【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 逆變器前的直流母線上都接有電容，該電容在暫態(tài)時(shí)可以提供電能，相當(dāng)于同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸提供的旋轉(zhuǎn)儲(chǔ)能維持暫態(tài)能量平衡。由于電容的儲(chǔ)能作用，直流側(cè)母線電壓不易發(fā)生突變。因此，在研究逆變型分布式電源時(shí)，在模型中可以忽略發(fā)電機(jī)部分的影響而不失一般性。以直流交流的并網(wǎng)方式為例，其模型簡(jiǎn)化如圖28所示。該圖顯示了發(fā)電機(jī)、直流升壓模塊可以用一個(gè)直流電壓源進(jìn)行取代。由于橢圓形虛線括起的兩部分的外部表現(xiàn)基本相同，因此這種簡(jiǎn)化是合理的。圖28 IBDG的模型簡(jiǎn)化 圖211中逆變器與系統(tǒng)間的連接電抗X主要是由濾波器電抗和變壓器（假設(shè)逆變器經(jīng)變壓器接入電網(wǎng)）的漏電抗組成。 恒壓恒頻控制下IBDG的故障輸出特性分析 本節(jié)以如圖29所示的等效電路，以恒壓恒頻控制的IBDG單獨(dú)供電的系統(tǒng)為例，進(jìn)行不同類型故障的理論分析。圖29 IBDG 故障分析等效電路 圖29中，為逆變器出口電壓，U、I為保護(hù)安裝點(diǎn)電壓和電流，X、和分別為連接電抗、輸電線路和負(fù)載的等效阻抗。 1) 三相短路故障 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生三相短路故障時(shí)，由于各相對(duì)稱，因此可簡(jiǎn)化為單相電路進(jìn)行分析。正常運(yùn)行時(shí)，IBDG出口保護(hù)安裝點(diǎn)的電壓、電流及IBDG輸出功率如式（25）所示。 （25） 當(dāng)線路末端發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，IBDG出口電壓、電流及功率關(guān)系如式（26）。 （26） 可見，由于故障后系統(tǒng)阻抗由（）減小至，采用恒壓恒頻控制的IBDG為了保證出口母線電壓U不變將增大輸出電流至I，其輸出功率也會(huì)隨電流的增大而上升至。 故障點(diǎn)越接近分布式電源，則系統(tǒng)等效阻抗越小，輸出電流越大，輸出功率也越大。當(dāng)輸出功率達(dá)到極限后，電壓、電流與功率的關(guān)系如式（27）所示，式中為電源出口至故障點(diǎn)間等效阻抗。 （27） 可見，當(dāng)輸出功率達(dá)到極限后，作為微電網(wǎng)能量平衡的調(diào)節(jié)器，IBDG將無法繼續(xù)維持恒壓恒頻控制，導(dǎo)致出口電壓下降。等效阻抗越小，出口電壓越小，電流越大。 為了保障電力電子器件運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，在逆變器的控制裝置中，大都設(shè)有一個(gè)電流限制裝置。一般當(dāng)輸出電流達(dá)到所設(shè)極限后，將不再增大。此時(shí)，IBDG的輸出功率將隨著出口電壓的跌落而下降。 綜上所述，當(dāng)發(fā)生三相金屬性接地故障時(shí)，恒壓恒頻控制下IBDG的故障特性隨著故障嚴(yán)重程度的不同，可以分為三段定量關(guān)系： （1）在輸出視在功率達(dá)到極限之前滿足：，IBDG表現(xiàn)為一恒壓恒頻電源，輸出功率隨電流的增大而增大。 （2）在輸出視在功率達(dá)到極限之后，輸出電流達(dá)到極限之前滿足：，IBDG表現(xiàn)為一恒功率源。（3）在輸出電流達(dá)到極限之后，滿足：，IBDG表現(xiàn)為恒流源。 由于在第(2)、(3)的故障特性下，IBDG出口電壓會(huì)有大幅度的跌落，分布式電源自身的低電壓保護(hù)將迅速動(dòng)作使其退出運(yùn)行。因此，在后續(xù)分析中，將主要針對(duì)第(1)段故障特性，假定恒壓恒頻控制的IBDG為一恒壓源。 2) 不對(duì)稱故障當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路、兩相相間短路或兩相短路接地等類型的不對(duì)稱故障時(shí)，由于系統(tǒng)的對(duì)稱性受到破壞，網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱的電流和電壓。在分析過程中，常采用對(duì)稱分量法將不對(duì)稱的三相電流和電壓各自分解為三組分別對(duì)稱的正、負(fù)、零序分量，再利用線性電路的迭加原理，對(duì)正、負(fù)、零序分量分別按對(duì)稱三相電路進(jìn)行求解，最后將其結(jié)果進(jìn)行迭加。