CN110162889A - 一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法,包括预先建立在不对称故障类型下的包括下垂控制逆变器的并网系统等效模型，然后基于该并网系统等效模型得到不对称故障类型下的下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式，在后续进行故障电流计算时，结合故障电流全电流关系式并采用故障电流迭代算法，从而可以消除功率与电压之间的强耦合性，得到全尺度时间的故障电流全电流，通过该种方式便可得到下垂控制逆变器在不对称故障类型下的任意时刻的故障电流的特性(包括暂态特性)，为下垂控制逆变器的故障穿越策略提供了指导，也为含下垂控制逆变器的微电网继电保护整定提供了指导，提高了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

Description

一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法

技术领域

本发明涉及故障分析技术领域，特别是涉及一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法。

背景技术

近年来，基于电力电子系统的技术进步，微电网的概念应运而生。微电网作为一个能实现自我控制和管理的自治系统，提高用户供电可靠性的同时，可有效消纳间歇和分布式可再生能源发电的出力。通常，在微电网中采用逆变器等电力电子设备作为分布式能源的接口。对于这些可再生能源高渗透的微电网，并网系统的动态特性主要由微源本身和逆变器所采用的控制方案决定。在逆变器所采用的控制方案中，下垂控制策略因其在负荷分配、虚拟惯性和即插即用特性而被广泛使用。

然而当电网发生故障时，下垂控制逆变器易出现过流现象，导致开关器件闭锁甚至损坏。此外，在故障期间，下垂控制逆变器的响应特性与同步发电机有很大不同，因此，传统电力系统的故障电流计算方法不能适用于逆变器接入的微电网。这可能导致传统保护装置在故障暂态期间性能严重劣化，甚至失效。此外，相对于对称故障，电网中更易发生的是不对称故障。因此，为了提高保护系统的可靠性，确保下垂控制逆变器中电力电子设备的安全性和可靠性，有必要对其不对称故障特性行研究和分析，然而现有技术中目前还没有一种针对下垂控制逆变器在不对称故障类型下的故障电流的暂态特性的方案，从而降低了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法，提高了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法，包括：

预先建立并网系统的等效模型，所述并网系统的等效模型包括下垂控制逆变器的等效模型、下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗和不对称故障类型下的网侧等效模型；

基于所述并网系统的等效模型确定不对称故障类型下的下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式；

确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长t_s对应时刻的所述下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)，k为不小于1的整数；

根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的相角θ_s(k)，其中，θ_s(k)＝θ_s(k-1)+dθ_s(k)，t_s小于所述并网系统中的电压电流环的时间常数；

根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的所述下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的电压幅值E_s(k)，其中，E_s(k)＝E_s(0)+dE_s(k)，其中，E_s(0)为故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值；

将所述θ_s(k)、E_s(k)代入当前不对称故障类型下对应地故障电流全电流关系式中，得到第k个计算步长对应时刻的故障电流全电流。

优选地，所述预先建立并网系统的等效模型，包括：

确定下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗Z_m；

建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，所述下垂控制逆变器的等效模型为串联输出电阻Z_o的等效受控正序电压源

建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，所述网侧等效模型包括正序电压分量为负序电压分量为的网侧等效电压源及与所述网侧等效电压源串联的网侧等效电阻Z′_eq。

优选地，所述建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，包括：

获取所述故障点故障前的下垂控制逆变器的实际功率；

根据所述下垂控制逆变器的实际功率、下垂调节关系式得到所述下垂控制逆变器的输出电压的基波的频率ω和幅值V；

对所述基波的频率ω进行积分得到所述下垂控制逆变器的相角θ_s；

根据所述基波的幅值V和所述下垂控制逆变器的相角θ_s确定所述下垂控制逆变器的等效受控正序电压源其中，

根据所述下垂控制逆变器的电流电压双闭环确定所述下垂控制逆变器的输出电阻Z_o；

将所述等效受控正序电压源与所述输出电阻Z_o串联后作为所述下垂控制逆变器的等效模型。

优选地，所述建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，包括：

确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；

根据所述故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压其中，x＝a,b,c；

基于所述三相电压建立不对称故障类型下的故障点边界条件方程，并得到不对称故障类型下的故障点故障后的正序电压和负序电压分量

利用正序电压为负序电压分量为的故障点等效电压源代理故障点故障后的不对称负载；

基于所述并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、所述故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻Z′_eq；

