CN111239542A - 一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，基于直流故障发生时极间电压的频谱含有全频域信息的特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振；分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，最终完成故障定位。本发明仅需故障前后2.5ms的故障电流信息，且具有较高的耐受过渡电阻、噪声和分布电容能力，满足光伏直流汇集系统的精确定位故障与快速恢复运行的要求。

Description

一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法

技术领域

本发明属于新能源发电并网技术领域，特别涉及到一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法。

背景技术

光伏通过柔性直流升压、汇集送出并网，减少了无功装置使用和功率传输变换环节，提高新能源利用率，解决传统光伏交流并网电能质量差和供电率低等问题。直流汇集支路发生双极故障时，由于多光伏电站馈入使得故障电流激增，受光伏电站自身控制策略和换流器状态影响，故障特征持续时间短，给故障定位带来极大挑战。实现快速可靠的故障定位，对光伏电站加快故障恢复与高效并网发电具有重要的意义。

而现有的适用于直流输电系统线路故障定位方法主要有行波法、注入法和故障分析法，行波法主要通过计算故障行波从故障处传播到量测点的时间来进行故障定位，行波法用于柔性直流配电网中，由于系统分支多，线路短，存在波头识别困难、采样率高，所需故障窗较长等问题，且耐受过渡电阻和抗噪能力有限。注入法通过装设额外设备向故障线路注入特征信号，基于对注入信号的检测定位故障。注入法由于在故障后注入特征信号，具有一定的抗噪声和耐过渡电阻能力，但需要额外的注入设备，加大系统故障控制难度。故障分析法利用故障电气量与线路参数之间的拓扑约束实现故障定位，原理简单，但难以消除约减项带来的误差。因此，有必要研究适合大型光伏电站内汇集系统汇集支路的故障电流特征，提出快速可靠的故障定位方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，包括以下步骤：

步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压进行时频转换，得出其频谱含有的全频域信息；

步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；

步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，从而完成故障定位。

优选地，上述步骤1进一步包括：

直流故障发生后，在换流器闭锁之前，故障电流激增，故障电压迅速下降到较低值，短时窗内故障电压和电流都呈阶跃特征，将阶跃信号ε(t)的时域和频域表达为：

所述故障电流和电压含全频域信息，且在高频段频谱密度保持不变，故障前直流电压和电流为零频信号，故障高频分量指仅在故障后存在的直流电流中高频分量，该故障高频分量由故障点处附加高频电压源产生；

分析高频故障分量回路，运用基尔霍夫电压定律，列出频域故障回路方程如式(1)、式(2)所示：

式(1)、式(2)中L_ki1、L_ki2、R_ki1、R_ki2为故障汇集支路i故障点两侧的电感与电阻，L_r、R_r为非故障汇集支路的电感和电阻，C_PVi、L_i、C_PVr、L_r分别为故障汇集支路与非故障汇集支路上直流变压器的等效出口并联电容和限流电抗器，I_ki1、I_ki2为流过故障汇集支路的电流，I_n为流过非故障汇集支路的电流，ΔE(ω)为故障附加电压源，即ΔE(ω)＝A/jω，式中A为故障前故障点极间电压幅值，j为虚数单位。

进一步优选地，通过设计限流电抗器值使得直流变压器的出口谐振频率均为f_ωr，且规模小的光伏发电单元采用多并联汇集结构，使得光伏发电单元的出口并联等值电容较小，f_ωr为千赫兹；在谐振频率对应的故障电压源作用时，交流侧换流器呈高阻抗，送出支路流过的谐振频率分量电流较小，可忽略不计，表示为式(3)：

式(3)中n＝∑l/l_r，∑l为非故障汇集支路总长，l_r为汇集支路r长度。

更进一步优先地，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，结合频域故障回路方程如式(5)、式(6)所示：

整理得到式(6)、式(7)、式(8)：

l_k＝(l_r+nl_i)/(K+n) (8)

式(4)至式(8)中K＝I_ki1 ^ωr/I_r ^ωr，I_ki1 ^ωr、I_r ^ωr分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r量测的故障电流中的谐振电流分量，l_i、l_r分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r的线路长度，测距前已知，l_k为故障点距量测点的线路长度，即故障位置。

