虛擬同步型交流微電網(wǎng)繼電保護方法及模型的搭建研究摘要：當前，傳統(tǒng)化石能源有悖于社會的可持續(xù)發(fā)展需求，為了緩解這一問題，分布式發(fā)電和微電網(wǎng)技術逐漸得到了廣泛關注，成為電力系統(tǒng)主要的發(fā)展方向之一。對微電網(wǎng)的電氣參數(shù)進行調(diào)控和對其故障進行切除是保證微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的前提條件。微電網(wǎng)技術不但能夠充分地利用可再生的清潔能源，而且還能夠在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時脫離電網(wǎng)，進入孤島狀態(tài)。由于現(xiàn)存的逆變器下垂控制策略，具有缺少阻尼、缺少系統(tǒng)慣性支撐等諸多劣勢，有損于在并網(wǎng)和離網(wǎng)之間切換狀態(tài)時穩(wěn)定、安全和高效地運行。而目前虛擬同步機（VirtualSynchronousGenerator,VSG）控制策略恰恰能夠改良這一缺點，微電網(wǎng)以及整個供用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性都得到了極大程度的提升。本文主要的研究目的，是采用仿真分析虛擬同步機的故障特性，進而探尋行之有效的保護措施。本編論文的目的，在于通過對傳統(tǒng)下垂控制方程里引入同步發(fā)電機的慣性方程，搭建出虛擬同步機方程，再利用PSCAD仿真軟件，搭建出虛擬同步型交流微電網(wǎng)模型。然后，提出一個可行的交流微電網(wǎng)保護策略，搭建其保護算法，并對其進行仿真驗證。關鍵詞：交流微電網(wǎng)；下垂控制；VSG控制；繼電保護方法目錄第一章緒論 。依據(jù)上文所闡述的內(nèi)容，用PSCAD仿真軟件搭建出帶LC濾波器的電壓源型三相全橋式逆變器，如圖3.3所示。圖3.3帶LC濾波器的電壓源型三相全橋式逆變器仿真模型表3.5圖3.3中的符號名稱符號名稱、、逆變器輸出的三相電壓、、濾波電容電壓、、逆變器輸出的三相電流、、濾波電感的電流觸發(fā)IGBT開關的脈沖信號表3.5帶LC濾波器的電壓源型三相全橋式逆變器仿真模型參數(shù)表名稱參數(shù)直流側電壓（kV）1濾波電感（mH）0.8濾波電阻（Ω）0.01濾波電容（μF）1260.653.2虛擬同步機控制策略功率環(huán)仿真模型搭建及參數(shù)設置3.2.1有功-頻率控制模型的搭建及參數(shù)設置根據(jù)第二章內(nèi)對虛擬同步機控制原理的研究，并根據(jù)式（2.14），有功-頻率控制方程與圖2.7，有功-頻率控制框圖，搭建出虛擬同步機的有功-頻率控制仿真模型，如下圖3.4所示：圖3.4虛擬同步機有功-頻率控制算法模型如圖3.4，設置了兩個一階傳遞函數(shù)算法，第一個模塊的表達式為起到了除去了角頻率的穩(wěn)態(tài)誤差的作用：第二個模塊表達式為起到了模擬慣性的作用。模型中各個符號的意義如下表3.4所示。表3.6圖3.4中符號名稱符號名稱系統(tǒng)側的角頻率角頻率的參考值虛擬同步發(fā)電機容量有功功率參考值有功功率實際輸出值輸出的角度參考值有功下垂系數(shù)慣性時間常數(shù)觸發(fā)IGBT開關管的脈沖信號表3.7虛擬同步機P-f控制仿真模型參數(shù)表名稱參數(shù)角頻率參考值（rad/s）314.15926額定容量（kVA）250有功功率參考值1.0有功下垂系數(shù)0.05慣性時間常數(shù)2.5阻尼系數(shù)203.2.2無功-電壓模型搭建及參數(shù)設置根據(jù)第二章內(nèi)對虛擬同步機控制原理的研究，并根據(jù)式（2.15）：無功-電壓控制方程、圖2.8：無功-電壓控制框圖，搭建出虛擬同步機無功-電壓控制仿真模型，如圖下3.5所示。圖3.5虛擬同步機無功-電壓控制仿真模型圖3.5中各個符號的名稱如下表3.6所示。表3.8圖3.5中各符號名稱符號名稱無功功率參考值無功功率實際輸出值虛擬同步發(fā)電機容量無功-電壓控制輸出的電壓幅值參考值表3.7為該模型的一些參數(shù)設置。表3.9虛擬同步機無功-電壓控制環(huán)模型參數(shù)表模型參數(shù)數(shù)值額定容量（kVA）250無功功率參考值0無功下垂系數(shù)0.05參考電壓幅值（kV）0.48以上所搭建的兩種功率控制環(huán)中所包含的數(shù)學運算全部使用標幺值。3.3虛擬負電阻仿真模型由于傳統(tǒng)電力系統(tǒng)線路中往往會有電阻分量，為了抵消這一部分的分量，需要引入一個虛擬負電阻模型。簡而言之，需要將以上所搭建出的功率環(huán)中的電壓參考值，減去逆變器輸出電流與虛擬電阻的乘積，以此來達到抵消電阻分量的目的。