畢業(yè)論文-基于分布式電源逆變器的原理和控制策略

第一章緒論1．1課題研究的背景和意義隨著時間的推移，經(jīng)濟和科學(xué)的迅速發(fā)展，人們對大電網(wǎng)有了更深的認(rèn)知，讓其成為在現(xiàn)在電力供應(yīng)的主要渠道。但是，過去幾年中世界上經(jīng)常發(fā)生一些大面積停電的事故，讓人們看出現(xiàn)今的大電網(wǎng)存在許多隱患和不足。，如果發(fā)生自然災(zāi)害或者緊急情況下，突然停電會對軍隊，醫(yī)院，金融等體系造成很大的經(jīng)濟損失，影響社會安定與發(fā)展。目前，在電力系統(tǒng)中分布式電電機的數(shù)量越來越多，促使分布式發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展。分布式發(fā)電，一般是指利用各種清潔能源，包括風(fēng)能，太陽能，小型水能等可再生能源生產(chǎn)電力能源。分布式發(fā)電非常有靈活性，可以在峰谷電價時啟動，降低用電成本。與此同時，邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)安裝一個小型分布式發(fā)電設(shè)備，可以充分利用當(dāng)?shù)刭Y源，以避免損失，由于長距離傳輸，有效提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。分布式發(fā)電還具有較高的機動性，具有投資少，見效快的特點，從而彌補了大型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性方面的問題。當(dāng)?shù)卣穑疄?zāi)，冰災(zāi)等自然災(zāi)害或意外事故而造成電網(wǎng)奔潰，分布式發(fā)電可以繼續(xù)對一部分用戶供電，從而避免大規(guī)模的停電給國家造成損失。分布式發(fā)電，雖然具有許多優(yōu)點，但也有不少不足，此外，相比于大電網(wǎng)，分布式電源是不可控源，造成了電網(wǎng)和用戶對系統(tǒng)運行，電能質(zhì)量，可靠性等方面產(chǎn)生巨大的影響，使得并網(wǎng)的規(guī)模受到限制。所以往往采取隔離和限制的方式應(yīng)對分布式電源接入，從而削弱了使用分布式發(fā)電的利用率。為了充分利用分布式發(fā)電，減少對電網(wǎng)和一些負(fù)面影響的沖擊，以達到盡可能高的效率和價值。在本世紀(jì)初，有專家提出微型電網(wǎng)的概念，稱為微網(wǎng)，是指用電力電子器件為可再生能源為主的分布式電源連接起來，用能量轉(zhuǎn)換裝置，控制系統(tǒng)，能夠供給電力和熱能，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制，保護和管理，也能滿足用戶的電能供應(yīng)，安全和電能質(zhì)量的要求，可以并網(wǎng)也可以孤島運行的小型電網(wǎng)。微電源，主要有水力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，太陽能發(fā)電。為了提高微電網(wǎng)的可靠性和電力質(zhì)量，還含有電能儲存裝置，如飛輪儲能系統(tǒng)，超導(dǎo)存儲系統(tǒng)，超級電容器。引入微電網(wǎng)，是對傳統(tǒng)的低電壓配電網(wǎng)絡(luò)的保護的一個挑戰(zhàn)：輻射狀線路的單向潮流方向可能變成雙向，使得傳統(tǒng)的保護分布式系統(tǒng)不得不退出。同時，在DG中使用，故障電流幅值額定電流通常只有2-3倍。孤島運行和并網(wǎng)運行都能夠做到大電網(wǎng)故障不懂做，對網(wǎng)內(nèi)故障做出有效的響應(yīng)，成為了微電網(wǎng)保護的難點和關(guān)鍵。1.2微電網(wǎng)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)外對微網(wǎng)的定義和研究方向微電網(wǎng)解決了高滲透率的并網(wǎng)問題，發(fā)揮其各種優(yōu)勢，成為一種有效形式，自然越來越受到世界各國的重視和支持，發(fā)展?jié)摿薮蟆?．美國微網(wǎng)美國在早期提出微電網(wǎng)的概念。在1999年，對于電力可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會（CERTS），第一次完整的對微電網(wǎng)定義：微電網(wǎng)是一個由單一單元控制，能夠為用戶提供高質(zhì)量和安全的需要。內(nèi)部微電網(wǎng)由微電源和負(fù)載共同產(chǎn)生電能和熱能;微電源產(chǎn)生的能量是由電力電子器件內(nèi)部所產(chǎn)生;并提出了“即插即用”和“對等”控制的想法和設(shè)計，這成為微電網(wǎng)概念的最早和最權(quán)威的概念。