再进一步优选地，选择故障支路i与相邻支路i+1构成故障定位方程，如式(9)所示

l_k＝(l_i+1+nl_i)/(K+n) (9)

式(9)中K＝I_i ^ωr/I_i+1 ^ωr，表明只需量测并提取出故障支路与相邻支路直流变压器出口故障谐振电流，求出比值K，就可以得到故障距离l_k；

利用连续小波变换算法进行故障暂态信息的提取，提取时，以故障时刻为中点，取其前后对称的暂态信息加Blackman窗，并设置合适的中心频率和带宽频率。

有益效果

(1)所需数据窗短，不受换流器状态和控制系统影响；

(2)不需要额外注入设备，利用直流变压器自身频率特性就能实现故障定位；

(3)动作性能较好，受噪声、过渡电阻和分布式电容的影响较小，测距结果也具有较高的准确性。

附图说明

图1为本发明的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法流程图；

图2为大型光伏直流汇集系统拓扑示意图；

图3为故障附加等值网络图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为本发明的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法流程图，包括以下步骤：

步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压时频转换后得出其频谱含有全频域信息。

步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；

步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，最终完成故障定位。

图2为光伏直流汇集系统拓扑图，光伏发电单元通过直流变压器(DCtransformer，DCT)就地升压后经汇集支路送至±30kV汇流母线，就地送至并网模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)接入220kV电网。为提高光伏电站输出电压等级，其中三个小规模发电单元PV1a～PV1c的DCT采用IPOS(input-parallel output-series)结构，各DCT和MMC出口均加装限流电抗器。

以双极短路故障发生在汇集支路1为例说明，图3为故障附加等值网络，图中L_lk1、L_lk2、R_lk1、R_lk2为故障汇集支路1电感与电阻，L_ln、R_ln为非故障汇集支路的电感和电阻，C_PVn、L_n为DCT等效出口并联电容和限流电抗器，I_n为流过汇集支路的故障分量电流，I_g为流过MMC支路的故障分量电流，ΔE_k为故障附加电压源，即ΔE_k＝Aε(t-t₀)，式中A为故障前故障点极间电压幅值，t₀为故障发生时刻。

运用基尔霍夫电压定律，可列出频域故障回路方程。

又可通过设计限流电抗器值使得DCT的出口谐振频率均为f_ωr，且规模小的光伏发电单元一般采用多并联汇集结构，使得其出口并联等值电容较小，f_ωr一般在千赫兹左右；为了避免换流器内部谐振，环流过大损坏装置，一般MMC自身谐振频率在58Hz左右，故在谐振频率对应的故障电压源作用时，MMC呈高阻抗特性，送出支路流过的谐振频率分量电流较小，可忽略不计，即

式中n＝∑l/l₂，∑l为非故障汇集支路总长，l₂为汇集支路2长度。

综上所述，式(1)、(2)可化简为：

整理得：

l_k＝(l₂+nl₁)/(K+n) (8)

式中K＝I_k1 ^ωr/I₂ ^ωr，I_k1 ^ωr、I₂ ^ωr分别为量测点1和2量测的故障电流中的谐振电流分量，l₁、l₂分别为汇集支路1和2的长度，测距前已知。l_k为故障点距量测点的线路长度，即故障位置。

下面给出本发明在PSCAD/EMTDC中的测试结果，以三个汇集支路为例搭建如图2所示的光伏直流升压汇集并网系统，对汇集支路1和2上不同位置发生双极短路故障情况进行测试，其中，汇集支路长度均度均为5km，直流电缆的参数为r＝0.054Ω/km，l＝0.0013H/km，c＝0.0073μF/km，出口谐振频率为900HZ，测试数据采样频率为20kHZ。系统在0.8s时发生故障，计算时读取量测点故障前后2.5ms的故障电流数据，采用连续小波变换算法进行高频分量的提取，所选小波变换的中心频率f_c为2Hz，带宽频率f_b为10Hz。

