CN106897514B - 一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，首先对全功率变换型新能源场站进行等值处理，将所述新能源场站等值为频率依赖模型与低频动态模型；依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量，得到所述新能源场站的简化等值模型；再根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，并给出所述短路电流计算模型的适用范围。上述方法能够克服当前新能源场站短路电流计算模型存在的缺陷，满足风电场继电保护整定计算的需求。

Description

一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立 方法

技术领域

本发明涉及新能源电源短路电流研究技术领域，尤其涉及一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法。

背景技术

随着能源需求快速增长与能源供应短缺、环境污染之间矛盾的日益凸显，近年来以风电、光伏为代表的新能源发电在我国发展尤其快速。然而由于新能源电源并网需采用具有快速调控能力的电力电子器件，导致故障期间新能源电源输出电流的变化规律与传统同步发电机相比具有很大区别。

目前以永磁直驱型风电机和光伏为代表的全功率变换型电源在我国电网中所占比例的持续增加，这将使得所接电网故障电流特性发生根本性改变，造成现有电网继电保护难以快速、正确动作，而短路电流计算是电网继电保护技术的关键和基础。对于全功率变换型新能源场站而言，其故障电流完全由并网逆变器的控制响应特性决定，但实际中逆变器相关控制参数很难获取，因此建立全功率变换型新能源电源的短路电流计算模型已然成为了当前电网继电保护领域面临的难题和热点之一。

全功率变换型新能源场站通常由几十台甚至上百台新能源单元机组构成，汇集系统的拓扑结构复杂，若要计及场内所有元件的电磁暂态过程，整个场站的模型阶数将非常高，导致运算量巨大，计算耗时长，甚至无法计算。

发明内容

本发明的目的是提供一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，该方法能够克服当前新能源场站短路电流计算模型存在的缺陷，满足风电场继电保护整定计算的需求。

一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，所述方法包括：

对全功率变换型新能源场站进行等值处理，将所述新能源场站等值为频率依赖模型与低频动态模型；

依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量，得到所述新能源场站的简化等值模型；

根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，并给出所述短路电流计算模型的适用范围。

所述频率依赖模型为场内无源网络的降阶模型；

所述低频动态模型表征场内所有新能源单元机组的电磁暂态特性。

所述频率依赖模型的等值过程具体为：

断开全功率逆变型新能源机组并网逆变器与汇集系统主电路的电气联系；

在所述汇集系统首端处将汇集系统隔离，并在某一相注入一系列不同频率的电压，其与两相接地，测量各相的电压电流；

根据测量得到的电压电流，计算各个扫频频率下汇集系统的导纳矩阵；

采用矢量拟合技术对提取的导纳矩阵进行拟合，得到所述导纳矩阵的有理函数，表达式为：

式中，n为极点数，由导纳频率特性的谐振峰决定；c_n、a_n为留数和极点，或是实数或是共轭复数对；d、h为实数；a_n、c_n、h、d可由矢量拟合获取。

所等值出的低频动态模型包含新能源场站并网变流器的主电路部分与相应的控制系统部分，其中，所述控制系统部分进一步包括：

测量环节，用于检测并网变流器的端口电压和出线电流，并由此计算电压相角；

参考值生成环节，用于依据故障电压跌落情况，生成符合新能源并网标准的电流参考值；

限幅器，用于根据并网变流器的过流限制，判定电流参考值是否越限，在越限的情况下重新计算参考值；

电流控制环节，用于以电流参考值为目标，控制并网变流器的出线电流；

Park反变换环节，用于完成dq同步旋转坐标系到静止三相坐标系的变换，完成对并网变流器主电路的控制。

所述依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量的具体过程为：

针对所述频率依赖模型，通过导纳有理函数极点的实部和虚部，分析跃变电压中高频分量激励下产生的主要高频电流的振荡和衰减特性，得到所述频率依赖模型的时间尺度；

针对所述低频动态模型，根据电流控制环节的响应速度来得到所述低频动态模型的时间尺度。

所述根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的过程具体为：

通过分别计算新能源场站内每台单元机组的短路电流，再将各单元机组的短路电流变换到三相静止坐标系后相加，从而得到全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，表达式为：

