Symmetristen häiriöiden vaikutuksia verkon muodostavien invertterien sähkövirran rajoittavaan säädökseen keskittyvä katsaus

    Verkkomuodostavat (GFM) inverterit tunnustetaan toimivaksi ratkaisuksi uusiutuvan energian osuuden lisäämiseksi pääverkossa.  Ne eroavat kuitenkin fyysisesti synkronisista generaattoreista liikavirtakapasiteettinsa suhteen.  Suojatakseen voimasemikon komponentteja ja tukien sähköverkon vakavia symmetrisiä häiriöitä, GFM-ohjausjärjestelmät tulisi pystyä toteuttamaan seuraavat vaatimukset: virran määrän rajoittaminen, sijaisvirran tuottaminen ja häirintätilanteiden palautumiskyky.  Kirjallisuudessa raportoidaan useita erilaisia virran rajoittamiseen tarkoitettuja ohjausmenetelmiä, kuten virranrajoittimet, virtuaalinen impedanssi ja jänniterajoittimet.  Tässä artikkelissa esitellään näiden menetelmien yleiskatsaus.  Esille nostetaan myös nousevat haasteet, jotka on käsiteltävä, kuten tilapäinen liikavirta, määrittelemätön ulosvirtavektori kulma, epätoivottu virran saturoiduminen ja väliaikainen liikajännite.

1.Johdanto.

    GFM-inverterin virtalähteen ominaisuus tekee sen ulosvireistä riippuvaisiksi ulkoisista järjestelmäolosuhteista. Suurten häiriöiden, kuten jännitepurkauksen tai vaihehyppäyksen, yhteispisteen (PCC) tapahtuessa synkroniset generaattorit voivat yleensä tuottaa 5–7 p.u. liikavirtaa [8], kun taas semanttiperäisillä invertereillä on tyypillisesti vain 1.2–2 p.u. liikavirtakapasiteetti, mikä estää ne ylläpitämästä jänniteprofiilia normaalissa toiminnassa. Virranrajoittimet saavat inverterin käyttäytymään virralähteenä liikavirtatilanteissa, mikä voi helpottaa ulosvirravektorin kulman säätämistä vastaamaan sijaisvirran tuotannon vaatimuksia. Vertailun vuoksi, virtuaalisen impedanssin menetelmät ja jänniterajoittimet voivat ylläpitää GFM-inverterin virtalähteen ominaisuutta jossain määrin vakavissa häiriöissä, mikä voi mahdollistaa automaattisen häirintätilanteen palautumisen.    Tässä artikkelissa käsitellään näitä menetelmiä ja tunnistetaan nousevat haasteet, jotka on käsiteltävä, kuten tilapäinen liikavirta, määrittelemätön ulosvirtavektori kulma, epätoivottu virran saturoiduminen ja väliaikainen liikajännite.

2.   Virran rajoittamisen perusteet.

    Seuraavassa kuvassa on yksinkertaistettu piirimalli verkon yhteydessä olevasta GFM-inverteristä. GFM-inverteri koostuu sisäisestä virtalähteestä ve ja vastaavasta ulosvirtaimpedanssista. Suodatusimpedanssi sisällytetään Ze:hen, jos sisäistä ohjauspiiriä ei käytetä. Kun sisäistä ohjauspiiriä käytetään, suodatusimpedanssi ei sisälly Ze:hen.

3.   Virranrajoittimet.

     Kuinka saturoidun virran viitteen i¯ref lasketaan, kolme virranrajoittimesta käytetään yleisesti GFM-invertereissä, mukaan lukien välitön rajoittaja, amplitudiraajoittaja ja prioriteettipohjainen rajoittaja.Välittömän rajoittajan havainnollistus on kuvassa (a), joka käyttää elementtikohtaisen saturoidun funktion saavuttamaan saturoidun virran viitteen i¯ref. Amplitudiraajoittajan havainnollistus on kuvassa (b), joka vähentää alkuperäisen virran viitteen iref amplitudia. i¯ref:n kulma pysyy samana kuin iref:n. Kuvassa (c) on näkyvissä prioriteettipohjaisen rajoittajan periaate, joka ei ainoastaan vähennä iref:n amplitudia, vaan myös priorisoi sen kulman tiettyyn arvoon ϕI. Huomioi, että ϕI on käyttäjän määrittämä kulma, joka edustaa i¯ref:n ja d-akselin välisen kulman erotusta θ:sta.

4.  Virtuaalinen impedanssi.

    Virtuaalisen impedanssin menetelmä, joka muokkaa suoraan jänniteviitettä, sekä virtuaalisen admittanssin menetelmä nopealla seurantakierroksella voivat saavuttaa hyvän virran rajoittamisen, kun vakavia häiriöitä tapahtuu. Vertailun vuoksi, virtuaalisen impedanssin menetelmä sisäisellä ohjauspiirillä saavuttaa virran rajoittamisen oletuksella, että jänniteviite vref voidaan nopeasti seurata jänniteohjauspiirillä. Koska jänniteohjauspiirin laajuus on suhteellisen pieni, tilapäistä liikavirtaa voi havaita. Tämän ongelman ratkaisemiseksi esitetään yhdistettyjä virran rajoittamisen menetelmiä, jotka yhdistävät virtuaalisen impedanssin prioriteettipohjaiseen virranrajoittimeen ja virran amplitudiraajoittimeen.

5. Jänniterajoittimet.

    Jänniterajoittimet pyrkivät suoraan vähentämään jänniteeroa ∥vPWM−vt∥ alle ∥Zf∥IM, mikä muuttaa ulkopuolella generoiman jänniteviitteen toteuttamaan virran amplitudin rajoittamisen. Tämä menetelmä on ehdotettu ratkaisu, koska se ei vaadi sopeutuvaa virtuaalista impedanssia, joka voi destabilisoida järjestelmää tietyissä olosuhteissa. Jänniterajoittimissa sisäinen ohjauspiiri on yleensä läpinäkyvä, eli vPWM=vref. Tämän jälkeen tämän virran rajoittamisen menetelmän vastaava piirikaavio voidaan ilmaista.