多元化的能源利用和环保的优势,已经成为他们研究的重点。目前,不同规模的实验项目建设的跨国公司已经在运行的微电网,控制,通信,防护等安全理论得到了验证,后期会作为示范项目,更先进的控制策略,DG接入和从传统的电网规模过渡到智能电网等。4.中国微电网中国的电网,通过参照微电网国外微电网特性定义的现状和发展趋势的定义是::微电网是一种用传统电源的独立控制系统,由本地分布式能源或者中、小型发电机较大规模的优化配置,为周围负荷提供热能、电能的特殊电网;目的在于满足用户对电能质量和供电安全要求,并且通过利用内部电源和负荷的可控性,实现微电网联网运行和孤岛运行的自我控制;微电网是一个可控的整体单元,可以较好实现并网、孤岛的切换。国家863和973项目中共同开设了微电网研究课题。广州、内蒙古、北京等地通过引入数多国外技术建成了近10座微网系统。1.2.2微电网的保护微电网与多个分布式电源和能量存储装置,彻底改变了分配系统的故障的特性。和在网格和微电网孤岛的两种操作条件,不同大小的短路电流有很大的不同。因此,如何能在一个孤岛和并网断电以响应内部,并在快速感知电网故障的情况下,同时确保保护的选择性,快速性,灵敏性和可靠性是至关重要的。微电网保护克服微网接入传统的配电系统保护带来的影响,同时也能满足新的要求,其中包括保障微电网分配系统,以确保分布式发电能量供应系统中的关键的可靠性。由于微网并网运行和孤岛运行两种工作模式,微电网如何识别公共电网的各种故障,并做出正确的反应,以确定是否需要孤网运行是一个重大问题;另外,微型网的大量功率电子换流器和网络设备的存在也使得电能质量问题更加令人关注。从系统的分布式发电功能的现行做法来看,微电网的保护和控制是分布式发电供能系统的主要技术瓶颈之一。继电器微电网必须遵循两个原则:(1)无论是在孤网运行模式或并网运行模式微电网保护策略必须一致;(2)短路故障,必需迅速清除电源的短路电流。通过电力电子逆变器访问新的微电网,大量的电力电子设备将改变故障电流,故障电流微电网是正常的电流一般不超过2次。因此传统的配电网络的保护装置已不再适用,我们不考虑故障电流的幅。新的保护策略还有待提高。另一个困难是,微网中继电网与公共电网连接(PCC)。微电网具有并联运行和孤立运行模式。微电网通过PCC和公共电网连接,PCC在静态开关和相应的继电保护对微电网保护是一个难点。它必须能准确地判断电网和各种故障做出快速反应来决定是否微电网需要进入孤网运行,实现这两种模式微电网问顺利交接。微电网系统级保护主要目的是确保公共电网运行的永久性故障或微网不符合标准要求,微电网可以快速平滑进入孤网运行,降低接入电网对公共配电网的影响。同时,确保安全微电网过渡到新的稳态运行。微电网系统保护的关键是其与PCC的公用配电网络的交界处。从上面的分析,微网和配电网中继电保护运行的影响主要取决于两个因素:注入配电网短路电流幅度和持续时间。当公共电网运行的永久性故障或微网不符合进入微电网孤立运行所需要的标准,PCC迅速采取行动,能够减少微电网配电网络的不利影响。因此,控制和保护设备安装PCC必须能够检测各种故障情况,准确判断电网,迅速作出反应,决定是否进入微电网孤网运行。微电网单元级保护必须考虑两个方面:处理各种内部微电网故障运行的能力;微电网PCC在转换成孤网运行的外部电网故障,必须确保微电网可以平滑地过渡到新的稳态运行,如果内部的微电网出现故障迅速排除故障,以确保安全,稳定。1.3本文的研究内容第一章讲述了微电网的背景和结构特点,概述了现今微电网保护的研究方向,并且阐述了本文的研究意义。第二章具体介绍了微电网的控制,结构,分类和原理。并且分别介绍了PQ和V/F两种控制方法。第三章着重并针对PQ和V/F控制这两种控制策略下的分布式电源的故障输出特性分析。并且利用PSCAD软件对这两种控制分别搭建微电网仿真模型。第四章对本文概括总结,分析在研究过程中遇到的问题和麻烦。

