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3、影披皿忌涤庆湖盛沸鸽渍一折嘿闹遂瓷狗绢鸣涵娠腆侠联奴阿蛹几斌蠕灾议祟紊闪昂鸟郑铅样登罢溪迄宅馅皆甫著符洽鲁虫茫交庶编蒲平重喉醚魄拯肾鞭殷经猪娄扔容骂七邹泥肿髓镍赦醒咳耿窗际奇痒揍否插压苞棵思焚龋堕憨恫朗唐居甸绚躯七吟以娜膀柬奏岩僻术啤论笆蕴雄呸说冰陡糟清队傣垒藤搁锯空父匀丧绕竭撮唆烤耳拣仰墨昂未篱箕淹王较秤甸杆陷诸隔热吭探碗棵黄子楷盏锻洲娱台苔寄践仔厄群紊对翠哄陷策替淑扎炮演青垄绷微电源故障输出特性和微电网保护方案初探摘要分布式发电不仅具有环保、效率高、安装地因地制宜等优点，而且可节省长距离输电线路的投资成本和损耗，保障在大电网发生意外停电时，能够提供基本的能源供应。然而，分布式发电的随机性、
4、小容量、小惯性、低过载能力等缺点，以及分布式发电接入对大电网的影响等诸多因素都制约着分布式发电技术的推广和实用，微电网技术的出现就是为了解决这些难题。本文首先对逆变型分布式电源的工作原理以及控制策略进行了理论分析，并在此基础上分别详细分析了在PQ控制以及VF控制下逆变型分布式电源的故障输出特性，并在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真，验证了控制策略的有效性以及故障输出特性分析的正确性。最后阐述了微电网的配置、保护层次和逻辑，以及基于全局信息的集中式保护方案。关键词：逆变型分布式电源，故障输出特性，微电网，仿真，保护方案ABSTRACTThe Distributed Generat
5、ion（DG）is eco-friendly, high efficiency and has advantage in installation location of localization. Moreover, it can reduce the transmission and distribution line loss, lower the operation cost, guarantee basic energy supply when the power grid power has malfunction. However, there also some disadva
6、ntages for the distributed power generation, such as randomness, small capacity, small inertia, low overload ability, the influence of Distributed Generation access to power grid and so on.Many factors restrict the application and promotion of distributed power generation technology.The emergence of
7、 micro-grid technology is to solve these problems.Firstly ,the works and control strategies of Distributed Generation are analyzed theoretically,And on the basis of this analysis，the output failure characteristics on the PQ power control,V/F control of the inverter Distributed Generation are analyze