目前，美國對建模與仿真，保護和控制，以及經(jīng)濟和理論等方面進行了分析，并逐步形成了相關(guān)管理政策和法規(guī);同時，美國政府將建立一個“電網(wǎng)現(xiàn)代化”和微電網(wǎng)建設(shè)相結(jié)合，重點將對研究和開發(fā)未來提高重要負(fù)荷供電可靠性，以滿足不同用戶的用電需求，智能化和降低成本。2．日本微電網(wǎng)由于缺乏能源和負(fù)荷快速增長的需求，日本重視在其能源結(jié)構(gòu)越來越多的利用非常重視可再生能源。微電網(wǎng)可以發(fā)揮分布式電源效率的想法促使微電網(wǎng)在日本的快速發(fā)展。日本微電網(wǎng)定義為：根據(jù)用戶需求，在安裝小型分布式能源系統(tǒng)的一些特殊領(lǐng)域，為客戶提供電力和熱能。他們研究微電網(wǎng)主要分布在能源多樣化，能源效率和環(huán)境保護的需求。日本政府現(xiàn)在與，國內(nèi)高校，相關(guān)企業(yè)與國家重點科研室合作，在利用新能源和可再生能源利用和微電網(wǎng)的發(fā)展取得了良好的效果。3．歐盟微電網(wǎng)歐盟研究機構(gòu)對微電網(wǎng)微型電網(wǎng)的定義是：存儲設(shè)備;使用的主要能源，通過電力電子能量控制和轉(zhuǎn)換;可冷，熱，電三聯(lián)供;更加注重微型分布式發(fā)電設(shè)備。歐盟將“智能電網(wǎng)”的方向歸為電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，而微電網(wǎng)本身智能化，多元化的能源利用和環(huán)保的優(yōu)勢，已經(jīng)成為他們研究的重點。目前，不同規(guī)模的實驗項目建設(shè)的跨國公司已經(jīng)在運行的微電網(wǎng)，控制，通信，防護等安全理論得到了驗證，后期會作為示范項目，更先進的控制策略，DG接入和從傳統(tǒng)的電網(wǎng)規(guī)模過渡到智能電網(wǎng)等。4．中國微電網(wǎng)中國的電網(wǎng)，通過參照微電網(wǎng)國外微電網(wǎng)特性定義的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的定義是：：微電網(wǎng)是一種用傳統(tǒng)電源的獨立控制系統(tǒng)，由本地分布式能源或者中、小型發(fā)電機較大規(guī)模的優(yōu)化配置，為周圍負(fù)荷提供熱能、電能的特殊電網(wǎng)；目的在于滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全要求，并且通過利用內(nèi)部電源和負(fù)荷的可控性，實現(xiàn)微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行和孤島運行的自我控制；微電網(wǎng)是一個可控的整體單元，可以較好實現(xiàn)并網(wǎng)、孤島的切換。國家863和973項目中共同開設(shè)了微電網(wǎng)研究課題。廣州、內(nèi)蒙古、北京等地通過引入數(shù)多國外技術(shù)建成了近10座微網(wǎng)系統(tǒng)。1.2.2微電網(wǎng)的保護微電網(wǎng)與多個分布式電源和能量存儲裝置，徹底改變了分配系統(tǒng)的故障的特性。和在網(wǎng)格和微電網(wǎng)孤島的兩種操作條件，不同大小的短路電流有很大的不同。因此，如何能在一個孤島和并網(wǎng)斷電以響應(yīng)內(nèi)部，并在快速感知電網(wǎng)故障的情況下，同時確保保護的選擇性，快速性，靈敏性和可靠性是至關(guān)重要的。微電網(wǎng)保護克服微網(wǎng)接入傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)保護帶來的影響，同時也能滿足新的要求，其中包括保障微電網(wǎng)分配系統(tǒng)，以確保分布式發(fā)電能量供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵的可靠性。由于微網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行兩種工作模式，微電網(wǎng)如何識別公共電網(wǎng)的各種故障，并做出正確的反應(yīng)，以確定是否需要孤網(wǎng)運行是一個重大問題;另外，微型網(wǎng)的大量功率電子換流器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的存在也使得電能質(zhì)量問題更加令人關(guān)注。