Перегляд обмеження струму в інверторах, що формують мережу, при симетричних збуреннях

    Створювачі мережевого напруги (GFM) інвертори визнаються як перспективне рішення для збільшення проникнення відновлюваної енергії в масштабних електроенергетичних системах. Однак, вони фізично відрізняються від синхронних генераторів щодо можливості перевантаження струмом. Для захисту силових напівпровідникових приладів та підтримки електромережі під час серйозних симетричних збурень, системи керування GFM повинні бути здатні досягти наступних вимог: обмеження амплітуди струму, внесок у струм короткого замикання та здатність до відновлення після аварії. В літературі описано різні методи обмеження струму, щоб задовольнити ці цілі, включаючи обмежувачі струму, віртуальний опір та обмежувачі напруги. Ця стаття надає огляд цих методів. Вказуються нові проблеми, які потрібно вирішити, включаючи тимчасове перевантаження струмом, невизначений кут вектора вихідного струму, небажане насичення струму та тимчасове перевищення напруги.

1.Вступ.

    Поведінка джерела напруги GFM інверторів робить їхні вихідні струми сильно залежними від зовнішніх умов системи. При великих збуреннях, таких як спад напруги або стрибок фази в точці спільного з'єднання (PCC), синхронні генератори, як правило, можуть забезпечити 5–7 p.u. перевантаження струмом [8], тоді як напівпровідникові інвертори можуть обробити лише 1.2–2 p.u. перевантаження струмом, що не дозволяє їм підтримувати профіль напруги як у нормальних умовах. Обмежувачі струму, як правило, роблять інвертор поведінковим джерелом струму під час перевантаження струмом, що може сприяти регулюванню кута вектора вихідного струму для задоволення вимоги до внеску у струм короткого замикання. У порівнянні з цим, методи віртуального опору та обмежувачі напруги можуть підтримувати поведінку джерела напруги GFM інвертора до певної міри під час серйозних збурень, що може дозволити автоматичне відновлення після аварії. Ця стаття оглядово розглядає ці методи та визначає нові проблеми, які потрібно вирішити, включаючи тимчасове перевантаження струмом, невизначений кут вектора вихідного струму, небажане насичення струму та тимчасове перевищення напруги.

2.   Основи методів обмеження струму.

    Нижче показано спрощену схемну модель мережевого GFM інвертора. GFM інвертор складається з внутрішнього джерела напруги ve та еквівалентного вихідного опору. Фільтраційний опір буде включений в Ze, якщо не використовується внутрішній контур керування. Коли використовується внутрішній контур керування, фільтраційний опір не буде включений в Ze.

3.   Обмежувач струму.

     На основі того, як розраховується насичена референсна величина струму i¯ref, три типи обмежувачів струму зазвичай використовуються для GFM інверторів, включаючи моментальний обмежувач, обмежувач амплітуди та обмежувач з пріоритетом. Ілюстрація моментального обмежувача показана на рис. (a), який використовує елементну функцію насичення для досягнення насиченої референсної величини струму i¯ref. Ілюстрація обмежувача амплітуди подана на рис. (b), який зменшує лише амплітуду оригінальної референсної величини струму iref. Кут i¯ref залишається таким же, як і у iref. Рис. (c) показує принцип обмежувача з пріоритетом, який не тільки зменшує амплітуду iref, але також пріоритизує його кут до певного значення ϕI. Зверніть увагу, що ϕI — це користувацьке визначене значення, яке представляє кутову різницю між i¯ref та d-віссю, орієнтованою до θ.

4.  Віртуальний опір.

    Метод віртуального опору, який безпосередньо модифікує референсну величину модуляції напруги, та метод віртуальної провідності з швидким контуром керування струмом, можуть досягти гарної продуктивності обмеження струму при серйозних збуреннях. У порівнянні з цим, метод віртуального опору з внутрішнім контуром керування досягає обмеження струму на основі припущення, що референсна величина напруги vref може бути швидко відслідкована контуром керування напруги. Оскільки ширина смуги контуру керування напруги є відносно низькою, може спостерігатися тимчасове перевантаження струмом. Для вирішення цієї проблеми, представлені гібридні методи обмеження струму, які поєднують віртуальний опір з обмежувачем струму з пріоритетом та обмежувачем амплітуди струму.

5. Обмежувач напруги.

    Обмежувачі напруги мають на меті безпосередньо зменшити різницю напруги ∥vPWM−vt∥, щоб вона була меншою за ∥Zf∥IM, що модифікує референсну величину напруги, генеровану зовнішнім контуром керування, для реалізації обмеження амплітуди струму. Цей метод є рекомендованим рішенням, оскільки він не потребує адаптивного віртуального опору, який може destabilize систему при певних умовах. Для обмежувачів напруги, внутрішній контрольний контур зазвичай є прозорим, тобто vPWM=vref. Після цього, еквівалентна схемна діаграма цього методу обмеження струму може бути виражена.