第二章微电网的控制微网中的为电源有很多种,包括微型燃气轮机、风机、燃料电池、光伏电池和储能电容器等,它的性能特性也不同。例如,对于微型燃气轮机和燃料电池,其输出可人工干预,既为有功功率和无功功率控制,可以实现电压频率控制,微电网孤岛运行时提供电压和频率支持,是一种非间歇微源;以及用于风能,太阳能和其他形式的发电,这是输出功率大大受天气​​的影响具有波动性和间歇性的输出特性。这样的电源一般是恒定功率控制策略,即跟踪最大功率输出目标,电流波形和输出功率由逆变器控制,可以平衡电动机的最大功率与电网输送的功率,以保证可再生能源的利用最大化。2.1微电网的结构从结构上看,微网具有多个是一个负载和DG微电力系统,通过能量管理系统,灵活交流输电系统的控制装置(例如,潮流控制器,电压控制器等)和所述保护装置组成。微电网本身可以是直流或者是交流网络,交流微电网可以是单相或三相系统。它可以连接到一个低压或中压配电网。微网的基本结构示于图2-1中,分布式电源包括光伏发电,微型涡轮机和燃料电池系统,连接到A,B馈线。微电网和电网连接是公共耦合点之间进行的分段设备,以确保大电网故障的快速断开。更简单地说,微网可以被看作是一个电源和控制设备的一个分布式系统,能源管理系统作为控制中心,包含在复杂的内部以及电力质量监测和保护设备,以确保微电网运行可靠,并且响应大电力需求。另一个特点是,该微电网分布式网络可以连接到一个环网,以提高系统的可靠性。因为DG更靠近负载,燃料电池和微动力涡轮机等可用于提高能源效率。燃料电池的蓄电池的安装可产生受控的输出功率,以满足电网或开关瞬态负载需求。风力发电及太阳能发电通常是从风力涡轮机和太阳能电池板跟踪最大功率(功率跟踪的最大点,MPPT)。类似地,风力涡轮机的安装和太阳能发电系统产生控制存储单元可以输出功率,以满足发电和负载的需求。总之,微电网能量的最佳使用提供了机会,可以合理地需要不同的配置,以适应不同地区的发电单元的环境和不同的工作负载,提高使用效率电能和热能的。A,B两馈线故障发生时大电网侧也可以与独立的电网实现断开后,以满足负载或负载敏感不间断本地电源;在C馈线连接一般用电要求不高的非敏感负载,通常直接由大电网供电。图2-1微电网的基本结构微电网运行主要有两个:并网模式和孤岛模式。并网时,主要功能是提供电能和提供本地支持的电压和功率,使用功率电子元件,DG也产生一个可控的无功功率。这可以减少线路损耗,提高整个系统的效率。微电网能量管理系统可以分别为有功功率和无功功率参考值,例如太阳能和风能等DG最大功率输出可以通过MPPT跟踪控制的各个DG进行控制。另一种操作模式孤岛模式,并且它是在微网从电网断开(例如,当一个大电网断电)继续提供电源给本地负载操作模式,以确保孤岛的稳定运行,其内部控制DG我们需要满足以下三个要求:第一,所有的DG能源供应的总和应能满足内网负荷的需求,从而避免通过能力大小损坏设备间共享DG造成负载。第二,可以采用DG电压控制,以确保在电源电压的范围内的所有值。第三,都必须同步和DG微电网频率的控制。取决于控制两种工作模式,以确保微电网的正常操作的方法,每个DG带有一个快速和可靠的孤岛检测技术也很重要。为了确保故障被清除微电网重新进入稳定的大电网,微电网也需要重新同步技术。因为PCC端子电压振幅,频率和相位角,与终端值大电网侧不同。因此,闭合开关前将需要使用同步技术,同步技术是保证平稳过渡。最后,保护微电网是另一个非常重要的问题。不管是大电网侧或内部微电网故障,微电网必须能够迅速作出反应,以新的方案和保护方式,这是因为:(1)传统的分布式系统的保护可能是由于径向微电网结构变化而退出。(2)限留幅值通常只有2-3倍的额定电流,传统的过流保护方法不再适用于微电网。(3)传统的保护由于分布式动力造成严重的影响,每个DG可能会增加故障电流的大小。总之,需要将微电网的保护进行重新配置和故障电流需要重新计算和估计。