其中，n是全功率变换型新能源电源台数；i_d,j、i_q,j为场内第j台全功率变换型新能源电源的d、q轴电流值；T_dq-abc为d_q同步旋转坐标系到abc静止坐标系的变换矩阵；i_Σ ^abc为新能源电源场站的总短路电流。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够克服当前新能源场站短路电流计算模型存在的缺陷，满足风电场继电保护整定计算的需求。

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为本发明实施例所提供全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型建立方法流程示意图；

图2为本发明实施例所举实例中电流内环(q轴)的结构示意图；

图3为本发明所举实例电流内环单位阶跃响应曲线及误差曲线示意图；

图4为本发明所举实例中无源网络和风电机的响应电流曲线示意图；

图5为本发明所举实例中低频动态等值模型的结构示意图；

图6为本发明所举实例某地电力系统接线图示意图；

图7为本发明所举实例中实际故障录波数据与仿真数据电流波形示意图。

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。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型建立方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1：对全功率变换型新能源场站进行等值处理，将所述新能源场站等值为频率依赖模型与低频动态模型；

该步骤中，新能源场站主要由无源网络和新能源电源组成，为简化对各台新能源电源和无源网络综合电磁暂态过程的分析，对新能源电源场站进行降阶等值，将新能源场站等值为一个频率特性与无源网络相同的频率依赖模型和一个控制系统与新能源电源相同的低频动态模型。也就是上述频率依赖模型为场内无源网络的降阶模型；低频动态模型表征场内所有新能源单元机组的电磁暂态特性。

具体实现中，所述频率依赖模型的等值过程包括宽频采样和矢量拟合两部分，具体为：

首先断开全功率逆变型新能源机组并网逆变器与汇集系统主电路的电气联系；

然后在汇集系统首端(主变低压侧)处将汇集系统隔离，并在某一相注入一系列不同频率的电压，其与两相接地，测量各相的电压电流；

再根据测量得到的电压电流，计算各个扫频频率下汇集系统的导纳矩阵；

最后采用矢量拟合技术对提取的离散导纳矩阵进行拟合，得到导纳矩阵的有理函数，表达式为：

式中，n为极点数，由导纳频率特性的谐振峰决定；c_n、a_n为留数和极点，或是实数或是共轭复数对；d、h为实数。a_n、c_n、h、d可由矢量拟合获取。

进一步的，所等值出的低频动态模型包含新能源场站并网变流器的主电路部分与相应的控制系统部分，所述控制系统部分进一步包括：

测量环节，用于检测并网变流器的端口电压和出线电流，并由此计算电压相角；

参考值生成环节，用于依据故障电压跌落情况，生成符合新能源并网标准的电流参考值；

限幅器，用于根据并网变流器的过流限制，判定电流参考值是否越限，在越限的情况下重新计算参考值；

电流控制环节，用于以电流参考值为目标，控制并网变流器的出线电流；

Park反变换环节，用于完成dq同步旋转坐标系到静止三相坐标系的变换，完成对并网变流器主电路的控制。

步骤2：依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量，得到所述新能源场站的简化等值模型；

在该步骤中，针对所述频率依赖模型，由于导纳有理函数的极点在频谱特性上体现为若干谐振峰，在每个谐振峰频率处，对应频率的电压激励下得到的电流被放大，因而可以通过导纳有理函数的极点的实部和虚部，分析跃变电压中高频分量激励下产生的主要高频电流的振荡和衰减特性，得到频率依赖模型的时间尺度。

举例来说，下表1是典型全功率逆变型新能源场站频率依赖模型导纳的极点，从表1中可见：高频电流中327Hz频率分量衰减时间为19.04ms；5036Hz分量经27.63ms衰减，其他频率分量衰减很快，可以忽略不计。

表1典型全功率逆变型新能源场站频率依赖模型极点和电流的衰减情况

各暂态电流衰减完毕后，电流进入稳态阶段。从导纳的频率特性，得到工频下正、负序导纳的工频相量为Y₁＝Y₂＝4.00E^-05+8.90E^-04i Si。该导纳的数量级非常小，在故障期间，频率依赖模型上只流过很小稳态工频电流，占等值模型总电流的份量较少。

针对所述低频动态模型，由于控制系统中唯有电流控制环节的调控会产生动态过程，因此根据电流控制环节的响应速度来得到低频动态模型的时间尺度。

举例来说，如图2所示为本发明实施例所举实例中电流内环(_q轴)的结构示意图，参考图2：K_ip+K_ii/s为PI控制器的传递函数；K_PWM/(T_PWM/s+1)为变流器的传递函数，K_PWM为变流器增益，T_PWM为惯性时间常数；1/(Ls+R)为逆变器出口阻抗的传递函数。

