通过新型负电流注入控制技术提升直流微电网的稳定性，以实现故障穿越能力

《Sustainable Energy, Grids and Networks》：Enhancing the stability of DC microgrids with novel negative current injection control to achieve fault ride-through capability

直流微电网中基于负电流注入的故障穿越控制策略研究，提出无需额外硬件的NCI-FRT方法，通过动态调节参考电流实现虚拟阻抗，有效抑制故障电流至1.1 pu并延长穿越时间至100μs，同时保持电压稳定。

　　

罗希特·库马尔·拉斯托吉 | 马诺杰·特里帕蒂

印度理工学院鲁尔基分校，电气工程系，鲁尔基，247667，北阿坎德邦，印度

摘要

本文提出了一种基于负电流注入（NCI）的控制策略，用于直流微电网（DC MGs）中的分布式发电机（DGs），以提高系统稳定性和故障穿越（FRT）能力。与自适应下垂控制或物理故障电流限制器（FCLs）等传统方法不同，所提出的方法无需额外硬件即可直接调节故障电流，从而确保了更好的保护和瞬态性能。它有效缓解了由于电动汽车（EV）渗透率增加、负载波动和高阻抗故障（HIFs）引起的高故障电流。通过与现有保护方案的无缝集成，该方法在瞬态和稳态条件下都能防止转换器过载并稳定母线电压。在380伏低压直流（LVDC）微电网上的仿真结果表明，所提出的控制方法将故障电流限制在1.1 pu以内，电流中断不超过额定值的10%，并将故障穿越时间延长至100微秒（μs）后饱和。此外，它在不同的故障电阻和位置下将母线电压降保持在0.7–0.95 pu范围内，显示出比现有技术更优越的性能。

引言

直流微电网（DC MGs）已成为整合可再生能源和支持现代负载（特别是电动汽车（EVs）日益增长需求的有效解决方案[1]。与传统交流微电网（AC MGs）相比，DC MGs具有更高的转换效率、更少的组件数量和更简洁的控制架构[2]。然而，电动汽车和其他高功率负载的广泛部署带来了重大的运行挑战。大规模同时发生的电动汽车充电事件会显著增加负载电流，而极间（P-P）、极地（P-G）或直流串联电弧故障等故障可能导致电流迅速升高和电压崩溃，威胁整个系统的稳定性。这些情况需要强大的保护和控制机制来确保与转换器接口的分布式发电机（DGs）的安全可靠运行[3]。图1展示了用于分析的单母线DC MG架构。

关于DC MG保护的先前工作包括多种单元和非单元方法[4]、[5]、[6]、[7]。传统的故障检测和隔离技术通常在1–10毫秒内运行[6]，但它们往往无法阻止DG转换器的过度电流贡献。基于占空比的故障限制方案已被提出[8]、[9]，但在严重干扰下可能不够有效。断路器（CBs）提供了第二层保护；然而，由于直流系统中没有自然的电流零交叉点，这使得电弧熄灭变得复杂，并增加了开关设备的压力[10]。因此，在干扰期间确保连续供电不仅对系统稳定性至关重要，而且对于减少CB中断压力也非常重要，尤其是在低压直流（LVDC）MG应用中。

尽管转换器具有基本的电流限制功能[11]、[12]、[13]，但在高电流或低阻抗故障条件下这些功能会迅速饱和，常常导致DG跳闸[14]。物理故障电流限制器（FCLs），如串联电感器或电阻元件[15]，可以减轻故障的严重程度，但需要系统级硬件修改，并且在动态负载下可能会降低系统性能。因此，将类似FCL的行为直接嵌入转换器控制回路中已成为一种实用且可扩展的解决方案，可以在不增加额外硬件的情况下提高故障韧性。

故障穿越（FRT）能力对于在干扰期间保持DC MG稳定性至关重要。虽然现有的虚拟阻抗和自适应下垂方法[13]、[16]、[17]可以部分提高FRT能力，但在严重事件（如低阻抗P-G故障、高阻抗故障（HIFs）或过高的电动汽车充电电流）下，它们的性能会下降。相比之下，所提出的基于负电流注入（NCI）的FRT策略可以在控制回路中动态调整电压和电流参考值，抑制故障电流而不切断DGs，并保持转换器的安全运行限制[18]。例如，在P-G故障期间，NCI-FRT控制会减少DG的故障电流注入，同时保持稳定的直流母线电压。故障清除后，它支持DG的无缝重新连接，从而避免了传统保护方案常见的重新连接延迟。

DC MGs中的故障电流行为取决于多个因素，包括可再生能源特性、接地配置、直流母线电压和转换器拓扑[4]、[5]。因此，有效的保护需要快速故障识别和协调限制转换器的贡献。将虚拟阻抗和基于NCI的功能嵌入DG控制回路中，符合这一要求，实现了快速响应、局部化且无需硬件的电流限制。尽管IEEE Std 1547–2018[19]和IEC 61,727[20]等标准为分布式能源资源提供了LVRT/FRT要求的指导，但目前尚不存在适用于DC MGs的通用FRT标准。最近的NREL研究[21]、[22]、[23]强调了需要先进的DC FRT机制来防止系统范围内的不稳定性。

