CN108493926A - 一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于新能源电源与电力***故障分析技术领域的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法。所述方法包括：基于故障后逆变型电源控制目标计算控制***参考电流，利用坐标反变换求得故障后逆变型电源正、负序电压和电流。依据正常运行控制策略和故障前后正序电压与电流关系，获知故障前逆变型电源正序电压和电流。最后由逆变型电源正、负序电压和电流突变量推导得到其等效正、负序阻抗表达式。本发明填补了逆变型电源等效正、负序阻抗计算方法研究的空白，为含逆变型新能源电源的电力***故障分析奠定了基础。

Description

一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法

技术领域

本发明属于新能源电源与电力***故障分析技术领域，尤其涉及一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法。

背景技术

为应对化石能源危机和大气环境污染，风电、光伏等新能源电源发展迅猛，在我国发电装机容量中所占比例逐年增加。同时，电力***设计和运行的许多工作都必须以故障分析结果为依据，比如电气设备选型、确定限制短路电流的措施、研制和在电力***中合理地配置各种继电保护和自动装置、并正确整定其参数。因此掌握含新能源电源的电力***故障分析方法十分重要。

研究新能源电源序阻抗特性是故障分析的前提与基础。当前研究现状其一是通过仿真结合故障录波数据，对各类新能源电源的序阻抗特性及其影响因素进行分析，由于没有获知序阻抗表达式，这种方法对各种因素的影响机理并不清楚、也不能直接服务于故障分析计算；其二是针对双馈式风力发电机，有学者展开了等效序阻抗的推导工作，但该类风力发电机的变流器容量不超过机组额定容量的30％、其等效序阻抗特性主要由异步电机决定，相关结论不适用于光伏电池、永磁直驱式风力发电机等逆变型电源。因此亟需研究逆变型电源等效序阻抗的计算方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据逆变型电源故障穿越控制目标，计算控制***参考电流；

步骤2：利用坐标反变换方法求得故障后逆变型电源正、负序电压和电流；

步骤3：依据正常运行控制策略和故障前后正序电压与电流关系，计算故障前逆变型电源的正序电压和电流；

步骤4：由逆变型电源正、负序电压和电流突变量推导出逆变型电源的等效正、负序阻抗表达式。

所述控制***参考电流的计算公式为：

其中，变量M、N满足以下两个公式：

M＝(u_1d)²+(u_1q)²-K(u_2d)²-K(u_2q)²

N＝(u_1d)²+(u_1q)²+K(u_2d)²+K(u_2q)²

式中，为dq坐标系下的正、负序电流参考值，u_1d、u_1q、u_2d、u_2q为dq坐标系下的正、负序电压量，其中上标*表示参考值，1、2分别表示正、负序电气量；分别为有功功率直流分量参考值、无功功率直流分量参考值；系数K取0、1和-1，对应控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动。

所述步骤2中，利用坐标反变换方法求得的故障后逆变型电源正、负序电压和电流为：

故障后逆变型电源正、负序电流：

其中，

式中：i_1φ、i_2φ、i_1m和i_2m均为有名值，|·|表示取模值，下标φ为相别，i_Νm为逆变型电源相电流峰值，t₀为故障时刻；ω为工频电角速度；φ＝a、b、c时满足分别为正序、负序电流参考值决定的相角，正切函数arctan值域为-180°～180°；

故障后逆变型电源正、负序电压：

其中，

u_1m＝|u_1d+ju_1q|·u_Nm＝k₁u_Nm

u_2m＝|u_2d+ju_2q|·u_Nm＝k₂u_Nm

式中，u_1φ、u_2φ、u_1m、u_2m均为有名值，k₁、k₂为正、负序电压跌落系数，取值范围均为0～1，u_Nm为逆变型电源额定相电压峰值，分别为正序、负序电压决定的相角。

所述故障前逆变型电源的正序电压和电流为：

式中：为故障前逆变型电源的正序电压，为故障前逆变型电源的正序电流，u_Nm为逆变型电源额定相电压，i_Nm为逆变型电源相电流峰值，分别为正序、负序电压决定的相角，Δθ为正序电压跳变角；k₃为负荷因子，取值范围为0～1。

所述步骤3计算故障前逆变型电源正序电压和电流时，考虑了如下两个因素：1)正常运行时逆变型电源的功率因数为1；2)故障后机端正序电压存在相位跳变。

所述步骤4中，逆变型电源的等效正、负序阻抗表达式如下：

式中：ΔZ₁、ΔZ₂分别为等效正序阻抗、等效负序阻抗；U、I分别为机端电压和机端电流，下标1、2和|0|分别表示故障后正序电气量、负序电气量和故障前电气量。

本发明的有益效果在于：

本发明填补了逆变型电源等效正、负序阻抗计算方法研究的空白，为含逆变型新能源电源的电力***故障分析奠定了基础。为逆变型电源接入***的保护新原理研究提供了理论依据，进而为保证规模化新能源电源安全高效利用提供了有力支撑。