從系統(tǒng)的分布式發(fā)電功能的現(xiàn)行做法來看，微電網(wǎng)的保護和控制是分布式發(fā)電供能系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸之一。繼電器微電網(wǎng)必須遵循兩個原則：（1）無論是在孤網(wǎng)運行模式或并網(wǎng)運行模式微電網(wǎng)保護策略必須一致;（2）短路故障，必需迅速清除電源的短路電流。通過電力電子逆變器訪問新的微電網(wǎng)，大量的電力電子設(shè)備將改變故障電流，故障電流微電網(wǎng)是正常的電流一般不超過2次。因此傳統(tǒng)的配電網(wǎng)絡(luò)的保護裝置已不再適用，我們不考慮故障電流的幅。新的保護策略還有待提高。另一個困難是，微網(wǎng)中繼電網(wǎng)與公共電網(wǎng)連接（PCC）。微電網(wǎng)具有并聯(lián)運行和孤立運行模式。微電網(wǎng)通過PCC和公共電網(wǎng)連接，PCC在靜態(tài)開關(guān)和相應(yīng)的繼電保護對微電網(wǎng)保護是一個難點。它必須能準(zhǔn)確地判斷電網(wǎng)和各種故障做出快速反應(yīng)來決定是否微電網(wǎng)需要進入孤網(wǎng)運行，實現(xiàn)這兩種模式微電網(wǎng)問順利交接。微電網(wǎng)系統(tǒng)級保護主要目的是確保公共電網(wǎng)運行的永久性故障或微網(wǎng)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，微電網(wǎng)可以快速平滑進入孤網(wǎng)運行，降低接入電網(wǎng)對公共配電網(wǎng)的影響。同時，確保安全微電網(wǎng)過渡到新的穩(wěn)態(tài)運行。微電網(wǎng)系統(tǒng)保護的關(guān)鍵是其與PCC的公用配電網(wǎng)絡(luò)的交界處。從上面的分析，微網(wǎng)和配電網(wǎng)中繼電保護運行的影響主要取決于兩個因素：注入配電網(wǎng)短路電流幅度和持續(xù)時間。當(dāng)公共電網(wǎng)運行的永久性故障或微網(wǎng)不符合進入微電網(wǎng)孤立運行所需要的標(biāo)準(zhǔn)，PCC迅速采取行動，能夠減少微電網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)的不利影響。因此，控制和保護設(shè)備安裝PCC必須能夠檢測各種故障情況，準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)，迅速作出反應(yīng)，決定是否進入微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行。微電網(wǎng)單元級保護必須考慮兩個方面：處理各種內(nèi)部微電網(wǎng)故障運行的能力;微電網(wǎng)PCC在轉(zhuǎn)換成孤網(wǎng)運行的外部電網(wǎng)故障，必須確保微電網(wǎng)可以平滑地過渡到新的穩(wěn)態(tài)運行，如果內(nèi)部的微電網(wǎng)出現(xiàn)故障迅速排除故障，以確保安全，穩(wěn)定。1.3本文的研究內(nèi)容第一章講述了微電網(wǎng)的背景和結(jié)構(gòu)特點，概述了現(xiàn)今微電網(wǎng)保護的研究方向，并且闡述了本文的研究意義。第二章具體介紹了微電網(wǎng)的控制，結(jié)構(gòu)，分類和原理。并且分別介紹了PQ和V/F兩種控制方法。第三章著重并針對PQ和V/F控制這兩種控制策略下的分布式電源的故障輸出特性分析。并且利用PSCAD軟件對這兩種控制分別搭建微電網(wǎng)仿真模型。第四章對本文概括總結(jié)，分析在研究過程中遇到的問題和麻煩。

第二章微電網(wǎng)的控制微網(wǎng)中的為電源有很多種，包括微型燃?xì)廨啓C、風(fēng)機、燃料電池、光伏電池和儲能電容器等，它的性能特性也不同。例如，對于微型燃?xì)廨啓C和燃料電池，其輸出可人工干預(yù)，既為有功功率和無功功率控制，可以實現(xiàn)電壓頻率控制，微電網(wǎng)孤島運行時提供電壓和頻率支持，是一種非間歇微源;以及用于風(fēng)能，太陽能和其他形式的發(fā)電，這是輸出功率大大受天氣??的影響具有波動性和間歇性的輸出特性。這樣的電源一般是恒定功率控制策略，即跟蹤最大功率輸出目標(biāo)，電流波形和輸出功率由逆變器控制，可以平衡電動機的最大功率與電網(wǎng)輸送的功率，以保證可再生能源的利用最大化。2.1微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上看，微網(wǎng)具有多個是一個負(fù)載和DG微電力系統(tǒng)，通過能量管理系統(tǒng)，靈活交流輸電系統(tǒng)的控制裝置（例如，潮流控制器，電壓控制器等）和所述保護裝置組成。