Обзор ограничивающего тока управления инверторами формирования сети при симметричных возмущениях

    Инверторы с формированием сети (GFM) признаются жизнеспособным решением для увеличения проникновения возобновляемой энергии в крупные энергетические системы. Однако, они физически отличаются от синхронных генераторов по своей способности к перегрузке током. Для защиты силовых полупроводниковых устройств и поддержки энергосистемы при серьезных симметричных нарушениях, системы управления GFM должны быть способны достичь следующих требований: ограничение амплитуды тока, вклад в ток короткого замыкания и способность к восстановлению после аварий. В литературе описаны различные методы ограничения тока для достижения этих целей, включая ограничители тока, виртуальное сопротивление и ограничители напряжения. В данной статье представлен обзор этих методов. Выявлены возникающие вызовы, которые необходимо решить, включая временные перегрузки тока, неуказанный угол вектора выходного тока, нежелательную насыщенность тока и переходные перенапряжения.

1.Введение.

    Поведение инверторов GFM как источников напряжения делает их выходные токи сильно зависимыми от внешних условий системы. При больших нарушениях, таких как падение напряжения или скачок фазы в точке общего соединения (PCC), синхронные генераторы, как правило, могут обеспечить 5–7 p.u. перегрузку тока [8], в то время как полупроводниковые инверторы обычно могут выдержать только 1,2–2 p.u. перегрузку тока, что препятствует им поддерживать профиль напряжения в нормальном режиме работы. Ограничители тока обычно заставляют инвертор вести себя как источник тока при условиях перегрузки, что может облегчить регулирование угла вектора выходного тока для удовлетворения требования вклада в ток короткого замыкания. В сравнении, методы виртуального сопротивления и ограничители напряжения могут поддерживать поведение источника напряжения инвертора GFM в некоторой степени при серьезных нарушениях, что может позволить автоматическое восстановление после аварий. В данной статье рассматриваются эти методы и определяются возникающие вызовы, которые необходимо решить, включая временные перегрузки тока, неуказанный угол вектора выходного тока, нежелательную насыщенность тока и переходные перенапряжения.

2.   Основы методов ограничения тока.

    На следующем рисунке показана упрощенная схемная модель сетевого инвертора GFM. Инвертор GFM состоит из внутреннего источника напряжения ve и эквивалентного выходного сопротивления. Сопротивление фильтра будет включено в Ze, если не используется внутренняя петля управления. Когда используется внутренняя петля управления, сопротивление фильтра не будет включено в Ze.

3.   Ограничитель тока.

     На основе того, как рассчитывается насыщенный токовый сигнал i¯ref, для инверторов GFM обычно используются три типа ограничителей тока, включая мгновенный ограничитель, ограничитель по величине и приоритетный ограничитель. Принцип работы мгновенного ограничителя показан на рис. (a), который использует поэлементную функцию насыщения для достижения насыщенного токового сигнала i¯ref. Принцип работы ограничителя по величине показан на рис. (b), который только уменьшает величину исходного токового сигнала iref. Угол i¯ref остается таким же, как у iref. Рис. (c) показывает принцип работы приоритетного ограничителя, который не только уменьшает величину iref, но и приоритизирует его угол до определенного значения ϕI. Обратите внимание, что ϕI — это задаваемый пользователем угол, который представляет собой разницу углов между i¯ref и осью d, ориентированной на θ.θ.

4.  Виртуальное сопротивление.

    Метод виртуального сопротивления, который напрямую изменяет эталонное значение модуляции напряжения, и метод виртуальной проводимости с быстрой петлей управления током, могут обеспечить хорошее ограничение тока при серьезных нарушениях. В сравнении, метод виртуального сопротивления с внутренней петлей управления достигает ограничения тока на основе предположения, что эталонное значение напряжения vref может быстро отслеживаться петлей управления напряжением. Поскольку полоса пропускания петли управления напряжением относительно низкая, может наблюдаться временная перегрузка тока. Для решения этой проблемы предлагаются гибридные методы ограничения тока, которые сочетают в себе виртуальное сопротивление с приоритетным ограничителем тока и ограничителем по величине тока.

5. Ограничитель напряжения.

    Ограничители напряжения направлены на прямое уменьшение разности напряжений ∥vPWM−vt∥ до значения, меньшего, чем ∥Zf∥IM, что изменяет эталонное значение напряжения, генерируемое внешней петлей управления, для реализации ограничения величины тока. Этот метод предлагается, так как он не требует адаптивного виртуального сопротивления, которое может дестабилизировать систему при определенных условиях. Для ограничителей напряжения внутренняя петля управления обычно прозрачна, то есть vPWM=vref. В результате можно выразить эквивалентную схему этого метода ограничения тока.