CN115912337B

CN115912337B - 应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法及系统

Info

Publication number: CN115912337B
Application number: CN202211434760.4A
Authority: CN
Inventors: 孙凯祺; 范宏进; 刘洁; 刘耀琳; 孙媛媛; 李可军
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-11-16
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-06-13
Anticipated expiration: 2042-11-16
Also published as: CN115912337A

Abstract

本发明提供了一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法及系统，获取分布式光伏接入配电网系统中交流侧短路故障发生后，系统的电力参数，判断短路故障发生的位置及类型；根据短路故障类型，选择相对应的过电压抑制策略，确定继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，对积分器赋值的时间点，控制光伏逆变器中积分器的输出值为相应的控制策略所要求的输出值；根据所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制。本发明通过实现对分布式光伏逆变器的控制，有效抑制光伏接入系统在短路切除后的过电压。

Description

应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法及系统

技术领域

本发明属于电能质量控制技术领域，涉及一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

就目前的能源问题以及国际形势来看，发展新能源是具有很明显的实际意义的举措。特别是在我国，发展新能源有助于我国迅速摆脱对外部能源的依赖，形成自给自足的良好局面。同样，在世界范围内，联合国也建议采用可再生能源。在各种可再生能源中，太阳能光伏系统已经得到了较好的发展。

随着分布式光伏的渗透率逐渐增加，新型电力系统也面临着诸多传统电力系统没有的新问题。例如，光伏发电易受外界气候条件的影响，具有极大的波动性、随机性，会对电力系统产生冲击，造成谐振、过压等问题。另外，分布式光伏在配电网并网中，如果在交流线路发生了短路故障，那么在继电保护装置将短路故障移除后，会在交流侧产生过电压，该过电压随着不同短路故障类型而变化，且都持续时间长、电压越限严重。过高的过电压会危害电力系统的绝缘，在交流电路中产生电晕损耗，严重者甚至击穿绝缘，形成电弧，对电力系统运行产生极其恶劣的影响。而且，如果电力系统中发生的是两相短路或者三相短路，那么有一定的可能会在短路切除后无法自行恢复稳定状态，威胁电力系统安全运行。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法及系统，本发明通过实现对分布式光伏逆变器的控制，有效抑制光伏接入系统在短路切除后的过电压。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，包括以下步骤：

获取分布式光伏接入配电网系统中交流侧短路故障发生后，系统的电力参数，判断短路故障发生的位置及类型；

根据短路故障类型，选择相对应的过电压抑制策略，确定继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器，并将此作为对积分器赋值的时间点，控制光伏逆变器中积分器的输出值为相应的控制策略所要求的输出值；

根据所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制。

作为可选择的实施方式，预先获取分布式光伏接入配电网系统正常运行时，光伏逆变器中积分器的稳态输出值。

作为可选择的实施方式，所述电力参数包括电压、电流、相位和功率中的若干。

作为可选择的实施方式，所述过电压抑制策略具体包括：策略1：当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，直接控制光伏逆变器内部的积分器输出初始值为零。

作为可选择的实施方式，所述过电压抑制策略具体包括：

策略2：当继电保护装置判断短路故障为单相接地短路时，当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，逆变器控制内部的积分器的初始输出值为系统正常运行时的稳态值。

作为可选择的实施方式，所述过电压抑制策略具体包括：

策略3：当短路故障为两相短路故障或三相短路故障时，当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，直接对积分器进行持续一段时间的赋值，控制光伏逆变器中积分器的输出值为系统正常运行时的稳态值；直至系统检测到系统电压恢复稳态，此时对积分器输出值的控制才能结束。

作为进一步限定的实施方式，逆变器中的积分器双环控制可分为两种控制形式，一是电压外环、电流内环控制形式，二是有功功率内外环、无功功率内外环控制形式。这两种控制形式中均含有P I控制器，因此两种控制形式的积分器均可应用的控制策略。

一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制系统，包括：

参数获取模块，被配置为获取分布式光伏接入配电网系统中交流侧短路故障发生后，系统的电力参数，判断短路故障发生的位置及类型；

抑制策略选择模块，被配置为根据短路故障类型，选择相对应的过电压抑制策略，确定继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器，并将此作为对积分器赋值的时间点，控制光伏逆变器中积分器的输出值为相应的控制策略所要求的输出值；

故障控制模块，被配置为根据所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述方法中的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明可以显著降低分布式光伏接入配电网系统的短路故障过电压，加速短路故障切除后光伏系统电压恢复，提高配电网系统运行稳定性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是分布式光伏接入配电网系统典型结构图；

