CN113949048B - 一种直流微网故障电流控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种直流微网故障电流控制器及其控制方法，控制器包括：第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；第一开关管的集电极连接于储能元件的正极，第一开关管的发射极连接于第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接于储能元件的负极；电容的第一端连接于第一开关管和第二开关管之间，第二端连接于第二开关管的发射极。正常运行时极间电压为额定电压，电流变化较小，控制占空比为第一占空比，此时为定电压控制。当极间电压小于预设阈值时，判定为故障发生，将占空比切换为第二占空比，改为定电流控制。故障清除后极间电压上升，将占空比切换为第一占空比，恢复至定电压控制模式。解决了现有技术限流效果差且可控性差的技术问题。

Description

一种直流微网故障电流控制器及其控制方法

技术领域

本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种直流微网故障电流控制器及其控制方法。

背景技术

由于微网覆盖面积小，供电线路短，线路阻抗小，多个分布式电源的共同作用下，直流微网短路电流上升速度快，幅值大，会对系统造成严重的冲击。为保证系统的安全运行，应尽可能考虑简单廉价的过电流抑制方法，保证设备安全运行。

目前工程上应用的故障电流抑制方法主要是配置限流电抗器，利用电感电流不能突变的特性限制故障电流的上升速度，其缺点是这种电抗器选型较为困难，若选铁芯电抗器，则容易饱和而使得限流效果大大降低，若选用空芯电抗器，则体积过大，且产生的漏磁易对周边设备产生影响。进一步地，有学者提出基于主动控制的过电流抑制方法，在故障发生至故障隔离或换流器电力电子器件闭锁前这段时间内，利用控制技术，改变器件的通断策略，实现过电流抑制。但这种方法电流抑制效果有限，只能作为辅助手段。

发明内容

本申请提供了一种直流微网故障电流控制器及其控制方法，用于解决现有技术限流效果较差且可控性差的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种直流微网故障电流控制器，所述控制器包括：

第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；

所述第一开关管的集电极连接于所述储能元件的正极，所述第一开关管的发射极连接于所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的发射极连接于所述储能元件的负极；

所述电容的第一端连接于所述第一开关管和所述第二开关管之间，第二端连接于所述第二开关管的发射极。

可选地，还包括：电感；

所述电感的第一端连接于所述电容的第一端，所述电感的第二端连接于所述第一开关管和所述第二开关管之间。

可选地，所述电感的第一端和所述电容的第一端均与电压源型换流器相连，使得故障电流控制器经所述电压源型换流器接入直流微网。

可选地，故障电流控制器的输出电压平均值与所述电压源型换流器的直流侧输出电压平均值的关系为：

U₂＝U_d-U₁；

式中，U₂为直流母线电压，U_d为所述电压源型换流器的直流侧输出电压平均值，U₁为故障电流控制器的输出电压平均值。

可选地，所述故障电流控制器的输出电压小于所述电压源型换流器的直流侧输出电压。

可选地，所述第一开关管和所述第二开关管均为IGBT。

本申请第二方面提供一种直流微网故障电流控制器的控制方法，应用于上述第一方面所述的直流微网故障电流控制器，方法包括：

对直流母线电压U₂的大小进行监测；

当所述直流母线电压U₂为额定电压时，控制占空比为第一占空比，使得所述故障电流控制器为定电压控制模式；

当所述直流母线电压U₂小于预设阈值时，将占空比切换为第二占空比，使得所述故障电流控制器为定电流控制模式，直至所述直流母线电压U₂为额定电压，将占空比切换为所述第一占空比。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请提供了一种直流微网故障电流控制器，包括：第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；第一开关管的集电极连接于储能元件的正极，第一开关管的发射极连接于第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接于储能元件的负极；电容的第一端连接于第一开关管和第二开关管之间，第二端连接于第二开关管的发射极。本申请的故障电流控制器，正常运行时，极间电压(直流母线电压)为额定电压，电流变化较小，控制占空比为第一占空比，此时为定电压控制。当极间电压小于预设阈值时，判定为故障发生，将占空比切换为第二占空比，改为定电流控制。故障清除后，极间电压上升，将占空比切换为第一占空比，又恢复至定电压控制模式。

本申请的故障电流控制器，可实现故障电流大小精确控制，可控性强；可大幅度降低故障电流的大小；电网正常运行时，还可进一步稳定输出电压；故障消失后，可自动恢复至正常运行状态，从而解决了现有技术限流效果较差且可控性差的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器的结构示意图；

图2为本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器通过电压源型换流器接入直流微网的结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器的控制方法的流程示意图；

图4为电压源型换流器接入的交流配网系统直流侧等效电路；

图5为故障电流控制器的原理图；

图6为本申请的直流微网故障电流控制器的控制框图；

图7为仿真用简化直流微网结构图；

图8为故障前后直流电压波形示意图；

图9为故障前后直流电流波形示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，本申请实施例提供的一种直流微网故障电流控制器，包括：第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；

