CN113572151A - 一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，包括：1)建立储能逆变装置电压平衡方程；2)得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；3)建立并网点电压变化方程；4)建立虚拟阻抗表达式，得到虚拟阻抗压降；5)在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式；6)得到储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式；7)分析储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到虚拟阻抗幅值；8)根据储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到正、负序电压与并网点电压表达式，得到不对称短路故障阻感比。本发明利用虚拟阻抗来提高储能输电线路不对称短路电压。

Description

一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法

技术领域

本发明涉及一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，具体涉及一种利用虚拟阻抗来提高储能输电线路不对称短路电压的方法。

背景技术

电网容量不断增加，区域电网结构变的复杂，由光伏、风电等高渗透率分布式电源点组成的微网，由于其低惯性、低阻尼特性，势必会对大电网的频率稳定性造成影响。储能单元作为可以灵活充放电的电源，能够实现在电网中动态吸收、释放能量，且因为其响应快速、控制灵活，在维持电网电压稳定有无可替代的优势。

为了提高储能逆变装置故障发生和切除后的电压、电流变化应对能力，目前有两类方案，一种是添加主动、被动硬件设备，比如：无功补偿装置、储能设备、 crowbar电路来稳定电压、限制过流，但这些成套硬件设备，使改造成本大幅增加，与本身发电设备之间的协调控制也较为复杂。一种是通过改进控制算法，实现储能逆变装置输出电流限制和并网点电压支撑。

发明内容

本发明提出一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，利用虚拟阻抗来提高储能输电线路不对称短路电压，分析储能输电线路发生不对称短路时正、负序电压、电流，得出虚拟阻抗幅值及阻感比。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，包括以下步骤：

1)建立储能逆变装置电压平衡方程；

2)对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；

3)当网侧接地后，根据步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型，建立并网点电压变化方程；

4)采用虚拟阻抗补偿步骤3)储能并网点电压变化方程的电压降，建立虚拟阻抗表达式，得到虚拟阻抗压降；

5)为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤4)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式；

6)根据步骤5)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，得到储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式；

7)分析步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到虚拟阻抗幅值；

8)根据步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到正、负序电压与并网点电压表达式，得到不对称短路故障阻感比。

本发明进一步的改进在于，步骤1)建立储能逆变装置电压平衡方程：

其中：L表示线路等效电感；U_abc、i_abc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；储能逆变装置电压方程在 dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：当网侧接地后，根据步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型，建立并网点电压变化方程：

其中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降；u_d ^*、u_q ^*为电压目标值。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：采用虚拟阻抗补偿步骤3)储能并网点电压变化方程的电压降，建立虚拟阻抗表达式： Z_V(s)＝-R_V+sL_V；

其中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感，在dq坐标系下，虚拟阻抗压降为：

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤4)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式：

其中：ω_c.lpf为一阶低通滤波器的截止频率。

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，网侧发生不对称短路即单相或两相短路，此时电压还存在负序分量，定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2，得到储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式：

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：分析步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，为了求Z_V幅值，参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径，对称短路时 I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim，联立得到Z_V幅值为：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，当发生不对称短路，i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等，得到正、负序电压与并网点电压表达式：

储能并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系；为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑；当发生不对称短路时，根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明提出一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，利用虚拟阻抗来提高储能输电线路不对称短路电压。

2.本发明通过分析储能输电线路发生不对称短路时正、负序电压、电流，得出虚拟阻抗幅值及阻感比。

附图说明

图1为储能逆变装置电路结构图；

图2为储能逆变交流侧发生不对称短路正、负序等效电路；其中图2(a) 为正序等效电路，图2(b)为负序等效电路；

图3为储能逆变交流侧发生不对称短路等效故障网络图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，根据基尔霍夫电压定律可得：

式(1)中：L表示线路等效电感；U_abc、i_abc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。

如图2所示，对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型为：

式(2)中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。储能逆变装置电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，通常做法是采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。瞬时有功功率P仅与i_d有关；瞬时无功功率Q仅与i_q有关。为了实现功率的解耦控制，只需要控制i_d和i_q即可。

如图3所示，储能逆变装置正常工作时，并网点电压准确跟踪电压基准值，即u_d＝u_d ^*、u_q＝u_q ^*。当交流侧接地后，线路等效阻抗迅速降低，此时并网点电压变化为：

