Przegląd sterowania ograniczania prądu w odniesieniu do inwerterów kształtujących sieć podczas symetrycznych zakłóceń

    Odkształcanie sieci (GFM) odwracacze są uznawane za realistyczne rozwiązanie zwiększenia udziału energii odnawialnej w systemach energetycznych.  Jednak różnią się one fizycznie od synchronicznych generatorów pod względem zdolności do przepuszczania nadmiernych prądów.  Aby chronić półprzewodnikowe urządzenia półprzewodnikowe i wspierać sieć energetyczną w przypadku silnych symetrycznych zakłóceń, systemy sterowania GFM powinny być w stanie spełnić następujące wymagania: ograniczenie amplitudy prądu, wprowadzanie prądu awaryjnego oraz zdolność do odzyskiwania po awarii.  W literaturze przedmiotu opisano różne metody sterowania ograniczającym prąd, w tym ograniczniki prądu, wirtualna impedancja i ograniczniki napięcia.  Niniejszy artykuł przedstawia przegląd tych metod.  Wskazane są również nowe wyzwania, które należy rozwiązać, takie jak tymczasowy nadmierny prąd, nieokreślony kąt wektora prądu wyjściowego, niepożądane nasycenie prądu oraz przejściowe przeciążenie napięcia.

1. Wprowadzenie.

    Zachowanie źródła napięcia GFM odwracaczy sprawia, że ich prądy wyjściowe są silnie zależne od warunków zewnętrznych systemu. W przypadku dużych zakłóceń, takich jak spadki napięcia lub skoki fazowe w punkcie wspólnego połączenia (PCC), synchroniczne generatory mogą, ogólnie rzecz biorąc, dostarczyć 5–7 p.u. nadmiernego prądu [8], podczas gdy półprzewodnikowe odwracacze mogą obsłużyć tylko 1,2–2 p.u. nadmiernego prądu, co uniemożliwia utrzymanie profilu napięcia w normalnym działaniu. Ograniczniki prądu zazwyczaj sprawiają, że odwracacz zachowuje się jak źródło prądu w warunkach nadmiernego prądu, co może ułatwić regulację kąta wektora prądu wyjściowego, aby spełnić wymagania dotyczące wprowadzania prądu awaryjnego.    W porównaniu, metody wirtualnej impedancji i ograniczniki napięcia mogą w pewnym stopniu utrzymać zachowanie źródła napięcia odwracacza GFM podczas silnych zakłóceń, co może umożliwić automatyczne odzyskiwanie po awarii.    Niniejszy artykuł przegląda te metody i identyfikuje nowe wyzwania, które należy rozwiązać, w tym tymczasowy nadmierny prąd, nieokreślony kąt wektora prądu wyjściowego, niepożądane nasycenie prądu oraz przejściowe przeciążenie napięcia.

2.   Podstawy metod sterowania ograniczającego prąd.

    Poniższy rysunek przedstawia uproszczony model obwodowy odwracacza GFM podłączony do sieci. Odwracacz GFM składa się z wewnętrznego źródła napięcia ve i równoważnej impedancji wyjściowej. Impedancja filtru zostanie uwzględniona w Ze, jeśli nie będzie używany wewnętrzny pętlowy sterownik. Gdy jest używany wewnętrzny pętlowy sterownik, impedancja filtru nie będzie uwzględniona w Ze.

3.   Ogranicznik prądu.

     Na podstawie sposobu obliczania nasycanego odniesienia prądu i¯ref, trzy ograniczniki prądu są często stosowane dla odwracaczy GFM, w tym ogranicznik natychmiastowy, ogranicznik amplitudy i ogranicznik oparty na priorytetach.Ilustracja ogranicznika natychmiastowego jest przedstawiona na rys. (a), który wykorzystuje funkcję nasycenia element po elemencie, aby osiągnąć nasycaną wartość odniesienia prądu i¯ref. Ilustracja ogranicznika amplitudy jest przedstawiona na rys. (b), który zmniejsza jedynie amplitudę oryginalnego odniesienia prądu iref. Kąt i¯ref pozostaje taki sam jak iref. Rys. (c) pokazuje zasadę działania ogranicznika opartego na priorytetach, który nie tylko zmniejsza amplitudę iref, ale także priorytetowo ustala jego kąt na określoną wartość ϕI. Zauważ, że ϕI to zdefiniowany przez użytkownika kąt, który reprezentuje różnicę kątów między i¯ref a osią d skierowaną do θ.

4.  Wirtualna impedancja.

    Metoda wirtualnej impedancji, która bezpośrednio modyfikuje odniesienie modulacji napięcia, oraz metoda wirtualnej admitancji z szybką pętlą sterowania prądem, mogą osiągnąć dobrą wydajność ograniczania prądu w przypadku silnych zakłóceń. W porównaniu, metoda wirtualnej impedancji z wewnętrznym sterowaniem osiąga ograniczenie prądu na podstawie hipotezy, że odniesienie napięcia vref może być szybko śledzone przez pętlę sterowania napięciem. Ponieważ szerokość pasma pętli sterowania napięciem jest stosunkowo niska, może być zaobserwowany tymczasowy nadmierny prąd. Aby rozwiązać ten problem, przedstawione są hybrydowe metody ograniczania prądu, łączące wirtualną impedancję z ogranicznikiem prądu opartym na priorytetach oraz ogranicznikiem amplitudy prądu.

5. Ogranicznik napięcia.

    Ograniczniki napięcia mają na celu bezpośrednie zmniejszenie różnicy ∥vPWM−vt∥, aby była mniejsza niż ∥Zf∥IM, co modyfikuje odniesienie napięcia generowane przez zewnętrzną pętlę sterowania, umożliwiając ograniczenie amplitudy prądu. Ta metoda jest sugerowanym rozwiązaniem, ponieważ nie wymaga adaptacyjnej wirtualnej impedancji, która może destabilizować system w określonych warunkach. Dla ograniczników napięcia, wewnętrzna pętla sterowania jest zwykle przezroczysta, tj. vPWM=vref. Następnie, odpowiedni diagram obwodowy tej metody ograniczania prądu można wyrazić.