微電網(wǎng)本身可以是直流或者是交流網(wǎng)絡(luò)，交流微電網(wǎng)可以是單相或三相系統(tǒng)。它可以連接到一個低壓或中壓配電網(wǎng)。微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)示于圖2-1中，分布式電源包括光伏發(fā)電，微型渦輪機和燃料電池系統(tǒng)，連接到A，B饋線。微電網(wǎng)和電網(wǎng)連接是公共耦合點之間進行的分段設(shè)備，以確保大電網(wǎng)故障的快速斷開。更簡單地說，微網(wǎng)可以被看作是一個電源和控制設(shè)備的一個分布式系統(tǒng)，能源管理系統(tǒng)作為控制中心，包含在復(fù)雜的內(nèi)部以及電力質(zhì)量監(jiān)測和保護設(shè)備，以確保微電網(wǎng)運行可靠，并且響應(yīng)大電力需求。另一個特點是，該微電網(wǎng)分布式網(wǎng)絡(luò)可以連接到一個環(huán)網(wǎng)，以提高系統(tǒng)的可靠性。因為DG更靠近負(fù)載，燃料電池和微動力渦輪機等可用于提高能源效率。燃料電池的蓄電池的安裝可產(chǎn)生受控的輸出功率，以滿足電網(wǎng)或開關(guān)瞬態(tài)負(fù)載需求。風(fēng)力發(fā)電及太陽能發(fā)電通常是從風(fēng)力渦輪機和太陽能電池板跟蹤最大功率（功率跟蹤的最大點，MPPT）。類似地，風(fēng)力渦輪機的安裝和太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生控制存儲單元可以輸出功率，以滿足發(fā)電和負(fù)載的需求。總之，微電網(wǎng)能量的最佳使用提供了機會，可以合理地需要不同的配置，以適應(yīng)不同地區(qū)的發(fā)電單元的環(huán)境和不同的工作負(fù)載，提高使用效率電能和熱能的。A，B兩饋線故障發(fā)生時大電網(wǎng)側(cè)也可以與獨立的電網(wǎng)實現(xiàn)斷開后，以滿足負(fù)載或負(fù)載敏感不間斷本地電源;在C饋線連接一般用電要求不高的非敏感負(fù)載，通常直接由大電網(wǎng)供電。圖2-1微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)運行主要有兩個：并網(wǎng)模式和孤島模式。并網(wǎng)時，主要功能是提供電能和提供本地支持的電壓和功率，使用功率電子元件，DG也產(chǎn)生一個可控的無功功率。這可以減少線路損耗，提高整個系統(tǒng)的效率。微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)可以分別為有功功率和無功功率參考值，例如太陽能和風(fēng)能等DG最大功率輸出可以通過MPPT跟蹤控制的各個DG進行控制。另一種操作模式孤島模式，并且它是在微網(wǎng)從電網(wǎng)斷開（例如，當(dāng)一個大電網(wǎng)斷電）繼續(xù)提供電源給本地負(fù)載操作模式，以確保孤島的穩(wěn)定運行，其內(nèi)部控制DG我們需要滿足以下三個要求：第一，所有的DG能源供應(yīng)的總和應(yīng)能滿足內(nèi)網(wǎng)負(fù)荷的需求，從而避免通過能力大小損壞設(shè)備間共享DG造成負(fù)載。第二，可以采用DG電壓控制，以確保在電源電壓的范圍內(nèi)的所有值。第三，都必須同步和DG微電網(wǎng)頻率的控制。取決于控制兩種工作模式，以確保微電網(wǎng)的正常操作的方法，每個DG帶有一個快速和可靠的孤島檢測技術(shù)也很重要。為了確保故障被清除微電網(wǎng)重新進入穩(wěn)定的大電網(wǎng)，微電網(wǎng)也需要重新同步技術(shù)。因為PCC端子電壓振幅，頻率和相位角，與終端值大電網(wǎng)側(cè)不同。因此，閉合開關(guān)前將需要使用同步技術(shù)，同步技術(shù)是保證平穩(wěn)過渡。最后，保護微電網(wǎng)是另一個非常重要的問題。不管是大電網(wǎng)側(cè)或內(nèi)部微電網(wǎng)故障，微電網(wǎng)必須能夠迅速作出反應(yīng)，以新的方案和保護方式，這是因為：（1）傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)的保護可能是由于徑向微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化而退出。（2）限留幅值通常只有2-3倍的額定電流，傳統(tǒng)的過流保護方法不再適用于微電網(wǎng)。（3）傳統(tǒng)的保護由于分布式動力造成嚴(yán)重的影響，每個DG可能會增加故障電流的大小。總之，需要將微電網(wǎng)的保護進行重新配置和故障電流需要重新計算和估計。