CN107482616B - 一种分布式电源高频阻抗等值建模方法 - Google Patents

一种分布式电源高频阻抗等值建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式电源高频阻抗等值建模方法，包括：当电力***发生故障后，获取故障发生前后预定时间窗内时域数据，并根据所述时域数据在预定的高频段范围内计算高频阻抗，所述预定时间窗的时长小于电力***的分布式电源的控制策略响应时长。本发明实施例中由于利用短窗数据计算高频阻抗，有效避免了分布式电源控制策略变化以及输出功率变化带来的影响；与基频下的分布式电源模型相比，本发明实施例中提供的高频阻抗模型更具确定性和普适性，从而可以在电力***发生故障后准确计算出相应的高频阻抗。

Description

一种分布式电源高频阻抗等值建模方法
技术领域
本发明涉及电力***的故障检测技术领域，尤其涉及一种分布式电源高频阻抗等值建模方法。
背景技术
在电力***中，常见的分布式电源(DG)根据并网方式主要可以分为两类：
(1)直接并网类DG，如双馈感应风机(DFIG)等；
(2)经逆变器并网类DG，如光伏(PV)、永磁直驱风机(PMSG)、燃料电池等。
分布式电源自身提供的短路电流特性与控制策略相关，实际运行中由于部分控制参数无法事先确定，其短路电流具有一定程度的不可预知性和不确定性。并且分布式电源所提供短路电流与***提供短路电流的相对大小关系与二者的容量比有关。这些因素都使得分布式电源接入电力***后的故障电流情况变得更加复杂。
因此，由于分布式电源故障电流特性与控制策略、输出功率等因素密切相关，故障后很难精确计算其故障电流，因而在工频下建立通用的分布式电源阻抗模型难度较大，使得电力***发生故障后无法准确确定相应的电源阻抗。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式电源高频阻抗等值建模方法，从而可以在电力***发生故障后准确计算出相应的高频阻抗。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种分布式电源高频阻抗等值建模方法，包括：
当电力***发生故障后，获取故障发生前后预定时间窗内时域数据，并根据所述时域数据在预定的高频段范围内计算高频阻抗，所述预定时间窗的时长小于电力***的分布式电源的控制策略响应时长。
所述预定时间窗内时域数据是指以故障点为中心，选取故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据。
所述预定时间窗的时长为10毫秒。
所述的方法，当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤包括：
将直接并网类分布式电源等值为异步电机与滤波电容相并联的结构，得到直接并网类分布式电源的高频阻抗。
所述的方法，还包括：
将所述故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据利用傅里叶算法转换到频域，且所述直接并网类分布式电源的高频阻抗的计算式包括：
Figure BDA0001343234570000021
其中，Rs，Ls，Rr和Lr分别表示感应电机定、转子侧的等效电阻和电感，Lm表示电机的励磁电感，C表示并网处的滤波电容。
所述的方法，当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，所述高频段范围包括：在100Hz至3000Hz频段范围内。
所述的方法，当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤包括：
基于逆变器三相对称的结构和开关器件上下桥臂互补导电基本控制原则，分析故障后所有可能出现的开关器件开断组合，得到高频分量流经通路的高频阻抗。
所述的方法，还包括：
将所述故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据利用傅里叶算法转换到频域，且所述经逆变器并网类分布式电源的高频阻抗的计算式包括以下任一式：
Figure BDA0001343234570000022
L1分别表示滤波器逆变器侧电阻和电感；R1，L2分别表示滤波器网侧电阻和电感；R3，C分别表示滤波回路电阻和滤波电容；Cd表示逆变器直流侧电容。
所述的方法，当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，所述高频段范围包括：在500Hz至3000Hz频段范围内。