将所述网侧等效电压源和所述网侧等效电阻Z′_eq串联后得到所述并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型。

优选地，所述确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；根据所述故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压包括：

根据所述并网系统的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、负载阻抗Z_L并通过戴维南等效定理得到并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻Z_eq；

其中，

根据所述并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻E_eq确定所述下垂控制逆变器的输出电流

根据下垂控制逆变器的输出电流得到所述故障点故障前的三相电压

其中，x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3。

优选地，所述不对称故障类型包括单相对地故障和/或两相对地故障和/或相间故障。

优选地，所述基于所述并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、所述故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻E′_eq，包括：

优选地，所述并网系统还包括设置于所述下垂控制逆变器输出端的一阶低通滤波器；

所述确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)之后，根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的相角θ_s(k)之前，还包括：

根据所述输出功率P_(k)、Q_(k)及低通滤波关系式得到低通滤波后的输出功率P_f(k)、Q_f(k)；

所述低通滤波关系式为：

其中，t_f为所述一阶低通滤波器的时间常数。

优选地，所述根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，包括：

dθ_s(k)＝-m_p(P_f(k)-P_ref)·2πt_s，其中，P_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定有功功率，m_p为频率下垂系数；

所述根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的所述下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，包括：

dE_s(k)＝-n_p(Q_f(k)-Q_ref)，其中，Q_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定无功功率，n_p为电压下垂系数。

优选地，所述故障电流全电流关系式为：

其中，

其中，为正序故障电流的周期分量幅值，为负序故障电流的周期分量幅值，

其中，L'为阻抗Z_m+Z′_eq的电感值，R'为阻抗Z_m+Z′_eq的电阻值；

x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3；

t₀为故障点发生时刻，ω为电网的角频率，为第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的等效受控正序电压源，δ+为的相角差，δ-为的相角差，为故障点故障前并网系统的总线路阻抗的阻抗角，为故障点故障后并网系统的总线路阻抗的阻抗角，I_m为故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流的幅值，T_a为非周期分量衰减的时间常数。

本发明提供了一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法，本申请不仅仅考虑了网侧层面，还考虑了下垂控制逆变器层面，也即基于下垂控制逆变器本身的特性出发来分析电网的故障电流，首先，该方法包括预先建立在不对称故障类型下的包括下垂控制逆变器的并网系统等效模型，然后基于该并网系统等效模型得到不对称故障类型下的下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式，在后续进行故障电流计算时，结合故障电流全电流关系式并采用故障电流迭代算法，从而可以消除功率与电压之间的强耦合性，得到全尺度时间的故障电流全电流，可见，通过逆变器和电网等效模型并采用迭代算法便可得到下垂控制逆变器在不对称故障类型下的任意时刻的故障电流的特性(包括暂态特性)，为下垂控制逆变器的故障穿越策略提供了指导，也为含下垂控制逆变器的微电网继电保护整定提供了指导，提高了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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的附图。

图1为本发明提供的一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法的流程图；

图2为本发明提供的一种含单台下垂控制逆变器的并网系统的结构示意图；

图3为本发明提供的故障点故障前下垂控制逆变器稳定运行时并网系统的等效模型；

图4为图3的简化等效模型；

图5为本发明提供的故障点故障后的并网系统的正序等效模型；

图6为本发明提供的故障点故障后的并网系统的负序等效模型；

图7为本发明提供的一种下垂控制下输出的电压幅值和相位以及两相接地故障时的故障电流的计算结果和仿真结果图；

图8为本发明提供的一种三种不对称短路故障下故障电流的计算结果和实验结果图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法，提高了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法的流程图，该方法包括：

S11：预先建立并网系统的等效模型，并网系统的等效模型包括下垂控制逆变器的等效模型、下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗和不对称故障类型下的网侧等效模型；