2.2微電源的分類及原理2.2.1微電源的分類微網(wǎng)的最重要組成部分是為電源，電力電子技術(shù)是實現(xiàn)基礎(chǔ)，各種微電源接入大都是通過逆變器，響應(yīng)時間都在毫秒級?？刂品绞侥軌蛞揽勘镜匦畔?，也可以憑借通信手段。這些微電源三大類（按照并網(wǎng)方式）。（1）直流電源，如燃料電池、光伏電池、直流風(fēng)機等。其并網(wǎng)方式如圖2-2所示。圖2-2直流逆變型電源并網(wǎng)示意圖2）交直交電源，如微型燃?xì)廨啓C、變速恒頻風(fēng)機等某些發(fā)電形式雖為交流，但不為工頻或不恒為工頻的微源。其并網(wǎng)方式如圖2-3所示。圖2-3交直交逆變型電源并網(wǎng)示意圖（3）頻率的交流電源，如小水電機組，柴油發(fā)電機，小型風(fēng)力等。由于這種電源是電力電子接口和網(wǎng)絡(luò)采取直接的方式，不具有能夠快速調(diào)整，因此較少出現(xiàn)在微電網(wǎng)。2.2.2分布式電源的工作原理如圖2-4三相電壓型逆變器的并網(wǎng)拓?fù)潆娐罚嗄孀兤鲗⒌刃Ш蟮奈㈦娫粗绷鬏敵鲭妷耗孀優(yōu)槿嘟涣麟?，?jīng)過LC濾波后輸送到負(fù)荷端。其中，、、為濾波器參數(shù)，、為線路參數(shù)，為逆變器的輸出電壓，為負(fù)載的端電壓，為流過電感的電流，為電容中流過的電流，為流向負(fù)載和電網(wǎng)的電流之和。圖2-4三相逆變器并網(wǎng)拓?fù)潆娐返湫湍孀兤鞯目刂品桨溉鐖D2-5所示，兩個級聯(lián)的控制回路分別為相位控制和幅值控制。它們將現(xiàn)場采集信息和控制信號作為輸入，根據(jù)相應(yīng)的控制策略，為PWM控制提供輸入，以此來使逆變橋產(chǎn)生閥觸發(fā)脈沖。圖2-5逆變器的控制方案2.3分布式電源的控制方法2.3.1V/F控制微電網(wǎng)在獨立的狀態(tài)，我們需要使用V/f控制模式。微型逆變器本身提供一個參考電壓，其參考頻率下降特性。在v/f控制模式時，控制模塊獲取負(fù)載電壓，然后用參考電壓值，并最終由電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)中，變頻器產(chǎn)生所需的圖3.1所示的具體原則控制信號。V/f控制，使微電源可以被增加或減少相應(yīng)的功率輸出，通過改變其自身的頻率和電壓，以實現(xiàn)微功率的變化的條件之間的功率共享的變化，以確保電壓和頻率的穩(wěn)定。圖3.1逆變器的V/f控制原理示意圖2.3.2PQ控制在PQ控制，微電源系統(tǒng)注入一個預(yù)定值有功功率和無功功率。在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，先給定一個功率參考值，在選擇所述測得的逆變器輸出電壓的適當(dāng)坐標(biāo)變換基準(zhǔn)軸坐標(biāo)變換，可以使得有功分量和無功分量解禍后分別控制，圖3.2所示。PQ逆變器控制方法是適合微電網(wǎng)與大型電網(wǎng)運行，當(dāng)微電網(wǎng)獨立運作，采用這種控制的微功率不能提供電壓和用于微電網(wǎng)頻率的支持，因此，如果動力不足，系統(tǒng)將微電網(wǎng)瓦解后獨立運行。圖3.2逆變器的PQ控制原理示意圖2.4本章小結(jié)本章首先介紹了微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)，對微電源進行了簡單的分類并簡單的介紹了分布式電源的工作原理。介紹了PQ及V/F兩種控制方式，為下章的仿真分析打下理論基礎(chǔ)。第三章微源故障特性分析及仿真3.1分布式電源的故障分析3.1.1V/F控制下故障特性分析本節(jié)以如圖3-1所示的等效電路，以恒壓恒頻控制的IBDG單獨供電的系統(tǒng)為例，進行不同類型故障的理論分析。圖3-1IBDG故障分析等效電路圖3-1中X、和是連接電抗、輸電線路和負(fù)載的等效阻抗。是逆變器輸出端口電壓，U、I目的是保護安裝點電壓以及電流。下文將對各種不同故障下的情況進行分析1)三相短路故障如果系統(tǒng)中有該故障發(fā)生的時候，因為各相對稱，所以可以等效成單相電路再分析。當(dāng)系統(tǒng)再正常工況下，IBDG輸出端口保護安裝點的電壓、電流和IBDG輸出功率如式（2-5）。 （2-5）當(dāng)系統(tǒng)末端有三相金屬性接地故障時，IBDG輸出端口的電壓、電流和功率關(guān)系如下所示（2-6）。（2-6）可見，因為系統(tǒng)發(fā)生故障時阻抗由（）減小至，利用恒壓恒頻控制的IBDG，是為了保證輸出端口的母線電壓U不變就會增大輸出電流到I，其輸出功率也將隨I的增大而提升到。每當(dāng)故障點越接近分布式電源，系統(tǒng)中的等效阻抗會變小，輸出電流越大，輸出的功率則變大。當(dāng)輸出功率升到最大值，電壓、電流與功率的關(guān)系如式（2-7），式中為電源輸出端口到故障點間等效阻抗。