所述的方法，还包括：在500Hz至3000Hz频段范围内去除掉逆变器开关频率点，并在去除后的频段范围内计算所述高频阻抗。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种分布式电源高频阻抗等值建模方法由于利用短窗数据计算高频阻抗，有效避免了分布式电源控制策略变化以及输出功率变化带来的影响；与基频下的分布式电源模型相比，本发明实施例中提供的高频阻抗模型更具确定性和普适性，从而可以在电力***发生故障后准确计算出相应的高频阻抗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例中双馈感应式风机结构图；
图2为本发明实施例中双馈感应式风机高频阻抗模型；
图3为本发明实施例中Crowbar投入后的双馈风机高频阻抗模型；
图4为本发明实施例中单级式光伏并网***结构图；
图5为本发明实施例中AB相间故障后并网***示意图；
图6为本发明实施例中高频分量通路1；
图7为本发明实施例中高频分量通路2；
图8为本发明实施例中高频分量通路3；
图9为本发明实施例中高频分量通路4；
图10为本发明实施例中高频分量通路对应的四种阻抗结构；
图11为本发明实施例中含双馈风机***仿真模型；
图12为本发明实施例中双馈风机高频阻抗结果；
图13为本发明实施例中含单级式光伏***仿真模型；
图14为本发明实施例中四种阻抗结构高频阻抗理论值；
图15为本发明实施例中单级式光伏高频阻抗结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
电力***发生故障以后，电压电流暂态量含有全频域信息，其中数千赫兹以内的频段内能量密度较高，信噪比较强，能有效区别于噪声。故障以后只考虑其高频分量网络时，以***故障点的高频信号为激励源观察***的高频等值网络，***内部的基频电源相当于短路。本发明便是在此基础上，分别以双馈风机和单级式光伏为例，提出了分布式电源高频阻抗等值建模方法。利用短窗数据计算高频阻抗，有效避免了分布式电源控制策略变化以及输出功率变化带来的影响。与基频下的分布式电源模型相比，本发明实施例提供的高频阻抗模型更具确定性和普适性。
本发明实施例提供的一种分布式电源高频阻抗等值建模方法，主要包括：
当电力***发生故障后，获取故障发生前后预定时间窗内时域数据，并根据所述时域数据在预定的高频段范围内计算高频阻抗，所述预定时间窗的时长小于电力***的分布式电源的控制策略响应时长。例如，所述预定时间窗的时长可以为10毫秒。所述预定时间窗内时域数据通常是指以故障点为中心，选取故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据，例如，故障前和故障后各5ms的时域电压和电流数据。
进一步地，当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤可以包括：
将直接并网类分布式电源等值为异步电机与滤波电容相并联的结构，得到直接并网类分布式电源的高频阻抗；具体地，所述直接并网类分布式电源的高频阻抗的计算式可以包括：
Figure BDA0001343234570000041
其中，Rs，Ls，Rr和Lr分别表示感应电机定、转子侧的等效电阻和电感，Lm表示电机的励磁电感，C表示并网处的滤波电容。
可选地，当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，所述高频段范围具体可以限定为在100Hz至3000Hz频段范围内。
进一步地，当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤可以包括：
基于逆变器三相对称的结构和开关器件上下桥臂互补导电基本控制原则，分析故障后所有可能出现的开关器件开断组合，得到高频分量流经通路的高频阻抗；具体地，所述经逆变器并网类分布式电源的高频阻抗的计算式可以包括以下任一式：
Figure BDA0001343234570000051
L1分别表示滤波器逆变器侧电阻和电感；R1，L2分别表示滤波器网侧电阻和电感；R3，C分别表示滤波回路电阻和滤波电容；Cd表示逆变器直流侧电容。
可选地，当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，所述高频段范围具体可以限定为在500Hz至3000Hz频段范围内。