下圖3.6是通過虛擬同步機功率控制環(huán)得到的角度參考值、電壓參考值合成變換為dq坐標軸下的電壓參考值的仿真模型。圖3.6角度電壓參考值合成變換仿真模型表3.10圖3.6中各符號名稱符號含義角度參考值電壓幅值參考值、、三相電壓參考值、帕克變換后的三相電壓參考值圖3.7虛擬負電阻模型圖下表為上圖中各符號所代表的意義表3.11圖3.7中各符號名稱符號名稱、帕克變換后的逆變器輸出電流、逆變器輸出電壓基準參考值3.4電壓電流雙環(huán)控制模型及參數(shù)設置在上一節(jié)中研究了了逆變器輸出電壓參考值得到的具體過程，電壓外環(huán)控制根據(jù)實際電感電壓值跟蹤逆變器輸出電壓參考值，以獲得濾波電感的電流參考值。之后，在電流內(nèi)環(huán)控制中，通過比較濾波電感的實際電流值并遵循參考參考值，得到最終的逆變器輸出電壓參考值。電壓電流雙環(huán)控制仿真模型如下圖3.8所示。圖3.8電壓電流雙環(huán)控制仿真模型表3.12圖3.8中符號及含義對應表符號含義虛擬同步機功率環(huán)輸出的角頻率、逆變器輸出電壓參考值、濾波電容電壓、濾波電感電流參考值、濾波電感電流實際輸出值、逆變器輸出電流實際值、逆變器輸出電壓參考值該模型的一些參數(shù)設置如表3.9所示。表3.13電壓電流雙環(huán)仿真模型參數(shù)表模型參數(shù)數(shù)值開關頻率（kHz）10電流內(nèi)環(huán)PI控制器比例系數(shù)2.5電壓外環(huán)PI控制器積分常數(shù)0.02電流內(nèi)環(huán)PI控制器積分常數(shù)0.04電壓外環(huán)PI控制器比例系數(shù)53.5模值判據(jù)仿真模型搭建在上一章中，淺析了測量線路兩端的模值變化的保護算法，并根據(jù)公式搭建模值判據(jù)算法，如圖下3.9所示圖3.9阻抗生成算法3.5本章小結根據(jù)第二章所研究的內(nèi)容，分別搭建了三相全橋式逆變器仿真模型、虛擬同步機P-f控制仿真模型、虛擬同步機的Q-V控制仿真模型、虛擬負電阻仿真模型和VSG的電壓電流雙環(huán)控制仿真模型，模值保護算法模型，并且設置了每個仿真模型的相關參數(shù)，同時還設置了故障點，為接下來的保護算法仿真驗證工作奠定基礎。第四章保護算法模型仿真本節(jié)中，主要在本節(jié)中，將對虛擬同步型微電網(wǎng)模型分別進行并網(wǎng)和離網(wǎng)運行進行仿真驗證：圖4.1發(fā)生故障時的微電網(wǎng)模型4.1并網(wǎng)狀態(tài)下仿真如圖4.1所示，A點為故障發(fā)生點，在PSCAD軟件中，現(xiàn)分別采用單相接地短路，兩相接地短路和三相接地短路故障類型進行仿真。以下仿真故障電阻均設為0.1歐姆，故障發(fā)生在第2ｓ，故障時長為0.2ｓ。設置A相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.2所示 圖4.2A相接地短路故障時M側A相（左）與N側A相（右）輸出阻抗模值變化量設置BC兩相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.3與圖4.4所示圖4.3BC兩相接地故障時M側B相（上）與M側C相（下）輸出阻抗模值變化量圖4.BC兩相接地故障時N側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量設置ABC三相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.4、圖4.5、圖4.6所示 圖4.4三相接地故障時M側A相（左）與N側A相（右）輸出阻抗模值變化量圖4.5三相接地故障時M側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量 圖4.6三相接地故障時N側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量4.2離網(wǎng)狀態(tài)下仿真如圖4.13所示，A點為故障發(fā)生點，在PSCAD軟件中，現(xiàn)分別采用單相接地短路，兩相接地短路和三相接地短路故障類型進行仿真。以下仿真故障電阻均設為0.1Ω，在第2ｓ發(fā)生故障且時長為0.2ｓ，并在0.5秒進入離網(wǎng)狀態(tài)。