通常取A相作為基準(zhǔn)項(xiàng)，其對(duì)稱分量與三相向量之間的關(guān)系為： （28）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?yàn)轫槙r(shí)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(yùn)行的情況下，由于IBDG 控制器中的PWM控制脈沖的發(fā)生是按對(duì)稱方式發(fā)送的，它產(chǎn)生波形的幅值和直流側(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(shí)值分別為 、他們之間的關(guān)系如式(29)所示。其中，K 為常數(shù)，稱作逆變器的調(diào)制比，與IBDG電路主結(jié)構(gòu)和電壓脈寬有關(guān)，為IBDG輸出電壓和同步電壓參考值之間的夾角。 （29）在系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障的情況下，IBDG中會(huì)流過負(fù)序、零序電流。通常情況下，由于IBDG直流側(cè)并聯(lián)的電容容量有限，不對(duì)稱電流的流過會(huì)對(duì)直流側(cè)的電壓產(chǎn)生影響。零序電流與 IBDG輸出的正序電壓相乘得到的三相瞬時(shí)功率和為零，所以它對(duì)直流側(cè)電壓沒有影響。但是對(duì)于負(fù)序電流來說，它與IBDG輸出的正序電壓相乘，計(jì)算得到三相瞬時(shí)功率之和將會(huì)為一個(gè)二倍工頻的波動(dòng)頻率。它會(huì)影響到IBDG 有限容量的直流電容電壓，會(huì)使直流側(cè)電壓產(chǎn)生一個(gè)二倍工頻的擾動(dòng)，該結(jié)論在眾多文獻(xiàn)中得到推導(dǎo)和論證12，并且有文獻(xiàn)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證13。直流側(cè)電容電壓在考慮電容電壓二倍頻波動(dòng)后表示為： （210） 式中為電容的直流分量，為二倍頻擾動(dòng)的電壓幅值，為初相角。將式(210)代入式(29)，得到在不對(duì)稱故障情況下IBDG出口三相電壓的瞬時(shí)值表達(dá)式，如式(211)所示。 (211)可以看出，因?yàn)槟孀兤髦绷鱾?cè)的電容電壓二倍頻擾動(dòng)的存在，使得PWM輸出的瞬時(shí)電勢(shì)中除了含有基頻正序量（第一項(xiàng)）、基頻負(fù)序量（第二項(xiàng)），還產(chǎn)生了三倍頻正序量，故此時(shí)IBDG還由一個(gè)負(fù)序源和三次諧波源組成。以兩倍工頻頻率波動(dòng)的直流側(cè)電容電壓的幅值與直流源的大小以及并聯(lián)電容的容值相關(guān)，電容越大，直流側(cè)的電壓越穩(wěn)定，同時(shí)二倍頻波動(dòng)幅度越小。實(shí)際的運(yùn)用中，通常采用硬件和軟件兩種方式來減小直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)：在控制環(huán)節(jié)中加入低通濾波器，在功率控制環(huán)中采用積分平均值的算法，都能夠有效的抑制二倍頻波動(dòng)電壓的幅值，減少IBDG輸出的負(fù)序和三次諧波分量，使其幅值的數(shù)量級(jí)與高次諧波接近?；谝陨戏治霰砻鳎诓粚?duì)稱短路故障下，研究IBDG的輸出特性，可以忽略其輸出電壓中的負(fù)序分量和三倍頻量的影響，將其近似等效為只包含基頻正序量的電壓源。所以，從系統(tǒng)側(cè)看進(jìn)去，IBDG出口對(duì)系統(tǒng)零序、負(fù)序電壓相當(dāng)于短路，所以認(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210所示的三相電路中，當(dāng)k點(diǎn)發(fā)生兩相相間短路時(shí)，相對(duì)應(yīng)的序網(wǎng)絡(luò)等值電路如圖211所示， 為相間短路時(shí)IBDG出口處的正序等效電動(dòng)勢(shì)。圖210 BC 相間短路電路圖圖211 序網(wǎng)絡(luò)等效電路圖 BC 相間短路的邊界條件為 （212）將式(212)代入式(28)，可以得到用序分量表示的短路邊界條件為： （213）由上式可以看出，兩相相間短路時(shí)，沒有零序網(wǎng)絡(luò)，滿足此邊界條件的復(fù)合序網(wǎng)如圖212所示。圖212 BC相間短路復(fù)合序網(wǎng)由于恒壓恒頻控制，故障前后IBDG的輸出電壓恒定，在系統(tǒng)阻抗已知的情況下，可以求得故障后的正序電流（線路與負(fù)載的正、負(fù)序等效阻抗相等）： （214）可見，由于負(fù)序網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)導(dǎo)致系統(tǒng)總阻抗減小，正序電流較正常運(yùn)行時(shí)有所增加。IBDG 流過的負(fù)序電流有： （215）由式（215），故障后IBDG會(huì)流過較大的負(fù)序電流。這是因?yàn)镮BDG的逆變器出口對(duì)負(fù)序電壓短路，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，只有連接電抗X以及IBDG到故障點(diǎn)間的線路阻抗對(duì)負(fù)序電流起限流作用，因此很容易在IBDG中產(chǎn)生負(fù)序過電流。