含V/f控制逆变型分布式电源的微电网故障分析方法

摘要

本发明公开了含V/f控制逆变型分布式电源的微电网故障分析方法，本发明结合分布式电源的控制策略与输出特性，首先提出分布式电源的故障等值模型，再建立含V/f控制逆变型分布式电源的微电网故障节点电压方程，并进行求解，从而实现含逆变型分布式电源配电网的精确故障分析。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；在此基础上提出新的微电网故障分析方法，提高了故障分析的准确性，为含V/f控制逆变型分布式电源微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。

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V/f控制逆变型分布式电 源的微电网故障分析方法。

背景技术

微电网在并网和孤岛两种不同运行模式下的短路电流计算是建立微电网保 护的重要基础。现有的故障分析方法针对微电网在并网运行时的情况，而没有 考虑微电网孤岛运行时的情况。微电网孤岛运行时，至少有一个DG采用V/f控 制，其故障特性与并网时采用PQ控制策略的DG有很大的差异，从而导致微电 网孤岛运行时的故障特性也有很大的不同。为实现含V/f控制逆变型分布式电 源的微电网故障分析，必须从逆变型分布式电源的等值模型和故障分析模型上 予以改进。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提出了计及V/f控制逆变型分布式电 源控制策略的故障等值模型和含V/f控制逆变型分布式电源的微电网故障分析 方法，提高了故障分析的准确性。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

含V/f控制逆变型分布式电源微电网的故障分析方法，包括以下步骤：

S1、进行故障判断并判断故障类型，若为对称故障则执行步骤S2～S6，若 为非对称故障则执行步骤S7～S14；

S2、根据微电网故障时的等值图得到故障时的节点电压方程：

$\left[Y^{\prime }\right]{\stackrel{·}{U}}_f={\stackrel{·}{I}}_f---\left(1\right)$

其中，$\left[Y^{\prime }\right]=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cccc}{Y^{\prime }}_{11}& {Y^{\prime }}_{12}& ...& {Y^{\prime }}_{1m}\\ {Y^{\prime }}_{21}& {Y^{\prime }}_{22}& ...& {Y^{\prime }}_{2m}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {Y^{\prime }}_{m1}& {Y^{\prime }}_{m2}& ...& {Y^{\prime }}_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)$表示故障时节点的导纳矩阵；对角元素Y'_ii为 故障时节点i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为故障时节点i、j间的互导纳，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；

${\stackrel{·}{U}}_f=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{1·f}\\ {\stackrel{·}{U}}_{2·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_{m·f}\end{array}\right)$表示故障时节点电压，其中为故障时DG并网点的节点电 压；

${\stackrel{·}{I}}_f=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{1·f}\\ {\stackrel{·}{I}}_{2·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_{m·f}\end{array}\right)$表示故障时节点的注入电流，其中为故障时注入DG并网点 的电流；

表示为：${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f}=\frac{{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}}{Z_f}---\left(2\right)$

其中，$\left|{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}\right|=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left|P_m\right|U_{\mathrm{DC}}---\left(3\right)$

式中，表示故障时分布式电源逆变器出口基波电压；Z_f表示滤波器等 值阻抗；P_m表示调制系数；U_DC表示逆变器直流侧电压；

S3、定义并由式(1)求解各节点电压和节点注入电流；U_ref表 示电压参考值；

S4、由式(2)、式(3)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进行 步骤S6，否则进行步骤S5；

S5、令|P_m|＝1，由式(2)和式(3)求得故障时注入DG并网点的电流，再 代入式(1)，求解各节点电压；

S6、根据下式计算节点j与节点k之间的支路电流：

${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{jk}·f}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{j·f}-{\stackrel{·}{U}}_{k·f}}{Z_{\mathrm{jk}}}$

其中，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。

S7、根据微电网故障时的等值图得到故障时的节点电压方程：

$\left[Y^{\prime }\right]{\stackrel{·}{U}}_f={\stackrel{·}{I}}_f---\left(4\right)$

其中，$\left[Y^{\prime }\right]=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cccc}{Y^{\prime }}_{11}& {Y^{\prime }}_{12}& ...& {Y^{\prime }}_{1m}\\ {Y^{\prime }}_{21}& {Y^{\prime }}_{22}& ...& {Y^{\prime }}_{2m}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {Y^{\prime }}_{m1}& {Y^{\prime }}_{m2}& ...& {Y^{\prime }}_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)$表示故障时节点的导纳矩阵；对角元素Y'_ii为 故障时节点i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为故障时节点i、j间的互导纳，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；

${\stackrel{·}{U}}_f=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{1·f}\\ {\stackrel{·}{U}}_{2·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{U}}_{m·f}\end{array}\right)$表示故障时节点电压，其中分别为故障时DG并网 点的正、负序电压；