（2-7）因此，當(dāng)輸出功率到后，IBDG就不會持續(xù)維持恒壓恒頻控制，出口電壓將下降。阻抗越小，出口電壓則越小，電流將會越大。為了使電力電子器件運行的安全性以及穩(wěn)定性，在逆變器的控制裝置里，都會裝有一個限流裝置。一般當(dāng)輸出電流達到最大后，將不會增大。這時，IBDG的輸出功率會隨著出口電壓的下降隨之下降。綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相金屬性接地故障時，再V/F控制下IBDG的故障特性就隨著故障程度的不同，會分成三段定量的關(guān)系：（1）在輸出是在功率達到最大之前滿足：，IBDG表現(xiàn)出恒壓恒頻電源，輸出功率會隨著電流的增大而增大。（2）在輸出功率達到最大之后，輸出電流變成最大之前滿足：，IBDG就是恒功率源。（3）在輸出電流達到最大之后，滿足：，IBDG呈現(xiàn)出恒流源。由于在上述(2)、(3)的情況下，IBDG出口電壓則大幅度的下降，其低電壓保護則會馬上動作退出運行。2)不對稱故障若系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路和兩相相間短路以及兩相短路接地的類型的不對稱故障時，由于系統(tǒng)的對稱性已經(jīng)被破壞破壞，系統(tǒng)中出現(xiàn)不對稱的電流以及電壓。在分析過程中，會利用對稱分量法以不對稱的三相電流以及電壓各自分解成三組逐個對稱的正、負(fù)、零序分量，再利用線性電路迭加原理，對正、負(fù)、零序分量分別按照對稱三相電路求解，最后將其結(jié)果進行迭加。一般取A相作為基準(zhǔn)項，其對對稱分量與三相向量之間的關(guān)系為：（2-8）式中，并且，；正序分量的三相幅值分別相等，相位彼此之間相差，相序為順時針方向；負(fù)序分量的三相幅值也相等，相位彼此之間相差，相序與正序恰好相反；零序分量的三相幅值相等，相位相同。在正常運行的情況下，因為IBDG控制器中的PWM控制脈沖的發(fā)生是以對稱方式發(fā)送的，它產(chǎn)生波形的幅值以及直流側(cè)的電容電壓有關(guān)。設(shè)為直流側(cè)電容電壓，逆變器輸出三相電壓瞬時值分別為、、，他們之間的關(guān)系如式(2-9)所示。其中，K為常數(shù)，叫做逆變器的調(diào)制比，與IBDG電路主結(jié)構(gòu)以及電壓脈寬有關(guān)，為IBDG輸出電壓以及同步電壓參考值之間的夾角。（2-9）在系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障的情況下，負(fù)序、零序電流會流過IBDG。通常情況下，因為IBDG直流側(cè)并聯(lián)的電容容量是有限，所以不對稱電流的流過會對直流側(cè)的電壓產(chǎn)生影響。零序電流和IBDG輸出的正序電壓相乘得到的三相瞬時功率和是零，所以它對直流側(cè)電壓不會有影響。但是對于負(fù)序電流來講，它與IBDG輸出的正序電壓相乘，計算得到三相瞬時功率之和是會為一個二倍工頻的波動頻率。它會影響到IBDG有限容量的直流電容電壓，能使直流側(cè)電壓產(chǎn)生一個二倍工頻的擾動。直流側(cè)電容電壓在考慮電容電壓二倍頻波動后表示為：（2-10）式中為電容的直流分量，為二倍頻擾動的電壓幅值，為初相角。將式(2-10)代入式(2-9)，得到在不對稱故障情況下IBDG出口三相電壓的瞬時值表達式，如式(2-11)所示。(2-11)能看出，由于逆變器直流側(cè)的電容電壓二倍頻擾動的存在，使得PWM輸出的瞬時電勢中除了含有基頻正序量（第一項）、基頻負(fù)序量（第二項），還產(chǎn)生了三倍頻正序量，所以此時IBDG還由一個負(fù)序源以及三次諧波源組成。以兩倍工頻頻率波動的直流側(cè)電容電壓的幅值與直流源的大小和并聯(lián)電容的容值相關(guān)，電容越大，直流側(cè)的電壓越穩(wěn)定，此時二倍頻波動幅度會變小。實際的運用中，一般采用硬件以及軟件兩種方式來減小直流側(cè)電容電壓的波動：在控制環(huán)節(jié)里加入了低通濾波器，在功率控制中利用積分平均值的算法，可以有效的抑制二倍頻率波動電壓的幅值，減少IBDG輸出的負(fù)序以及三次諧波的分量，能讓其幅值的數(shù)量級和高次諧波接近?；谝陨戏治霰砻鳎诓粚ΨQ短路故障的情況下，研究IBDG的輸出特性，能忽略它的輸出電壓中的負(fù)序分量和三倍頻量帶來的影響，將其近似等效為只有基頻正序量的電壓源。因此，系統(tǒng)側(cè)看進去，IBDG出口對系統(tǒng)的零序、負(fù)序電壓相當(dāng)于短路，因此認(rèn)為IBDG的零序、負(fù)序內(nèi)阻等于逆變器與系統(tǒng)間的連接電抗X。以兩相相間短路為例，如圖2-10所示的三相電路中，當(dāng)k點發(fā)生兩相相間短路時，相對應(yīng)的序網(wǎng)絡(luò)等值電路如圖2-11所示，為相間短路時IBDG出口處的正序等效電動勢。