面向交直流混合型微电网互联变流器的故障穿越方法研究

For internal short-circuit faults in hybrid AC/DC microgrid, the linking converter is required fault ride through capability considering of reducing fault scope and improving power supply reliability. This project aims to study fault ride through technology of bus and branch fault for linking converter in a typical hybrid AC/DC microgrid application. The main contents include (1) For DC bus short-circuit fault, study generation method of bidirectional AC/DC/DC converter topology with fault current limiting ability, then analysis the technical features and implementation cost of above topologies; (2) For fault recovery issues, study switching strategy of current limiting mode and normal mode for bidirectional AC/DC/DC converter in order to avoid latch up effect in the multi-loop control structure; (3) For asymmetric short-circuit fault in AC side, study phase-locked loop technology with fast dynamic response for three-phase unbalanced and harmonic distorted voltage; (4) Study current control strategy of bidirectional AC/DC/DC converter. During the study progress, numerical simulation, semi-physical simulation and circuit experiment are used to verify the effectiveness of fault ride through technology based on studying the topology and control strategy. This project belongs to the basic theory of applications, the study results will significantly improve the power supply reliability of hybrid AC/DC microgrid, and have an inviting application prospect.

针对交直流混合型微电网内部短路等故障情况，出于减小故障影响范围、提高供电可靠性考虑，要求互联变流器必须具备故障穿越能力。本项目择取典型应用背景，研究互联变流器两侧母线、支路等部位发生短路时的故障穿越方法。主要研究内容为（1）针对直流母线短路故障，研究一类具有短路电流阻断能力的双向AC/DC/DC变流器拓扑结构，并分析其技术特征及实现代价；（2）针对故障恢复情况，研究互联变流器限流模式与正常模式切换策略，解决多环控制结构的闩锁效应；（3）针对交流侧非对称短路，研究三相不平衡及谐波畸变电网的快速锁相技术；（4）研究双向AC/DC/DC变流器电流控制策略。研究过程中综合利用数字仿真、实时半物理仿真及电路实验的手段，开展互联变流器拓扑结构及控制策略研究，验证故障穿越方法的有效性。本项目属于应用基础研究，研究成果将显著提高交直流混合型微电网的供电可靠性，具有良好的应用前景。

为提升交直流混合型微电网的供电可靠性，减小短路电流对系统的影响，本课题在对故障电流特征进行深入分析的基础上，重点对变流器和固态断路器的拓扑结构及控制策略进行了研究。在拓扑结构方面：本项目构建了交直流混合型微电网模型，分析其故障传播机理，以短路电流是否会产生过零点进行区分，进而对固态断路器的阻断支路进行设计。在交流微电网中，短路电流存在自然过零点，则根据LC串联谐振特性来设计一种基于LC串联谐振电路的短路电流阻断器。发生故障时，通过整流桥对电容器进行快速充电，从而利用电容器电压反向阻断短路电流。该电路结构简单，并具有阻断速度快和元器件过流能力强的特点，适合应用在交流微电网。在直流微电网中，短路电流传播速度快，且电流不存在自然过零点，根据电阻阻断，电容隔离的思路提出了一种新型的基于分段限流固态断路器的短路电流双向阻断电路，通过采用分段式电阻限流模块将故障电流限制在一定的水平，最终通过阻断电容吸收故障电流并隔离故障，该方法可以在极短的时间内将故障电流限制在安全水平且不会在开关管两端产生过电压。在控制算法方面：本项目提出了混合模型预测控制方法和组合电源串联同步控制方法。混合模型预测控制方法将变流器和超级电容模型归为一体进行模型预测控制，提高了动态响应速度。组合电源串联同步控制方法解决了电网频率波动时电工源与电力电子源的串联同步问题，消除了输出波动。本项目研究为交直流混合型微电网的故障穿越技术奠定了坚实的工作基础，同时对于全固态断路器的拓扑结构设计提供了重要的启示性探索。