式(3)中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降，本发明采用虚拟阻抗就是补偿这部分电压降，虚拟阻抗表达式为：

Z_V(s)＝-R_V+sL_V (4)

式(4)中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感。在dq坐标系下，虚拟阻抗压降为：

为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，本发明在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对输入电流进行滤波处理，使虚拟电抗仅在低频部分表现电抗特性，则式(5)可变为：

式(6)中：ω_c.lpf为一阶低通滤波器的截止频率。

网侧发生不对称短路即单相或两相短路，此时电压还存在负序分量。定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2。

储能电源点可等效为恒压源，电压为u，C为并联电容器。正、负序电流计算如下：

为了求Z_V幅值，本发明参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径。对称短路时I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim。联立式(7)可得Z_V幅值为：

如图3所示，当发生不对称短路，i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等。正、负序电压与储能并网点电压关系为：

从式(9)可以看出，储能并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系。为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑。当发生不对称短路时，本发明根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立储能逆变装置电压平衡方程；

2)对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型；

3)当网侧接地后，根据步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型，建立并网点电压变化方程；

4)采用虚拟阻抗补偿步骤3)储能并网点电压变化方程的电压降，建立虚拟阻抗表达式，得到虚拟阻抗压降；

5)为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤4)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式；

6)根据步骤5)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，得到储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式；

7)分析步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到虚拟阻抗幅值；

8)根据步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，得到正、负序电压与并网点电压表达式，得到不对称短路故障阻感比。

2.根据权利要求1所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤1)建立储能逆变装置电压平衡方程：

其中：L表示线路等效电感；U_abc、i_abc为储能逆变装置输出交流三相电压、电流；e_abc为网侧三相电压；R表示线路等效电阻。

3.根据权利要求2所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)储能逆变装置电压平衡方程进行Park变换，得到储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型：

其中：

其中，T_abc→dq0为Park变换矩阵，

为电角速度；储能逆变装置电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。

4.根据权利要求3所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：当网侧接地后，根据步骤2)储能逆变装置在dq两相坐标系下的数学模型，建立并网点电压变化方程：

其中：u_Vd、u_Vq为发生故障后，线路等效下降阻抗的压降；u_d ^*、u_q ^*为电压目标值。

5.根据权利要求4所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：采用虚拟阻抗补偿步骤3)储能并网点电压变化方程的电压降，建立虚拟阻抗表达式：Z_V(s)＝-R_V+sL_V；

其中：R_V、L_V为虚拟电阻、虚拟电感，在dq坐标系下，虚拟阻抗压降为：

6.根据权利要求5所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：为了抑制谐波对虚拟电抗参数的影响，在虚拟电抗电压控制中引入低通滤波器对步骤4)输入电流进行滤波处理，得到虚拟阻抗压降低通滤波表达式：

其中：

为一阶低通滤波器的截止频率。

7.根据权利要求6所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据步骤5)虚拟阻抗压降低通滤波表达式，网侧发生不对称短路即单相或两相短路，此时电压还存在负序分量，定义正序电压、电流为u_f1、i_f1；负序电压、电流为u_f2、i_f2，得到储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式：

8.根据权利要求7所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：分析步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，为了求Z_V幅值，参考电流矢量限幅法，用I_f1、I_f2表示i_f1、i_f2的幅值，用I_lim表示电流矢量限幅半径，对称短路时I_f1≤I_lim，不对称短路时I_f1+I_f2≤I_lim，联立得到Z_V幅值为：

9.根据权利要求8所述的一种提高储能输电线路不对称短路电压的方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：根据步骤6)储能输电线路不对称短路时正、负序电流表达式，当发生不对称短路，i_f1＝i_f2，正、负序阻抗相等，得到正、负序电压与并网点电压表达式：

储能并网点正、负序电压与Z_R、Z_V成比例关系；为了抑制负序电压造成的三相电压不平衡，同时虚拟阻抗提供最大电压支撑；当发生不对称短路时，根据短路线路的线路阻抗阻感比设置虚拟阻抗阻感比，即设置虚拟阻抗与短路线路的阻感比相同。

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