${\stackrel{·}{I}}_f=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{1·f}\\ {\stackrel{·}{I}}_{2·f}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ .\\ .\\ .\\ {\stackrel{·}{I}}_{m·f}\end{array}\right)$表示故障时节点的注入电流，其中分别为故障时注入 DG并网点的正序和负序电流；

表示为：${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f1}=\frac{{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}}{Z_f}---\left(5\right)$

其中，$\left|{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}\right|=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left|P_m\right|U_{\mathrm{DC}}---\left(6\right)$

S8、判断DG控制系统采用的电压控制对象，若采用控制相电压幅值和线 电压有效值恒定为控制目标，则进行步骤S9，若采用控制基波正序电压恒定为 控制目标，则进行步骤S11；

S9、定义并由式(4)求解各节点电压和节点注入电流；

S10、由式(5)、式(6)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进 行步骤S14，否则进行步骤S13；

S11、定义并由式(4)求解各节点电压和节点注入电流；

S12、由式(5)、式(6)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进 行步骤S14，否则进行步骤S13；

S13、令|P_m|＝1，由式(5)和式(6)求得故障时注入DG并网点的电流， 再代入式(4)，求解各节点电压；

S14、根据下式计算节点j与节点k之间的支路电流：

${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{jk}·f}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{j·f}-{\stackrel{·}{U}}_{k·f}}{Z_{\mathrm{jk}}}$

其中，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。

优选的，步骤S2中，发生对称故障时的节点电压方程具体为：

$[\frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}]\left[{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f}\right]=\left[{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f}\right]$

其中为故障时DG并网点的自导纳；为故障时DG 并网点的电压；为故障时注入DG并网点的电流。

优选的，步骤S7中，发生不对称故障时的节点电压方程具体为：

$\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}}& -\frac{1}{Z_{L1}}& 0& 0\\ -\frac{1}{Z_{L1}}& \frac{1}{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}+\frac{1}{Z_{L1}}& 0& 0\\ 0& 0& \frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}}& -\frac{1}{Z_{L1}}\\ 0& 0& -\frac{1}{Z_{L1}}& \frac{1}{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}+\frac{1}{Z_{L1}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ {\stackrel{·}{U}}_{f1}\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ {\stackrel{·}{U}}_{f2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ 0\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ 0\end{array}\right)$

式中，分别为故障时DG并网点的正、负序电压；分 别为故障点处的正、负序电压；分别为故障时注入DG并网点的正序 和负序电流。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

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；若微电网 发生对称故障，则进入故障稳态后，对应于调制系数越限与不越限两种情况， DG分别等值为电压源以及电压源和阻抗串联模型；若发生不对称故障，则当 PWM调制系数尚未越限时，DG故障等值模型与系统采用的电压控制方式有关， 而当调制系数越限时，DG在正序网络中等值为电压源与阻抗串联模型，在负序 网络中电源等值电势为零。在此基础上提出新的微电网故障分析方法，提高了 故障分析的准确性，为含V/f控制逆变型分布式电源微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微电网单线图。

图2为本发明的实施例的含V/f控制逆变型分布式电源的微电网故障分析方 法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例

本实施例以图1所示的微电网为例，采用本发明含V/f控制逆变型分布式电 源的微电网故障分析方法进行故障分析，如图2所示，包括以下步骤：

S1进行故障判断并判断故障类型，若为对称故障则执行步骤S2～S6，若为 非对称故障则执行步骤S7～S14；

S2根据配电网故障时的等值图得到故障时的节点电压方程：

$\left[Y^{\prime }\right]{\stackrel{·}{U}}_f={\stackrel{·}{I}}_f---\left(1\right)$

其中，$\left[Y^{\prime }\right]=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cccc}{Y^{\prime }}_{11}& {Y^{\prime }}_{12}& ...& {Y^{\prime }}_{1m}\\ {Y^{\prime }}_{21}& {Y^{\prime }}_{22}& ...& {Y^{\prime }}_{2m}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {Y^{\prime }}_{m1}& {Y^{\prime }}_{m2}& ...& {Y^{\prime }}_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)$表示故障时节点的导纳矩阵；对角元素Y'_ii为 故障时节点i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；

本实施例中故障时的节点电压方程为：

$[\frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}+Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}]\left[{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f}\right]=\left[{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f}\right]$

其中为故障时DG并网点的自导纳；为故障时DG并 网点的电压；为故障时注入DG并网点的电流；表示为：

${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f}=\frac{{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}}{Z_f}---\left(2\right)$

其中，$\left|{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}\right|=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left|P_m\right|U_{\mathrm{DC}}---\left(3\right)$

式中，表示故障时分布式电源逆变器出口基波电压；Z_f表示滤波器等 值阻抗；P_m表示调制系数；U_DC表示逆变器直流侧电压；

S3定义并由式(1)求解各节点电压和节点注入电流；U_ref表示 电压参考值；

S4由式(2)、式(3)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进行步 骤S6，否则进行步骤S5；

