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含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法

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本发明公开了含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法，本发明结合分布式电源的故障穿越控制策略与输出特性，首先计算配电网正常运行时的公共联结点PCC的电压幅值UPCC，接着建立配电网故障时的公共联结点PCC的正序电压幅值的求解方程组，求解配电网故障时公共联结点的正序电压，从而实现对含逆变型分布式电源配电网的故障分析。与现有技术相比，本发明提高了故障分析的准确性。

著录项

公开/公告号CN102879668A

专利类型发明专利
公开/公告日2013-01-16

原文格式PDF
申请/专利权人华南理工大学;
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申请/专利号CN201210344127.6
发明设计人王钢;吴争荣;李海锋;钟庆;梁远升;汪隆君;潘国清;高翔;王辉;
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申请日2012-09-17
分类号G01R31/00(20060101);
代理机构44245 广州市华学知识产权代理有限公司;
代理人蔡茂略
地址 510641 广东省广州市天河区五山路381号
入库时间 2024-02-19 16:59:17

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2014-12-03

授权

授权
2013-02-27

实质审查的生效 IPC(主分类):G01R31/00 申请日:20120917

实质审查的生效
2013-01-16

公开

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说明书

技术领域

本发明涉及电力系统故障分析方法，特别涉及含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法。

背景技术

对称分量法是非对称故障分析最主要的方法，对传统的同步电机而言，在正序网络中可采用电压源等值，而在负序网络中可采用阻抗等值。然而，逆变型分布式电源与传统的同步电机类型电源完全不同，其输出特性在非对称故障条件下完全由其控制策略决定，在正、负序网络中都不能采用传统的同步电机等值模型。因此，现有的故障分析方法必然会产生较大的误差。为实现含逆变型分布式电源配电网的非对称故障精确分析，必须从逆变型电源的等值模型和配电网故障分析模型上予以改进。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明针对正序分量控制的逆变型分布式电源，提出了计及故障穿越控制策略与输出特性的配电网非对称故障分析方法，实现了含逆变型分布式电源配电网的非对称故障的精确分析。

本发明的目的通过以下技术方案实现：含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法，包括以下步骤(下述步骤中的各变量都表示标幺值)：

S1计算配电网正常运行时的公共联结点（PCC）的电压幅值U_PCC；

S2建立配电网故障时的复合序网，分布式电源只包含在正序网络中，建立配电网故障时的PCC的正序电压幅值的求解方程组，具体包括以下步骤：

S21根据配电网故障时的复合序网得到故障时的节点电压方程：

$[Y^{'}] {\overset{\cdot}{U}}_{f} = {\overset{\cdot}{I}}_{f} - - - (1)$

其中， $[Y^{'}] = (\begin{matrix} {Y^{'}}_{11} & {Y^{'}}_{12} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{1 m} \\ {Y^{'}}_{21} & {Y^{'}}_{22} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{2 m} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ {Y^{'}}_{m 1} & {Y^{'}}_{m 2} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{mm} \end{matrix})$ 表示故障时的节点导纳矩阵；对角元素Y_ii为节点i故障时的自导纳，其值等于故障时接于节点i的所有支路导纳之和；非对角元素Y′_ij为节点i、j间故障时的互导纳，当节点i、j间存在支路时，Y′_ij等于直接联接于节点i、j间的支路导纳的负值；当节点i、j间不存在支路时，Y′_ij=0；

${\overset{\cdot}{U}}_{f} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1 \cdot f} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{2 \cdot f} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC \cdot f}^{+} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC \cdot f}^{-} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{U}}_{m \cdot f} \end{matrix})$ 表示故障时节点电压，其中分别为故障时PCC的正、负序电压；

${\overset{\cdot}{I}}_{f} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1 \cdot f} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2 \cdot f} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{I}}_{DG \cdot f} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{I}}_{m \cdot f} \end{matrix})$ 表示故障时节点的注入电流，其中为故障时分布式电源(DG) 注入PCC的电流；

表示为： ${\overset{\cdot}{I}}_{DG \cdot f} = I_{d \cdot f} - {jI}_{q \cdot f} - - - (2)$

