【《虚拟同步型交流微电网继电保护方法及模型的搭建研究》9200字（论文）】

虚拟同步型交流微电网继电保护方法及模型的搭建研究摘要：当前，传统化石能源有悖于社会的可持续发展需求，为了缓解这一问题，分布式发电和微电网技术逐渐得到了广泛关注，成为电力系统主要的发展方向之一。对微电网的电气参数进行调控和对其故障进行切除是保证微电网稳定运行的前提条件。微电网技术不但能够充分地利用可再生的清洁能源，而且还能够在供电系统发生故障时脱离电网，进入孤岛状态。由于现存的逆变器下垂控制策略，具有缺少阻尼、缺少系统惯性支撑等诸多劣势，有损于在并网和离网之间切换状态时稳定、安全和高效地运行。而目前虚拟同步机（VirtualSynchronousGenerator,VSG）控制策略恰恰能够改良这一缺点，微电网以及整个供用电系统的稳定性都得到了极大程度的提升。本文主要的研究目的，是采用仿真分析虚拟同步机的故障特性，进而探寻行之有效的保护措施。本编论文的目的，在于通过对传统下垂控制方程里引入同步发电机的惯性方程，搭建出虚拟同步机方程，再利用PSCAD仿真软件，搭建出虚拟同步型交流微电网模型。然后，提出一个可行的交流微电网保护策略，搭建其保护算法，并对其进行仿真验证。关键词：交流微电网；下垂控制；VSG控制；继电保护方法目录第一章绪论 。依据上文所阐述的内容，用PSCAD仿真软件搭建出带LC滤波器的电压源型三相全桥式逆变器，如图3.3所示。图3.3带LC滤波器的电压源型三相全桥式逆变器仿真模型表3.5图3.3中的符号名称符号名称、、逆变器输出的三相电压、、滤波电容电压、、逆变器输出的三相电流、、滤波电感的电流触发IGBT开关的脉冲信号表3.5带LC滤波器的电压源型三相全桥式逆变器仿真模型参数表名称参数直流侧电压（kV）1滤波电感（mH）0.8滤波电阻（Ω）0.01滤波电容（μF）1260.653.2虚拟同步机控制策略功率环仿真模型搭建及参数设置3.2.1有功-频率控制模型的搭建及参数设置根据第二章内对虚拟同步机控制原理的研究，并根据式（2.14），有功-频率控制方程与图2.7，有功-频率控制框图，搭建出虚拟同步机的有功-频率控制仿真模型，如下图3.4所示：图3.4虚拟同步机有功-频率控制算法模型如图3.4，设置了两个一阶传递函数算法，第一个模块的表达式为起到了除去了角频率的稳态误差的作用：第二个模块表达式为起到了模拟惯性的作用。模型中各个符号的意义如下表3.4所示。表3.6图3.4中符号名称符号名称系统侧的角频率角频率的参考值虚拟同步发电机容量有功功率参考值有功功率实际输出值输出的角度参考值有功下垂系数惯性时间常数触发IGBT开关管的脉冲信号表3.7虚拟同步机P-f控制仿真模型参数表名称参数角频率参考值（rad/s）314.15926额定容量（kVA）250有功功率参考值1.0有功下垂系数0.05惯性时间常数2.5阻尼系数203.2.2无功-电压模型搭建及参数设置根据第二章内对虚拟同步机控制原理的研究，并根据式（2.15）：无功-电压控制方程、图2.8：无功-电压控制框图，搭建出虚拟同步机无功-电压控制仿真模型，如图下3.5所示。图3.5虚拟同步机无功-电压控制仿真模型图3.5中各个符号的名称如下表3.6所示。表3.8图3.5中各符号名称符号名称无功功率参考值无功功率实际输出值虚拟同步发电机容量无功-电压控制输出的电压幅值参考值表3.7为该模型的一些参数设置。表3.9虚拟同步机无功-电压控制环模型参数表模型参数数值额定容量（kVA）250无功功率参考值0无功下垂系数0.05参考电压幅值（kV）0.48以上所搭建的两种功率控制环中所包含的数学运算全部使用标幺值。3.3虚拟负电阻仿真模型由于传统电力系统线路中往往会有电阻分量，为了抵消这一部分的分量，需要引入一个虚拟负电阻模型。简而言之，需要将以上所搭建出的功率环中的电压参考值，减去逆变器输出电流与虚拟电阻的乘积，以此来达到抵消电阻分量的目的。