CN110556799A - 适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，包括：分析逆变型电源相间回路和相对地回路的高频阻抗模型；基于分析结果，构造适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件，从而利用保护安装处测得的阻抗角特性判别故障方向。该方法能够可靠区分正反向故障。

Description

适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法。

背景技术

大规模新能源并网发电已经成为我国能源电力领域发展的重要方向。然而逆变型新能源电源故障特性受低电压穿越控制策略的影响，其等效的正负序阻抗角不再恒定，因此传统基于故障分量的方向元件均存在拒动或者误动的可能，因此研究适用于逆变型电源送出线路的方向元件十分必要。

目前，对于送出线路的纵联保护的研究成果较少。现有方法主要是集中在时域和工频幅值两个方面。在时域上，提出了一种基于R-L模型的方向元件去判断风电场汇集线路的故障方向，但是考虑到在故障后的第一个周波内，电压电流信号受故障电流限幅器影响严重，因此基于时域的算法面临运行挑战。也有学者提出了利用等值突变量阻抗的幅值大小特性构成方向元件。由于新能源的等值正负序突变量阻抗远远大于同步系统的内电抗，且在新能源送出线路正方向故障时，保护所测量的阻抗特性为新能源的阻抗特性，当反方向故障时，体现的是同步系统特性，因此可以可靠区别故障方向。但是由于新能源电源在弱出力情况下发生故障，其故障后的电流可能并非工频电流，因此这种方法的动作性能也会受到影响，因此有必要研究新的方向元件。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，能够可靠区分正反向故障。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，包括：

分析逆变型电源相间回路和相对地回路的高频阻抗模型，并确定使高频阻抗模型具有稳定相位角的频率范围；

基于分析结果，构造适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件，从而利用保护安装处测得的阻抗角特性判别故障方向。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法利用在高频范围内，逆变型电源的高频阻抗角稳定在90°这一特点，构造了适用于逆变型电源送出线路的方向元件。该方法克服了工频下逆变型电源的内阻抗受故障条件影响而变化的问题，能够正确判断正向和反向故障。由于采用了高于电流环带宽的频率范围，因此所提方法基本不受控制策略。另外，该方法的动作性能只取决于逆变型电源的高频阻抗，因而不受过渡电阻的影响。

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为本发明实施例提供的一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的电压阶跃信号以及对应的拉普拉斯变换示意图；

图3为本发明实施例提供的逆变型电源送出线路拓扑图；

图4为本发明实施例提供的逆变型电源的四种高频阻抗结构示意图；

图5为本发明实施例提供的逆变型电源高频阻抗模型的统一结构示意图；

图6为本发明实施例提供的送出线路发生正方向故障等效电路图；

图7为本发明实施例提供的工作流程图；

图8为本发明实施例提供的在各种控制策略下所提方向元件的动作性能示意图；

图9为本发明实施例提供的不同过渡电阻下的动作性能示意图；

图10为本发明实施例提供的不同采样率下的动作性能示意图。

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。

本发明实施例提供一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，如图1所示，其主要包括：

1、分析逆变型电源相间回路和相对地回路的高频阻抗模型，并确定使高频阻抗模型具有稳定相位角的频率范围。

如图2所示，当故障发生时，电压跌落被看做是在故障点注入的一个阶跃信号，对于图1中(a)部分所示的阶跃信号，经过拉普拉斯变换以后可以发现，其具有全频域信息，包含高频信号。图1中(b)部分；电压、电流中均包含高频信号，这个高频信号能够通过小波变换提取；提取的数据窗长为10ms，包含故障后的5ms数据。

逆变型电源送出线路的拓扑如图3所示。根据逆变器在不同开关组合下，高频信号中的高频电流流经的通路能够确定逆变型电源的高频阻抗模型的N种阻抗结构；如图4所示，示例性的给出了四种阻抗结构，各个阻抗结构均看作AB两部分，N种阻抗结构的A部分(即图2中虚线框部分)结构不同，B部分结构(即除去虚线框以外的部分)相同；其中，B部分包括：电阻R₁与R₂、电感L₁与L₂、以及滤波电容支路；A部分与R₁及L₁串联，再跟滤波电容支路并联，最后跟R₂及L₂串联。对于并联的电感和电容支路，若电容的容抗小于与其并联电感感抗的十分之一，则与其并联的电感支路能够省略；从逆变型电源的N种高频阻抗结构来看，当忽略这些小电阻时，若电感L₁的感抗值大于十倍的电容2C(当忽略小电阻R₃时，包含电容C的支路仅剩下了两个电容也就是2C)的容抗值，这N种阻抗结构能够变成统一的高频阻抗结构，此时，所选择的频率f范围满足：

