一种基于阻抗补偿的SOP低电压穿越方法

一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法。


背景技术：

2.为了实现新型电力系统的新要求和新目标，配电系统的源荷特征发生了明显变化，例如风电、光伏等新能源以及负荷侧电动汽车等新型负荷在不同的时间和空间内呈现出不同的波动特性，从而导致配电网源荷两侧都具备强不确定性。现有配电网由于其馈线结构复杂、支路繁多、覆盖面广，与高压电网相比，发生故障更为频繁；同时，接入pcc点线路阻抗特征与高压电网显著不同，发生故障时，无法准确定位故障点以及识别故障类型。因此，为了保证柔性互联配电网的稳定性及电网运行质量，实现故障恢复，柔性电力电子开关应具备较强的故障穿越能力。
3.随着大规模可再生能源接入电网，当故障发生电网电压跌落时，以集中式风电或光伏并网换流器向电网发出一定的无功功率足以支撑并网点电压，从而确保并网换流器的lvrt能力。相对于光伏并网逆变器和风电机组换流器的低电压穿越，由于柔性电力电子开关由背靠背换流器构成，非故障侧换流器可以实现对故障侧换流器的长期功率支撑，其允许的低电压跌落时间不仅仅限于现有标准规定的0.625s。柔性电力电子开关接入对象为配网馈线，相较于风电场和光伏电站，接入pcc点线路的阻抗特性显著不同于高压电网，并且10kv馈线需要考虑线路电阻r，需要同时考虑有功功率和无功功率才能达到抬升并网点电压的作用，如何确定注入换流器有功功率和无功功率成为了需要解决的问题。
4.如公开号为cn112531781b公开的一种双并网接口光伏发电系统，其根据并网接口电路的有功功率和无功功率流动的目标值，获得有功电流目标值和无功电流目标值，根据有功电流目标值和无功电流目标值，将目标值通过dq/αβ变换后，得到在αβ坐标系下的输出电流的实测值，然后通过pr调节获得αβ坐标系下的电压值，然后通过αβ/abc变换得到并网接口的电压目标值va、vb、vc，然后通过h桥逆变器输出电压修正值。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法。
6.本发明通过以下技术方案得以实现。
7.本发明提供的一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，通过确定线路补偿阻抗，在故障侧按照功率分配比注入有功功率和无功功率，提升pcc点电压水平，其具体步骤为：
8.s1、对故障侧线路的pcc点的三相电压和三相电流的瞬时值进行采样；
9.s2、对采样到的瞬时值进行派克变换得到d轴电流分量id、q轴电流分量iq、d轴电压分量uq；
10.s3、分别建立故障侧pcc点的等效阻抗zb和馈线出线侧等效阻抗za的关系式；
11.s4、建立故障点到pcc点的补偿阻抗值r1、x1和故障点到馈线出线侧的补偿阻抗r2、x2的关系式；
12.s5、计算注入故障侧线路的有功功率p1和无功功率q1；
13.s6、将有功功率p1和无功功率q1注入故障侧线路使故障侧线性pcc点电压抬升。
14.所述s3中：
15.zb、za、rb、xb、ra、xa、和id、iq、ud的关系式为：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022]
zb和rb、xb及za和ra、xa的关系式为：
[0023][0024][0025]
r3为故障点处的接地电阻。
[0026]
所述s4的建立步骤为：
[0027]
s41、将阻抗公式z＝r+jx带入式(1)和式(2)：
[0028][0029][0030]
s42、对(3)和(4)式进行变换：
[0031][0032][0033][0034][0035]
所述s5对有功功率p1和无功功率q1的计算方法包括并网换流器lvrt准则计算方法
和电压抬升比例计算方法。
[0036]
所述并网换流器lvrt准则计算方法步骤为：
[0037]