为提高计算的准确性，在本发明实施例中还可以在500Hz至3000Hz频段范围内去除掉逆变器开关频率点，并在去除后的频段范围内计算所述高频阻抗。
为便于理解，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
当电力***发生故障以后，故障瞬间故障点电压的阶跃式变化可以看作是向故障点加入一个使***电压幅值降到故障后电压幅值，并与故障前正常运行电压方向相反的跃变电压信号。跃变信号与理想阶跃信号的频域特性类似，变换到频域后具有全频域信息，即电压电流暂态量理论上含有全频域的信息，其中数千赫兹以内的频段内能量密度较高，信噪比较强。因此，在本发明实施例提供的分布式电源高频阻抗等值建模方法中，当发生故障以后可以只考虑其高频分量网络，以***故障点的高频信号为激励源分析***的高频等值网络，***内部的基频电源按短路处理，低次谐波扰动也可以忽略。即故障后利用分布式电源并网处的电压电流暂态量就可测得分布式电源的高频阻抗。
进一步地，考虑到分布式电源的控制策略响应时间通常在数十到数百毫秒，为避免其影响，本发明实施例中可以利用故障前后各10ms的短窗时域数据计算高频阻抗，即令控制策略的响应时间要远大于故障后所采集时域数据的窗长，使得在短窗时间段内控制策略还未对故障做出响应，故可忽略掉控制策略对分布式电源高频阻抗的影响。
下面将分别对直接并网类分布式电源和经逆变器并网类分布式电源的电力***中发生故障后的高频阻抗的计算方式进行说明。
(一)直接并网类分布式电源
针对直接并网类分布式电源，具体以双馈风机为例进行相应的高频阻抗等值建模方法的说明。通用的双馈风机并网结构如图1所示。双馈风机控制策略的响应时间通常在数十到数百毫秒(具体数值取决于锁相环、内环、外环的设计)。而利用故障前后10ms短窗数据计算高频阻抗时，控制策略响应时间要远大于故障后所采集数据的窗长，在这个时间段内可以认为控制策略还未对故障做出响应，其影响可以忽略。因此，在高频域下建立较为通用的双馈风机阻抗模型是可行的，其等值高频阻抗模型可以看作感应式电机与滤波电容的并联，结构如图2所示。
中具体地，可以利用短窗数据计算高频阻抗值，在故障后高频分量网络中忽略掉控制回路的影响，将直接并网类分布式电源等值为异步电机与滤波电容相并联的结构，得到直接并网类分布式电源的高频阻抗(即双馈风机等值高频阻抗)表达式为：
Figure BDA0001343234570000061
其中，Rs，Ls，Rr和Lr分别表示感应电机定、转子侧的等效电阻和电感，Lm表示电机的励磁电感，C表示并网处的滤波电容。上述公式中的阻抗即是以故障点为中心，选取故障前和故障后各5ms的时域电压、电流数据，利用傅里叶算法转换到频域后求得。
而对于装有Crowbar装置的双馈风机，假设***故障后检测到其电压跌落超过设定值，投入Crowbar元件将转子侧短接，其高频阻抗模型的转子侧回路将增加Crowbar电阻，结构如图3所示。
Crowbar电阻的阻值通常在数欧姆以内，对于高频阻抗值而言，其数值主要由电感及电容回路在高频率下的电抗值决定，转子回路增加一个小阻值的电阻对其数值的影响较小。因此，Crowbar投入与否对双馈风机的高频阻抗值不会产生太大影响。
(二)经逆变器并网类分布式电源
针对经逆变器并网类分布式电源，以单级式光伏为例进行相应的高频阻抗等值建模方法的说明。单级式光伏的典型并网结构如图4所示。以AB相间故障为例，假设在光伏并网点以外的***发生相间故障，***故障以后相当于在故障点出现高频电源，高频电流流向***内部，则光伏并网***内部可以用图5示意。
在经逆变器并网类分布式电源中Boost升压电路具有反向二极管，直流侧电容在高频段下阻抗值很小，考虑到Boost升压电路反向二极管的作用及直流侧电容在高频段下的低阻抗值，因而只有极少的高频分量会流入Boost升压电路，绝大部分高频分量通过逆变器桥臂和直流电容形成回路，Boost电路在高频段内看作开路。
根据逆变器在控制时同一相上下桥臂互补导电原则(即同一相的上下桥臂不能同时导通以防止电源被短接)，同时考虑到逆变器桥臂和L-C-L滤波器均具有三相对称性。在不违背基本控制原则的前提下，通过对同一时刻可能出现的开关器件导通情况进行分析得出，其高频分量流经通路包括四种阻抗结构，各阻抗结构的高频阻抗值表达式为：
Figure BDA0001343234570000071
L1分别表示滤波器逆变器侧电阻和电感；R1，L2分别表示滤波器网侧电阻和电感；R3，C分别表示滤波回路电阻和滤波电容；Cd表示逆变器直流侧电容。上述公式中的阻抗即是以故障点为中心，选取故障前和故障后各5ms的时域电压、电流数据，利用傅里叶算法转换到频域后求得。