下图3.6是通过虚拟同步机功率控制环得到的角度参考值、电压参考值合成变换为dq坐标轴下的电压参考值的仿真模型。图3.6角度电压参考值合成变换仿真模型表3.10图3.6中各符号名称符号含义角度参考值电压幅值参考值、、三相电压参考值、帕克变换后的三相电压参考值图3.7虚拟负电阻模型图下表为上图中各符号所代表的意义表3.11图3.7中各符号名称符号名称、帕克变换后的逆变器输出电流、逆变器输出电压基准参考值3.4电压电流双环控制模型及参数设置在上一节中研究了了逆变器输出电压参考值得到的具体过程，电压外环控制根据实际电感电压值跟踪逆变器输出电压参考值，以获得滤波电感的电流参考值。之后，在电流内环控制中，通过比较滤波电感的实际电流值并遵循参考参考值，得到最终的逆变器输出电压参考值。电压电流双环控制仿真模型如下图3.8所示。图3.8电压电流双环控制仿真模型表3.12图3.8中符号及含义对应表符号含义虚拟同步机功率环输出的角频率、逆变器输出电压参考值、滤波电容电压、滤波电感电流参考值、滤波电感电流实际输出值、逆变器输出电流实际值、逆变器输出电压参考值该模型的一些参数设置如表3.9所示。表3.13电压电流双环仿真模型参数表模型参数数值开关频率（kHz）10电流内环PI控制器比例系数2.5电压外环PI控制器积分常数0.02电流内环PI控制器积分常数0.04电压外环PI控制器比例系数53.5模值判据仿真模型搭建在上一章中，浅析了测量线路两端的模值变化的保护算法，并根据公式搭建模值判据算法，如图下3.9所示图3.9阻抗生成算法3.5本章小结根据第二章所研究的内容，分别搭建了三相全桥式逆变器仿真模型、虚拟同步机P-f控制仿真模型、虚拟同步机的Q-V控制仿真模型、虚拟负电阻仿真模型和VSG的电压电流双环控制仿真模型，模值保护算法模型，并且设置了每个仿真模型的相关参数，同时还设置了故障点，为接下来的保护算法仿真验证工作奠定基础。第四章保护算法模型仿真本节中，主要在本节中，将对虚拟同步型微电网模型分别进行并网和离网运行进行仿真验证：图4.1发生故障时的微电网模型4.1并网状态下仿真如图4.1所示，A点为故障发生点，在PSCAD软件中，现分别采用单相接地短路，两相接地短路和三相接地短路故障类型进行仿真。以下仿真故障电阻均设为0.1欧姆，故障发生在第2ｓ，故障时长为0.2ｓ。设置A相接地短路输出相关参数输出波形如图4.2所示 图4.2A相接地短路故障时M侧A相（左）与N侧A相（右）输出阻抗模值变化量设置BC两相接地短路输出相关参数输出波形如图4.3与图4.4所示图4.3BC两相接地故障时M侧B相（上）与M侧C相（下）输出阻抗模值变化量图4.BC两相接地故障时N侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量设置ABC三相接地短路输出相关参数输出波形如图4.4、图4.5、图4.6所示 图4.4三相接地故障时M侧A相（左）与N侧A相（右）输出阻抗模值变化量图4.5三相接地故障时M侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量 图4.6三相接地故障时N侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量4.2离网状态下仿真如图4.13所示，A点为故障发生点，在PSCAD软件中，现分别采用单相接地短路，两相接地短路和三相接地短路故障类型进行仿真。以下仿真故障电阻均设为0.1Ω，在第2ｓ发生故障且时长为0.2ｓ，并在0.5秒进入离网状态。