其中， $(\begin{matrix} I_{d \cdot f} = P_{(0)} / U_{PCC \cdot f}^{+} \\ I_{q \cdot f} = I_{q (0)} + k_{q} (U_{PCC} - U_{PCC \cdot f}^{+}) \end{matrix})$

式中，I_d·f、I_q·f分别表示故障时分布式电源输出有功电流与无功电流；P₍₀₎、 I_q(0)分别表示正常运行时分布式电源输出的有功功率与无功电流，Q₍₀₎表示正常运行时分布式电源输出的无功功率，k_q表示系数；

S22对式（1）进行线性变换，得到的求解方程组；

S3求解

S4求解I_d·f、I_q·f；

S5定义I_ad＝I_d·f+I_q·f，并判断I_ad是否超过逆变器额定电流I_VSC·n，若未超过则进行步骤S6，否则，令I_d·f=I_VSC·n-I_q·f，将I_d·f、I_q·f表达式代入式（1），并重新计算后进行步骤S6；

S6利用式（1）计算中除外的节点电压；

S7根据下式计算节点j与节点k之间的支路电流：

${\overset{\cdot}{I}}_{jk \cdot f} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{i \cdot f} - {\overset{\cdot}{U}}_{k \cdot f}}{Z_{jk}}$

其中，Z_jk分别表示节点j与k之间的支路电流与支路阻抗，分别表示配电网故障时节点j、k的电压。

步骤S1所述计算配电网正常运行时PCC的电压幅值U_PCC，具体包括以下步骤：

S11根据正常运行时配电网等值图得到正常运行时的节点电压方程：

$[Y] \overset{\cdot}{U} = \overset{\cdot}{I}$

其中， $[Y] = (\begin{matrix} Y_{11} & Y_{12} & \cdot \cdot \cdot & Y_{1 n} \\ Y_{21} & Y_{22} & \cdot \cdot \cdot & Y_{2 n} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ Y_{n 1} & Y_{n 2} & \cdot \cdot \cdot & Y_{nn} \end{matrix})$ 表示正常运行时的节点导纳矩阵；对角元素Y_ij为节点i正常运行时的自导纳，其值等于正常运行时接于节点i的所有支路导纳之和；非对角元素Y_ij为节点i、j间正常运行时的互导纳，当节点i、j间存在支路时，Y_ij等于直接联接于节点i、j间的支路导纳的负值；当节点i、j间不存在支路时，Y_ij=0；

$\overset{\cdot}{U} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{U}}_{n} \end{matrix})$ 表示正常运行时的节点电压，为正常运行时PCC的电压；

$\overset{\cdot}{I} = (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{I}}_{1} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{I}}_{DG} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ {\overset{\cdot}{I}}_{n} \end{matrix})$ 表示正常运行时节点的注入电流，为正常运行时DG注入PCC 节点的电流；

S12根据节点电压方程求得然后取绝对值得到U_PCC。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：本发明通过计及逆变型分布式电源控制策略与输出特性，建立新的分布式电源暂态等值模型，能更加真实地反映分布式电源的故障电流特性；在此基础上建立新的配电网故障分析模型，提高了故障分析的准确性。本方法为含逆变型分布式电源配电网的设备选型与保护整定等方面提供了科学的依据，在工程实践中具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明的实施例的配电网单线图。

图2为本发明的实施例的含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法的流程图。

图3为本发明的实施例中图1所示的配电网故障时的复合序网图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例以图1所示的配电网为例，采用本发明含逆变型分布式电源配电网的非对称故障分析方法进行故障分析，如图2所示，包括以下步骤：

S1计算配电网正常运行时PCC的电压幅值U_PCC，具体包括以下步骤：

S11根据正常运行时配电网等值图得到正常运行时的节点电压方程：

$[Y] \overset{\cdot}{U} = \overset{\cdot}{I}$

本实施例中正常运行时的节点电压方程为：

$(\begin{matrix} \frac{1}{Z_{s}} + \frac{1}{Z_{L 1}} & - \frac{1}{L_{1}} \\ - \frac{1}{Z_{L 1}} & \frac{1}{Z_{L 1}} + \frac{1}{Z_{L 2}} \end{matrix}) (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{M} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC} \end{matrix}) = (\begin{matrix} \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{s}}{Z_{s}} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{DG} \end{matrix})$