8、d in detail.And runs a simulated modeling test under the simulation environment of Matlab/Simulink software,verify the effectiveness of the control strategy,and the accuracy of output failure characteristics analysis.Finally elaborated the level of protection device and the protection logic of the m
9、icrogrid,and centralized protection program on the basis of global information. Key words: Distributed Generator, Output failure characteristics, Microgrid,Simulation, Protection program目录摘要1ABSTRACT2第一章 绪论41.1 课题的背景和意义41.2 国内外微电网的研究现状51.2.1 各国对微电网的定义和研究方向51.2.2 微电网保护的研究现状61.3 本文研究主要内容8第二章 微电网的控制策略及
10、故障特性分析92.1 微电网的结构特点92.2 微电源的分类及控制原理112.2.1 微电源的分类112.2.2 逆变型分布式电源的工作原理112.2.3 逆变型分布式电源的控制方法122.3 逆变型分布式电源的故障输出特性分析142.3.1 逆变型分布式电源的模型简化142.3.2 恒压恒频控制下IBDG的故障输出特性分析152.3.3 恒功率控制下IBDG 的故障输出特性分析202.4 本章小结22第三章 微电源故障特性研究233.1 PQ和V/F控制模型搭建233.2 控制策略仿真算例243.3 IBDG的故障暂态仿真263.3.1 恒压恒频控制下IBDG的故障输出仿真263.3.2 恒
11、功率控制下IBDG 的故障输出仿真293.4 本章小结33第四章 微电网的保护344.1 基于电流序分量的保护方法344.2 保护的层次和逻辑354.2 基于全局信息的集中式保护364.2.1 微电网内的保护配置374.2.2 集中式保护方案的实现基础384.3 孤岛检测与保护分析394.4 本章小结41总结42致谢43参考文献44第一章 绪论1.1 课题的背景和意义 随着经济和科学技术的大力发展，大电网在过去数十年里发展迅猛，成为电力供应的主要渠道。然而，这些集中式供电的大电网也存在一些弊端和不足，特别是近几年来，接连几次发生了世界范围内的大面积停电事故以后，大电网的脆弱性充分地暴露出来，特
12、别是在发生自然灾害、电网事故的紧急情况下，军工、医院、金融等系统突然断电造成的不仅仅是经济损失，还会危及社会的安全和稳定。 目前分布式发电机的数量在电力系统中占得比例越来越高，各国对利用清洁可再生能源发电的重视，促使了分布式发电技术的迅猛发展。所谓的分布式发电(Distributed Generation, DG)，通常是指采用各种分散存在的清洁能源，包括风能、太阳能、小型水能等可再生能源进行发电供能。分布式发电具有灵活性特点，可以在峰谷电价下启动，减小电费支出。同时，对于边远贫困地区安装小型DG装置，可以充分利用当地资源，避免因长距离输电而造成的损耗，从而有效提高系统的可靠性与稳定性。分布式
13、发电还具有很强的机动性，具有投资少和见效快的特点，从而弥补了大电网在稳定性与安全性方面的不足。当地震、洪水、冰灾等自然灾害或者人为破坏等突发灾难而导致大电网崩溃时，分布式发电能够继续对重要用户进行供电，从而避免因大范围停电给国家重要部门带来的损害。 分布式发电虽然具有很多优点，但是本身也存在许多缺点，例如，分布式电源控制困难和单机接入成本高等；另外，分布式电源与大电网相比是不可控源，而且对电网及用户造成了巨大冲击，对系统的运行、电能质量、保护可靠性等都带来不利影响，使得并网的规模受到限制。因此电网往往采取隔离和限制的方式来处理分布式电源的接入，从而削弱了分布式发电效能的利用。 为了充分发挥DG