s511、建立有功功率和无功功率的功率分配比等式：
[0038][0039]
s512、建立换流器容量表达式：
[0040][0041]
s513、将(10)式带入(11)式：
[0042][0043]
解得p1的表达式为：
[0044][0045]
s514、根据功率分配比得到q1的表达式：
[0046][0047]
所述电压抬升比例计算方法步骤为：
[0048]
s521、建立pcc点的补偿电压表达式：
[0049][0050]
s522、建立有功功率和无功功率的功率分配比等式：
[0051][0052]
s523、将(13)式带入(12)式得到：
[0053][0054]
s524、根据功率分配比得到q1的表达式：
[0055][0056]
所述步骤s6中并网换流器lvrt准则计算方法在无功电流i
t
满足以下条件时使用：
[0057]it
≥1.5
×
(0.9-u
pcc
)in(0.2≤u
pcc
≤0.9),
[0058]it
≥1.05
×in
(u
pcc
＜0.2),
[0059]it
＝0(u
pcc
＞0.9)。
[0060]
所述电压抬升比例计算方法满足以下条件时使用：
[0061]
p1＜p
max
，q1＜q
max
,s1＜s
max
,i
t
＜1.5in；
[0062]
p
max
、q
max
、s
max
分别为流过换流器的最大有功功率、最大无功功率、换流器最大容量。
[0063]
本发明的有益效果在于：通过对故障点两侧的补偿阻抗进行计算，通过补偿阻抗的lvrt控制策略在故障期间能够抬升电压并能够限制故障电流，在电网出现故障时，能够准确抬升pcc点电压水平以维持柔性电力电子开关挂网运行，降低对系统造成的不利影响，有利于电力系统安全稳定运行。
附图说明
[0064]
图1是本发明的拓扑结构结构图；
[0065]
图2是本发明的阻抗测量位置示意图；
[0066]
图3是本发明的并网换流器lvrt准则计算的lvrt控制框图；
[0067]
图4是本发明的电压抬升比例计算的lvrt控制框图；
[0068]
图5是系统ieee33节点仿真模型图；
[0069]
图6是本发明的实施例1仿真波形图；
[0070]
图7是本发明的实施例2仿真波形图；
[0071]
图8是本发明的实施例3仿真波形图。
具体实施方式
[0072]
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
[0073]
一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，利用柔性互联配电网中sop开关的调节能力，动态补偿故障时馈线的有功功率和无功功率，提升公共耦合点的电压水平，维持sop开关挂网运行.当馈线侧故障发生时，基于公共耦合点电压抬升原理，通过确定线路补偿阻抗，故障侧换流器按照功率分配比注入有功功率与无功功率，提升pcc点电压水平。
[0074]
当故障发生时，可通过pcc点测得的阻抗与馈线出线端测得的阻抗联立求出线路补偿阻抗，其具体测量方法如下所述：
[0075]
如图2中所示，故障发生时，需要确定的线路补偿阻抗值分别为靠近pcc一侧的补偿阻抗值r1、x1和靠近馈线出线侧的补偿阻抗r2、x2。通过系统采样得到pcc点三相电压和三相电流，对采样到的瞬时值进行派克变换得到d轴电流分量id、q轴电流分量iq、d轴电压分量uq，利用阻抗计算公式得到pcc点阻抗zb以及馈线出线侧a点阻抗za。如图2所示，pcc点阻抗可表示为a点阻抗表示为联立可得如下等式：
[0076]
[0077]
对其进行等式变换可得r1、x1、r2、x2与ra、xa、rb、xb之间的关系如下：
[0078][0079][0080][0081][0082]
其中ra、xa、rb、xb已通过测量得知，而r3为接地电阻，其电阻值已知。通过上述方程可求解出r1、x1、r2、x2，按照阻抗比注入有功功率与无功功率，能够实现pcc点电压抬升。