其中分别为正常运行时节点M、PCC的自导纳，为节点M、PCC之间的互导纳；Z_s、Z_L1、Z_L2分别表示系统的等值阻抗、PCC上游线路L1阻抗及PCC下游线路L2阻抗；表示系统等值电势，取值为分布式电源额定电流；为正常运行时节点M的电压；为正常运行时PCC的电压；为注入M点的电流。

S12根据节点电压方程求得然后取绝对值得到U_PCC；

S2建立配电网故障时的复合序网（如图3所示），分布式电源只包含在正序网络中，建立电网故障时的PCC的正序电压的求解方程组，具体步骤如下：

S21根据配电网故障时的复合序网得到故障时的节点电压方程：

$[Y^{'}] {\overset{\cdot}{U}}_{f} = {\overset{\cdot}{I}}_{f} - - - (1)$

其中， $[Y^{'}] = (\begin{matrix} {Y^{'}}_{11} & {Y^{'}}_{12} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{1 m} \\ {Y^{'}}_{21} & {Y^{'}}_{22} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{2 m} \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot \\ {Y^{'}}_{m 1} & {Y^{'}}_{m 2} & \cdot \cdot \cdot & {Y^{'}}_{mm} \end{matrix})$ 表示故障时节点的导纳矩阵；对角元素Y_ii为节点i故障时的自导纳，其值等于故障时接于节点i的所有支路导纳之和；非对角元素Y′_ij为节点i、j间故障时的互导纳，当节点i、j间存在支路时，Y′_ij等于直接联接于节点i、j间的支路导纳的负值，当节点i、j间不存在支路时，Y′_ij=0；

即 $(\begin{matrix} \frac{1}{Z_{s}} + \frac{1}{Z_{L 1}} & - \frac{1}{Z_{L 1}} & 0 \\ - \frac{1}{Z_{L 1}} & \frac{1}{Z_{L 1}} + \frac{1}{2 β Z_{L 2}} & - \frac{1}{2 β Z_{L 2}} \\ 0 & - \frac{1}{2 β Z_{L 2}} & \frac{1}{2 β Z_{L 2}} + \frac{1}{Z_{s}} + \frac{1}{Z_{L 1}} \end{matrix}) (\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{M \cdot f} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC \cdot f}^{+} \\ {\overset{\cdot}{U}}_{PCC \cdot f}^{-} \end{matrix}) = (\begin{matrix} \frac{{\overset{\cdot}{E}}_{s}}{Z_{s}} \\ {\overset{\cdot}{I}}_{DG \cdot f} \\ 0 \end{matrix})$

其中分别为故障时节点M、PCC 正序电压节点、PCC负序电压节点的自导纳；为故障时节点M、PCC 正序电压节点之间的互导纳；，表示PCC正序电压节点与PCC负序电压节点之间的互导纳，β为表示在线路L2中的故障位置，取值为0~100%；分别为故障时PCC的正、负序电压；为故障时DG注入PCC 的电流；根据分布式电源控制策略，表示为：

${\overset{\cdot}{I}}_{DG \cdot f} = I_{d \cdot f} - {jI}_{q \cdot f} - - - (2)$

其中， $(\begin{matrix} I_{d \cdot f} = P_{(0)} / U_{PCC \cdot f}^{+} \\ I_{q \cdot f} = I_{q (0)} + k_{q} (U_{PCC} - U_{PCC \cdot f}^{+}) \end{matrix})$

式中，I_d·f、I_q·f分别表示故障时分布式电源输出的故障电流、有功电流与无功电流；P₍₀₎、I_q(0)分别表示正常运行时分布式电源输出的有功功率与无功电流，Q₍₀₎表示正常运行时分布式电源输出的无功功率，k_q表示系数；