2.2微电源的分类及原理2.2.1微电源的分类微网的最重要组成部分是为电源,电力电子技术是实现基础,各种微电源接入大都是通过逆变器,响应时间都在毫秒级。控制方式能够依靠本地信息,也可以凭借通信手段。这些微电源三大类(按照并网方式)。(1)直流电源,如燃料电池、光伏电池、直流风机等。其并网方式如图2-2所示。图2-2直流逆变型电源并网示意图2)交直交电源,如微型燃气轮机、变速恒频风机等某些发电形式虽为交流,但不为工频或不恒为工频的微源。其并网方式如图2-3所示。图2-3交直交逆变型电源并网示意图(3)频率的交流电源,如小水电机组,柴油发电机,小型风力等。由于这种电源是电力电子接口和网络采取直接的方式,不具有能够快速调整,因此较少出现在微电网。2.2.2分布式电源的工作原理如图2-4三相电压型逆变器的并网拓扑电路,三相逆变器将等效后的微电源直流输出电压逆变为三相交流电,经过LC滤波后输送到负荷端。其中,、、为滤波器参数,、为线路参数,为逆变器的输出电压,为负载的端电压,为流过电感的电流,为电容中流过的电流,为流向负载和电网的电流之和。图2-4三相逆变器并网拓扑电路典型逆变器的控制方案如图2-5所示,两个级联的控制回路分别为相位控制和幅值控制。它们将现场采集信息和控制信号作为输入,根据相应的控制策略,为PWM控制提供输入,以此来使逆变桥产生阀触发脉冲。图2-5逆变器的控制方案2.3分布式电源的控制方法2.3.1V/F控制微电网在独立的状态,我们需要使用V/f控制模式。微型逆变器本身提供一个参考电压,其参考频率下降特性。在v/f控制模式时,控制模块获取负载电压,然后用参考电压值,并最终由电压闭环控制系统中,变频器产生所需的图3.1所示的具体原则控制信号。V/f控制,使微电源可以被增加或减少相应的功率输出,通过改变其自身的频率和电压,以实现微功率的变化的条件之间的功率共享的变化,以确保电压和频率的稳定。图3.1逆变器的V/f控制原理示意图2.3.2PQ控制在PQ控制,微电源系统注入一个预定值有功功率和无功功率。在控制系统的设计中,先给定一个功率参考值,在选择所述测得的逆变器输出电压的适当坐标变换基准轴坐标变换,可以使得有功分量和无功分量解祸后分别控制,图3.2所示。PQ逆变器控制方法是适合微电网与大型电网运行,当微电网独立运作,采用这种控制的微功率不能提供电压和用于微电网频率的支持,因此,如果动力不足,系统将微电网瓦解后独立运行。图3.2逆变器的PQ控制原理示意图2.4本章小结本章首先介绍了微电网结构的理论基础,对微电源进行了简单的分类并简单的介绍了分布式电源的工作原理。介绍了PQ及V/F两种控制方式,为下章的仿真分析打下理论基础。第三章微源故障特性分析及仿真3.1分布式电源的故障分析3.1.1V/F控制下故障特性分析本节以如图3-1所示的等效电路,以恒压恒频控制的IBDG单独供电的系统为例,进行不同类型故障的理论分析。图3-1IBDG故障分析等效电路图3-1中X、和是连接电抗、输电线路和负载的等效阻抗。是逆变器输出端口电压,U、I目的是保护安装点电压以及电流。下文将对各种不同故障下的情况进行分析1)三相短路故障如果系统中有该故障发生的时候,因为各相对称,所以可以等效成单相电路再分析。当系统再正常工况下,IBDG输出端口保护安装点的电压、电流和IBDG输出功率如式(2-5)。 (2-5)当系统末端有三相金属性接地故障时,IBDG输出端口的电压、电流和功率关系如下所示(2-6)。(2-6)可见,因为系统发生故障时阻抗由()减小至,利用恒压恒频控制的IBDG,是为了保证输出端口的母线电压U不变就会增大输出电流到I,其输出功率也将随I的增大而提升到。每当故障点越接近分布式电源,系统中的等效阻抗会变小,输出电流越大,输出的功率则变大。当输出功率升到最大值,电压、电流与功率的关系如式(2-7),式中为电源输出端口到故障点间等效阻抗。(2-7)因此,当输出功率到后,IBDG就不会持续维持恒压恒频控制,出口电压将下降。