[0083]
当馈线侧发生故障时，对于注入换流器有功及无功功率的计算方法，考虑按照并网换流器低电压穿越(lvrt)准则以及电压抬升比例计算，其具体实现过程如下所述：
[0084]
工作模式一：按并网换流器lvrt准则计算
[0085]
参考光伏并网的低电压穿越准则，并网点电压跌落需要注入无功电流以支撑电网电压恢复，要求动态无功电流响应时间不得超过30ms并且要求注入电网的无功电流i
t
需满足下式要求：
[0086][0087]
式中，u
pcc
为并网点电压标幺值，in为额定电流。
[0088]
将有功和无功功率分配比等式带入换流器容量可得：
[0089][0090]
联立上述等式可得出注入有功功率p1按以下等式进行计算：
[0091][0092]
再通过功率分配比可计算出q1。
[0093]
工作模式二：按电压抬升比例计算
[0094]
除了依据并网换流器lvrt准则计算注入有功和无功功率，还可以通过电压抬升比
例进行p1、q1的计算，利用此方法计算时需要满足约束条件：
[0095]
p1＜r
max
，
[0096]
q1＜q
max
,
[0097]
s1＜s
max
,
[0098]it
＜1.5in；
[0099]
式中，p
max
、q
max
、s
max
分别表示为流过换流器的最大有功功率、无功功率及换流器最大容量。
[0100]
故障发生时，pcc点补偿电压表示为将功率分配比带入中可得到确定有功功率p1的计算，其计算如下式所示：
[0101][0102]
式中：δu
pcc
、u
pcc
、r1、x1为已知量，求出p1后带入中可确定注入换流器的无功功率q1。
[0103]
实现低电压穿越的完整策略在于：首先，当馈线发生故障时，此时系统监测到电压跌落，采样环节动作，采集电网三相电压与电流并检测出pcc点阻抗zb和馈线出线侧阻抗za，利用故障发生点附近阻抗与pcc点阻抗zb和馈线出线侧阻抗za之间的关系求解出r1、x1、r2、x2；其次，根据pcc点电压跌落值，分别根据并网换流器lvrt准则以及按电压抬升比例，求解出注入换流器有功功率p
ref1
和无功功率q
ref1
；最后，利用启动回路中开关动作，按照p
ref1
、q
ref1
给换流器vsc1注入有功和无功功率，实现pcc点电压抬升。
[0104]
如图1所示，为由两回10kv馈线构成双端互联系统的拓扑结构图，两侧馈线之间通过vsc换流器构成的柔性电力电子开关互联，在该柔性互联系统中，利用阻抗补偿的低电压穿越方法抬升pcc点电压以维持sop挂网运行。
[0105]
如图2所示，图中，r1、x1为故障点到pcc点的补偿阻抗值，r2、x2为故障点到馈线出线侧的补偿阻抗值；r3为接地电阻；pcc1处等效阻抗表示为zb；馈线出线侧等效阻抗表示为za。当故障发生时，由于r1、x1、r2、x2无法通过测量直接得出，可通过zb与za联立求出故障点补偿阻抗。补偿阻抗的确定步骤如下所述：
[0106]
(1)假设故障发生在馈线1侧，故障发生时，通过系统采样得到pcc1点三相电压u
abc1
和三相电流i
abc1
，对其进行瞬时值计算并将其进行派克变换得到id、iq以及ud；
[0107]
(2)利用阻抗计算公式得到pcc1点等效阻抗zb以及a点等效阻
[0108][0109]
(3)从图中可知，pcc1点阻抗表示为：a点阻抗
表示为：联立两式可得如下等式：
[0110][0111]
(4)根据步骤(3)中的等式关系可求得补偿阻抗r1、x1、r2、x2。
[0112]
图3为基于并网换流器lvrt准则以及基于电压抬升比例时的控制框图。
[0113]
如图3所示，假设故障发生在馈线1侧，当馈线发生故障时，实现低电压穿越的过程主要为以下几个步骤：
[0114]
(1)系统稳定时，此时系统监测换流器功率外环取值为p
ref
；
[0115]
(2)馈线故障发生时，此时系统监测到电压跌落，采样环节动作，采集电网三相电压与电流并检测出pcc1点阻抗zb和馈线出线侧阻抗za；