圖2-10BC相間短路電路圖圖2-11序網(wǎng)絡(luò)等效電路圖BC相間短路的邊界條件為（2-12）將式(2-12)代入式(2-8)，可以得到用序分量表示的短路邊界條件為：（2-13）由上式可以看出，兩相相間短路時，沒有零序網(wǎng)絡(luò)，滿足此邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖2-12所示。圖2-12BC相間短路復(fù)合序網(wǎng)因為恒壓恒頻控制，故障前后IBDG的輸出電壓不變，當(dāng)系統(tǒng)阻抗已知的情況下，能求得故障后的正序電流：（2-14）由此能看出，因為負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)以至于系統(tǒng)總阻抗變小，正序電流較正常運行時增加。IBDG流過的負(fù)序電流如下所示：（2-15）由式（2-15），故障后IBDG會有較大的負(fù)序電流。這是由于IBDG的逆變器出口對負(fù)序電壓短路，若系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時，僅有連接電抗X和IBDG到故障點間的線路阻抗對負(fù)序電流可以有限流的作用，所以容易在IBDG中有負(fù)序過電流。與此同時，IBDG出口保護安裝點負(fù)序電壓如下：（2-16）綜上所述，若系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路故障時，利用恒壓恒頻控制IBDG出口的正序電壓保持恒定，正序電流增大，會出現(xiàn)明顯的負(fù)序電流。又因為IBDG本身結(jié)構(gòu)的原因，它的零、負(fù)序電壓不明顯。3.1.1PQ控制下故障特性分析下文為了簡化理論分析，還是用圖2-14的IBDG單獨供電系統(tǒng)，對恒功率控制的故障輸出特性做出分析。1)三相短路故障為了研究三相短路故障下恒功率控制IBDG的輸出特性，和上文一樣，還是利用單相電路進行分析。正常運行時，IBDG的輸出功率如式（2-17）所示。（2-17）三相金屬性接地故障在線路末端發(fā)生時，逆變器出口端的電壓、電流和功率之間的關(guān)系如式(2-18)。（2-18）綜上所述，由于故障后的系統(tǒng)阻抗由（）減小目的是，PQ控制下的IBDG將增大輸出電流I為來保持輸出功率不變，同時，出口電壓U降低為。故障點越靠近分布式電源，系統(tǒng)的等值阻抗越小，電壓就越低，電流輸出值就越大。當(dāng)輸出電流達到IBDG的設(shè)定極限值之后將不再增加。綜上所述，若統(tǒng)中發(fā)生三相接地短路故障時，PQ控制下的IBDG故障特性根據(jù)故障的嚴(yán)重程度不同，能分為以下兩段定量關(guān)系：（1）當(dāng)輸出電流沒有達到IBDG設(shè)定電流極限時滿足：，IBDG對外表現(xiàn)出一恒功率電源，出口端電壓會與故障電流輸出值的增大隨之減小。（2）當(dāng)輸出電流達到IBDG設(shè)定電流極限時滿足：，IBDG對外表現(xiàn)出一恒定電流源。綜上可知，當(dāng)故障電流達到最大之后，分布式電源中的保護裝置會自動作切除。所以在下文分析中，只考慮該控制下的IBDG是一恒功率源。2)不對稱故障利用對稱分量法進行分析，故障前IBDG的輸出功率有（故障前）：（2-19）其中，、、及、、分別為IBDG出口三相電壓和電流。將式（2-19）上的相電壓和電流根據(jù)公式（2-8）轉(zhuǎn)換成正、負(fù)、零序分量表示，則：（2-20）其中，正、負(fù)、零序電壓有：（2-21）與2.2.2節(jié)得出的結(jié)論一樣，IBDG出口的正序電壓從逆變器出口正序電壓以及連接電抗X中的正序壓降合成。負(fù)、零序電壓則是負(fù)、零序電流經(jīng)過連接電抗X產(chǎn)生的壓降。因為濾波裝置阻抗很小，所以IBDG出口負(fù)、零序電壓很小。將式（2-21）代入式（2-20）得出：（2-22）出現(xiàn)不對稱故障后，由于負(fù)、零序電流的產(chǎn)生，就是增加了容性負(fù)荷，采用恒功率控制的IBDG是為了保證其輸出的功率不會改變，而IBDG輸出的正序分量只與有功功率有關(guān)，如式（2-23），其中是故障后其等效阻抗。（2-23）在故障前后IBDG輸出的有功功率不變，能根據(jù)式（2-23）得出故障后的正序電流。研究BC相相間短路故障，考慮線路以及負(fù)載的相序等效阻抗一樣，故障后系統(tǒng)等效阻抗：（2-24）求其實部，得：（2-25）得出正序電流有：（2-26）因為，由于兩相相間短路后的正序電流與正常運行相比有所增加。負(fù)序電流幅值再恒功率控制的IBDG下為：（2-27）有式（2-27），因為微電網(wǎng)中，負(fù)荷的阻抗遠(yuǎn)大于線路阻抗，所以流經(jīng)IBDG的負(fù)序電流將會很大。