設置A相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.7所示 圖4.7A相接地故障時M側A相（左）與N側A相（右）輸出阻抗模值變化量設置BC相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.8與圖4.9所示 圖4.8BC相接地故障時M側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量圖4.9BC相接地故障時N側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量設置三相接地短路輸出相關參數(shù)輸出波形如圖4.10、圖4.11、圖4.12所示圖4.10三相接地故障時M側A相（左）與N側A相（右）輸出阻抗模值變化量圖4.11三相接地故障時M側B相（上）與M側C相（下）輸出阻抗模值變化量圖4.12三相接地故障時N側B相（上）與N側C相（下）輸出阻抗模值變化量根據(jù)上述仿真結果，虛擬同步型交流微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的仿真結果逐一進行分析，均滿足保護判據(jù)，及時切除故障；在離網(wǎng)運行時，A相單相接地短路與BC兩相接地短路故障基本滿足保護判據(jù)，即可以切除不對稱短路帶來的影響，然而在三相接地故障時，阻抗模值波動較大，沒有達到預期的效果。4.3本章小結在本章中，對第三章中利用PSCAD軟件構建的采用虛擬同步機控制策略的交流微電網(wǎng)模型分別進行并網(wǎng)和離網(wǎng)的故障仿真驗證，最后，通過仿真結果，對通過測量線路兩端阻抗變化的微電網(wǎng)保護算法的可靠性進行分析。第五章結論與展望在本文中，首先對PQ控制、下垂控制、虛擬同步控制三種控制原理進行闡述，再敘述了上述控制策略的控制表達式推導過程，并具體繪制了控制框圖。然后，又介紹了一種可行的故障保護算法原理——測量線路兩端阻抗變化的模值判據(jù)，并分布列舉了其算法的推導過程。接著，依據(jù)虛擬同步機控制方程和控制框圖，利用PSCAD仿真軟件搭建了電壓源型三相全橋式逆變器、有功-頻率環(huán)、無功-電壓環(huán)、虛擬負電阻和電壓電流雙環(huán)的虛擬同步型交流微電網(wǎng)模型以及通過測量線路兩端阻抗變化的微電網(wǎng)保護算法。最后，利用PSCAD仿真軟件，針對虛擬同步型交流微電網(wǎng)模型，在并網(wǎng)和離網(wǎng)的運行狀態(tài)下，針對相同位置的單相接地、兩相接地短路和三相短路故障，分別進行了仿真驗證，并經(jīng)過仿真結果，驗證通過測量線路兩端阻抗變化的微電網(wǎng)保護算法的可靠性。本文在虛擬同步型交流微電網(wǎng)繼電保護方法研究中，取得了一定成果，但仍需要在領域進行進一步研究，針對虛擬同步機控制策略的微電網(wǎng)系統(tǒng)故障時的保護策略，在本文研究中僅采用了一種保護判據(jù)方式，保障區(qū)內(nèi)區(qū)外的穩(wěn)定性仍需進一步的研究。參考文獻張曉娜.微電網(wǎng)控制方法與保護策略研究[D].河北工業(yè)大學，2015：13-32.鄭天文，陳來軍，陳天一，等.虛擬同步發(fā)電機技術及展望.電力系統(tǒng)自動化，2015，39(21)：165-175.康晴，羅奕，盧新佳，等.基于變流器控制策略的微電網(wǎng)故障特性仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2019，47(02)：148-152.楊鵬龍.基于虛擬同步機的微電網(wǎng)逆變器控制策略研究[D].蘭州交通大學，2018.馬迪.考慮過渡電阻影響的改進交流微電網(wǎng)線路保護算法研究[J].南京理工大學，2017A.E.Fitzgerald,C.Kingsley,andS.D.Umans.ElrctricMachinery[c].NewYork:McGraw-Hill，2003.J.J.GraingerandW.D.Stevenson.PowerSystemAnalysis[M].McGraw-Hill，1994.張俊文.基于下垂控制的微網(wǎng)逆變器控制策略研究[D].南京航空航天大學,2015：4-6.AndersonPM,FouadAA.電力系統(tǒng)控制與穩(wěn)定[M].王奔譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.倪以信，陳壽孫，張寶霖.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京：清華大學出版社，2002.孟建輝，王毅，石新春，等.基于虛擬同步發(fā)電機的分布式逆變電源控制策略及參數(shù)分析[J].電工技術學報，2014,12（25）：1-10.叢詩學.虛擬同步VSC自主并聯(lián)技術研究[D].華北電力大學(北京)，2017：10-11.ZhongQC,GeorgeW.Synchronverters:InvertersThatMimicSynchronousGenerators[J],IEEETra