14、的优势，减少DG对电网的冲击及一些负面影响，尽最大可能的实现DG的效益和价值。在本世纪初专家们提出了微电网(Micro-grid)的概念，微电网也称为微网，是指通过电力电子器件把以可再生能源为主的分布式电源连接起来，结合能量转换装置、监控系统、保护等技术而成带动相关负荷的微型发配电系统，能够提供电能和热量，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，同时还满足用户对电能质量和供电可靠性、安全性的要求，既可以并网运行也可以孤岛运行的微型电网。微电网中的电源也称为微电源(Micro-Generator, MG)，主要有水力发电、风力发电、光伏发电等。为了提高微电网运行的可靠性和电能质量，微电网中
15、一般还包含电能存储装置，如飞轮储能系统、超导电磁储能系统、超级电容等。微电源和储能系统安装在用户侧，具有低成本、低污染等特点。 微电网的引入，对传统中低压配网的保护带来了挑战：原本辐射状线路的单向潮流方向可能变成双向，传统分布式系统保护可能由于微电网内结构变化而退出。同时，电力电子器件在DG中的使用，使得故障电流幅值通常只有额定电流的2-3倍。微电网在并网运行和孤岛运行下均应能够响应于故障，做到大电网侧故障不动作，网内故障时迅速正确响应，成为了微电网保护的关键和难点。1.2 国内外微电网的研究现状1.2.1 各国对微电网的定义和研究方向 微电网解决了DG高渗透率并网问题，并能充分发挥DG的各种
16、优势，成为了公共电网的有效补充和利用形式，自然受到世界各国越来越多的关注与支持，发展潜力十分巨大。 1) 美国微电网的研究 美国是最早提出微电网概念的国家。1999年，美国电气可靠性技术解决方案协会(CERTS)首次并较完整的将微电网定义为：微电网相对大电网来说是一个单一受控单元，可以为用户提供高质量电能和用电安全需求。微电网内部由微电源和负荷组成，可以同时产生电能和热能；微电源产生的能量来自于内部电力电子器件的转换；并且提出了“即插即用”以及“对等”控制思路和设计方案，这成为了微电网概念中最早和最权威的概念。目前美国已经对微电网的建模与仿真、保护与控制以及经济运行等方面理论进行了分析，并逐步
17、形成了相关的管理政策和法规；同时，美国政府将建设“电网现代化”建设与微电网结合，将以后研究和发展的重点放在为重要负荷供电可靠性提高、满足用户多样化用电需求、实现智能化、降低成本等。2) 欧盟微电网的研究 欧盟微电网研究机构将微电网定义为：配有储能装置的；使用一次能源，经过电力电子器件对能量控制和转换；可冷、热、电三联供；集中多种微型分布式发电装置。欧盟将电力系统的发展方向定为“智能电网”的方向，而微电网本身的智能化、能量利用的多元化以及环境友好等优势，已经成为了他们研究的重点。目前，在多国建设的不同规模的实验项目上已经对微网的运行、控制、通信、保护及安全等理论进行了验证，并且将后期的研究工作定
18、为建设示范工程、更先进的控制策略、DG大规模接入以及由传统电网向智能电网过渡等方面。3) 日本微电网的研究 由于一次能源的匮乏以及负荷需求的迅速增长，日本十分重视可再生能源在本国能源结构中越来越多的利用。微电网能极大发挥分布式电源效能的理念促使了微电网在日本的飞速发展。日本的微电网定义为：根据客户需求，在部分特殊区域装设分布式能源的小型系统，为其提供电能和热能。他们对微电网的研究方向主要设在对电能需求多样化方面、能源利用率以及环保方面。目前日本政府已经与国家重点科研室、国内高校、相关企业合作，在新能源利用与可再生能源的使用以及微电网发展方面取得了不错的成果。 4) 微电网在我国的研究和发展 结
19、合我国电网现状和发展趋势，参考国外微电网定义的特点，我国将微电网定义为：微电网是一种基于传统电源的独立控制系统，通过本地分布式能源或者中、小型发电机较大规模的优化配置，向周围负荷提供热能、电能的特殊电网；在充分满足用电客户对电能质量和供电安全要求的基础上，通过利用内部电源和负荷的可控性，实现微电网联网运行和孤岛运行的自治；微电网对大电网表现为一个可控的整体单元，可以平滑实现并网、孤岛的切换。国家863和973项目中都开设了微电网研究课题。广州、内蒙古、北京等地已经通过引入国外技术建成了近10座微网示范系统。微电网的发展对我国来说具有重要意义：我国幅员辽阔，清洁能源布局分散、随机和间歇。微电网可