首先需要说明的是，本申请中的故障电流指的是电网发生不对称故障时的故障电流(现有技术中通常关注于电网发生对称故障时的故障电流)。此外，本申请提供的故障电流确定方法适用于含单台下垂控制逆变器的并网系统结构图，也适用于含多台下垂控制逆变器的并网系统的结构图。

在含对下垂控制逆变器的并网系统进行故障分析时，现有技术中很少有基于下垂控制逆变器本身的特性出发来分析电网的故障电流的方案，大多数着重于电力系统层面，且将下垂控制逆变器视为恒压源处理，未将下垂控制逆变器在故障点故障下的动态特性考虑在内，从而对配电网中的下垂控制逆变器进行了不同程度的简化以便进行潮流计算。此外，现有技术中，对于电网中故障点的故障张电流分析方法大多基于稳态计算，没有考虑暂态电流计算，从而无法反映故障电流的暂态趋势。

而本申请中，在建立并网系统的等效模型时，不仅仅考虑到了网侧，还考虑到了下垂控制逆变器本身及下垂控制逆变器及网侧之间的连接线路；具体地，并网系统的等效模型包括下垂控制逆变器的等效模型、下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗和不对称故障类型下的网侧等效模型。S12：基于并网系统的等效模型确定不对称故障类型下的下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式；

具体地，基于并网系统的等效模型便可以得到正、负序网络的电路微分方程，进而得到下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式。

S13：确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长t_s对应时刻的下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)，k为不小于1的整数；

可以理解的是，在进行故障电流计算时，会预先确定计算步长t_s，这里的计算步长t_s小于下垂控制逆变器的电压电流环的时间常数，以消除功率与电压之间的强耦合性。

在确定故障电流全电流关系式后，在实际应用中，利用瞬时功率法，便可以得到第k-1个计算步长t_s(以故障点发生故障时刻t₀为起始点)对应时刻的下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)，其中：

P_(k)＝u_a(k-1)i_a(k-1)+u_b(k-1)i_b(k-1)+u_c(k-1)i_c(k-1)；

其中，u_a(k-1)、u_b(k-1)、u_c(k-1)分别为下垂控制逆变器在第k-1个计算步长t_s对应时刻((k-1)*t_s+t₀)的a、b、c相输出电压，i_a(k-1)、i_b(k-1)、i_c(k-1)分别为下垂控制逆变器在第k-1个计算步长t_s对应时刻的a、b、c相输出电流。

S14：根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的相角θ_s(k)，其中，θ_s(k)＝θ_s(k-1)+dθ_s(k)；

具体地，根据p-f下垂关系来推导第k个计算步长内相角的增量dθ_s(k)，由此得到第k个计算步长对应时刻(k*t_s+t₀)的相角θ_s(k)。

dθ_s(k)＝-m_p(P_(k)-P_ref)·2πt_s，其中，P_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定有功功率，m_p为频率下垂系数，则θ_s(k)＝θ_s(k-1)+dθ_s(k)。

S15：根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的电压幅值E_s(k)，其中，E_s(k)＝E_s(0)+dE_s(k)，其中，E_s(0)为故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值；

根据Q-V下垂关系来推导第k个计算步长内的下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，由此得到第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的电压幅值E_s(k)。

dE_s(k)＝-n_p(Q_(k)-Q_ref)，Q_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定无功功率，n_p为电压下垂系数，则E_s(k)＝E_s(0)+dE_s(k)。

S16：将θ_s(k)、E_s(k)代入当前不对称故障类型下对应地故障电流全电流关系式中，得到第k个计算步长对应时刻的故障电流全电流。

在得到θ_s(k)、E_s(k)后并其代入故障电流全电流关系式中得到第k个计算步长对应时刻的故障电流全电流。

可见，通过逆变器和电网等效模型并采用迭代算法便可得到下垂控制逆变器在不对称故障类型下的任意时刻的故障电流的特性(包括暂态特性)，为下垂控制逆变器的故障穿越策略提供了指导，也为含下垂控制逆变器的微电网继电保护整定提供了指导，提高了并网系统中下垂控制逆变器的安全性和可靠性。