图2是分布式光伏接入配电网系统逆变器双环控制结构图；

图3是三种控制策略的控制框图；

图4是本实施例的控制框图；

图5是分布式光伏接入配电网系统的13节点配电网系统；

图6是单相短路故障d轴电压波形图；

图7是两相短路故障d轴电压波形图；

图8是三相短路故障d轴电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所述的随着分布式光伏大规模并入配电网，电力系统中光伏渗透率不断增加，分布式光伏的控制问题也越发重要。分布式光伏在配电网并网中，如果在交流线路侧发生了短路故障，无论是单相短路、两相短路还是三相短路，在继电保护装置将短路故障移除后，都会在交流侧产生过电压，该过电压的峰值随着短路故障类型而变化，且都持续时间长、电压越限严重。在某些情况下，甚至还会出现两相短路和三相短路被切除后，光伏输出无法恢复稳定的情况，输出电压波动极大，持续时间极长，如果无法有效控制，只能切除光伏接入，造成能源浪费。过高的过电压会危害电力系统的绝缘，在交流电路中产生电晕损耗，严重者甚至击穿绝缘，形成电弧，对电力系统运行产生极其恶劣的影响，威胁电力系统安全运行。

本实施例提出一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，通过实现对分布式光伏逆变器的控制，有效抑制光伏接入系统在短路切除后的过电压。

连接到配电网的分布式光伏系统的典型结构如图1所示，包括太阳能阵列、DC/DC转换器、DC/AC逆变器、变压器、配电网和其他组件。光伏系统可将太阳能电池板阵列输出的直流电转换成与电网电流相同幅值、频率、相位的交流电，实现电能与电网的连接和传输。

在分布式光伏接入配电网系统中，通常通过对逆变器的控制来实现对输出电压的调控。现有的逆变器控制策略通常为双环控制，如图2所示，通过电压外环、电压内环、电流外环、电流内环(或是有功功率内外环，无功功率内外环)的P I控制，来实现对d、q两轴的电压参考值的调控，从而影响逆变器输出的电压，提高光伏输出的稳定性。

为了解决大规模分布式光伏接入配电网系统在切除短路故障后产生的过电压问题，降低故障后的过电压，加速故障后电压的恢复，提高电力系统运行稳定性。

为描述清楚技术方案，本实施例先提供以下控制策略：

策略1：当继电保护装置检测到短路故障时，控制装置不动作，当继电保护装置切除短路线路时，直接控制光伏逆变器内部的积分器初始值为零。积分器不仅存在于外环电压控制器中，还存在于内环电流控制器中，此策略仅控制积分器短路后的输出初始值。

策略2：当继电保护装置切除短路后，控制光伏逆变器中积分器的初始值为稳态值。该稳态值为系统在稳定状态下检测得到的积分器的积分值。此策略仅控制积分器短路后的输出初始值。

策略3：当继电保护装置切除短路后，直接对积分器进行持续一段时间的赋值，控制光伏逆变器中积分器的输出值为稳态值，直至系统的电压恢复稳定状态。

具体如图3所示。

本实施例提供基于以上三种控制策略，提出了一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制的方法，包括以下三个步骤：

(1)步骤S1：数据预处理：在分布式光伏接入配电网系统正常运行时，采集光伏逆变器中积分器的稳态输出值，并记录。当系统中交流侧短路故障发生后，配网的传感器采集了电力系统的有用信息，如电压、电流、相位、功率，判断短路故障发生的位置及类型(单相短路、两相短路、三相短路)，并将信息传输给逆变器控制装置。

本实施例首先对于数据进行预处理，主要处理两个方面的数据。

首先是获得稳定状态下，光伏逆变器中积分器的稳态输出值，并记录，为后续策略的应用提供必要前提。

然后，当系统中发生交流侧短路故障后，对电力系统数据进行处理。采集电力系统中的物理参数，如电压、电流、相位、功率等必要数据，由继电保护装置判断电力系统发生的短路故障类型。短路类型主要分为三大类，分别是单相接地短路、两相短路以及三相短路。记录短路类型，为下一步控制策略的选择做准备。

(2)步骤S2：控制策略选择：依据步骤S1提供的短路故障类型，选择相对应的过电压抑制策略。当短路故障为单相接地短路时，采用策略2，当短路故障为两相短路故障或三相短路故障时，采用策略3。

本实施例的第二步是根据步骤S1判断的短路类型进行控制策略的选择。

上述提到的控制策略，其中过电压抑制效果最好的是策略2和策略3。当继电保护装置判断短路故障为单相接地短路时，采用策略2。当短路故障为两相短路故障或三相短路故障时，采用策略3。

(3)步骤S3：控制策略应用：继电保护装置直接切除短路故障，并将切除信息传输给逆变器控制装置。根据步骤S2所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制，从而实现降低过电压的目的。

经过步骤S1的数据预处理后，继电保护装置直接切除短路故障，并同时将短路故障的切除信号传输给逆变器控制装置。该短路故障切除信号作为逆变器应用过电压抑制策略的启动信号。