S5令|P_m|＝1，由式(2)和式(3)求得故障时注入DG并网点的电流，再代 入式(1)，求解各节点电压；

S6根据下式计算节点j与节点k之间的支路电流：

${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{jk}·f}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{j·f}-{\stackrel{·}{U}}_{k·f}}{Z_{\mathrm{jk}}}$

其中，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。

S7根据微电网故障时的等值图得到故障时的节点电压方程：

$\left[Y^{\prime }\right]{\stackrel{·}{U}}_f={\stackrel{·}{I}}_f---\left(4\right)$

其中，$\left[Y^{\prime }\right]=\begin{array}{}\end{array}\left(\begin{array}{cccc}{Y^{\prime }}_{11}& {Y^{\prime }}_{12}& ...& {Y^{\prime }}_{1m}\\ {Y^{\prime }}_{21}& {Y^{\prime }}_{22}& ...& {Y^{\prime }}_{2m}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ {Y^{\prime }}_{m1}& {Y^{\prime }}_{m2}& ...& {Y^{\prime }}_{\mathrm{mm}}\end{array}\right)$表示故障时节点的导纳矩阵；对角元素Y'_ii为 故障时节点i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为故障时节点i、j间的互导纳，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；

本实施例中发生不对称故障时的节点电压方程为：

$\left(\begin{array}{cccc}\frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}}& -\frac{1}{Z_{L1}}& 0& 0\\ -\frac{1}{Z_{L1}}& \frac{1}{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}+\frac{1}{Z_{L1}}& 0& 0\\ 0& 0& \frac{1}{Z_f}+\frac{1}{Z_{L1}}& -\frac{1}{Z_{L1}}\\ 0& 0& -\frac{1}{Z_{L1}}& \frac{1}{Z_{L2}+Z_{\mathrm{Load}}}+\frac{1}{Z_{L1}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ {\stackrel{·}{U}}_{f1}\\ {\stackrel{·}{U}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ {\stackrel{·}{U}}_{f2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f1}\\ 0\\ {\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f2}\\ 0\end{array}\right)$

式中，分别为故障时DG并网点的正、负序电压；分 别为故障点处的正、负序电压；分别为故障时注入DG并网点的正 序和负序电流；另外，

表示为：${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{DG}·f1}=\frac{{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}}{Z_f}---\left(5\right)$

其中，$\left|{\stackrel{·}{E}}_{\mathrm{DG}·f}\right|=\frac{1}{2\sqrt{2}}\left|P_m\right|U_{\mathrm{DC}}---\left(6\right)$

S8判断控制系统采用的电压控制对象，若采用控制相电压幅值和线电压有 效值恒定为控制目标，则进行步骤S9，若采用控制基波正序电压恒定为控制目 标，则进行步骤S11；

S9定义并由式(4)求解各节点电压和节点注入电流；

S10由式(5)、式(6)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进行 步骤S14，否则进行步骤S13；

S11定义并由式(4)求解各节点电压和节点注入电流；

S12由式(5)、式(6)判断调制系数|P_m|是否大于1，若未超过，则进行 步骤S14，否则进行步骤S13；

S13令|P_m|＝1，由式(5)和式(6)求得故障时DG注入并网点的正序电流， 再代入式(4)，求解各节点电压和节点注入电流；

S14根据下式计算节点j与节点k之间的支路电流：

${\stackrel{·}{I}}_{\mathrm{jk}·f}=\frac{{\stackrel{·}{U}}_{j·f}-{\stackrel{·}{U}}_{k·f}}{Z_{\mathrm{jk}}}$

其中，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，微电网额定电压为DG滤波器等值阻抗为j3.4683 Ω，线路L1、L2阻抗有Z_L1＝Z_L2＝(0.2916+j0.3619)Ω，负荷等值阻抗 Z_Load＝(26.5640+j0.9803)Ω。

下面列举两种不同短路条件予以说明：

情况1：

f点发生过渡电阻为1Ω的三相短路，进行步骤S1～S2，建立配电网故障时 节点电压方程，并得到求解方程组，计算U_DG·f的值为0.2309kV。由U_DG·f可 得I_{L_DG·f}为0.1766kA。由于P_m>1，重新计算，由P_m＝1，求得I_{L_DG·f}为0.1315kA。

情况2：

f点发生两相短路，进行步骤S7，建立配电网故障时节点电压方程，并得到 U_DG·f1求解方程组。进行步骤S8～S12，求得控制系统以控制相电压幅值和线电压 有效值恒定为控制目标时的U_DG·f1为0.1804kV，进而求得I_{L_DG·f1}和I_{L_DG·f2}为0.046kA 和0.0416kA；而控制系统以控制基波正序电压恒定为控制目标时U_DG·f1为 0.2309kV，而I_{L_DG·f1}和I_{L_DG·f2}为0.0575kA和0.0535kA。另外，上述情况下均有 P_m<1，故上述计算结果即为所求故障分析结果。

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上述实 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。