请参照图2-图6，其中，图2为本发明提供的一种含单台下垂控制逆变器的并网系统的结构示意图，图3为本发明提供的故障点故障前下垂控制逆变器稳定运行时并网系统的等效模型，图4为图3的简化等效模型；图5为本发明提供的故障点故障后的并网系统的正序等效模型，图6为本发明提供的故障点故障后的并网系统的负序等效模型。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，预先建立并网系统的等效模型，包括：

确定下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗Z_m；

建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，下垂控制逆变器的等效模型为串联输出电阻Z_o的等效受控正序电压源

建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，网侧等效模型包括正序电压分量为负序电压分量为的网侧等效电压源及与网侧等效电压源串联的网侧等效电阻Z′_eq。

并网模型一旦确定，下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗Z_m也便确定了。根据下垂控制逆变器的结构则可将其等效为串联输出电阻Z_o的等效受控正序电压源根据不对称故障类型下的网侧结构可以将网侧等效为正序电压分量为负序电压分量为的网侧等效电压源，且网侧等效电压源与网侧等效电阻Z′_eq串联。

作为一种优选地实施例，建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，包括：

获取故障点故障前的下垂控制逆变器的实际功率；

根据下垂控制逆变器的实际功率、下垂调节关系式得到下垂控制逆变器的输出电压的基波的频率ω和幅值V；

对基波的频率ω进行积分得到下垂控制逆变器的相角θ_s；

根据基波的幅值V和下垂控制逆变器的相角θ_s确定下垂控制逆变器的等效受控正序电压源其中，

根据下垂控制逆变器的电流电压双闭环确定下垂控制逆变器的输出电阻Z_o；

将等效受控正序电压源与输出电阻Z_o串联后作为下垂控制逆变器的等效模型。

具体地，首先获取故障点故障前的下垂控制逆变器的实际功率P(有功功率)、Q(无功功率)，其中，根据连接线路两端之间的功率关系，可以得到下垂控制逆变器的输出电压的基波的频率ω和幅值V；

其中，下垂调节关系式为：

为下垂控制逆变器的额定角频率，V_ref为下垂控制逆变器的输出电压的额定电压幅值。

需要说明的是，如果并网系统还包括设置于下垂控制逆变器的输出端的滤波器的话，则这里的P和Q为滤波后的有功功率和无功功率。

此外，电流电压环的传递函数为：

其中，V_d为下垂控制逆变器的输出电压的基波幅值V在d轴的分量，V_q为下垂控制逆变器的输出电压的基波幅值V在q轴的分量，G_V(s)和Z_o(s)为电流电压双闭环的传递函数，和为双闭环电压参考值，由于一般定d轴电压，则i_od为下垂控制逆变器的输出电流在d轴的分量，i_oq为下垂控制逆变器的输出电流在q轴的分量。

其中，

其中，k_vp为电压环的比例系数，k_vi为电压环的积分系数，τ_i为电流环时间常数，C_f为下垂控制逆变器的输出端的一阶滤波器的输出电容。

由于电压电流环的动态响应很快，因此，Z_o(s)≈0，G_v(s)≈1，则V_d＝V,V_q＝0，再根据基波的频率ω积分得到的下垂控制逆变器的相角θ_s，得到下垂控制逆变器的等效受控正序电压源其中，

此外，将Z_o(s)由S域转换为时域后便可以得到下垂控制逆变器的输出电阻Z_o，进而将将等效受控正序电压源与输出电阻Z_o串联后便可作为下垂控制逆变器的等效模型。图2的主电路可以等效为图3左图所示的拓扑结构。

作为一种优选地实施例，建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，包括：

确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；

根据故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压其中，x＝a,b,c；

基于三相电压建立不对称故障类型下的故障点边界条件方程，并得到不对称故障类型下的故障点故障后的正序电压和负序电压分量

利用正序电压为负序电压分量为的故障点等效电压源代理故障点故障后的不对称负载；

基于并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻Z′_eq；

将网侧等效电压源和网侧等效电阻Z′_eq串联后得到并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型。

具体地，在建立网侧等效模型时，首先需要确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流，这里可以通过电流传感器去采集逆变器的输出电流，也可以通过如下述实施例中的方式去确定。

在确定下垂控制逆变器的输出电流后，根据故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压并基于三相电压建立不对称故障类型下的故障点边界条件方程。