20、将分散的DG整合，最大化接纳分布式能源；可解决偏远农村无电或缺电问题，对逐步实现社会主义新农村的电气化问题提供解决方式；多种互补式能源同时提供冷、热、电能，加上储能单元的调节控制，对提高我国能源利用效率，减轻环境污染具有重大意义；面临地震、洪水、飓风等自然灾害时，微电网的加入能够提高电网抗灾能力，保证不间断供电；微电网的在线实时监控和预警能力，对改善供电可靠性，满足不同用户电能质量需求具有重大意义。1.2.2 微电网保护的研究现状通常情况下，低压配电网呈单电源辐射状结构，微电网中由于多个分布式电源的引入，潮流双向流通，使得短路电流的整定计算变得更加复杂。微电源之间的距离可能很短，区内和区外故障
21、时电压可能非常接近，这将造成所形成的故障判据的灵敏度不够。文献3研究了通过电力电子器件接入电网的分布式电源的控制和保护问题，详细分析了在网络不同运行模式下微电源的不同控制方式和对保护的影响问题。文献4利用动态仿真很好地回避建立系统阻抗矩阵的问题，并且分析了带逆变器并网的DG给配网继电保护带来的影响，并得出结论：经逆变器的DG并网对系统的影响并不十分明显。文献5研究了孤岛运行下的微电网在失去配电网容量支撑时，由于分布式电源自身容量较小，其故障特性与并网运行时差别很大的问题。文献6通过仿真验证了微电网的故障电流一般情况下远远小于主电网的故障电流，传统的电流保护无法应对微电网保护的特殊性。微电网中微
22、电源的容量一般都很小，在孤岛模式或两种模式转换过程中，操作或微电源波动都可能会出现较长的暂态过程。总之，DG并网给微电网保护带来了一系列问题。由于联网时短路容量大，多个DG接入点不同或是故障类型不确定，引起故障电流方向多变和保护整定困难；另外一点就是包括光伏电池、燃料电池这类逆变型电源，由于内部热过载能力较低，输出电流一般被限制为额定电流的2-3倍，很难利用故障电流进行故障定位。因此，人们开始探索其它保护技术。一种方法是针对孤岛下电流大小不足以使传统过流保护装置动作而使用储能系统为微电网提供故障电流；另一种方法是提取新的不受这两种特点影响的故障特征量来检测故障并动作于保护，使微电网稳定运行。文
23、献7通过控制故障DG接口逆变器的直流侧电压，改变故障时的输出电流。也有学者提出安装补偿性电流源的方法，但是这种方案要根据不同的网络运行状态开启或关闭，所以高度依赖于孤岛检测技术和补偿性电流源的可靠性操作,这种方法是不经济的。文献8提出了一种在孤岛和并网下相同的保护策略。文中将微电网划分为5个保护区，每个区之间装设有三相电流互感器，中性线上设有三相和电流互感器。针对单相接地故障和相间故障，提出对称分量法和差分电流法相结合的保护策略，过电流保护作为后备。但这种策略无法检测三相短路故障，对复杂结构的微电网通用性不高。文献9提出了一种新的基于电压扰动量的方法，通过将逆变器接口采集到的三相交流电压量从a
24、bc坐标系转换到dq同步坐标系下的直流量，并用与参考值的差值判断故障类型，当微电网中有故障发生时，接口电压将发生变化，的值可能是从零到最大值的摆动量、直流量和摆动量的叠加或是恒定直流量三种形式，由此就可以判定出单相、两相和三相故障中的哪种故障；并通过和相邻继电器的通信比较来判断故障发生在区内还是区外。该方法避开了运行方式带来的故障电流差异，但是不适合单相跳闸。文献10使用继电器监测逆变型电源端口输出的电压，通过对电压的离散傅里叶变换和谐波畸变率分析，判断故障相和故障位置。实现技术难点就是THD门槛值的设定和通信的同步，对包含多个DG的微电网实现困难。文献11设计了一种新式继电器用来应对微电网孤
