Eine Übersicht der strombegrenzenden Steuerung von Netzformenden Wechselrichtern bei symmetrischen Störungen

    Grid-forming (GFM) Inverter werden als eine vielversprechende Lösung zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien in Großnetzen anerkannt. Allerdings unterscheiden sie sich physisch von synchronen Generatoren hinsichtlich ihrer Überstromfähigkeit. Um die Leistungshalbleiterbauteile zu schützen und das Stromnetz bei schwerwiegenden symmetrischen Störungen zu unterstützen, sollten die GFM-Steuerungssysteme in der Lage sein, die folgenden Anforderungen zu erfüllen: Begrenzung des Stromverlaufs, Beitrag zum Fehlerstrom und Fähigkeit zur Fehlerbehebung. In der Literatur werden verschiedene strombegrenzende Steuerungsmethoden vorgeschlagen, um diese Ziele zu erreichen, darunter Strombegrenzer, virtuelle Impedanz und Spannungsbegrenzer. Dieser Artikel bietet einen Überblick über diese Methoden. Herausforderungen, die angesprochen werden müssen, einschließlich temporärer Überströme, unspezifizierter Winkel des Ausgangsstromvektors, unerwünschter Stromsättigung und transitorischer Überspannungen, werden aufgezeigt.

1. Einleitung.

    Das Verhalten von GFM-Inverter als Spannungsquelle macht ihre Ausgangsströme stark von externen Systembedingungen abhängig. Bei großen Störungen wie Spannungsabfällen oder Phasensprüngen am Punkt gemeinsamer Kopplung (PCC) können synchrone Generatoren im Allgemeinen 5–7 p.u. Überstrom liefern [8], während halbleiterbasierte Inverter typischerweise nur 1,2–2 p.u. Überstrom handhaben können, was verhindert, dass sie den Spannungsverlauf wie im Normalbetrieb aufrechterhalten. Die Strombegrenzer lassen den Inverter in der Regel bei Überstrombedingungen als Stromquelle agieren, was die Regulierung des Winkels des Ausgangsstromvektors erleichtern kann, um die Anforderungen an den Beitrag zum Fehlerstrom zu erfüllen. Im Vergleich dazu können die Methoden der virtuellen Impedanz und Spannungsbegrenzer das Verhalten der GFM-Inverter als Spannungsquelle zu einem gewissen Grad auch bei schwerwiegenden Störungen aufrechterhalten, was automatische Fehlerbehebung ermöglichen kann. Dieser Artikel beleuchtet diese Methoden und identifiziert die auftretenden Herausforderungen, darunter temporäre Überströme, unspezifizierter Winkel des Ausgangsstromvektors, unerwünschte Stromsättigung und transitorische Überspannungen.

2.   Grundlagen strombegrenzender Steuerungsmethoden.

    Die folgende Abbildung zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines netzgekoppelten GFM-Inverters. Der GFM-Inverter besteht aus einer internen Spannungsquelle ve und äquivalenter Ausgangsimpedanz. Die Filterimpedanz wird in Ze einbezogen, wenn keine Innenschleifensteuerung verwendet wird. Wenn eine Innenschleifensteuerung verwendet wird, wird die Filterimpedanz nicht in Ze einbezogen.

3.   Strombegrenzer.

     Basierend auf der Berechnung des gesättigten Stromreferenzwertes i¯ref werden drei Strombegrenzer für GFM-Inverter häufig verwendet, darunter der Momentanbegrenzer, der Betragsbegrenzer und der prioritätsbasierte Begrenzer. Die Darstellung eines Momentanbegrenzers ist in Abb. (a) gezeigt, der eine elementweise Sättigungsfunktion verwendet, um einen gesättigten Stromreferenzwert i¯ref zu erreichen. Die Darstellung eines Betragsbegrenzers ist in Abb. (b) gegeben, der nur die Größe des ursprünglichen Stromreferenzwertes iref verringert. Der Winkel von i¯ref bleibt gleich dem von iref. Abb. (c) zeigt das Prinzip des prioritätsbasierten Begrenzers, der nicht nur die Größe von iref verringert, sondern dessen Winkel auch auf einen spezifischen Wert ϕI priorisiert. Beachten Sie, dass ϕI ein benutzerdefinierter Winkel ist, der die Winkeldifferenz zwischen i¯ref und der d-Achse, die auf θ ausgerichtet ist, repräsentiert.

4.  Virtuelle Impedanz.

    Die Methode der virtuellen Impedanz, die die Spannungsmodulationsreferenz direkt modifiziert, und die Methode der virtuellen Admittanz mit einer schnellen Strömungssteuerschleife können bei schwerwiegenden Störungen eine gute Strombegrenzung erzielen. Im Vergleich dazu erreicht die Methode der virtuellen Impedanz mit Innenschleifensteuerung die Strombegrenzung basierend auf der Annahme, dass die Spannungsreferenz vref durch die Spannungssteuerschleife schnell nachverfolgt werden kann. Da die Bandbreite der Spannungssteuerschleife relativ gering ist, kann es zu temporären Überströmen kommen. Um dieses Problem zu lösen, werden hybride Strombegrenzmethoden vorgestellt, die die virtuelle Impedanz mit dem prioritätsbasierten Strombegrenzer und dem Betragsbegrenzer kombinieren.

5. Spannungsbegrenzer.

    Spannungsbegrenzer zielen darauf ab, die Spannungsdifferenz ∥vPWM−vt∥ kleiner als ∥Zf∥IM zu machen, indem sie die durch die Außensteuerschleife generierte Spannungsreferenz modifizieren, um eine Begrenzung des Stromverlaufs zu realisieren. Diese Methode wird empfohlen, da sie keine adaptive virtuelle Impedanz erfordert, die das System unter bestimmten Bedingungen destabilisieren kann. Für Spannungsbegrenzer ist die Innenschleife in der Regel transparent, d.h., vPWM=vref. Daraufhin kann ein äquivalentes Schaltbild dieser Strombegrenzungsmethode dargestellt werden.