基于这些需求，本研究介绍了一种基于负电流注入的故障穿越（NCI-FRT）虚拟阻抗控制器，用于管理LVDC MGs中的故障电流。所提出的方法主要缓解DG-母线连接线上的电缆相关故障。对于内部转换器故障，控制器在必要时防止不必要的DG断开，同时仍允许快速隔离。与现有方法[13]相比，NCI-FRT控制器通过修改参考电流动态调节转换器输出阻抗，显著降低了故障电流幅度并提高了整体系统稳定性，从而在故障期间确保DG的安全运行，并消除了复杂的重新连接程序。

DC MGs中的故障电流管理已经得到了广泛研究，技术大致分为单元保护、非单元保护和转换器级电流限制。在1–10毫秒内运行的快速保护方案[4]、[6]、[24]对于快速隔离有效，但通常不足以限制过高的转换器故障电流。基于CB的解决方案在LVDC系统中面临运行挑战，因为缺乏自然的电流零交叉点，导致成本和复杂性增加[5]、[7]、[11]、[13]、[14]、[15]、[18]、[25]。

以控制为中心的策略，包括自适应下垂、电流导数检测和虚拟阻抗技术，提供了嵌入式电流限制功能[11]、[13]、[16]。然而，这些方法在严重低阻抗故障下性能下降，或者需要参数调整，这限制了其可扩展性。同样，物理FCLs[7]、[14]、[15]会增加成本和维护负担，使其不适合大规模的LVDC部署。

负电流注入概念已在UHVDC传输系统中进行了研究[18]，但由于转换器额定值、成本限制和动态行为的不同，它们直接应用于LVDC MGs的研究仍然很少。此外，LVDC系统中嵌入式、基于控制的故障限制的经济合理性也很少被讨论。

从这些观察中，出现了三个关键的研究空白：

(i)

现有的转换器级FRT技术缺乏系统的参数设计指南；

(ii)

在LVDC MGs中，故障期间的设备级电流协调分析不足；以及

(iii)

相对于DC CBs的成本效益考虑很少被量化。

所提出的NCI-FRT方法通过结合参数化的负电流注入回路，直接解决了这些空白，实现了协调的设备行为、系统的设计程序以及LVDC MG应用的改进经济可行性。

本研究的主要目标是设计和验证一种基于负电流注入的故障穿越（NCI-FRT）控制策略，用于与转换器接口的LVDC微电网。控制器旨在：

(i)

抑制过高的故障电流，

(ii)

保持直流母线电压稳定，

(iii)

在低阻抗和高阻抗故障条件下确保DG的连续运行，而无需额外硬件。

通过分析建模和基于敏感度的验证，建立了一个通用且实际可部署的控制框架，适用于光伏和电池转换器。

为了建立所提出控制器的分析基础，第2节回顾了DC MGs中的电压稳定性机制、故障行为和保护挑战。第3节开发了NCI-FRT控制策略。第4节展示了动态仿真结果，证明了稳定性和故障性能的提高。第5节总结了本文的主要发现。

部分摘录

电压稳定性和故障检测机制

DC MGs中的电压稳定性受转换器工作模式、负载动态、电缆特性和系统级干扰的影响。在故障条件下，线路或负载阻抗的突然降低会导致电流迅速上升，从而导致直流母线电压显著下降[12]。因此，及时检测和分类这些事件对于防止级联故障和意外的DG隔离至关重要。

一种广泛采用的故障识别方法依赖于

DC微电网中DG的负电流注入控制

负电流注入故障穿越（NCI-FRT）控制策略旨在在干扰期间限制故障电流，同时确保分布式发电机（DGs）保持运行。所提出的控制根据故障的严重程度动态修改转换器参考电流，如图4所示。

在图4(a)中，系统在正常条件下运行，所提出的控制处于非激活状态，即$i_L^{n\mathrm{eg}}=0$

结果和讨论

图1中描绘的DC MG系统使用MATLAB/Simulink进行了仿真，以评估所提出控制方案的性能。该方法涉及故障检测以实现精确的定位和分类，以及故障后的电流管理。FRT控制的逻辑在控制回路中实现。系统参数和故障检测阈值在表2中详细说明。以下小节介绍了各种案例研究，重点关注低阻抗和高阻抗情况

结论

本文提出了一种新颖的负电流注入故障穿越（NCI-FRT）控制策略，以提高直流微电网（MGs）的故障韧性。所提出的方法通过动态修改电感器参考电流来实现虚拟阻抗，从而有效降低故障电流水平，而无需额外的硬件组件。与依赖物理故障电流限制器（FCLs）或静态下垂控制的传统技术不同，NCI-FRT集成了故障

CRediT作者贡献声明

罗希特·库马尔·拉斯托吉：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，调查，形式分析，概念化。马诺杰·特里帕蒂：撰写 – 审阅与编辑，监督，方法论，调查，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。