如图4所示，按照步骤S2判断的过电压抑制策略的应用类型，若短路故障为单相接地短路，那么应用策略2。当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，逆变器控制内部的积分器的初始值为稳态值。该稳态值为系统在稳定状态下检测得到的积分器的积分值，即步骤S1数据预处理中采集的稳态值。逆变器中的积分器存在于电压外环、电压内环、电流外环、电流内环四处(或是有功功率、无功功率内外环)，此策略应控制这四处积分器短路后的输出初始值。

按照步骤S2判断的过电压抑制策略的应用类型，若短路故障为两相短路或三相短路故障，那么应用策略3。当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，直接对积分器进行持续一段时间的赋值，控制光伏逆变器中积分器的输出值为稳态值，该稳态值与策略2中的稳态值相同，为步骤S1数据预处理中采集的稳态值，直至系统的电压恢复稳定状态。同样，此策略控制的积分器也存在于光伏逆变器的内外四个控制环。

为验证所提控制策略的有效性，在simulink软件中搭建分布式光伏接入配电网系统的13节点配电网系统，系统模型结构如图5所示，其中L_n代表配电网负荷结点，Grid代表大电网，PV代表分布式光伏，在f⁽ⁿ⁾处发生了短路故障。

本模型中所用的具体数据如表1所示。

表1系统模型参数

图6为系统交流侧发生单相接地短路故障时，应用三种控制策略以及不应用控制策略的d轴电压波形图。四个波形分别代表了不同抑制策略的应用状态。剩余曲线表示未应用控制策略，图6、图7、图8的图例均相同。为了便于比较，放大了过电压峰值波形。灰色区域表示短路持续时间，为0.2s到0.4s。

从图中可以看出，在单相短路故障中，如果没有任何控制策略，过电压为1.055p.u。采用策略1，过电压降至1.039p.u.。使用策略2后，过电压继续下降到1.015p.u.。而采用策略3后，过电压增加到1.045p.u.，说明策略2在单相短路状态下是最好的过电压抑制策略。

图7为系统交流侧发生两相短路故障时，应用三种控制策略以及不应用控制策略的d轴电压波形图。为了便于比较，放大了过电压峰值波形。灰色区域表示短路持续时间，为0.2s到0.4s。

从图中可以看出，在两相短路状态下，如果不采用控制策略，不仅过电压非常高，而且电压长期不稳定。采用策略1后，电压稳定时间明显缩短。采用策略2后，电压在0.2s内稳定下来，过电压降至1.101p.u.。采用策略3后，电压恢复时间急剧缩短，过电压也迅速下降到1.045p.u.。，说明策略3是两相短路故障的最佳过电压抑制策略。

图8为系统交流侧发生三相短路故障时，应用三种控制策略以及不应用控制策略的d轴电压波形图。为了便于比较，放大了过电压峰值波形。灰色区域表示短路持续时间，为0.2s到0.4s。

从图中可以看出，如果不采用控制策略，电压会长时间不稳定。采用策略1或策略2后，电压恢复稳定所用时间明显缩短。从放大波形中看出，两种策略的波形相似，但策略2的过电压抑制效果略优于策略1,。采用策略3后，电压恢复稳定所用时间急剧缩短，过电压也迅速下降到1.042p.u.。说明策略3是在三相短路故障下最好的过电压抑制策略。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，其特征是，包括以下步骤：

根据所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制；

所述过电压抑制策略具体包括：策略1：当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，直接控制光伏逆变器内部的积分器输出初始值为零；

策略2：当继电保护装置判断短路故障为单相接地短路时，当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，逆变器控制内部的积分器的初始输出值为系统正常运行时的稳态值；

策略3：当短路故障为两相短路故障或三相短路故障时，当继电保护装置将切除短路的信号传输给光伏逆变器后，直接对积分器进行持续一段时间的赋值，控制光伏逆变器中积分器的输出值为系统正常运行时的稳态值；直至系统检测系统电压恢复稳态，此时对积分器输出值的控制才能结束。

2.如权利要求1所述的一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，其特征是，预先获取分布式光伏接入配电网系统正常运行时，光伏逆变器中积分器的稳态输出值。

3.如权利要求1所述的一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，其特征是，所述电力参数包括电压、电流、相位和功率中的若干。

4.如权利要求1所述的一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制方法，其特征是，逆变器中的积分器双环控制可分为两种控制形式，一是电压外环、电流内环控制形式，二是有功功率内外环、无功功率内外环控制形式。

5.一种应用于分布式光伏配电网短路过电压抑制系统，其特征是，包括：

故障控制模块，被配置为根据所选择的策略类型，按照短路故障切除信号的指令，分别对相应的逆变器进行控制；

6.一种计算机可读存储介质，其特征是，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述方法中的步骤。

7.一种终端设备，其特征是，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-4中任一项所述方法中的步骤。