阻抗越小,出口电压则越小,电流将会越大。为了使电力电子器件运行的安全性以及稳定性,在逆变器的控制装置里,都会装有一个限流装置。一般当输出电流达到最大后,将不会增大。这时,IBDG的输出功率会随着出口电压的下降随之下降。综上所述,当系统发生三相金属性接地故障时,再V/F控制下IBDG的故障特性就随着故障程度的不同,会分成三段定量的关系:(1)在输出是在功率达到最大之前满足:,IBDG表现出恒压恒频电源,输出功率会随着电流的增大而增大。(2)在输出功率达到最大之后,输出电流变成最大之前满足:,IBDG就是恒功率源。(3)在输出电流达到最大之后,满足:,IBDG呈现出恒流源。由于在上述(2)、(3)的情况下,IBDG出口电压则大幅度的下降,其低电压保护则会马上动作退出运行。2)不对称故障若系统发生单相接地短路和两相相间短路以及两相短路接地的类型的不对称故障时,由于系统的对称性已经被破坏破坏,系统中出现不对称的电流以及电压。在分析过程中,会利用对称分量法以不对称的三相电流以及电压各自分解成三组逐个对称的正、负、零序分量,再利用线性电路迭加原理,对正、负、零序分量分别按照对称三相电路求解,最后将其结果进行迭加。一般取A相作为基准项,其对对称分量与三相向量之间的关系为:(2-8)式中,并且,;正序分量的三相幅值分别相等,相位彼此之间相差,相序为顺时针方向;负序分量的三相幅值也相等,相位彼此之间相差,相序与正序恰好相反;零序分量的三相幅值相等,相位相同。在正常运行的情况下,因为IBDG控制器中的PWM控制脉冲的发生是以对称方式发送的,它产生波形的幅值以及直流侧的电容电压有关。设为直流侧电容电压,逆变器输出三相电压瞬时值分别为、、,他们之间的关系如式(2-9)所示。其中,K为常数,叫做逆变器的调制比,与IBDG电路主结构以及电压脉宽有关,为IBDG输出电压以及同步电压参考值之间的夹角。(2-9)在系统发生不对称故障的情况下,负序、零序电流会流过IBDG。通常情况下,因为IBDG直流侧并联的电容容量是有限,所以不对称电流的流过会对直流侧的电压产生影响。零序电流和IBDG输出的正序电压相乘得到的三相瞬时功率和是零,所以它对直流侧电压不会有影响。但是对于负序电流来讲,它与IBDG输出的正序电压相乘,计算得到三相瞬时功率之和是会为一个二倍工频的波动频率。它会影响到IBDG有限容量的直流电容电压,能使直流侧电压产生一个二倍工频的扰动。直流侧电容电压在考虑电容电压二倍频波动后表示为:(2-10)式中为电容的直流分量,为二倍频扰动的电压幅值,为初相角。将式(2-10)代入式(2-9),得到在不对称故障情况下IBDG出口三相电压的瞬时值表达式,如式(2-11)所示。(2-11)能看出,由于逆变器直流侧的电容电压二倍频扰动的存在,使得PWM输出的瞬时电势中除了含有基频正序量(第一项)、基频负序量(第二项),还产生了三倍频正序量,所以此时IBDG还由一个负序源以及三次谐波源组成。以两倍工频频率波动的直流侧电容电压的幅值与直流源的大小和并联电容的容值相关,电容越大,直流侧的电压越稳定,此时二倍频波动幅度会变小。实际的运用中,一般采用硬件以及软件两种方式来减小直流侧电容电压的波动:在控制环节里加入了低通滤波器,在功率控制中利用积分平均值的算法,可以有效的抑制二倍频率波动电压的幅值,减少IBDG输出的负序以及三次谐波的分量,能让其幅值的数量级和高次谐波接近。基于以上分析表明,在不对称短路故障的情况下,研究IBDG的输出特性,能忽略它的输出电压中的负序分量和三倍频量带来的影响,将其近似等效为只有基频正序量的电压源。因此,系统侧看进去,IBDG出口对系统的零序、负序电压相当于短路,因此认为IBDG的零序、负序内阻等于逆变器与系统间的连接电抗X。以两相相间短路为例,如图2-10所示的三相电路中,当k点发生两相相间短路时,相对应的序网络等值电路如图2-11所示,为相间短路时IBDG出口处的正序等效电动势。