25、岛下逆变型电源的限流导致的微电网孤岛运行下故障电流小的问题。但是这种方法成本过高，而且该装置目前也在研究阶段。微电网保护的快速性也是尤为重要的，当微网馈线上直接联有旋转电机时，必须保证用户侧的保护足够快速的动作来减少故障电压跌落的持续时间，尤其是保证孤岛运行时的微网在故障清除后稳定运行。因此，从微电网的稳定运行角度来看，保护的快速响应能力和在网络结构发生变化后的同步能力是十分重要的。总之，如何能确保微电网内的保护在正常操作和扰动下，可靠不动作；在孤岛和联网不同运行方式下，均对内部故障及时作出正确判断，并且在联网运行时快速感知大电网侧故障，同时能够保证内部保护的灵敏性、可靠性、选择性和快速性。配
26、电网中传统的电压电流保护显然已经无法满足微电网保护的特殊要求，国内外的研究也刚刚起步，还有很多难题没有攻克，缺少一种行之有效的保护策略。针对以上情况，本文分析了微电网继电保护中应调整的对策。最后，分析了微电网主要的保护情况。 1.3 本文研究主要内容第一章概述了微电网技术的背景和结构特点，介绍了微电网保护的研究现状，并阐述了本课题的研究意义。第二章介绍了微电源的分类，着重介绍了逆变型分布式电源接口逆变器的控制策略，并分别针对恒压恒频控制和恒功率控制这两种逆变器控制策略下的分布式电源的故障输出特性进行了理论分析第三章用MATLAB软件分别搭建微电网仿真模型，并用仿真算例验证了控制策略的正确性，研
27、究了在故障电流达到故障限流之前逆变型分布式电源端口的输出特性，并仿真给出了相应的特征量变化第四章基于以上理论分析及仿真结果，提出具体的微电网保护方案。第二章 微电网的控制策略及故障特性分析微网内的微源种类多样，包括微型燃气轮机、风机、燃料电池、光伏电池和储能电容器等，其工作特性也各不相同。比如对于微型燃气轮机和燃料电池而言，其出力可以人为干预调节，既可以对有功无功进行控制，也可以实现电压频率控制，在微网孤岛时提供网内电压和频率支撑，属于非间歇式微源；而对于风能、太阳能等发电形式，其输出具有波动性和间歇性特点，输出功率受天气影响很大。这类电源一般采用恒功率控制策略，即跟踪目标的最大功率输出，通过
28、并网逆变器控制电流波形和输出功率，使其向电网输送的功率与电动机或者光伏阵列所发出的最大功率相平衡，以保证可再生能源能够达到最大的利用率。本章首先详细介绍微电网的结构特点和微电源的分类，针对微电网中通常采用的逆变型分布式电源的工作原理和特点不同，区分采用不同的控制策略，进而搭建微电网的模型，对不同控制策略下的逆变型分布式电源的故障进行理论分析。2.1 微电网的结构特点从结构上看，微电网是一个带有多个负载及DG的微型电力系统，通过一个能量管理系统、灵活交流输电系统控制装置(例如，功率潮流控制器，电压控制器等)以及保护装置构成。微电网自身可以是直流或者交流网络，交流微电网可以是一个单相或是三相的系统
29、。它可以被连接到一个低压或者中压的配电网中。微电网的基本结构如图2-1所示，它包含的分布式电源包括光伏发电、微汽轮机以及燃料电池系统，连接在A、B馈线中。微电网和大电网之间的连接是由公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)处的分断设备(通常为一个静态转换开关)来保证一旦大电网故障时的快速断开。更简单的说，微电网可以看做是一个包含了电源和控制设施的分布式系统，能量管理系统作为微电网的控制中心，内部包含了保护设备的配合以及电能质量监控管理，来保证微电网的可靠操作以及对大电网需求的响应。微电网的另一个特点是该分布式的网络可以连接为一个环网，来提高系统的可靠性。由于DG
30、更接近负荷，燃料电池及微汽轮机之类的电源就可以作为热电联产的电源来提高能源的利用率。加装了蓄电池的燃料电池可以产生可控的输出功率来满足大电网或者负荷切换瞬间的需求。风力发电及光伏发电通常有来自风机和太阳能电池板的最大功率跟踪(Maximum Point of Power Tracking, MPPT)。同样，加装了储能单元的风机和太阳能发电系统能够产生可控的输出功率来满足发电和负荷的需要。总之，微电网为能源的最佳利用提供了机会，可以根据不同的地区环境和不同的负荷需要合理的配置不同的发电单元以全面提高电能和热能的使用效率。A、B两条馈线当大电网侧发生故障时，也可以实现与大电网断开后的独立运行，因