若系統(tǒng)發(fā)生兩相相間短路故障，利用恒功率控制IBDG的輸出功率不會改變，正序電流增大，還會出現(xiàn)很大的負(fù)序電流。并且系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路以及兩相接地短路等不對稱短路故障時，也有相似的結(jié)論。3.2PQ和V/F控制仿真通過前文所述的方法控制微電源出口電流進而控制輸出功率、出口電壓和系統(tǒng)頻率，從而實現(xiàn)PQ控制和V/f控制。微電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制環(huán)節(jié)在Matlab中搭建的模型如圖3-1所示。PQ控制VF控制圖3-1為了驗證兩電源控制策略的有效性，對所搭建的恒功率控制和恒壓恒頻控制的微電源進行穩(wěn)態(tài)運行下的仿真驗證。主電路仿真圖如圖3-2所示，控制電路仿真如圖2-6,2-7。PQ控制下主電路仿真圖VF控制下主電路仿真圖圖3-2主電路仿真圖PQ控制下Load1及Load2的參數(shù)分別為：=20kW，=3kVar；=10kW，=4kVar。仿真時間為1s，在0.3s時增加負(fù)載Load2,0.5s時切除負(fù)載Load2。仿真波形如圖3-3所示。圖3-3單個PQ電源帶負(fù)載輸出波形由仿真波形可以看出，PQ控制的微電源MS1在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷變化的情況下，能始終按照設(shè)定的有功10kW和無功功率3kVar發(fā)出恒定功率，負(fù)荷的增加量完全由大電網(wǎng)提供。期間電壓波動量不明顯，頻率也能保持相對的穩(wěn)定。隨后，對V/f控制的微電源進行仿真。Load1及Load2的參數(shù)分別為：=23kW，=10kVar；=10kW，=6kVar。仿真時間為1s，在0.3s時增加負(fù)載Load2,0.5s時切除負(fù)載Load2。仿真波形如圖3-4所示。圖3-4單個V/f電源仿真波形從仿真結(jié)果可以看出，V/f控制的逆變電源只要是在容量允許范圍內(nèi)，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷需求，增加或者減少發(fā)出的功率，并且保持網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率基本穩(wěn)定。3.2.1V/F控制仿真下文針對恒壓恒頻控制的IBDG進行了故障仿真，用來驗證前文的理論分析。參與驗證的故障類型有三相金屬性接地短路、BC兩相相間短路以及A相單相接地短路，上述三類故障發(fā)生時刻都是0.3s。三相金屬性接地短路故障出現(xiàn)在不同位置時，PWM_VF出口電壓、電流和輸出功率如表3-1所示。表3-1PWM_VF出口三相短路中的故障特征故障點位置故障電壓（V）故障電流（A）故障功率（KVA）Line-VF90%2203422.9Line-VF50%2206040.3Line-VF10%7010058出口處01000恒壓恒頻控制的逆變器PWM_VF容量是60KVA，當(dāng)故障點的由遠(yuǎn)到近，故障電流對應(yīng)增大，由于恒壓恒頻控制的作用下，故障電壓保持恒定。若PWM_VF的輸出功率達到最大后，就無法持續(xù)維持電壓，如表中線路Line_VF中50%處發(fā)生故障的情況，此時電壓下降明顯。若故障點在Line_VF的10%處與出口處時，故障電流達到逆變器的電流輸出極限，不會再增大。由此可見，上表實驗數(shù)據(jù)符合上文的理論分析，驗證了2.3.2節(jié)的結(jié)論。2)不對稱短路故障0.3s時發(fā)生單相接地短路，故障點在線路的10%處、50%處、90%處時，VF控制的逆變器出口的電壓、電流如圖3-5、圖3-6、圖3-7所示圖3-5線路Line_VF10%處單相接地的故障特性圖3-6線路Line_VF50%處單相接地的故障特性圖3-7線路Line_VF90%處單相接地的故障特性0.3s時發(fā)生BC兩相相間短路，故障點在線路的10%處、50處、90%處時，PWM_VF出口的電壓、電流及頻率如圖3-8、圖3-9、圖3-10所示。圖3-8線路Line_VF10%處兩相相間短路的故障特性圖3-9線路Line_VF50%處兩相相間短路的故障特性圖3-10線路Line_VF90%處兩相相間短路的故障特性由圖3-6、圖3-7、圖3-8、圖3-9、圖3-10能看出，若系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路故障時，利用恒壓恒頻控制的IBDG可以維持出口正序電壓恒定，負(fù)、零序電壓的幅值大大小于正序電壓。與此同時，系統(tǒng)中產(chǎn)生了明顯的負(fù)序電流。