[0116]
(3)利用pcc1点阻抗zb和馈线出线侧阻抗za之间的关系求解出补偿阻抗r1、x1、r2、x2；
[0117]
(4)根据pcc1点电压跌落值确定无功电流i
t
并计算此时换流器功率，根据式联立求解出注入换流器有功功率p
ref
和无功功率q
ref
；
[0118]
(5)最后，利用启动回路开关动作，开关s1和开关s2由1切换至2处，按照p
ref
、q
ref
给换流器vsc1注入有功和无功功率，实现pcc点电压抬升。
[0119]
仿真模型如图5所示，通过在馈线1侧ieee33节点中不同的节点设置三相对称接地故障，实现不同程度的电压跌落，对采用阻抗补偿的低电压穿越控制策略与未采用该策略的仿真波形进行对比分析。以下是针不同故障点的实施例：
[0120]
实施例1：本实施例设置在ieee33节点中10节点发生三相对称故障，故障时间设置在1s，故障持续时间为0.625s，vsc1电压由10kv下降至5kv，电压跌落范围为0.2～0.9un。检测到故障发生后，根据阻抗补偿测量环节，得出此时的r与x的值分别为6.35ω与30ω，再根据本发明提出的阻抗补偿原理可知将有功及无功功率参考值分别设定为0.42mw和1.96mvar。如图6所示为本实施例中vsc1仿真波形图，从图中可以看出，未施加任何策略时，pcc点电压跌落至0.45pu，与采用无功支撑的lvrt方法相比，采用阻抗补偿的lvrt方法电压抬升效果更好，电压能够抬升至0.586pu，抬升比例为30.22％。
[0121]
实施例2:本实施例设置在ieee33节点1中7节点发生三相对称故障，故障时间设置在1s，故障持续时间为0.625s，vsc1电压由10kv下降至1.55kv，电压跌落范围为0.2un以下。检测到故障发生后，经过阻抗补偿测量环节，得出此时的r与x的值分别为2.83ω与2.02ω，再根据所提出的阻抗补偿原理可知需将有功功率参考值设定为1.10mw，无功功率参考值设定为0.78mvar。图7为本实施例中vsc1仿真波形图，从图7(a)中可以看出，在1s发生故障后，未加任何控制策略时，电压由10kv跌落至1.55kv，跌落至0.155pu，而采用阻抗补偿的lvrt方法后抬升电压至0.4pu，抬升比例为158.06％。同时，从图7(b)中可知，采用阻抗补偿控制策略时，在故障解除后直流电压波动减小。
[0122]
实施例3:本实施例设置在ieee33节点1中1节点发生三相对称故障，故障时间设置
在1s，故障持续时间为0.625s，vsc1电压由10kv下降至9kv，电压跌落范围为0.9un以上。故障发生后，经过阻抗补偿测量环节，得出此时的r与x的值分别为5.09ω与20ω，再根据所提出的阻抗补偿原理可知需将有功及无功功率参考值分别设定为0.54mw和2.12mvar。图8为本实施例中vsc1仿真波形图，从图8(a)中可以看出，在1s发生故障后，未加控制策略时，电压由10kv下降至9kv，跌落至0.9pu，而采用阻抗补偿策略通过注入一定的有功功率与无功功率后，能够抬升电压至0.98pu，抬升比例为8.89％。同实施例2，在采用基于阻抗补偿的低电压穿越方法时，故障解除后直流电压波动减小。
[0123]
综上，当系统发生故障导致电压跌落时，针对故障侧换流器，与未采用阻抗补偿lvrt方法相比，采用基于阻抗补偿的低电压穿越方法能够抬升pcc点电压并且能够有效降低直流电压波动，有利于柔性互联开关持续挂网运行。

技术特征：
1.一种基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，通过确定线路补偿阻抗，在故障侧按照功率分配比注入有功功率和无功功率，提升pcc点电压水平，其具体步骤为：s1、对故障侧线路的pcc点的三相电压和三相电流的瞬时值进行采样；s2、对采样到的瞬时值进行派克变换得到d轴电流分量i
d
、q轴电流分量i
q
、d轴电压分量u