进一步地，以***发生AB相间故障为例，故障点流入***内部的高频电流流经通路从回路阻抗结构的角度，一共包括以下4种不同的形式(以每种阻抗结构对应的其中一种开关通断情况为例进行说明)：
(1)IGBT4、IGBT5导通，二极管6导通
高频分量流经通路1如图6所示。此时，A相流入的高频电流进入逆变器后经过IGBT4分流到两条支路：
a)通过二极管6流到B相；
b)流经直流侧电容Cd，再通过IGBT5流到C相，最后通过滤波器的公共点流回B相。
(2)IGBT5导通，二极管1、二极管6导通
高频分量流经通路2如图7所示。此时，A相流入的高频电流进入逆变器后经过二极管1分流到两条支路：
a)流经直流侧电容Cd，再通过二极管6流到B相；
b)通过IGBT5流到C相，最后通过滤波器的公共点流回B相。
(3)IGBT3、IGBT4导通
高频分量流经通路3如图8所示。此时，A相流入的高频电流进入逆变器后经过IGBT4，流经直流侧电容Cd，再通过IGBT3流回B相。
(4)IGBT3导通，二极管1导通
高频分量流经通路4如图9所示。此时，A相流入的高频电流进入逆变器后经过二极管1，再通过IGBT3流回B相。
从上述图6至图9可以看出，经由逆变器构成回路后，故障后产生的高频电流除了通过B相支路形成回路，也可能会出现经由C相支路再通过滤波器公共点流回B相的情况，因而比直接并网类分布式电源的情况复杂。以上述四种情况对应的高频电流通路1-4表示了所有可能出现的通路对应的四种回路阻抗结构形式，其结构总结如图10所示。
从图10可以看出，四种阻抗结构只有虚线框中的回路部分存在差异。而在高频段内，高频阻抗主要是由回路中的电感和电容决定的。随着频率的增加，电容的阻抗值会减小，逐渐趋近于零，对于大电容来说这一特性体现的更加明显。因此，在高频段内，大电容的阻抗值基本可以忽略不计，忽略掉直流侧大电容Cd和回路中的电阻后，图10a)所示阻抗结构的高频阻抗值与图10b)所示结构相一致。同理，图10c)所示阻抗结构的高频阻抗值与图10d)所示结构相一致。
而图10a)、图10b)与图10c)、图10d)相比，虚线框内的部分多了一条并联支路。对于这四种情况，均是虚线框内的回路先与R1、L1支路串联后再与滤波电容支路并联，最后串联R2、L2支路。在高频段内，滤波器电容支路的阻抗值要远小于电感支路的阻抗值，并且频率越大差值越大。电路理论中，两支路并联后主要体现的是阻抗值较小的阻抗值，并且两条并联支路的阻抗值相差越大，并联后的总阻抗值越接近于较小支路的阻抗值，因此，对于一条支路是电感，另一条支路是电容的情况，这四种回路对应的总阻抗值具有一致性，其数值相差较小。基于上述分析，这四种阻抗结构对应的等效高频阻抗值在高频段(500Hz-3kHz)内是非常接近的，可以看作同一高频等值阻抗。
也就是说，在经逆变器并网类分布式电源的电力***中，在高频段内，电感阻抗值较大，电容阻抗值较小，忽略掉串联支路中的大电容和电阻，并且滤波器电容支路的阻抗值要远小于电感支路的阻抗值，并且频率越大差值越大。两支路并联后主要体现的是阻抗值较小的阻抗值，并且两条并联支路的阻抗值相差越大，并联后的总阻抗值越接近于较小支路的阻抗值，对于电感支路与电容支路并联的情况，主要体现的是电容支路的阻抗值。故相应的四种阻抗结构的高频阻抗数值相差较小，具有一致性。
下面将结合附图对本发明实施例的仿真结果作进一步的详细说明。
对于双馈风机的高频阻抗等值建模方法，可以使用如图11所示的含双馈风机***仿真验证。
在图11中，***的电压等级为35kV；DFIG表示0.5MW容量的双馈风机，经575V/35kV升压变压器接入电网；矩形框表示智能测量元件(IED)；***采用中性点直接接地方式，以单相接地故障为例对双馈风机的单相高频阻抗模型进行验证；K表示线路2上发生的A相接地故障。
对图11中测量点1故障前后各10ms的时域数据加Blackman窗并经过连续小波变换后，算得的双馈风机在100Hz-3kHz频段内的高频阻抗值如图12所示，相应的计算频点间隔可以为10Hz。
从图12可以看出，高频阻抗计算值与理论值相一致，因而本发明实施例提出的直接并网类分布式电源的高频阻抗等值建模方法合理有效。
对于单级式光伏的高频阻抗等值建模方法，可以使用如图13所示的含单级式光伏***仿真验证。
在图13中，***的电压等级为35kV，采用中性点非有效接地方式；PV表示0.5MW的单级式光伏模型，经380V/35kV变压器接入电网；矩形框表示智能测量元件(IED)；为验证相间故障时的高频阻抗模型，K表示线路上发生AB相间故障。