设置A相接地短路输出相关参数输出波形如图4.7所示 图4.7A相接地故障时M侧A相（左）与N侧A相（右）输出阻抗模值变化量设置BC相接地短路输出相关参数输出波形如图4.8与图4.9所示 图4.8BC相接地故障时M侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量图4.9BC相接地故障时N侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量设置三相接地短路输出相关参数输出波形如图4.10、图4.11、图4.12所示图4.10三相接地故障时M侧A相（左）与N侧A相（右）输出阻抗模值变化量图4.11三相接地故障时M侧B相（上）与M侧C相（下）输出阻抗模值变化量图4.12三相接地故障时N侧B相（上）与N侧C相（下）输出阻抗模值变化量根据上述仿真结果，虚拟同步型交流微电网并网运行时的仿真结果逐一进行分析，均满足保护判据，及时切除故障；在离网运行时，A相单相接地短路与BC两相接地短路故障基本满足保护判据，即可以切除不对称短路带来的影响，然而在三相接地故障时，阻抗模值波动较大，没有达到预期的效果。4.3本章小结在本章中，对第三章中利用PSCAD软件构建的采用虚拟同步机控制策略的交流微电网模型分别进行并网和离网的故障仿真验证，最后，通过仿真结果，对通过测量线路两端阻抗变化的微电网保护算法的可靠性进行分析。第五章结论与展望在本文中，首先对PQ控制、下垂控制、虚拟同步控制三种控制原理进行阐述，再叙述了上述控制策略的控制表达式推导过程，并具体绘制了控制框图。然后，又介绍了一种可行的故障保护算法原理——测量线路两端阻抗变化的模值判据，并分布列举了其算法的推导过程。接着，依据虚拟同步机控制方程和控制框图，利用PSCAD仿真软件搭建了电压源型三相全桥式逆变器、有功-频率环、无功-电压环、虚拟负电阻和电压电流双环的虚拟同步型交流微电网模型以及通过测量线路两端阻抗变化的微电网保护算法。最后，利用PSCAD仿真软件，针对虚拟同步型交流微电网模型，在并网和离网的运行状态下，针对相同位置的单相接地、两相接地短路和三相短路故障，分别进行了仿真验证，并经过仿真结果，验证通过测量线路两端阻抗变化的微电网保护算法的可靠性。本文在虚拟同步型交流微电网继电保护方法研究中，取得了一定成果，但仍需要在领域进行进一步研究，针对虚拟同步机控制策略的微电网系统故障时的保护策略，在本文研究中仅采用了一种保护判据方式，保障区内区外的稳定性仍需进一步的研究。参考文献张晓娜.微电网控制方法与保护策略研究[D].河北工业大学，2015：13-32.郑天文，陈来军，陈天一，等.虚拟同步发电机技术及展望.电力系统自动化，2015，39(21)：165-175.康晴，罗奕，卢新佳，等.基于变流器控制策略的微电网故障特性仿真研究[J].电力系统保护与控制，2019，47(02)：148-152.杨鹏龙.基于虚拟同步机的微电网逆变器控制策略研究[D].兰州交通大学，2018.马迪.考虑过渡电阻影响的改进交流微电网线路保护算法研究[J].南京理工大学，2017A.E.Fitzgerald,C.Kingsley,andS.D.Umans.ElrctricMachinery[c].NewYork:McGraw-Hill，2003.J.J.GraingerandW.D.Stevenson.PowerSystemAnalysis[M].McGraw-Hill，1994.张俊文.基于下垂控制的微网逆变器控制策略研究[D].南京航空航天大学,2015：4-6.AndersonPM,FouadAA.电力系统控制与稳定[M].王奔译.北京：电子工业出版社，2012.倪以信，陈寿孙，张宝霖.动态电力系统的理论和分析[M].北京：清华大学出版社，2002.孟建辉，王毅，石新春，等.基于虚拟同步发电机的分布式逆变电源控制策略及参数分析[J].电工技术学报，2014,12（25）：1-10.丛诗学.虚拟同步VSC自主并联技术研究[D].华北电力大学(北京)，2017：10-11.ZhongQC,GeorgeW.Synchronverters:InvertersThatMimicSynchronousGenerators[J],IEEETra