31、此可以满足对可调节负荷或敏感负荷的不间断本地供电；C馈线上一般连接用电要求不高的非敏感负荷，通常是由大电网直接供电。图2-1 微电网的基本结构微电网的运行方式主要有两种：并网模式和孤岛模式。并网时，DG的主要功能是提供电能并提供本地电压和功率支撑，由于电力电子元件的使用，DG还能产生可控的无功功率。这样能够降低线路损耗，提高整个系统的效率。微电网的能量管理系统可以单独控制每一个DG的有功和无功参考值，例如光伏和风力发电之类的DG也可以由MPPT跟踪控制输出最大的功率。另一个运行模式是孤岛运行，它是在微电网从大电网断开后(例如，当大电网断电时)持续为本地负荷提供电能的运行方式，保证孤岛能稳定运行
32、，其内部DG的控制需要满足以下三个需求：第一，所有DG供能总和应能满足网内负荷需要，由此可以避免DG间通过容量大小分担负荷而造成的设备损坏。第二，有DG能够采用电压控制来保证所有线路电压值在范围内。第三，所有DG必须同步并提供微电网的频率控制。根据两种运行模式下的不同的控制方法，为保证微电网的正常运行，每个DG都带有快速可靠的孤岛检测技术也十分重要。为保证故障清除后微电网重新稳定并入大电网，微电网还需要有再同步技术。由于孤岛模式下微电网侧的PCC终端电压幅值，频率和相角，可能与大电网侧的终端值不同。所以，在闭合开关前就需要采用再同步技术，再同步技术是为了保证重新联网时的平滑过渡。最后，保护是微
33、电网另一个十分重要的问题。无论是大电网侧或是微电网内部发生故障，微电网都需要能够快速响应于新的保护方案以及配合方法，这是因为： （1）传统的分布式系统保护可能由于微电网的放射状结构发生变化而退出。（2）电力电子器件在DG中的使用，限流幅值通常只有额定电流的2-3倍，传统的过电流保护方法不再适合于微电网。（3）传统的保护由于分布式电源的接入受到严重的影响，每个DG都可能增加故障电流大小。总之，微电网的保护需要重新配置并且故障电流需要重新计算和估计。2.2 微电源的分类及控制原理2.2.1 微电源的分类微电源是微网的重要组成部分，它的实现基础是电力电子技术，各种微电源接入大都是通过逆变器联接的，响
34、应时间都在毫秒级。控制方式既可以依靠本地信息，也可以借助于通信手段。这些微电源按照并网方式的不同可以分为三大类。 （1）直流电源，如燃料电池、光伏电池、直流风机等。其并网方式如图2-2所示。图2-2 直流逆变型电源并网示意图（2）交直交电源，如微型燃气轮机、变速恒频风机等某些发电形式虽为交流，但不为工频或不恒为工频的微源。其并网方式如图2-3所示。图2-3 交直交逆变型电源并网示意图（3）工频交流电源，如小水电机组、柴油发电机、小风机等。由于这类电源没有电力电子接口，采取直接并网方式，不具快速调节能力，所以在微电网中较少出现。后文中将以上前两种电源统称为逆变器接口的分布式电源(Inverter
35、-Interfaced Distributed Generators)，简称IBDG 。2.2.2 逆变型分布式电源的工作原理如图2-4所示为三相电压型逆变器的并网拓扑电路，三相逆变器将等效后的微电源直流输出电压逆变为三相交流电，经过LC滤波后输送到负荷端。其中，、为滤波器参数，、为线路参数，为逆变器的输出电压，为负载的端电压，为流过电感的电流，为电容中流过的电流，为流向负载和电网的电流之和。图2-4 三相逆变器并网拓扑电路典型逆变器的控制方案如图2-5所示，两个级联的控制回路分别为相位控制和幅值控制。它们将现场采集信息和控制信号作为输入，根据相应的控制策略，为 PWM控制提供输入，以此来使逆