当网侧发生单相(例如a相)对地故障时，故障点边界条件方程如下式所示：

当网侧发生两相(例如b相和c相)对地故障时，故障点边界条件方程如下式所示：

当网侧发生相间(例如b相和c相)对地故障时，故障点边界条件方程如下式所示：

其中，括号中的0代表零序，1代表正序，2代表负序。

在得到不对称故障类型下的故障点边界条件方程后，便可以得到不对称故障类型下的故障点故障后的正序电压和负序电压分量然后用对应地电压源代替故障点故障后的不对称负载，使故障电流转变为两电压源之间相互作用的结果。

三种不对称故障类型所对应的故障后故障点a相正、负序电压分量分别为：

将a相电压正序分量依次顺时针旋转120°便可得到b、c相电压正序分量。将a相电压负序分量逆时针依次旋转120°便可得到b、c相电压负序分量。

基于故障后故障点等效电压源的分量，通过戴维南等效定理，建立含单台下垂控制逆变器的并网系统的等效模型。

具体地，基于并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻Z′_eq。则得到的不对称故障类型下的网侧等效模型包括正序电压分量负序电压分量为的网侧等效电压源及与其串联的网侧等效电阻Z′_eq。

作为一种优选地实施例，确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；根据故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压包括：

根据并网系统的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、负载阻抗Z_L并通过戴维南等效定理得到并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻Z_eq；

其中，

根据并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻E_eq确定下垂控制逆变器的输出电流

根据下垂控制逆变器的输出电流得到故障点故障前的三相电压

x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3。

当并网系统稳定运行时，网侧可以等效成一个串联等效线路阻抗的电压源，如图3所示，其中，Z_s＝Zo+Z_m，为等效戴维南电压源，Z_eq为等效输出电阻。

作为一种优选地实施例，不对称故障类型包括单相对地故障和/或两相对地故障和/或相间故障。

本申请对于具体建立哪些不对称故障类型的并网系统的等效模型不作特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，基于并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻E_e'_q，包括：

当负荷处发生不对称故障时，利用三相不对称电压源和代替故障点的不对称负载，将故障处的三相阻抗不对称表示为电压和电流向量不对称，使其余部分保持三相阻抗对称的系统，则可分析电网任意不对称故障下下垂控制逆变器的故障运行特性。

该不对称网络可分离成正序、负序及零序网络。由于下垂控制逆变器为三相三线制系统，仅输出正序分量及负序分量，零序分量仅存在于网侧。因此，本发明以逆变器的输出特性为出发点，考虑正序网络及负序网络即可。

则得到

作为一种优选地实施例，并网系统还包括设置于下垂控制逆变器输出端的一阶低通滤波器；

确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)之后，根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的相角θ_s(k)之前，还包括：

根据输出功率P_(k)、Q_(k)及低通滤波关系式得到低通滤波后的输出功率P_f(k)、Q_f(k)；

低通滤波关系式为：

其中，t_f为一阶低通滤波器的时间常数。

作为一种优选地实施例，根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，包括：

dθ_s(k)＝-m_p(P_f(k)-P_ref)·2πt_s，其中，P_ref为下垂控制逆变器的输出额定有功功率，m_p为频率下垂系数；

根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，包括：

dE_s(k)＝-n_p(Q_f(k)-Q_ref)，其中，Q_ref为下垂控制逆变器的输出额定无功功率，n_p为电压下垂系数。

作为一种优选地实施例，故障电流全电流关系式为：

其中，

其中，为正序故障电流的周期分量幅值，为负序故障电流的周期分量幅值，

其中，L'为阻抗Z_m+Z′_eq的电感值，R'为阻抗Z_m+Z′_eq的电阻值；

x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3；

t₀为故障点发生时刻，ω为电网的角频率，为第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的等效受控正序电压源，δ+为的相角差，δ-为的相角差，为故障点故障前并网系统的总线路阻抗的阻抗角，为故障点故障后并网系统的总线路阻抗的阻抗角，I_m为故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流的幅值，T_a为非周期分量衰减的时间常数。