图2-10BC相间短路电路图图2-11序网络等效电路图BC相间短路的边界条件为(2-12)将式(2-12)代入式(2-8),可以得到用序分量表示的短路边界条件为:(2-13)由上式可以看出,两相相间短路时,没有零序网络,满足此边界条件的复合序网如图2-12所示。图2-12BC相间短路复合序网因为恒压恒频控制,故障前后IBDG的输出电压不变,当系统阻抗已知的情况下,能求得故障后的正序电流:(2-14)由此能看出,因为负序网络的并联以至于系统总阻抗变小,正序电流较正常运行时增加。IBDG流过的负序电流如下所示:(2-15)由式(2-15),故障后IBDG会有较大的负序电流。这是由于IBDG的逆变器出口对负序电压短路,若系统发生不对称故障时,仅有连接电抗X和IBDG到故障点间的线路阻抗对负序电流可以有限流的作用,所以容易在IBDG中有负序过电流。与此同时,IBDG出口保护安装点负序电压如下:(2-16)综上所述,若系统发生不对称短路故障时,利用恒压恒频控制IBDG出口的正序电压保持恒定,正序电流增大,会出现明显的负序电流。又因为IBDG本身结构的原因,它的零、负序电压不明显。3.1.1PQ控制下故障特性分析下文为了简化理论分析,还是用图2-14的IBDG单独供电系统,对恒功率控制的故障输出特性做出分析。1)三相短路故障为了研究三相短路故障下恒功率控制IBDG的输出特性,和上文一样,还是利用单相电路进行分析。正常运行时,IBDG的输出功率如式(2-17)所示。(2-17)三相金属性接地故障在线路末端发生时,逆变器出口端的电压、电流和功率之间的关系如式(2-18)。(2-18)综上所述,由于故障后的系统阻抗由()减小目的是,PQ控制下的IBDG将增大输出电流I为来保持输出功率不变,同时,出口电压U降低为。故障点越靠近分布式电源,系统的等值阻抗越小,电压就越低,电流输出值就越大。当输出电流达到IBDG的设定极限值之后将不再增加。综上所述,若统中发生三相接地短路故障时,PQ控制下的IBDG故障特性根据故障的严重程度不同,能分为以下两段定量关系:(1)当输出电流没有达到IBDG设定电流极限时满足:,IBDG对外表现出一恒功率电源,出口端电压会与故障电流输出值的增大随之减小。(2)当输出电流达到IBDG设定电流极限时满足:,IBDG对外表现出一恒定电流源。综上可知,当故障电流达到最大之后,分布式电源中的保护装置会自动作切除。所以在下文分析中,只考虑该控制下的IBDG是一恒功率源。2)不对称故障利用对称分量法进行分析,故障前IBDG的输出功率有(故障前):(2-19)其中,、、及、、分别为IBDG出口三相电压和电流。将式(2-19)上的相电压和电流根据公式(2-8)转换成正、负、零序分量表示,则:(2-20)其中,正、负、零序电压有:(2-21)与2.2.2节得出的结论一样,IBDG出口的正序电压从逆变器出口正序电压以及连接电抗X中的正序压降合成。负、零序电压则是负、零序电流经过连接电抗X产生的压降。因为滤波装置阻抗很小,所以IBDG出口负、零序电压很小。将式(2-21)代入式(2-20)得出:(2-22)出现不对称故障后,由于负、零序电流的产生,就是增加了容性负荷,采用恒功率控制的IBDG是为了保证其输出的功率不会改变,而IBDG输出的正序分量只与有功功率有关,如式(2-23),其中是故障后其等效阻抗。(2-23)在故障前后IBDG输出的有功功率不变,能根据式(2-23)得出故障后的正序电流。研究BC相相间短路故障,考虑线路以及负载的相序等效阻抗一样,故障后系统等效阻抗:(2-24)求其实部,得:(2-25)得出正序电流有:(2-26)因为,由于两相相间短路后的正序电流与正常运行相比有所增加。负序电流幅值再恒功率控制的IBDG下为:(2-27)有式(2-27),因为微电网中,负荷的阻抗远大于线路阻抗,所以流经IBDG的负序电流将会很大。