第一开关管的集电极连接于储能元件的正极，第一开关管的发射极连接于第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接于储能元件的负极；电容的第一端连接于第一开关管和第二开关管之间，第二端连接于第二开关管的发射极。

需要说明的是，本实施例的第一开关管和第二开关管均为IGBT，除了为IGBT本领域技术人员还可以根据实际情况进行选取，在此不做限定。

在一个可选地实施例中，本申请的直流微网故障电流控制器，还包括：电感；电感的第一端连接于电容的第一端，电感的第二端连接于第一开关管和第二开关管之间。

需要说明的是，本实施例的电感可起到降低直流电流纹波的作用。

在一个具体的实施方式中，电感的第一端和电容的第一端均与电压源型换流器相连，使得故障电流控制器经电压源型换流器接入直流微网。

需要说明的是，本申请的故障电流控制器接入交流配电网的方式如图2所示，具体的为，电感的第一端和电容的第一端均与电压源型换流器相连，从而使得故障电流控制器经电压源型换流器接入直流微网。

本实施例提供了一种直流微网故障电流控制器，包括：第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；第一开关管的集电极连接于储能元件的正极，第一开关管的发射极连接于第二开关管的集电极，第二开关管的发射极连接于储能元件的负极；电容的第一端连接于第一开关管和第二开关管之间，第二端连接于第二开关管的发射极。本申请的故障电流控制器，正常运行时，极间电压(直流母线电压)为额定电压，电流变化较小，控制占空比为第一占空比，此时为定电压控制。当极间电压小于预设阈值时，判定为故障发生，将占空比切换为第二占空比，改为定电流控制。故障清除后，极间电压上升，将占空比切换为第一占空比，又恢复至定电压控制模式。

以下为本申请直流微网故障电流控制器的技术原理：

直流微网中含有多种直流电源，有些表现为电压源特性，如基于电压源型换流器接入的交流配网系统、储能系统等，有些表现为电流源特性，如光伏系统。直流微网的故障电流主要由电源端提供，其中又以电压源特性的电源提供的故障电流为主。以基于电压源型换流器接入的交流配网系统为例，在直流侧，交流配网可等效为可调直流电压源，如下图4所示。当发生极间故障时，由交流配网提供的故障电流可用下式表示：

i＝u_d/(Z+R_f)

式中，u_d为交流配网在直流侧的等效电压，Z为故障点至电压源型换流器之间的阻抗，R_f为故障过渡电阻。可见，故障电流主要取决于等效电压u_d的大小。

由电压源型换流器的原理可知，其直流侧平均电压u_d与交流侧电压线电压幅值U_ac之间满足以下关系式：

U_d＝U_ac/m

式中，m为调制比，且有0<m<1。可见，电压源型换流器直流侧电压的调节范围在交流配网线电压幅值往上。因此，仅靠调节电压源型换流器的直流侧输出电压，并不能有效控制故障电流。

倘若在电压源型换流器的出口处串联一反向的可控电压源即负压源u₁，如图5所示。在正常运行时，控制可控电压源输出电压为0，可不影响微网正常运行；极间故障时，由交流配网提供的故障电流变为如下

i＝(u_d-u₁)/(Z+R_f)

由此可见，控制故障时可控电压源u1的输出电压，即可任意控制故障电流的大小。

因此，发明人提出了本申请的故障电流控制器：

正常运行时，可控电压源u₁的输出电压应接近0以减小串联电压源对直流微网正常运行的影响；故障时，可控电压源u₁的输出电压应适当增加。当u₁＝u_d时，交流电网对故障点提供的故障电流降为0。因此，可控电压源u₁的输出电压应在0～u之间连续可调(u<u_d)。考虑到微电网的功率双向流动特性，可控电压源u₁还应具备电流双向流动能力。

如图1所示，其中E_b为储能元件的端电压。当直流微网正常运行时，开关管S1常开，S2常闭，可控电压源u₁的输出电压约为开关管的导通压降，对正常运行影响较小，电感L还可起到降低直流电流纹波的作用。当直流微网发生极间故障时，控制开关管S1和开关管S2的导通占空比，即可调节输出电压u₁的大小，从而任意控制故障电流的大小。

基于电压源型换流器接入直流微网的交流配网系统，串联图1所示的故障电流控制器后，其电路结构如图2所示。VSC(电压源型换流器)的直流侧输出电压平均值为u_d，故障电流控制器输出电压平均值为U₁，直流母线电压为U₂，三者满足以下关系式

U₂＝U_d-U₁；

式中，U₂为直流母线电压，U_d为电压源型换流器的直流侧输出电压平均值，U₁为故障电流控制器的输出电压平均值。

以上为本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器，以下为本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器的控制方法。

