CN111934305B - 基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法 - Google Patents

基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，包括以下步骤：步骤S1:在电力电子装备中多电平变流器的直流侧并接储能装置或直流电源，并将电力电子装备挂接于配电网三相母线；步骤S2：归一化负荷有功功率需求及无功功率需求，得出装备输出电流d轴、q轴分量表达式；步骤S3：基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值，得到装备输出电流的零轴分量；步骤S4：当配电网发生单相接地故障时，将装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制配电网中的有功功率、无功功率。本发明能够实现同一套电力电子装备集成有功功率控制，无功功率控制以及单相接地故障消弧。

Description

基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法
技术领域
本发明涉及配电网控制领域，具体涉及一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法。
背景技术
我国配电网单相接地故障占配电网总故障约70％以上，其极易转化为弧光接地，产生过电压而引发相间短路，可能会导致故障扩大，危害人员和设备安全。此外，随着大量感性负载接入配电网，它们在运行过程中可能会产生大量无功功率，降低配电网功率因数，损害配电网的电能质量；分布式电源的大量接入给配电网运行带来了网损加重、电压越限等问题，影响系统暂态稳定性。一般是通过安装电力电子补偿装置来解决上述问题。然而，单一功能的电力电子补偿装置又存在成本过高，资产效益较低，交直流侧功率无法双向流动等问题。
针对现有电力电子补偿装置存在的功能单一、交直流侧功率无法双向流动及消弧容量扩展不方便等问题，
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，能够实现同一套电力电子装备集成有功功率控制，无功功率控制以及单相接地故障消弧。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，包括以下步骤：
步骤S1:在电力电子装备中多电平变流器的直流侧并接储能装置或直流电源，并将电力电子装备挂接于配电网三相母线；
步骤S2：归一化负荷有功功率需求及无功功率需求，利用瞬时功率理论得出装备输出电流d轴、q轴分量表达式；
步骤S3：基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值，得到电力电子装备输出电流的零轴分量；
步骤S4：当配电网发生单相接地故障时，将电力电子装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制配电网中的有功功率、无功功率。
进一步的，所述步骤S2具体为：
步骤S21:根据步骤S1得到的系统，利用基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002641695620000021
式中，vHX为电力电子装备中多电平变流器的输出电压，vgX为装备并网点电压，RHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的等效损耗电阻，LHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；
步骤S22：对并网电压vgX和电力电子装备输出电流iiX作Park变换后推导可得下式：
Figure BDA0002641695620000031
式中，vHd，vHq分别为电力电子装备中的多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；vd，vq分别为并网点电压经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；id，iq分别为装备输出电流经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；
步骤S23:取vd的平均值
Figure BDA0002641695620000038
故装备输出电流的d轴分量参考值idref为：
Figure BDA0002641695620000032
式中，Vgm为电力电子装备的并网点电压幅值；
装备输出电流的q轴分量参考值iqref为：
Figure BDA0002641695620000033
装备输出电流的d轴、q轴分量参考值对应的标幺值分别为：
Figure BDA0002641695620000034
Figure BDA0002641695620000035
式中，Sb为电力电子装备的额定容量；
步骤S24:令变量v1、v2为下式：
Figure BDA0002641695620000036
Figure BDA0002641695620000037
则标幺值化后的d轴、q轴输出电压可分别表示为：
Figure BDA0002641695620000041
Figure BDA0002641695620000042
利用PI控制器可实现对输出电压d轴、q轴分量的解耦控制。
进一步的，步骤S3具体为：
步骤S31:基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值；
步骤S32:利用基尔霍夫电流定律可得装备输出电流的零轴分量：
Figure BDA0002641695620000043
其中，v0为零序电压，c0、g0为配电网的对地参数；
步骤S33:利用基尔霍夫电压定律有：
Figure BDA0002641695620000044
设控制目标为将零序电压控为故障相电源电压的负值，故：i0＝ii0；
步骤S34:利用PI控制器将其作为电压内环,将电流电压双闭环控制的输出电压标幺值化即得零轴分量的输出。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明结合瞬时功率理论和柔性电压消弧方法，利用Park变换与dq0坐标系，实现集有功功率补偿、无功功率补偿及配电网单相接地故障消弧于一身的集成化柔性消弧。
附图说明
图1为本发明方法的控制框图；
图2为本发明一实施例中所应用的10kV配电网模型；
图3为本发明一实施例中所应用的10kV配电网等效电路；
图4为本发明一实施例中发生单相接地故障时零序网络等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，包括以下步骤：
步骤S1:在电力电子装备中多电平变流器的直流侧并接储能装置或直流电源，并将电力电子装备挂接于配电网三相母线；
在本实施例中，配电网单相接地故障集成化柔性消弧电力电子装备的拓扑结构如图2所示。多电平变流器的直流侧并接储能装置或直流电源。电力电子装备并网时，从配电网吸纳能量，对直流侧储能装置充电。配电网发生单相接地故障时，装备输出电流，在实现单相接地故障消弧的同时实现配电网有功、无功功率的双向流动，对负荷侧进行实时补偿，降低配电网网损。
步骤S2：归一化负荷有功功率需求及无功功率需求，利用瞬时功率理论得出装备输出电流d轴、q轴分量表达式，具体的：
在本实施例中，所述步骤S2具体为：
步骤S21:根据步骤S1得到的系统，利用基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002641695620000051
