三相并网变流器在电网暂态故障情况下的安全运行与控制研究

With the rapid development and large-scale application of the renewable energy, the associated grid-tied three-phase power converter has also been widely used. The grid not only require the grid-tied power converters have the fault ride-through ability, but also can support the grid to facilitate fault recovery under grid transient fault conditions. But under the fault condition, the grid converter faced with the negative-sequence grid current, harmonic current, the dc bus voltage fluctuations, as well as over voltage and over current issues which will affect the safe operation of the converter. In order to realize the fault ride-through capability and facilitate fault recovery, this project will study mechanism of the safe operation problems converter under grid transient fault condition, and describe the safe operation capability of the converter to provide a theoretical basis for gird support. The concept of instantaneous power buffer which uses the super-capacitor is proposed. Through studying optimal control strategy to achieve the unified control of the grid-tied converter in the case of symmetrical and asymmetrical fault, and solve the dc bus voltage fluctuations and the second-order voltage ripple problems in the dc bus, to achieve the unification of the safe operation and grid support of the grid-tied three-phase power converter under transient grid fault conditions. This project will help to enhance the grid fault ride -through capability of the converter, and realize grid support capability. These output will expand the functions of the grid-tied three-phase power converter.

随着新能源发电的快速发展和大规模应用，三相并网变流器得到了广泛的应用。电网要求并网变流器在电网暂态故障情况下不仅能持续并网运行，而且还能对电网故障进行支撑，以利于故障后的电网恢复。但电网暂态故障情况下，并网变流器面临负序电流、谐波、直流母线电压波动，以及过压过流等一系列问题，变流器自身的安全运行受到挑战。为了实现故障时并网变流器的安全运行并对电网进行支撑，本项目将研究电网暂态故障对并网变流器的安全运行影响机理，描述故障情况下并网变流器的安全运行能力，为故障时对电网支撑提供理论依据。提出瞬时功率缓冲器的概念，采用超级电容实现，通过研究优化的控制策略来实现并网变流器在对称和不对称故障情况下的统一控制，解决直流母线电压波动和二倍工频纹波的问题，实现暂态故障情况下变流器的安全运行和对电网支撑的统一。本项目的研究将有助于增强并网变流器的故障穿越能力，并实现对电网故障的支撑，拓展并网变流器的功能。

电网故障，特别是不对称故障的情况下，三相并网变流器面临负序电流、谐波、直流母线电压波动以及过压过流等一系列问题，变流器自身的安全运行受到挑战。为了实现故障时并网变流器的安全运行并对电网进行支撑，本项目从电网故障对三相并网变流器的安全运行机理、安全运行能力、同步信号检测和安全运行控制等方面开展了研究工作。揭示了不对称电网故障时的二倍频功率波动分量的正交特性，综合考虑直流母线电压波动、不对称相电流以及不对称电网电压补偿等因素揭示了电网故障对三相并网变流器的安全运行影响机理。综合考虑交流电网电压、直流母线电压波动、最大相电流以及并网电流三次谐波含量等约束，提出了基于优先级的变流器安全运行能力描述方法，定量描述了不同故障类型，不同故障程度下的变流器安全运行区域。安全运行机理和安全运行能力的研究为故障时变流器的控制提供了理论依据。针对电网故障情况下电网同步信号检测方法，分别在静止坐标系和同步坐标系中提出了基于正弦幅值积分器和基于反馈结构的电网电压同步信号检测方法，在两种坐标系下，分别在一个工频周期内，实现了在电网电压不对称和含谐波等非理想工况下快速准确地完成同步信号提取。针对电网故障情况下的控制，提出了优化的功率控制方法，分别控制正、负序无功功率可以有效地支撑电网电压，多余的变流器容量用来注入有功功率，实现了并网变流器正负序无功和有功功率的在线优化控制。并且提出了正负序导纳(PNGB)电流控制方法，既可灵活调节有功功率和无功功率的振荡，同时实现不对称电网故障情况下的限流功能，实现了变流器安全运行与电网故障支撑的统一控制。本项目所有的研究结论都在本项目搭建的三相光伏并网实验平台上进行了实验验证。本项目完成了项目计划书的要求，研究结果有助于增强并网变流器的安全运行能力，并实现了对电网故障的支撑，拓展了并网变流器的功能。