请参阅图3，本申请实施例中提供的一种直流微网故障电流控制器的控制方法，包括：

步骤101、对直流母线电压U₂的大小进行监测。

步骤102、当直流母线电压U₂为额定电压时，控制占空比为第一占空比，使得故障电流控制器为定电压控制模式。

步骤103、当直流母线电压U₂小于预设阈值时，将占空比切换为第二占空比，使得故障电流控制器为定电流控制模式，直至直流母线电压U₂为额定电压，将占空比切换为第一占空比。

如图2所示，需要说明的是，当直流侧发生极间故障时，极间电压(直流母线电压U₂)迅速降低，电流I快速上升。因此，极间电压U₂的幅值及电流的上升率均可以作为故障诊断的依据。

控制框图如图6所示，可以理解的是，在正常运行时，极间电压为额定电压，电流变化较小，占空比K等于K₁(第一占空比)，此时为定电压控制。当极间电压小于预设阈值U_set或电流上升率高于设定值I_set时，判定为故障发生，占空比K切换为K₂(第二占空比)，改为定电流控制。故障清除后，极间电压上升，占空比K切换为K₁(第一占空比)，又恢复至定电压控制模式。

以下为本申请实施例提供的仿真实验说明：

本申请实施例采用如图6所示的简化微网结构建立仿真模型。其中，VSC及故障电流控制器的详细电路如图2所示。仿真中设定直流母线极间电压为750V，R₁、R₂均为2.5Ω。0.1s启动VSC脉冲触发，0.3s发生极间故障f1,50ms后故障消失。VSC采用定电压控制。正常运行时故障电流控制器采用定直流侧母线电压控制，故障下采用定电流控制，控制目标为0.5kA。

仿真结果如图8及图9所示，脉冲触发启动后，VSC输出电压经过一段时间调整后稳定在750V。比较VSC输出电压及直流母线电压可见，故障电流控制器可缩短直流母线电压调整的过程，使得直流母线电压较VSC输出电压更快的稳定在额定电压附近。故障发生后，故障电流控制器切换为定电流控制，约10ms的时间即可调整VSC输出电流稳定至控制目标0.5kA附近，使得短路电流最大值仅为额定运行电流的1.45倍(0.87kA)，且持续时间极短，1ms时间内电流即下降至额定运行电流以下。故障消失后，故障电流控制器切换为定电压控制，母线电压经过一段时间调节后恢复至750V，负载电流也随即恢复，直流微网恢复正常运行。由电压波形可见，在故障电流控制器模式切换过程中，VSC两端电压有小幅度的短时升高，但不会超过设备的绝缘耐受电压。

本实施例控制方法的故障电流控制器，正常运行时，极间电压(直流母线电压)为额定电压，电流变化较小，控制占空比为第一占空比，此时为定电压控制。当极间电压小于预设阈值时，判定为故障发生，将占空比切换为第二占空比，改为定电流控制。故障清除后，极间电压上升，将占空比切换为第一占空比，又恢复至定电压控制模式。本申请的直流微网故障电流控制器的控制方法，可实现故障电流大小精确控制，可控性强；可大幅度降低故障电流的大小；电网正常运行时，还可进一步稳定输出电压；故障消失后，可自动恢复至正常运行状态，从而解决了现有技术限流效果较差且可控性差的技术问题。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种直流微网故障电流控制器的控制方法，其特征在于，控制器包括：第一开关管、第二开关管、储能元件、电容；

所述第一开关管的集电极连接于所述储能元件的正极，所述第一开关管的发射极连接于所述第二开关管的集电极，所述第二开关管的发射极连接于所述储能元件的负极；

所述电容的第一端连接于所述第一开关管和所述第二开关管之间，第二端连接于所述第二开关管的发射极；

还包括：电感；

所述电感的第一端连接于所述电容的第一端，所述电感的第二端连接于所述第一开关管和所述第二开关管之间；

所述电感的第一端和所述电容的第一端均与电压源型换流器相连，使得故障电流控制器经所述电压源型换流器接入直流微网；

控制方法包括：

对直流母线电压U₂的大小进行监测；

当所述直流母线电压U₂为额定电压时，控制占空比为第一占空比，使得所述故障电流控制器为定电压控制模式；

当所述直流母线电压U₂小于预设阈值时，将占空比切换为第二占空比，使得所述故障电流控制器为定电流控制模式，直至所述直流母线电压U₂为额定电压，将占空比切换为所述第一占空比。

2.根据权利要求1所述的直流微网故障电流控制器的控制方法，其特征在于，故障电流控制器的输出电压平均值与所述电压源型换流器的直流侧输出电压平均值的关系为：

U₂＝U_d-U₁；

式中，U₂为直流母线电压，U_d为所述电压源型换流器的直流侧输出电压平均值，U₁为故障电流控制器的输出电压平均值。

3.根据权利要求2所述的直流微网故障电流控制器的控制方法，其特征在于，所述故障电流控制器的输出电压小于所述电压源型换流器的直流侧输出电压。

4.根据权利要求1所述的直流微网故障电流控制器的控制方法，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管均为IGBT。