上式中，L₁为电感L₁的电感值；C表示滤波电容的电容值；

在满足上式的频率范围内，滤波电容支路的阻抗值至少是与其并联支路(也即A部分与R₁及L₁串联构成的整体)阻抗的十五分之一或者二十分之一；此时与滤波电容并联的支路忽略，N种阻抗结构被统一为如图4所示的，依次连接电容、电阻与电感的结构，其中的R＝R₂+R₃。另外，对于单相接地故障，其高频通路为删除实线方框内的部分，同时将椭圆框内部分转移到与其并联的支路。为了将4种阻抗结构统一，所选择的频率f范围满足：

结合上面两个式子可知，只要式(2)被满足，不同故障情况下的4种阻抗结构均可以统一附图5所示结构。

为了使得所提方法具有较高的灵敏度，设置统一结构的阻抗角大于60°，则被选择的频率f满足：

上式中，L₂为电感L₂的电感值。

此外，为了避免控制系统的影响，被选择的频率必须高于电流环的带宽，基于上述因素，确定了频率下限。同时，频率的上限最好低于3kHz。主要是考虑为了获得良好的信噪比，测量单元和数据处理板的限制以及为了避免系统寄生电容的影响。

经过上述分析，逆变型电源的高频阻抗角在所选定的频段范围内稳定在90°，与线路和发电机的阻抗角相似，在此基础上可以利用保护安装处测得的阻抗角特性判别故障方向。

2、基于分析结果，构造适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件，从而利用保护安装处测得的阻抗角特性判别故障方向。

本发明实施例中，方向元件能够判别正方向故障还是反方向故障，是方向纵联保护的关键元件，其拒动会严重破坏系统的安全稳定运行；原理如下：

当送出线路发生故障时，绘制其等效电路图；如图6所示，R_S和L_S代表主网额等值电阻和电感，Z_{line_A}和Z_{line_B}是故障点到输电线路两端的高频阻抗，Z_TC是点D到新能源出口的等值阻抗。V_S是由电压跌落产生的高频电压源，R_g是过渡电阻，Z_D是被计算出来的高频阻抗。

如图6所示，在等效电路图中确定正方向，并利用保护安装处D点测得的高频电压V_D和高频电流I_D计算保护安装处的高频阻抗Z_D：

其中，j为虚数符号，w＝2πf，f为所选的频率；

对于对地故障，V_D＝V_φ，I_D＝I_φ，对地故障故障相只有一个φ，V_φ与I_φ分别故障相φ的高频电压与高频电流；

对于相间故障，V_D＝V_φ1-V_φ2，I_D＝I_φ1-I_φ2，φ1和φ2都是故障相，V_φ1与V_φ2、I_φ1与I_φ2分别为两个故障相的高频电压、高频电流。

从图6可知，高频阻抗Z_D与保护背后的阻抗(实线框内结构的阻抗)相关，因此，它不受过渡电阻R_g的影响并且它的值主要取决于逆变型电源的等值模型。在被选择的高频范围内，逆变型电源的等值模型基本上等价于RL串联回路，这是因为式(3)已经确保电感L₂的等值阻抗大于电容C的容抗。根据式(4)可知，高频阻抗Z_D的相位角是一个负值，且接近-90°，正方向的判据为：

本发明所构造的方向元件能够在故障后5ms内识别所有类型的故障。因为被选择的频段高于电流环的带宽，所以该方向元件基本上不受控制策略的影响。该方向元件在被选择的频段也具有较高的灵敏度。由于所有类型的故障均至少有一个相对地回路或者相间回路，所以适合于所有故障类型，然而该方法需要较高的采样率，保护设备需要被更新。具体的流程图见附图7中，对于故障启动和故障选相，在风场内早已使用较为传统的方法，例如相电流启动和低电压选相。如图7所示，基于本发明实施例所提供的方案进行故障方向判别的步骤主要包括：1)在保护安装处测量三相电压电流数据；2)基于三相电压电流数据判断故障为相间故障或是对地故障；3)结合故障类型，利用故障前后各一段时间内(例如，前后各5ms)的数据，计算高频阻抗Z_D；4)结合正方向的判据来判断故障方向。

