Přehled omezování proudu v síťově tvarujících inverterech při symetrických poruchách

    Tvarovací inverzory (GFM) jsou považovány za vhodné řešení pro zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energie v elektrických systémech. Nicméně, fyzicky se liší od synchronních generátorů vzhledem k jejich schopnosti přetoku proudu. Pro ochranu polovodičových článků a podporu elektrické sítě za vážných symetrických poruch by měly ovládací systémy GFM splňovat následující požadavky: omezení amplitudy proudu, příspěvek k poruchovému proudu a schopnost obnovy po poruše. V literatuře jsou popsány různé metody omezení proudu, které tyto cíle plní, včetně omezovacích členů, virtuální impedance a omezování napětí. Tento článek poskytuje přehled těchto metod. Jsou uvedeny nové výzvy, které je třeba řešit, včetně dočasného přetoku proudu, nespecifikovaného úhlu vektoru výstupního proudu, nežádoucího nasycení proudu a dočasného přetoku napětí.

1. Úvod

    Chování zdroje napětí u GFM inverterů způsobuje, že jejich výstupní proudy jsou velmi závislé na externích systémových podmínkách. Při velkých poruchách, jako jsou klesnutí napětí nebo skoky fázového úhlu v bodech společného spojení (PCC), mohou synchronní generátory obecně dodávat 5–7 p.u. přetok proudu [8], zatímco polovodičové inverzory mohou zpravidla zvládat pouze 1,2–2 p.u. přetok proudu, což jim brání udržovat profil napětí jako v normálním provozu. Omezovací členy obvykle způsobují, že inverzor chová jako zdroj proudu za podmínek přetoku proudu, což může usnadnit regulaci úhlu vektoru výstupního proudu tak, aby splňoval požadavek na příspěvek k poruchovému proudu. Na druhou stranu, metody virtuální impedance a omezování napětí mohou do jisté míry udržovat chování zdroje napětí GFM inverteru za vážných poruch, což může umožnit automatickou obnovu po poruše. Tento článek shrnuje tyto metody a identifikuje nové výzvy, které je třeba řešit, včetně dočasného přetoku proudu, nespecifikovaného úhlu vektoru výstupního proudu, nežádoucího nasycení proudu a dočasného přetoku napětí.

2. Základy metod omezení proudu

    Následující obrázek ukazuje zjednodušený model obvodu síťového GFM inverteru. GFM inverzor se skládá ze vnitřního zdroje napětí ve a ekvivalentního výstupního impedancí. Filtrační impedancí bude zahrnuta v Ze, pokud nebude použito vnější smyčka ovládání. Pokud je použito vnější smyčka ovládání, filtrační impedancí nebude zahrnuta v Ze.

3. Omezovací člen

     Na základě toho, jak je vypočten referenční saturovaný proud i¯ref, jsou pro GFM invertery obvykle používány tři omezovací členy, včetně okamžitého omezovacího členu, členu omezujícího amplitudu a prioritního omezovacího členu. Ilustrace okamžitého omezovacího členu je uvedena na obr. (a), který používá funkci saturace pro každý prvek k dosažení saturovaného referenčního proudu i¯ref. Ilustrace členu omezujícího amplitudu je uvedena na obr. (b), který snižuje pouze amplitudu původního referenčního proudu iref. Úhel i¯ref zůstává stejný jako u iref. Obr. (c) ukazuje princip prioritního omezovacího členu, který nejen snižuje amplitudu iref, ale také upřednostňuje jeho úhel na specifickou hodnotu ϕI. Poznamenejme, že ϕI je uživatelem definovaný úhel, který reprezentuje rozdíl úhlu mezi i¯ref a d-osa orientovaná na θ.

4. Virtuální impedancí

    Metoda virtuální impedance, která přímo modifikuje referenční modulaci napětí, a metoda virtuální admittance s rychlou smyčkou sledování proudu, mohou dosáhnout dobrého omezení proudu za vážných poruch. Na druhou stranu, metoda virtuální impedance s vnější smyčkou ovládání dosahuje omezení proudu na základě hypotézy, že referenční napětí vref může být rychle sledováno smyčkou ovládání napětí. Protože pásmo smyčky ovládání napětí je relativně nízké, může být pozorován dočasný přetok proudu. K řešení tohoto problému jsou prezentovány hybridní metody omezení proudu, které kombinují virtuální impedanci s prioritním omezovacím členem a členem omezujícím amplitudu proudu.

5. Omezovací člen napětí

    Omezovací členy napětí mají za cíl přímo snížit rozdíl napětí ∥vPWM−vt∥, aby byl menší než ∥Zf∥IM, což modifikuje referenční napětí vygenerované vnější smyčkou ovládání pro realizaci omezení amplitudy proudu. Tato metoda je navržená jako řešení, protože nevyžaduje adaptivní virtuální impedanci, která může destabilizovat systém za určitých podmínek. Pro omezovací členy napětí je obvykle vnější smyčka ovládání transparentní, tj. vPWM=vref. Poté lze vyjádřit ekvivalentní schéma tohoto způsobu omezení proudu.