q
；s3、分别建立故障侧pcc点的等效阻抗z
b
和馈线出线侧等效阻抗z
a
的关系式；s4、建立故障点靠近pcc一侧的补偿阻抗值r1、x1和靠近馈线出线侧的补偿阻抗r2、x2的关系式；s5、计算注入故障侧线路的有功功率p1和无功功率q1；s6、将有功功率p1和无功功率q1注入故障侧线路使故障侧线性pcc点电压抬升。2.如权利要求1所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述s3中：z
b
、z
a
、r
b
、x
b
、r
a
、x
a
、和i
d
、i
q
、u
d
的关系式为：的关系式为：的关系式为：的关系式为：的关系式为：的关系式为：z
b
和r
b
、x
b
及z
a
和r
a
、x
a
的关系式为：的关系式为：r3为故障点处的接地电阻，j为阻抗虚部标识字符。3.如权利要求1所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述s4的建立步骤为：s41、将阻抗公式z＝r+jx带入式(1)和式(2)：s41、将阻抗公式z＝r+jx带入式(1)和式(2)：s42、对(3)和(4)式进行变换：
4.如权利要求1所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述s5对有功功率p1和无功功率q1的计算方法包括并网换流器lvrt准则计算方法和电压抬升比例计算方法。5.如权利要求4所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述并网换流器lvrt准则计算方法步骤为：s511、建立有功功率和无功功率的功率分配比等式：s512、建立换流器容量表达式：s513、将(10)式带入(11)式：解得p1的表达式为：s514、根据功率分配比得到q1的表达式：6.如权利要求4所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述电压抬升比例计算方法步骤为：s521、建立pcc点的补偿电压表达式：δu
pcc
为pcc点的补充电压，u
pcc
为pcc点的电压采样值；s522、建立有功功率和无功功率的功率分配比等式：s523、将(13)式带入(12)式得到：
s524、根据功率分配比得到q1的表达式：7.如权利要求4所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述步骤s6中并网换流器lvrt准则计算方法在无功电流i
t
满足以下条件时使用：i
t
≥1.5
×
(0.9-u
pcc
)i
n (0.2≤u
pcc
≤0.9)，i
t
≥1.05
×
i
n (u
pcc
＜0.2)，i
t
＝0 (u
pcc
＞0.9)，i
t
为无功电流值，i
n
为有功电流值。8.如权利要求1所述的基于阻抗补偿的sop低电压穿越方法，其特征在于：所述电压抬升比例计算方法满足以下条件时使用：p1＜p
max
，q1＜q
max
，s1＜s
max
，i
t
＜1.5i
n
；p
max
、q
max
、s
max
分别为流过换流器的最大有功功率、最大无功功率、换流器最大容量。

技术总结
本发明提供的一种基于阻抗补偿了SOP低电压穿越方法，通过确定线路补偿阻抗，在故障侧按照功率分配比注入有功功率和无功功率，提升PCC点电压水平，本发明通过对故障点两侧的补偿阻抗进行计算，通过补偿阻抗的LVRT控制策略在故障期间能够抬升电压并能够限制故障电流，在电网出现故障时，能够准确抬升PCC点电压水平以维持柔性电力电子开关挂网运行，降低对系统造成的不利影响，有利于电力系统安全稳定运行。行。行。


技术研发人员：袁旭峰 徐玉韬 谈竹奎 熊炜 古晓凤 郑华俊 张超 陆之洋 张蝶
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24