式中，vHX为电力电子装备中多电平变流器的输出电压，vgX为装备并网点电压，RHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的等效损耗电阻，LHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；
步骤S22：对并网电压vgX和电力电子装备输出电流iiX作Park变换后推导可得下式：
Figure BDA0002641695620000061
式中，vHd，vHq分别为电力电子装备中的多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；vd，vq分别为并网点电压经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；id，iq分别为装备输出电流经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；
步骤S23:取vd的平均值
Figure BDA0002641695620000066
故装备输出电流的d轴分量参考值idref为：
Figure BDA0002641695620000062
式中，Vgm为电力电子装备的并网点电压幅值；
装备输出电流的q轴分量参考值iqref为：
Figure BDA0002641695620000063
装备输出电流的d轴、q轴分量参考值对应的标幺值分别为：
Figure BDA0002641695620000064
Figure BDA0002641695620000065
式中，Sb为电力电子装备的额定容量；
步骤S24:令变量v1、v2为下式：
Figure BDA0002641695620000071
Figure BDA0002641695620000072
则标幺值化后的d轴、q轴输出电压可分别表示为：
Figure BDA0002641695620000073
Figure BDA0002641695620000074
利用PI控制器可实现对输出电压d轴、q轴分量的解耦控制。
步骤S3：基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值，得到电力电子装备输出电流的零轴分量；
在本实施例中，步骤S3具体为：
步骤S31:基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值；
步骤S32:利用基尔霍夫电流定律可得装备输出电流的零轴分量：
Figure BDA0002641695620000075
其中，v0为零序电压，c0、g0为配电网的对地参数；
步骤S33:利用基尔霍夫电压定律有：
Figure BDA0002641695620000076
设控制目标为将零序电压控为故障相电源电压的负值，故：i0＝ii0；
步骤S34:利用PI控制器将其作为电压内环,将电流电压双闭环控制的输出电压标幺值化即得零轴分量的输出。
步骤S4：当配电网发生单相接地故障时，将电力电子装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制配电网中的有功功率、无功功率。
实施例1：
在本实施例中，采用MATLAB/SIMULINK软件搭建如图2所示的软件仿真模型。线路参数为集中式，其中，单相对地电容cA＝cB＝cC＝c0＝7μF，单相对地电阻rA＝rB＝rC＝r0＝1/g0＝30kΩ，负荷经配电变压器接入配电网，有功功率需求为PL＝1MW，无功功率需求为QL＝1Mvar。110kV主变压器连接组别Yd11。级联H桥级联数取10，每级联直流侧电源电压取为1800V。三相级联H桥变流器连接电感LHX＝0.01H，三相级联H桥变流器等效连接电阻RHX＝0。电力电子装备的补偿容量设置为Pnom＝4MVA。
在0.01s时刻电力电子装备并网，即图2中的开关K合闸。配电网发生单相接地故障时刻为0.03s。0.05s时刻K1闭合，电力电子装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制配电网中的有功功率、无功功率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:在电力电子装备中多电平变流器的直流侧并接储能装置或直流电源，并将电力电子装备挂接于配电网三相母线；
步骤S2：归一化负荷有功功率需求及无功功率需求，利用瞬时功率理论得出电力电子装备输出电流d轴、q轴分量表达式；
步骤S3：基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值，得到电力电子装备输出电流的零轴分量；
步骤S4：当配电网发生单相接地故障时，将电力电子装备作为三相分别可控电流源注入电流同时控制配电网中的有功功率、无功功率；
步骤S3具体为：
步骤S31:基于柔性消弧原理中的电压消弧方法，利用电流电压双闭环控制将零序电压控为故障相电源电压的负值；
步骤S32:利用基尔霍夫电流定律可得装备输出电流的零轴分量：
Figure FDA0003269501910000011
其中，v0为零序电压，c0、g0为配电网的对地参数；
步骤S33:利用基尔霍夫电压定律有：
Figure FDA0003269501910000021
设控制目标为将零序电压控为故障相电源电压的负值，故：i0＝ii0；
步骤S34:利用PI控制器将其作为电压内环,将电流电压双闭环控制的输出电压标幺值化即得零轴分量的输出。
2.根据权利要求1所述的基于电压解耦控制的配电网单相接地故障柔性消弧方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
步骤S21:根据步骤S1得到的系统，利用基尔霍夫电压定律可得：
Figure FDA0003269501910000022
式中，vHX为电力电子装备中多电平变流器的输出电压，vgX为装备并网点电压，RHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的等效损耗电阻，LHX为电力电子装备中的多电平变流器与配电网之间的连接电感，X＝A,B,C；
步骤S22：对并网电压vgX和电力电子装备输出电流iiX作Park变换后推导可得下式：
Figure FDA0003269501910000023
式中，vHd，vHq分别为电力电子装备中的多电平变流器输出电压的d轴分量与q轴分量；vd，vq分别为并网点电压经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；id，iq分别为装备输出电流经低通滤波器后所得d轴分量与q轴分量；
步骤S23:取vd的平均值
Figure FDA0003269501910000031
故装备输出电流的d轴分量参考值idref为：
Figure FDA0003269501910000032
式中，Vgm为电力电子装备的并网点电压幅值；
装备输出电流的q轴分量参考值iqref为：
Figure FDA0003269501910000033
装备输出电流的d轴、q轴分量参考值对应的标幺值分别为：
Figure FDA0003269501910000034
Figure FDA0003269501910000035
式中，Sb为电力电子装备的额定容量；
步骤S24:令变量v1、v2为下式：
Figure FDA0003269501910000036
Figure FDA0003269501910000037
则标幺值化后的d轴、q轴输出电压可分别表示为：
Figure FDA0003269501910000038
Figure FDA0003269501910000039
利用PI控制器可实现对输出电压d轴、q轴分量的解耦控制。
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