对于仿真***中使用的单级式光伏模型，将其参数代入分析得到的四种阻抗结构中，对应的高频阻抗理论值结果如图14所示。
通过图14可以看出，四种阻抗结构的等效高频阻抗数值在高频段(500Hz-3kHz)内相差很小。选取阻抗结构1对应的高频阻抗值作为单级式光伏高频阻抗模型的理论参考值对模型的正确性进行验证。
对图13中测量点1故障前后各10ms的时域数据加Blackman窗并经过连续小波变换后，算得的单级式光伏在100Hz-3kHz频段内的高频阻抗值如图15所示，相应的计算频点间隔可以为10Hz。
从图15可以看出，本发明实施例提出的经逆变器并网类分布式电源的高频阻抗等值建模方法合理有效。在约1800Hz之内的频段，单级式光伏及高频阻抗计算值与理论值相一致。由于仿真***中的逆变器开关频率为2kHz，使得在逆变器开关频率2kHz附近的频段计算出的高频阻抗值出现一定的误差。因此，在使用经逆变器并网类分布式电源的高频阻抗模型时应避开逆变器开关频率点。
通过上述本发明实施例提供的技术方案可以对直接并网类分布式电源和经逆变器并网类分布式电源的电力***中发生故障后的高频阻抗进行准确的计算，从而解决了现有技术中存在的问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种分布式电源高频阻抗等值建模方法，其特征在于，包括：
当电力***发生故障后，获取故障发生前后预定时间窗内时域数据，并根据所述时域数据在预定的高频段范围内计算高频阻抗，所述预定时间窗的时长小于电力***的分布式电源的控制策略响应时长；其中，
(1)当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤包括：
将直接并网类分布式电源等值为异步电机与滤波电容相并联的结构，得到直接并网类分布式电源的高频阻抗；且，
将所述故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据利用傅里叶算法转换到频域，且所述直接并网类分布式电源的高频阻抗的计算式包括：
Figure FDA0002326025440000011
其中，Rs，Ls，Rr和Lr分别表示感应电机定、转子侧的等效电阻和电感，Lm表示电机的励磁电感，C表示并网处的滤波电容；
或者，
(2)当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，根据所述时域数据计算高频阻抗的步骤包括：
基于逆变器三相对称的结构和开关器件上下桥臂互补导电基本控制原则，分析故障后所有可能出现的开关器件开断组合，得到高频分量流经通路的高频阻抗；且，
将所述故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据利用傅里叶算法转换到频域，且所述经逆变器并网类分布式电源的高频阻抗的计算式包括以下任一式：
Figure FDA0002326025440000012
其中，Z1＝R1+j2πfL1，Z2＝R2+j2πfL2，
Figure FDA0002326025440000013
R1，L1分别表示滤波器逆变器侧电阻和电感；R1，L2分别表示滤波器网侧电阻和电感；R3，C分别表示滤波回路电阻和滤波电容；Cd表示逆变器直流侧电容。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定时间窗内时域数据是指以故障点为中心，选取故障前和故障后共计预定时间内的时域电压电流数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定时间窗的时长为10毫秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电力***中的分布式电源为直接并网类分布式电源时，所述高频段范围包括：在100Hz至3000Hz频段范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述电力***中的分布式电源为经逆变器并网类分布式电源时，所述高频段范围包括：在500Hz至3000Hz频段范围内。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括：在500Hz至3000Hz频段范围内去除掉逆变器开关频率点，并在去除后的频段范围内计算所述高频阻抗。
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