据此写出电流内环的开环传递函数：

故障后，电流参考值变化，考虑典型的单位阶跃突变，则输出电流为：

代入具体参数(标幺)：K_ip＝0.25、K_ii＝0.2475、K_PWM＝3.17、T_PWM＝0.2992、L＝0.43368、R＝0，并做拉氏反变换，如图3所示为本发明所举实例电流内环单位阶跃响应曲线及误差曲线示意图，由图3可见：单位阶跃输入下，电流内环输出值的调节时间为8.5ms，即电流内环在数毫秒内完成对参考值的跟踪。

故障期间，分别提取频率依赖模型和低频动态模型的响应电流，如图4所示为本发明所举实例中无源网络和风电机的响应电流曲线示意图，参考图4：故障发生于t＝0.113s，故障暂态期间，无源网络的高频电流大约经18.8ms衰减完毕；稳态期间，无源网络电流幅值0.00062kA，风电机输出电流0.04613kA，前者仅为后者的1.34％。这表明故障稳态期间频率依赖部分的电流可以忽略。因此，全功率逆变型新能源等值模型可以进一步简化为低频动态电流源模型，如图5所示为本发明实施例所述低频动态电流模型结构示意图。

步骤3：根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，并给出所述短路电流计算模型的适用范围。

在该步骤中，由于整个故障过程分为暂态、稳态两个阶段，暂态阶段过程持续时间为12ms左右，主要取决于电流内环调节速度而非高频电流衰减速度，这是因为：尽管高频电流衰减时间接近30ms，但由于电压跃变下的高频电压较小，无源网络在此激励下产生的暂态电流也很小；稳态期间，无源网络的工频导纳很小，仅流过很小工频电流，通过划分时间尺度，可以明确知道风电场电流于故障后9～15ms进入稳态。

以下针对稳态阶段提出全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，场站内各台单元机组的控制系统相同，均采用主流的“控制正序电流，抑制负序电流”的控制策略，依据低压穿越的相关标准制定控制目标，控制参数相同，整个场站的短路电流为各单元机组的短路电流之和，具体来说：

通过分别计算新能源场站内每台单元机组的短路电流，再将各单元机组短路电流变换到三相静止坐标系后相加，从而得到全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，表达式为：

其中，n是全功率变换型新能源电源台数；i_d,j、i_q,j为场内第j台全功率变换型新能源电源的d、q轴电流值；T_dq-abc为dq同步旋转坐标系到abc静止坐标系的变换矩阵；i_Σ ^abc为新能源电源场站的总短路电流。

当电网电压跌落，各新能源电源进入低压穿越区域时，d轴电流参考值与故障前出力有关，q轴电流与电压跌落程度有关。当式(3)计算所得dq轴电流参考值超过变流器限流值时，限幅器将优先根据限流值调整q轴电流参考值，使新能源电源发出足够无功以满足并网规程；其次再根据变流器耐流裕度决定d轴电流参考值大小。

下面再根据具体的算例对所建立的模型进行验证，以永磁风电场为例，通过实地采集的录波数据和仿真波形进行验证，如图6所示为本发明所举实例某地电力系统接线图示意图，参考图6：该电网内的才字乡风电场共装设66台永磁直驱式风电机，单机容量1.5MW，总装机容量99MW。场内共6条汇集线路，每条汇集线路接11台风机，长10km左右。用以下两组故障录波数据进行验证。

(1)风安线上距乾安变55km处发生C相瞬时接地故障，故障持续时间60ms，故障前才字乡风电场发出有功功率96MW，无功功率26MW；

(2)风安线上距乾安变25km处发生A相瞬时接地故障，故障持续时间55ms，故障前才字乡风电场发出有功功率45MW，无功功率3.5Mvar。

在RTDS仿真系统上建立才字乡风电场的等值模型，按录波数据设置初始工况和故障场景，测量故障下才字乡风电场送出线电流，如图7所示为本发明所举实例中实际故障录波数据与仿真数据电流波形示意图，参考图7：两种故障场景下，仿真值与实际值的变化基本一致，表明等值模型能较准确地反映风电场故障电流特性，证明了该模型的正确性。