同時(shí)，IBDG出口保護(hù)安裝點(diǎn)的負(fù)序電壓為： （216）由于 IBDG 的逆變器出口對(duì)負(fù)序電壓短路，保護(hù)安裝點(diǎn)采集到的負(fù)序電壓是負(fù)序電流在連接電抗X上的壓降。然而，相較于線路阻抗及負(fù)荷等效阻抗，IBDG的連接電抗X很小，因此當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生不對(duì)稱短路故障后IBDG出口采集到的負(fù)序電壓也很?。▽?duì)于其它類型的不對(duì)稱短路故障，零序電壓也有相同的結(jié)論）。綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱短路故障后，采用恒壓恒頻控制IBDG出口的正序電壓保持不變，正序電流增大，同時(shí)出現(xiàn)明顯的負(fù)序電流。由于IBDG本身結(jié)構(gòu)的關(guān)系，其零、負(fù)序電壓不明顯。 恒功率控制下IBDG 的故障輸出特性分析由于恒功率控制與恒壓恒頻控制不同，其目的是使IBDG輸出的恒定的有功功率和無功功率，不能夠維持系統(tǒng)的電壓和頻率，因此在孤島運(yùn)行下，恒功率控制的 IBDG 不能單獨(dú)帶負(fù)荷運(yùn)行，需要恒壓恒頻控制的 IBDG 配合為系統(tǒng)供電。此處為了簡(jiǎn)化理論分析，仍以圖214所示的IBDG單獨(dú)供電系統(tǒng)，對(duì)恒功率控制的故障輸出特性進(jìn)行分析如下。 1) 三相短路故障在研究三相短路故障下恒功率控制IBDG的輸出特性時(shí)，與上節(jié)相似，仍采用單相電路進(jìn)行分析。正常運(yùn)行時(shí)，IBDG的輸出功率如式（217）所示。 （217） 線路末端有三相金屬性接地故障發(fā)生時(shí)，逆變器出口端的電壓、電流和功率之間的關(guān)系如式(218)。 （218） 可知，因?yàn)楣收虾蟮南到y(tǒng)阻抗由（）減小為，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(shí)，出口電壓U降低為。故障點(diǎn)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(dá)到IBDG的設(shè)定極限值之后將不再增加。 綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生三相接地短路故障時(shí)，PQ控制下的IBDG故障特性根據(jù)故障的嚴(yán)重程度不同，可分為以下兩段定量關(guān)系： （1）當(dāng)輸出電流未達(dá)到IBDG設(shè)定電流極限時(shí)滿足：，IBDG對(duì)外表現(xiàn)出一恒功率電源，出口端電壓隨故障電流輸出值的增大而減小。 （2）當(dāng)輸出電流達(dá)到IBDG設(shè)定電流極限時(shí)滿足：，IBDG對(duì)外表現(xiàn)出一恒定電流源。 綜上可知，當(dāng)故障電流達(dá)到極限之后，分布式電源內(nèi)部的保護(hù)裝置會(huì)動(dòng)作切除。因此在后續(xù)分析中，僅考慮該控制下的IBDG為一恒功率源。 2) 不對(duì)稱故障 對(duì)于恒功率控制IBDG的不對(duì)稱短路故障分析，認(rèn)為三相對(duì)稱調(diào)制控制的電壓源型逆變器是一個(gè)只含有基頻正序量的電壓源。 采用對(duì)稱分量法進(jìn)行分析。 故障前IBDG的輸出功率有： （219）其中， 、 、 及 、 、 分別為IBDG出口三相電壓及電流。將式（219）中的相電壓及電流根據(jù)公式（28）轉(zhuǎn)換成正、負(fù)、零序分量表示，有： （220）其中，正、負(fù)、零序電壓有： （221），IBDG出口的正序電壓由逆變器出口正序電壓和連接電抗 X 上的正序壓降合成。而負(fù)、零序電壓是負(fù)、零序電流流經(jīng)連接電抗 X產(chǎn)生的壓降。由于濾波裝置阻抗很小，因此IBDG出口負(fù)、零序電壓很小。將式（221）代入式（220）可得： （222）當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障后，由于負(fù)、零序電流的出現(xiàn)，相當(dāng)于增加了容性負(fù)荷，采用恒功率控制的IBDG為了保證輸出功率恒定，在輸出的正序分量上增加了相應(yīng)的感性功率來進(jìn)行抵消。而IBDG 輸出的有功功率僅與正序分量有關(guān)，如式（223），其中為故障后系統(tǒng)等效阻抗。 （223）由于恒功率控制，故障前后IBDG輸出的有功功率恒定，在系統(tǒng)阻抗已知的情況下，可以根據(jù)式（223）求得故障后的正序電流。以BC相相間短路故障為例?？紤]到線路與負(fù)載的正、負(fù)序等效阻抗相等，故障后系統(tǒng)等效阻抗有： （224）求其實(shí)部，得：（225）則故障后正序電流有： （226）由于 ，因此兩相相間短路后的正序電流較正常運(yùn)行時(shí)有所增加。對(duì)于恒功率控制的IBDG，負(fù)序電流的幅值為：