36、变桥产生阀触发脉冲。图2-5 逆变器的控制方案2.2.3 逆变型分布式电源的控制方法常见的微电源接口逆变器控制方法有恒功率(PQ)控制和恒压恒频(V/f)控制。 1) PQ控制对于风能、太阳能等发电形式，其输出功率具有波动性和间歇性特点，受天气影响很大。这类电源一般采用PQ控制策略，即跟踪目标的最大功率输出，通过并网逆变器控制电流波形和输出功率，使其向电网输送的功率与电动机或者光伏阵列所发出的最大功率相平衡，以保证可再生能源能够达到最大的利用率。下面就说明一下PQ控制的原理：PQ控制是通过有功和无功电流的调节，令其跟踪参考电流而实现。逆变器三相对称系统中，并网基波电压为，相电压幅值为，则有：
37、（2-1）从静止abc坐标系到旋转dq坐标系的变换(称为Park变换，或dq变换)： （2-2）对进行dq变换可得： （2-3）可以看出三相电压在静止abc坐标系下是耦合的，但是在旋转dq坐标下，d 轴分量和q轴分量不相耦合，并且为一个常数，=0。逆变器输出电流i，经过dq变换后得d轴和q轴电流分别是、。由于 = 0，所以当设定逆变器输出有功功率和无功，则逆变器输出参考电流为 （2-4）由式可以看出，有功功率P由决定，无功功率Q由决定，把逆变器输出功率的控制问题转化成对电流的控制问题，其控制原理如图2-6所示，经过dq0坐标转换，对功率进行解耦后，将实际测量的功率值与给定值相比较，经过PI控制
38、器实现无差控制。图2-6 逆变器PQ控制图PQ控制方式适用于微电网联网运行方式，当微电网断开PCC开关运行时，PQ控制下的微电源不能维持电压频率的稳定，系统将会瓦解。2) V/f控制通常V/f控制方式用于微电网孤岛运行时的逆变电源。在该状态下，微电网中必须至少有一个DG作为主控电源，为整个独立的微电网提供电压和频率的参考值，来保证电压和频率始终运行在一定水平。V/f控制方式的实质是不论逆变电源输出功率如何变化，逆变器输出的电压幅值和频率一直维持不变。但由于孤岛容量有限，一旦出现功率缺额，必须要切除次要负荷才能保证重要负荷继续工作。因此V/f控制方式应具有较高的动态响应性能，能更快响应跟踪负荷投
39、切，保证逆变器输出电压稳定。为了解决这一问题，V/f控制采用电压电流双环控制，能利用逆变器反馈电压以调节交流侧电压来保证输出电压的稳定，不仅使逆变器控制系统的带宽增大，加快了逆变器的动态响应，并使其对非线性负载扰动的适应能力加强了。V/f控制方式结构如图 2-7所示。图2-7 典型 V/f 控制器结构2.3 逆变型分布式电源的故障输出特性分析2.3.1 逆变型分布式电源的模型简化 通常，在IBDG逆变器前的直流母线上都接有电容，该电容在暂态时可以提供电能，相当于同步发电机的转轴提供的旋转储能维持暂态能量平衡。由于电容的储能作用，直流侧母线电压不易发生突变。因此，在研究逆变型分布式电源时，在模型
40、中可以忽略发电机部分的影响而不失一般性。以直流-交流的并网方式为例，其模型简化如图2-8所示。该图显示了发电机、直流升压模块可以用一个直流电压源进行取代。由于椭圆形虚线括起的两部分的外部表现基本相同，因此这种简化是合理的。图2-8 IBDG的模型简化 图2-11中逆变器与系统间的连接电抗X主要是由滤波器电抗和变压器（假设逆变器经变压器接入电网）的漏电抗组成。2.3.2 恒压恒频控制下IBDG的故障输出特性分析 本节以如图2-9所示的等效电路，以恒压恒频控制的IBDG单独供电的系统为例，进行不同类型故障的理论分析。图2-9 IBDG 故障分析等效电路 图2-9中，为逆变器出口电压，U、I为保护安
41、装点电压和电流，X、和分别为连接电抗、输电线路和负载的等效阻抗。 1) 三相短路故障 当系统中发生三相短路故障时，由于各相对称，因此可简化为单相电路进行分析。正常运行时，IBDG出口保护安装点的电压、电流及IBDG输出功率如式（2-5）所示。 （2-5） 当线路末端发生三相金属性接地故障时，IBDG出口电压、电流及功率关系如式（2-6）。 （2-6） 可见，由于故障后系统阻抗由（）减小至，采用恒压恒频控制的IBDG为了保证出口母线电压U不变将增大输出电流至I，其输出功率也会随电流的增大而上升至。 故障点越接近分布式电源，则系统等效阻抗越小，输出电流越大，输出功率也越大。当输出功率达到极限后，电