附图说明

附图1为一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法的流程图；

附图2为实施例1中正、反转同步旋转dq坐标系下逆变型电源控制***及并网主接线示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明针对光伏电池、永磁直驱式风力发电机等逆变型电源，提出一种该类电源等效正、负序阻抗的计算方法。附图1为一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法的流程图，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1：依据逆变型电源故障穿越控制目标，计算控制***参考电流；

步骤2：利用坐标反变换方法求得故障后逆变型电源正、负序电压和电流；

步骤3：依据正常运行控制策略和故障前后正序电压与电流关系，计算故障前逆变型电源的正序电压和电流；

步骤4：由逆变型电源正、负序电压和电流突变量推导出逆变型电源的等效正、负序阻抗表达式。

具体的，所述步骤1中，控制***参考电流的计算公式为：

其中，变量M、N满足以下两个公式：

M＝(u_1d)²+(u_1q)²-K(u_2d)²-K(u_2q)²

N＝(u_1d)²+(u_1q)²+K(u_2d)²+K(u_2q)²

式中，为dq坐标系下的正、负序电流参考值，u_1d、u_1q、u_2d、u_2q为dq坐标系下的正、负序电压量，其中上标*表示参考值，1、2分别表示正、负序电气量；分别为有功功率直流分量参考值、无功功率直流分量参考值；系数K取0、1和-1，对应控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动。

具体的，所述步骤2中，利用坐标反变换方法求得的故障后逆变型电源正、负序电压和电流为：

故障后逆变型电源正、负序电流：

其中，

式中：i_1φ、i_2φ、i_1m和i_2m均为有名值，|·|表示取模值，下标φ为相别，i_Νm为逆变型电源相电流峰值，t₀为故障时刻；ω为工频电角速度；φ＝a、b、c时满足分别为正序、负序电流参考值决定的相角，正切函数arctan值域为-180°～180°；

故障后逆变型电源正、负序电压：

其中，

u_1m＝|u_1d+ju_1q|·u_Nm＝k₁u_Nm

u_2m＝|u_2d+ju_2q|·u_Nm＝k₂u_Nm

式中，u_1φ、u_2φ、u_1m、u_2m均为有名值，k₁、k₂为正、负序电压跌落系数，取值范围均为0～1，u_Nm为逆变型电源额定相电压峰值，分别为正序、负序电压决定的相角。

具体的，所述步骤3中，计算故障前逆变型电源正序电压和电流时，考虑了如下两个因素：1)正常运行时逆变型电源的功率因数为1；2)故障后机端正序电压存在相位跳变。所述故障前逆变型电源的正序电压和电流的计算公式为：

式中：为故障前逆变型电源的正序电压，为故障前逆变型电源的正序电流，Δθ为正序电压跳变角，k₃为负荷因子，取值范围为0～1。

具体的，所述步骤4中，逆变型电源的等效正、负序阻抗定义式如下：

式中：ΔZ₁、ΔZ₂分别为等效正序阻抗、等效负序阻抗；U、I分别为机端电压和机端电流，下标1、2和|0|分别表示故障后正序电气量、负序电气量和故障前电气量。

实施例1

为了对本发明进一步详细说明，本实施例以逆变型电源控制***采取正、反转同步旋转dq坐标系为例，详细阐述其等效正、负序阻抗的推导过程。

附图2为本实施例提供的正、反转同步旋转dq坐标系下逆变型电源控制***及并网主接线示意图，由图2可知，当外部***发生不对称故障时，逆变型电源输出的瞬时有功和无功功率为：

式中：P₀、P_c2、P_s2分别为瞬时有功的直流分量、二倍频余弦分量和正弦分量的幅值；Q₀、Q_c2、Q_s2分别为无功功率的直流分量、二倍频余弦分量和正弦分量的幅值；ω为工频电角速度。

用正、反转同步旋转dq坐标系中的电压、电流表示上述各功率值，可得

式中：各量均为标幺值，电压量u、电流量i的基准值分别为逆变型电源额定相电压和相电流峰值u_Nm和i_Nm；下标d、q表示dq坐标系下的电气量，1、2表示正、负序电气量。

鉴于4个电流量i_1d、i_1q、i_2d、i_2q无法同时控制6个功率量P₀、P_c2、P_s2、Q₀、Q_c2、Q_s2，只能选择其中4个功率量或者只对2个负序电流进行控制，因而有消除负序电流(i_2d＝i_2q＝0)、消除无功功率波动(Q_c2＝Q_s2＝0)和有功功率波动(P_c2＝P_s2＝0)等3种控制目标。对于不同控制目标下的参考电流统一计算式为：

式中：上标*表示参考值；分别为有功、无功功率直流分量参考值；系数K取0、1和-1，对应控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动；