表1列出了在不同故障位置和过渡电阻下，本发明的故障定位的测试结果。所提故障定位方法在过渡电阻为高达50Ω的情况下，测距误差仍能基本在2％以内。个别情况大于2％是因为当故障发生在距量测点较近时，线路对故障两侧高频量的衰减作用差异较大。

表1不同故障位置和过渡电阻下的故障定位测试结果

本发明在30dB白噪声下以2km处故障为例，测试结果为2.028km，相对误差为1.4％，测距结果比较准确；在10Ω过渡电阻和两倍正常线路分布电容下，3km处发生故障的测距结果为2.976km，相对误差为0.79％；7km处发生故障的测距结果为7.114km，相对误差为1.04％，结果较为准确。

鉴于本方法的分析基础和条件，应用本发明所述方法所需数据窗短，不受换流器状态和控制系统影响；不需要额外注入设备，利用DCT自身频率特性就能实现故障定位，清除故障；并且该方法的动作性能较好，受噪声、过渡电阻和分布式电容的影响较小，测距结果也具有较高的准确性，为直流保护提供可行的定位方法。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压进行时频转换，得出其频谱含有的全频域信息；

步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；

步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，从而完成故障定位。

2.根据权利要求1中所述的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：

直流故障发生后，在换流器闭锁之前，故障电流激增，故障电压迅速下降到较低值，短时窗内故障电压和电流都呈阶跃特征，将阶跃信号ε(t)的时域和频域表达为：

所述故障电流和电压含全频域信息，且在高频段频谱密度保持不变，故障前直流电压和电流为零频信号，故障高频分量指仅在故障后存在的直流电流中高频分量，该故障高频分量由故障点处附加高频电压源产生；

分析高频故障分量回路，运用基尔霍夫电压定律，列出频域故障回路方程如式(2)、式(3)所示：

式(1)、式(2)中L_ki1、L_ki2、R_ki1、R_ki2为故障汇集支路i故障点两侧的电感与电阻，L_r、R_r为非故障汇集支路的电感和电阻，C_PVi、L_i、C_PVr、L_r分别为故障汇集支路与非故障汇集支路上直流变压器的等效出口并联电容和限流电抗器，I_ki1、I_ki2为流过故障汇集支路的电流，I_n为流过非故障汇集支路的电流，ΔE(ω)为故障附加电压源，即ΔE(ω)＝A/jω，式中A为故障前故障点极间电压幅值，j为虚数单位。

3.根据权利要求2中所述的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，通过设计限流电抗器值使得直流变压器的出口谐振频率均为f_ωr，且规模小的光伏发电单元采用多并联汇集结构，使得光伏发电单元的出口并联等值电容较小，f_ωr为千赫兹；在谐振频率对应的故障电压源作用时，交流侧换流器呈高阻抗，送出支路流过的谐振频率分量电流较小，可忽略不计，表示为式(3)：

式(3)中n＝∑l/l_r，∑l为非故障汇集支路总长，l_r为汇集支路r长度。

4.根据权利要求3中所述的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，结合频域故障回路方程如式(5)、式(6)所示：

整理得到式(7)、式(8)、式(9)：

l_k＝(l_r+nl_i)/(K+n) (8)

式(4)至式(8)中K＝I_ki1 ^ωr/I_r ^ωr，I_ki1 ^ωr、I_r ^ωr分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r量测的故障电流中的谐振电流分量，l_i、l_r分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r的线路长度，测距前已知，l_k为故障点距量测点的线路长度，即故障位置。

5.根据权利要求4中所述的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，选择故障支路i与相邻支路i+1构成故障定位方程，如式(9)所示

l_k＝(l_i+1+nl_i)/(K+n) (9)

式(9)中K＝I_i ^ωr/I_i+1 ^ωr，表明只需量测并提取出故障支路与相邻支路直流变压器出口故障谐振电流，求出比值K，就可以得到故障距离l_k；

利用连续小波变换算法进行故障暂态信息的提取，提取时，以故障时刻为中点，取其前后对称的暂态信息加Blackman窗，并设置合适的中心频率和带宽频率。

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