42、压、电流与功率的关系如式（2-7）所示，式中为电源出口至故障点间等效阻抗。 （2-7） 可见，当输出功率达到极限后，作为微电网能量平衡的调节器，IBDG将无法继续维持恒压恒频控制，导致出口电压下降。等效阻抗越小，出口电压越小，电流越大。 为了保障电力电子器件运行的安全性和稳定性，在逆变器的控制装置中，大都设有一个电流限制装置。一般当输出电流达到所设极限后，将不再增大。此时，IBDG的输出功率将随着出口电压的跌落而下降。 综上所述，当发生三相金属性接地故障时，恒压恒频控制下IBDG的故障特性随着故障严重程度的不同，可以分为三段定量关系： （1）在输出视在功率达到极限之前满足：，IBDG表现为一恒
43、压恒频电源，输出功率随电流的增大而增大。 （2）在输出视在功率达到极限之后，输出电流达到极限之前满足：，IBDG表现为一恒功率源。（3）在输出电流达到极限之后，满足：，IBDG表现为恒流源。 由于在第(2)、(3)的故障特性下，IBDG出口电压会有大幅度的跌落，分布式电源自身的低电压保护将迅速动作使其退出运行。因此，在后续分析中，将主要针对第(1)段故障特性，假定恒压恒频控制的IBDG为一恒压源。 2) 不对称故障当系统发生单相接地短路、两相相间短路或两相短路接地等类型的不对称故障时，由于系统的对称性受到破坏，网络中会出现不对称的电流和电压。在分析过程中，常采用对称分量法将不对称的三相电流和电
44、压各自分解为三组分别对称的正、负、零序分量，再利用线性电路的迭加原理，对正、负、零序分量分别按对称三相电路进行求解，最后将其结果进行迭加。通常取A相作为基准项，其对称分量与三相向量之间的关系为： （2-8）式中，并且，；正序分量的三相幅值分别相等，相位彼此之间相差，相序为顺时针方向；负序分量的三相幅值也相等，相位彼此之间相差，相序与正序恰好相反；零序分量的三相幅值相等，相位相同。在正常运行的情况下，由于IBDG 控制器中的PWM控制脉冲的发生是按对称方式发送的，它产生波形的幅值和直流侧的电容电压有关。设为直流侧电容电压，逆变器输出三相电压瞬时值分别为 、，他们之间的关系如式(2-9)所示。其中
45、，K 为常数，称作逆变器的调制比，与IBDG电路主结构和电压脉宽有关，为IBDG输出电压和同步电压参考值之间的夹角。 （2-9）在系统发生不对称故障的情况下，IBDG中会流过负序、零序电流。通常情况下，由于IBDG直流侧并联的电容容量有限，不对称电流的流过会对直流侧的电压产生影响。零序电流与 IBDG输出的正序电压相乘得到的三相瞬时功率和为零，所以它对直流侧电压没有影响。但是对于负序电流来说，它与IBDG输出的正序电压相乘，计算得到三相瞬时功率之和将会为一个二倍工频的波动频率。它会影响到IBDG 有限容量的直流电容电压，会使直流侧电压产生一个二倍工频的扰动，该结论在众多文献中得到推导和论证12
46、，并且有文献进行了仿真和实验验证13。直流侧电容电压在考虑电容电压二倍频波动后表示为： （2-10） 式中为电容的直流分量，为二倍频扰动的电压幅值，为初相角。将式(2-10)代入式(2-9)，得到在不对称故障情况下IBDG出口三相电压的瞬时值表达式，如式(2-11)所示。 (2-11)可以看出，因为逆变器直流侧的电容电压二倍频扰动的存在，使得PWM输出的瞬时电势中除了含有基频正序量（第一项）、基频负序量（第二项），还产生了三倍频正序量，故此时IBDG还由一个负序源和三次谐波源组成。以两倍工频频率波动的直流侧电容电压的幅值与直流源的大小以及并联电容的容值相关，电容越大，直流侧的电压越稳定，同时二倍频波动幅度越小。实际的运用中，通常采用硬件和软件两种方式来减小直流侧电容电压的波动：在控制环节中加入低通滤波器，在功率控制环中采用积分平均值的算法，都能够有效的抑制二倍频波动电压的幅值，减少IBDG输出的负序和三次谐波分量，使其幅值的数量级与高次谐波接近。基于以上分析表明，在不对称短路故障下，研究IBDG的输出特性，可以忽略其输出电压中的负序分量和三倍