S22对式（1）进行线性变换，得到的求解方程组，具体为：

以电压相位为基准，则 ${\overset{\cdot}{E}}_{s} = E_{s} (\cos α + j \sin α),$ 得到的求解方程组：

$(\begin{matrix} a {(U_{PCC \cdot f}^{+})}^{2} + e U_{PCC \cdot f}^{+} - c = E_{s} U_{PCC \cdot f}^{+} \cos α \\ b {(U_{PCC \cdot f}^{+})}^{2} + f U_{PCC \cdot f}^{+} - d = E_{s} U_{PCC \cdot f}^{+} \sin α \end{matrix})$

式中，a+jb=[1/(2βZ_L2+Z_s+Z_L1)+1/(Z_s+_L1)-jk_q/U_n](Z_s+Z_L1)，c+jd=U_PCCI_d(0)(Z_s+Z_L1)， e+jf=j(I_q(0)+k_qU_PCC/U_n)(Z_s+Z_L1)；

S3求解

S4求解I_d·f、I_q·f；

S5定义I_ad＝I_d·f+I_q·f，并判断I_ad是否超过逆变器额定电流I_VAC·n，若未超过则进行步骤S6，否则，令I_d·f=I_VSC·n-I_q·f，将I_d·f、I_q·f表达式代入式（1）及式（2），并重新计算后进行步骤S6；

其中，重新计算的过程如下：

将I_d·f、I_q·f表达式代入式（1）及式（2），得到的求解方程组：

$(\begin{matrix} U_{PCC \cdot f}^{+} (a - K_{q} / U_{n}) c E_{s} \cos α + d E_{s} \sin α = I_{\max} - (I_{q (0)} + K_{q} U_{PCC \cdot f}^{+} / U_{n}) \\ U_{PCC \cdot f}^{+} (b - K_{q} / U_{n}) - d E_{s} \cos α - c E_{s} \sin α = - (I_{q (0)} K_{q} U_{PCC} / U_{n}) \end{matrix})$

式中，a+jb=1/(2βZ_L2+Z_s+Z_L1)+1/(Z_s+Z_L1)，c+jd=1/(Z_s+Z_L1)； S6利用式（1）计算中除外的节点电压；

S7根据下式计算节点j与k之间的支路电流：

${\overset{\cdot}{I}}_{jk \cdot f} = \frac{{\overset{\cdot}{U}}_{i \cdot f} - {\overset{\cdot}{U}}_{k \cdot f}}{Z_{jk}}$

其中，Z_jk分别表示节点j与k之间的支路电流与支路阻抗，分别表示配电网故障时节点j、k的电压。

本实施例的图1中，配电网系统的等值阻抗Z_s为1.3j(Ω)，线路L1的等值阻抗Z_L1、L2等值阻抗Z_L2分别为1.18+3.56j(Ω)、0.59+1.78j(Ω)，分布式电源额定容量与逆变器接口额定容量分别为4MW、8MVA，k_q为2。由上述条件可得到 I_VSC·n＝0.46kA。故障前分布式电源有功输出为额定值，无功输出为零。

下面列举两种不同短路条件予以说明：

情况1：

两相短路故障发生在L2线路末端，即β=100%，进行步骤S1~S4，计算得到的值为7.26kV，U_PCC为10.1kV。由U_PCC、可得I_d·f、I_q·f、I_DG·f分别为0.32kA、0.13kA、0.35kA。由于I_d·f+I_q·f<I_VSC·n，将I_d·f、I_q·f代入配电网故障时节点电压方程可求得为4.10kV，分别为0.365kA、0.48kA，都为0.48kA。

情况2：

两相短路故障发生在L2线路70%处，即β=70%，进行步骤S1~S4，并得到求解方程组，计算的值为6.92kV，U_PCC为10.1kV。由U_PCC、可得 I_d·f、I_q·f分别为0.33kA、0.14kA。由于I_d·f+I_q·f>I_VSC·n，重新计算I_d·f、I_DG·f为0.32kA、 0.35kA。最后求得为4.10kV，分别为0.39kA、0.52kA，都为0.52Ka。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

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