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系统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系统参考电流，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系统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系统故障分析技术领域，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，电力系统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、研制和在电力系统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系统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，计算控制系统参考电流；

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。

所述控制系统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系统故障分析奠定了基础。为逆变型电源接入系统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系统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，计算控制系统参考电流；

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，控制系统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系统采取正、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系统及并网主接线示意图，由图2可知，当外部系统发生不对称故障时，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，考虑并网系统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，计算控制系统参考电流；

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，所述控制系统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。