故障点故障后瞬间PCC(Point of Common Coupling，公共连接点)点电压跌落，下垂控制逆变器的输出功率增大，根据下垂环的下垂特性，其输出的角度θ_s'和电压幅值E_s'随着输出功率的增加而逐渐减小。因此，故障后的下垂控制逆变器不可视为恒压源。以a相为例，根据图5和图6可得到正、负序网络的电路微分方程，如下式所示：

显然，正、负序故障电流均由一个周期分量和一个直流分量组成。若故障发生在t₀时刻，则下垂控制逆变器任意时刻的三相正、负序故障电流分别可用下式表示：

故障电流全电流为正序电流及负序电流之和，因此，得到

综上，对于逆变器侧，在网侧发生故障后，下垂控制逆变器及其输出滤波系统可等效为串联输出阻抗的等效受控正序电压源，该受控正序电压源的幅值及相位由下垂控制环的基波的输出电压的幅值和频率决定。正常运行时，该幅值及相角可由稳态下下垂控制逆变器输出的实际功率及逆变器的下垂调节关系式求得，故障后该值可通过本发明所提的迭代算法求得。对于网侧，故障后通过短路故障点的边界条件、对称分量法及戴维南定理对网侧进行等效，得到网侧等效模型的正序及负序网络。由此便可得到含下垂控制逆变器并网系统等效模型。

基于所建立的并网系统等效模型，本发明得出了下垂控制逆变器输出故障全时间尺度电流表达式。对于三相三线制的逆变器，其故障电流仅存在正序分量及负序分量，因此逆变器故障电流全电流为正序故障电流与负序故障电流之和。由故障电流表达式可知，故障电流全电流由一个暂态过程中幅值不断衰减的周期分量及一个按指数衰减的直流分量。其中周期分量与逆变器的控制参数、网侧等效电压和网侧等效阻抗有关。直流分量仅与网侧参数及故障发生时刻有关。通过分析该故障表达式所描述的故障电流特性，可为下垂控制逆变器的故障穿越策略提供指导，也可为含下垂控制并网逆变器的微电网继电保护整定提供指导。

请参照图7和图8，为了验证所提方法的正确性，根据图2在PSCAD/EMTDC中搭建了系统仿真模型，并进行控制器硬件在环(CHIL)实验。图7为本发明提供的一种下垂控制下输出的电压幅值和相位以及两相接地故障时的故障电流的计算结果和仿真结果图。图8为本发明提供的一种三种不对称短路故障下故障电流的计算结果和实验结果图。显然，计算结果与仿真结果即实验结果基本一致。因此，所提出的故障电流确定方法的准确性高。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，包括：

预先建立并网系统的等效模型，所述并网系统的等效模型包括下垂控制逆变器的等效模型、下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗和不对称故障类型下的网侧等效模型；

基于所述并网系统的等效模型确定不对称故障类型下的下垂控制逆变器的故障电流全电流关系式；

确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长t_s对应时刻的所述下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)，k为不小于1的整数；

根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的相角θ_s(k)，其中，θ_s(k)＝θ_s(k-1)+dθ_s(k)，t_s小于所述并网系统中的电压电流环的时间常数；

根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的所述下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的电压幅值E_s(k)，其中，E_s(k)＝E_s(0)+dE_s(k)，其中，E_s(0)为故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值；

将所述θ_s(k)、E_s(k)代入当前不对称故障类型下对应地故障电流全电流关系式中，得到第k个计算步长对应时刻的故障电流全电流。

2.如权利要求1所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述预先建立并网系统的等效模型，包括：

确定下垂控制逆变器与网侧之间的连接线路阻抗Z_m；

建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，所述下垂控制逆变器的等效模型为串联输出电阻Z_o的等效受控正序电压源

建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，所述网侧等效模型包括正序电压分量为负序电压分量为的网侧等效电压源及与所述网侧等效电压源串联的网侧等效电阻Z'_eq。

3.如权利要求2所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述建立并网系统中的下垂控制逆变器的等效模型，包括：