图8展示了所提方法在不同控制策略下的动作性能，从图7中可以看出，在不同控制策略在，在所选取的高频段，所提方法测得的相位角均接近于-90°，证明了所提方法具有良好的动作性能。其中，(a)部分为抑制负序，BC；(b)部分为抑制负序，AG；(c)部分为抑制无功，BC；(d)部分为抑制无功，AG；(e)部分为抑制有功，BC；(f)部分为抑制有功，AG。

图9展示了所提方法在不同过渡电阻下的动作西能，过渡电阻分别设为0Ω、5Ω和10Ω。从图中可以看出，无论是AG故障还是BC故障，在上述三种情况下的动作性能基本相同，因此所提方法不受过渡电阻的影响。其中，(a)部分为抑制负序，BC；(b)部分为抑制负序，AG。

图10展示了所提方法不同采样率下的动作性能，采样率分别设为10kHz、20kHz以及50kHz。从图中可以看出，三条曲线基本重合，但考虑到本方法关注的最高频率为3kHz，如果将采样率设为10kHz，一个周波只有三个采样点，为充分反映高频信息，本方法最终将采样率设为20kHz。其中，(a)部分为抑制负序，BC；(b)部分为抑制负序，AG。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

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 (4)

1.一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，其特征在于，包括：

分析逆变型电源相间回路和相对地回路的高频阻抗模型，并确定使高频阻抗模型具有稳定相位角的频率范围；

基于分析结果，构造适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件，从而利用保护安装处测得的阻抗角特性判别故障方向。

2.根据权利要求1所述的一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，其特征在于，分析逆变型电源相间回路和相对地回路的高频阻抗模型，并确定使高频阻抗模型具有稳定相位角的频率范围包括：

当故障发生时，电压跌落被看做是在故障点注入的一个阶跃信号，对于阶跃信号，经过拉普拉斯变换以后发现，其具有全频域信息，包含高频信号，并且这个高频信号能够通过小波变换提取；

根据逆变器在不同开关组合下，高频信号中的高频电流流经的通路能够确定逆变型电源的高频阻抗模型的N种阻抗结构；各个阻抗结构均看作AB两部分，N种阻抗结构的A部分结构不同，B部分结构相同；其中，B部分包括：电阻R₁与R₂、电感L₁与L₂、以及滤波电容支路；A部分与R₁及L₁串联，再跟滤波电容支路并联，最后跟R₂及L₂串联；对于并联的电感和电容支路，若电容的容抗小于与其并联电感感抗的十分之一，则与其并联的电感支路能够省略；从逆变型电源的N种高频阻抗结构来看，若电感L₁的感抗值大于十倍的两个电容的容抗值，这N种阻抗结构能够变成统一的高频阻抗结构，此时，所选择的频率f范围满足：

上式中，L₁为电感L₁的电感值，C表示滤波电容的电容值；

在满足上式的频率范围内，滤波电容支路的阻抗值至少是与其并联支路阻抗的十五分之一或者二十分之一，所述的并联支路是指A部分与R₁及L₁串联构成的整体；此时与滤波电容并联的支路忽略，N种阻抗结构被统一为依次连接电容、电阻与电感的结构，所选择的频率f范围满足：

设置统一结构的阻抗角大于60°，则被选择的频率f满足：

上式中，L₂为电感L2的电感值。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，其特征在于，

当送出线路发生故障时，绘制其等效电路图；

在等效电路图中确定正方向，并利用保护安装处测得的高频电压V_D和高频电流I_D计算保护安装处的高频阻抗Z_D：

其中，j为虚数符号，w＝2πf，f为所选的频率；

对于对地故障，V_D＝V_φ，I_D＝I_φ，对地故障故障相只有一个φ，V_φ与I_φ分别故障相φ的高频电压与高频电流；

对于相间故障，V_D＝V_φ1-V_φ2，I_D＝I_φ1-I_φ2，φ1和φ2都是故障相，V_φ1与V_φ2、I_φ1与I_φ2分别为两个故障相的电压、电流；

高频阻抗Z_D与保护背后的阻抗相关，并且高频阻抗Z_D的相位角是一个负值，且接近-90°，正方向的判据为：

4.根据权利要求3所述的一种适用于逆变型电源场站送出线路的方向元件设计方法，其特征在于，判别故障方向的方式包括：

在保护安装处测量三相电压电流数据；

基于三相电压电流数据判断故障为相间故障或是对地故障；

结合故障类型，利用故障前后各一段时间内的数据，计算高频阻抗Z_D；

结合正方向的判据来判断故障方向。