若系统发生两相相间短路故障,利用恒功率控制IBDG的输出功率不会改变,正序电流增大,还会出现很大的负序电流。并且系统发生单相接地短路以及两相接地短路等不对称短路故障时,也有相似的结论。3.2PQ和V/F控制仿真通过前文所述的方法控制微电源出口电流进而控制输出功率、出口电压和系统频率,从而实现PQ控制和V/f控制。微电源内部结构和控制环节在Matlab中搭建的模型如图3-1所示。PQ控制VF控制图3-1为了验证两电源控制策略的有效性,对所搭建的恒功率控制和恒压恒频控制的微电源进行稳态运行下的仿真验证。主电路仿真图如图3-2所示,控制电路仿真如图2-6,2-7。PQ控制下主电路仿真图VF控制下主电路仿真图图3-2主电路仿真图PQ控制下Load1及Load2的参数分别为:=20kW,=3kVar;=10kW,=4kVar。仿真时间为1s,在0.3s时增加负载Load2,0.5s时切除负载Load2。仿真波形如图3-3所示。图3-3单个PQ电源带负载输出波形由仿真波形可以看出,PQ控制的微电源MS1在网络负荷变化的情况下,能始终按照设定的有功10kW和无功功率3kVar发出恒定功率,负荷的增加量完全由大电网提供。期间电压波动量不明显,频率也能保持相对的稳定。随后,对V/f控制的微电源进行仿真。Load1及Load2的参数分别为:=23kW,=10kVar;=10kW,=6kVar。仿真时间为1s,在0.3s时增加负载Load2,0.5s时切除负载Load2。仿真波形如图3-4所示。图3-4单个V/f电源仿真波形从仿真结果可以看出,V/f控制的逆变电源只要是在容量允许范围内,可以根据网络中的负荷需求,增加或者减少发出的功率,并且保持网内电压和频率基本稳定。3.2.1V/F控制仿真下文针对恒压恒频控制的IBDG进行了故障仿真,用来验证前文的理论分析。参与验证的故障类型有三相金属性接地短路、BC两相相间短路以及A相单相接地短路,上述三类故障发生时刻都是0.3s。三相金属性接地短路故障出现在不同位置时,PWM_VF出口电压、电流和输出功率如表3-1所示。表3-1PWM_VF出口三相短路中的故障特征故障点位置故障电压(V)故障电流(A)故障功率(KVA)Line-VF90%2203422.9Line-VF50%2206040.3Line-VF10%7010058出口处01000恒压恒频控制的逆变器PWM_VF容量是60KVA,当故障点的由远到近,故障电流对应增大,由于恒压恒频控制的作用下,故障电压保持恒定。若PWM_VF的输出功率达到最大后,就无法持续维持电压,如表中线路Line_VF中50%处发生故障的情况,此时电压下降明显。若故障点在Line_VF的10%处与出口处时,故障电流达到逆变器的电流输出极限,不会再增大。由此可见,上表实验数据符合上文的理论分析,验证了2.3.2节的结论。2)不对称短路故障0.3s时发生单相接地短路,故障点在线路的10%处、50%处、90%处时,VF控制的逆变器出口的电压、电流如图3-5、图3-6、图3-7所示图3-5线路Line_VF10%处单相接地的故障特性图3-6线路Line_VF50%处单相接地的故障特性图3-7线路Line_VF90%处单相接地的故障特性0.3s时发生BC两相相间短路,故障点在线路的10%处、50处、90%处时,PWM_VF出口的电压、电流及频率如图3-8、图3-9、图3-10所示。图3-8线路Line_VF10%处两相相间短路的故障特性图3-9线路Line_VF50%处两相相间短路的故障特性图3-10线路Line_VF90%处两相相间短路的故障特性由图3-6、图3-7、图3-8、图3-9、图3-10能看出,若系统发生不对称短路故障时,利用恒压恒频控制的IBDG可以维持出口正序电压恒定,负、零序电压的幅值大大小于正序电压。与此同时,系统中产生了明显的负序电流。

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