进一步采用以上模型，验证所提短路电流计算模型。设置故障前风速为额定风速，才安线近风电场侧设置以下故障：三相接地故障、C相接地故障、AC相接地故障、AC相间故障。其中，接地故障的接地电阻为5Ω，相间故障的相间电阻为1Ω，表2-表5为计算结果和仿真结果。

表2才安线发生对称故障时永磁机机组群故障电流

表3才安线发生C相接地故障时永磁机机组群故障电流

表4才安线发生AC相接地故障时永磁机机组群故障电流

表5才安线发生AC相间故障时永磁机机组群故障电流

从上述表中结果可见，正序电流的幅值、相角误差均较小，幅值误差均小于5％，最大误差仅3.73％左右。仿真所得负序电流接近0，这是由风电机组消除负序电流的控制策略决定。

上述算例充分证明，本发明所提全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型能够适用于各种故障场景下的短路电流计算，解决了当前全功率逆变型新能源场站的短路电流计算模型阶数高、不易计算、结果不够精确、适用性不强等问题，这为含高密度新能源接入后的电力系统继电保护的整定计算提供理论依据，从而具有较强理论意义和适用性。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实例中全部或部分流程，是可以通过计算机程序来完成，所述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所属程序在执行时，可包括上述各方法的流程。其中，所述的存储介质可以为光盘、U盘、移动硬盘等。

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)

1.一种全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，其特征在于，所述方法包括：

对全功率变换型新能源场站进行等值处理，将所述新能源场站等值为频率依赖模型与低频动态模型；

依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量，得到所述新能源场站的简化等值模型；

根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，并给出所述短路电流计算模型的适用范围；

其中，所等值出的低频动态模型包含新能源场站并网变流器的主电路部分与相应的控制系统部分，所述控制系统部分进一步包括：

测量环节，用于检测并网变流器的端口电压和出线电流，并由此计算电压相角；

参考值生成环节，用于依据故障电压跌落情况，生成符合新能源并网标准的电流参考值；

限幅器，用于根据并网变流器的过流限制，判定电流参考值是否越限，在越限的情况下重新计算参考值；

电流控制环节，用于以电流参考值为目标，控制并网变流器的出线电流；

Park反变换环节，用于完成dq同步旋转坐标系到静止三相坐标系的变换，完成对并网变流器主电路的控制；

进一步的，所述根据简化的等值模型建立全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的过程具体为：

通过分别计算新能源场站内每台单元机组的短路电流，再将各单元机组的短路电流变换到三相静止坐标系后相加，从而得到全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型，表达式为：

其中，n是全功率变换型新能源电源台数；i_d,j、i_q,j为场内第j台全功率变换型新能源电源的d、q轴电流值；T_dq-abc为dq同步旋转坐标系到abc静止坐标系的变换矩阵；i_Σ ^abc为新能源电源场站的总短路电流。

2.根据权利要求1所述全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，其特征在于，

所述频率依赖模型为场内无源网络的降阶模型；

所述低频动态模型表征场内所有新能源单元机组的电磁暂态特性。

3.根据权利要求1所述全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，其特征在于，所述频率依赖模型的等值过程具体为：

断开全功率逆变型新能源机组并网逆变器与汇集系统主电路的电气联系；

在所述汇集系统首端处将汇集系统隔离，并在某一相注入一系列不同频率的电压，其与两相接地，测量各相的电压电流；

根据测量得到的电压电流，计算各个扫频频率下汇集系统的导纳矩阵；

采用矢量拟合技术对提取的导纳矩阵进行拟合，得到所述导纳矩阵的有理函数，表达式为：

式中，n为极点数，由导纳频率特性的谐振峰决定；c_n、a_n为留数和极点，或是实数或是共轭复数对；d、h为实数；a_n、c_n、h、d可由矢量拟合获取。

4.根据权利要求1所述全功率变换型新能源场站的短路电流计算模型的建立方法，其特征在于，所述依据所述频率依赖模型与低频动态模型所提供的电流的衰减特性和所占分量的具体过程为：

针对所述频率依赖模型，通过导纳有理函数极点的实部和虚部，分析跃变电压中高频分量激励下产生的主要高频电流的振荡和衰减特性，得到所述频率依赖模型的时间尺度；

针对所述低频动态模型，根据电流控制环节的响应速度来得到所述低频动态模型的时间尺度。

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