变量M、N满足如下两个公式：

M＝(u_1d)²+(u_1q)²-K(u_2d)²-K(u_2q)²

N＝(u_1d)²+(u_1q)²+K(u_2d)²+K(u_2q)²

由正、负序电流参考值经坐标反变换可得故障后逆变型电源正、负序电流为

其中，

式中：i_1φ、i_2φ、i_1m和i_2m均为有名值，|·|表示取模值，下标φ为相别、m为峰值；t₀为故障时刻；分别为正序、负序电流参考值决定的相角，规定正切函数arctan值域为-180°～180°；

同样地，故障后逆变型电源出口处正、负序电压为

其中，

u_1m＝|u_1d+ju_1q|·u_Nm＝k₁u_Nm

u_2m＝|u_2d+ju_2q|·u_Nm＝k₂u_Nm

式中，u_1φ、u_2φ、u_1m、u_2m均为有名值，k₁、k₂为正、负序电压跌落系数，且其取值范围均处于0～1；

虽然公式(4)(5)由不对称故障推导而来，但其中的正序分量表达式同样适用于对称故障。

将公式(4)(5)用相量表示为

式中：∠表示相角。

为避免影响电网电压波动，逆变型电源在正常运行时一般处于功率因数为1的情形；同时，考虑并网***等值阻抗角与故障阻抗角不同时，电源端电压会出现相位跳变。综上，故障前逆变型电源正序电压、电流相量可表示为

式中：Δθ为正序电压跳变角；k₃为负荷因子，定义为负荷电流与额定电流的比值，取值范围0～1。

将逆变型电源等效正、负序阻抗定义为正、负序电压突变量和电流突变量的比值，即

式中：ΔZ₁、ΔZ₂分别为等效正序阻抗、等效负序阻抗；U、I分别为机端电压和机端电流，电流以流出电源的方向为正方向，下标1、2和|0|分别表示故障后正序电气量、负序电气量和故障前电气量。

将式(6)(7)分别代入式(8)(9)，化简得到逆变型电源等效正、负序阻抗为

此实施例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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据逆变型电源故障穿越控制目标，计算控制***参考电流；

步骤2：利用坐标反变换方法求得故障后逆变型电源正、负序电压和电流；

步骤3：依据正常运行控制策略和故障前后正序电压与电流关系，计算故障前逆变型电源的正序电压和电流；

步骤4：由逆变型电源正、负序电压和电流突变量推导出逆变型电源的等效正、负序阻抗表达式。

2.根据权利要求1所述的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，所述控制***参考电流的计算公式为：

其中，变量M、N满足以下两个公式：

M＝(u_1d)²+(u_1q)²-K(u_2d)²-K(u_2q)²

N＝(u_1d)²+(u_1q)²+K(u_2d)²+K(u_2q)²

式中，为dq坐标系下的正、负序电流参考值，u_1d、u_1q、u_2d、u_2q为dq坐标系下的正、负序电压量，其中上标*表示参考值，1、2分别表示正、负序电气量；分别为有功功率直流分量参考值、无功功率直流分量参考值；系数K取0、1和-1，对应控制目标分别为消除负序电流、消除有功和无功功率波动。

3.根据权利要求1所述的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，利用坐标反变换方法求得的故障后逆变型电源正、负序电压和电流为：

故障后逆变型电源正、负序电流：

其中，

式中：i_1φ、i_2φ、i_1m和i_2m均为有名值，|·|表示取模值，下标φ为相别，i_Νm为逆变型电源相电流峰值，t₀为故障时刻；ω为工频电角速度；φ＝a、b、c时满足 分别为正序、负序电流参考值决定的相角，正切函数arctan值域为-180°～180°；

故障后逆变型电源正、负序电压：

其中，

u_1m＝|u_1d+ju_1q|·u_Nm＝k₁u_Nm

u_2m＝|u_2d+ju_2q|·u_Nm＝k₂u_Nm

式中，u_1φ、u_2φ、u_1m、u_2m均为有名值，k₁、k₂为正、负序电压跌落系数，取值范围均为0～1，u_Nm为逆变型电源额定相电压峰值，分别为正序、负序电压决定的相角。

4.根据权利要求1所述的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，所述故障前逆变型电源的正序电压和电流为：

式中：为故障前逆变型电源的正序电压，为故障前逆变型电源的正序电流，u_Nm为逆变型电源额定相电压，i_Nm为逆变型电源相电流峰值，分别为正序、负序电压决定的相角，Δθ为正序电压跳变角；k₃为负荷因子，取值范围为0～1。

5.根据权利要求1所述的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，所述步骤3计算故障前逆变型电源正序电压和电流时，考虑了如下两个因素：1)正常运行时逆变型电源的功率因数为1；2)故障后机端正序电压存在相位跳变。

6.根据权利要求1所述的一种逆变型电源等效正、负序阻抗的计算方法，其特征在于，所述步骤4中，逆变型电源的等效正、负序阻抗表达式如下：

式中：ΔZ₁、ΔZ₂分别为等效正序阻抗、等效负序阻抗；U、I分别为机端电压和机端电流，下标1、2和|0|分别表示故障后正序电气量、负序电气量和故障前电气量。