获取所述故障点故障前的下垂控制逆变器的实际功率；

根据所述下垂控制逆变器的实际功率、下垂调节关系式得到所述下垂控制逆变器的输出电压的基波的频率ω和幅值V；

对所述基波的频率ω进行积分得到所述下垂控制逆变器的相角θ_s；

根据所述基波的幅值V和所述下垂控制逆变器的相角θ_s确定所述下垂控制逆变器的等效受控正序电压源其中，

根据所述下垂控制逆变器的电流电压双闭环确定所述下垂控制逆变器的输出电阻Z_o；

将所述等效受控正序电压源与所述输出电阻Z_o串联后作为所述下垂控制逆变器的等效模型。

4.如权利要求3所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述建立并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型，包括：

确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；

根据所述故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压其中，x＝a,b,c；

基于所述三相电压建立不对称故障类型下的故障点边界条件方程，并得到不对称故障类型下的故障点故障后的正序电压和负序电压分量

利用正序电压为负序电压分量为的故障点等效电压源代理故障点故障后的不对称负载；

基于所述并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、所述故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻Z’_eq；

将所述网侧等效电压源和所述网侧等效电阻Z’_eq串联后得到所述并网系统在不对称故障类型下的网侧等效模型。

5.如权利要求4所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述确定故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流；根据所述故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流确定故障点故障前的三相电压包括：

根据所述并网系统的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、负载阻抗Z_L并通过戴维南等效定理得到并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻Z_eq；

其中，

根据所述并网系统稳定运行时的网侧等效电压源和网侧等效电阻E_eq确定所述下垂控制逆变器的输出电流

根据下垂控制逆变器的输出电流得到所述故障点故障前的三相电压

其中，x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3。

6.如权利要求4所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述不对称故障类型包括单相对地故障和/或两相对地故障和/或相间故障。

7.如权利要求4所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述基于所述并网系统中的电网电源电网阻抗Z_g、故障点与PCC之间的线路阻抗Z_l、所述故障点等效电压源并通过戴维南等效定理得到不对称故障类型下的网侧等效电压源的正序电压分量负序电压分量为及网侧等效电阻E’_eq，包括：

8.如权利要求4所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述并网系统还包括设置于所述下垂控制逆变器输出端的一阶低通滤波器；

所述确定以故障点发生故障时刻为起点的第k-1个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的输出功率P_(k)和Q_(k)之后，根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，并得到第k个计算步长对应时刻的所述下垂控制逆变器的相角θ_s(k)之前，还包括：

根据所述输出功率P_(k)、Q_(k)及低通滤波关系式得到低通滤波后的输出功率P_f(k)、Q_f(k)；

所述低通滤波关系式为：

其中，t_f为所述一阶低通滤波器的时间常数。

9.如权利要求8所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述根据p-f下垂关系及P_(k)得到第k个计算步长内的相角的增量dθ_s(k)，包括：

dθ_s(k)＝-m_p(P_f(k)-P_ref)·2πt_s，其中，P_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定有功功率，m_p为频率下垂系数；

所述根据Q-V下垂关系及Q_(k)得到第k个计算步长内的所述下垂控制逆变器的电压幅值相对于故障点故障前的下垂控制逆变器的电压幅值的增量dE_s(k)，包括：

dE_s(k)＝-n_p(Q_f(k)-Q_ref)，其中，Q_ref为所述下垂控制逆变器的输出额定无功功率，n_p为电压下垂系数。

10.如权利要求4-9任一项所述的下垂控制逆变器的故障电流确定方法，其特征在于，所述故障电流全电流关系式为：

其中，

其中，为正序故障电流的周期分量幅值，为负序故障电流的周期分量幅值，

其中，L'为阻抗Z_m+Z'_eq的电感值，R'为阻抗Z_m+Z'_eq的电阻值；

x＝a时，θ_a＝0；x＝b时，θ_b＝-2π/3；x＝c时，θ_c＝+2π/3；

t₀为故障点发生时刻，ω为电网的角频率，为第k个计算步长对应时刻的下垂控制逆变器的等效受控正序电压源，δ+为的相角差，δ-为的相角差，为故障点故障前并网系统的总线路阻抗的阻抗角，为故障点故障后并网系统的总线路阻抗的阻抗角，I_m为故障点故障前的下垂控制逆变器的输出电流的幅值，T_a为非周期分量衰减的时间常数。