一种配电网短路下的逆变器电源建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种配电网短路下的逆变器电源建模方法，包括以下步骤：步骤一、从机理分析着手结合统计，对影响逆变器电源短路电流输出的因素进行分类；步骤二、确定若干典型的逆变器，及其短路输出电流的影响因素，影响因素分为三类：控制策略、拓扑结构、配电网短路类型；步骤三、建立所有控制策略下的短路模型，并拟合模型参数；模型参数用于分析逆变器电源故障。本发明大大减少工作量，提高逆变器电源短路仿真效率，方便逆变器电源故障分析，适用于电力系统对分布式电源系统的调度、联合运行与协调控制、随机模拟等需要快速建模与简单模型结构的研究领域。
【专利说明】
一种配电网短路下的逆变器电源建模方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力设备建模技术领域，特别是一种配电网短路下的逆变器电源建模 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，由于全球环境污染、常规能源短缺等问题，在科技进步和激励政策推动 下，太阳能光伏发电得到各国政府的重视和支持，太阳能光伏发电产业迅速发展。随着分布 式发电及微电网技术的飞速发展，各种类型的分布式电源(其中多为逆变型分布式电源)将 接入配电系统或构成微电网。
[0003] 配电网一般是指电压等级在IlOkV以下用于城镇范围内电能传输和分配的电网。 传统配电网内部一般不含有电源，传统配电网中变电站是唯一的电源且与大型发电机组的 电气距离较远，相对而言系统运行变化方式较小，短路电流变化范围不大，短路电流方向恒 定，所以传统配电网的保护方案一般是只在系统侧配置不含方向元件的阶段式电流保护， 通过上下级保护定值和动作时间的配置保证保护的选择性，并在线路系统侧配置三相一次 重合闸。传统的配电网一般是功率单向流动的辐射型网络，分布式电源的接入，改变配电网 的结构形态，使其由传统的功率单向流动的辐射型网络转变为功率双向流动的有源网络， 将会严重影响到传统配电网的单端保护配置可靠性，方案有时无法及时、准确地将故障切 除造成对配电系统稳定、设备健康状态的破坏;风电、光伏等分布式电源的发电机理、并网 结构和控制技术与传统电源有很大区别，短路电流计算模型不明确，不利于分析其接入对 配电网短路电流分布以及保护的影响；分布式电源的接入点和接入方式多样，对传统电流 保护的影响不同，不利于传统电流保护的整定配合;风电、光伏等分布式电源出力的间歇性 和随机波动性以及并网或者孤岛运行等运行方式的变化，会造成配电网的运行方式变化 大，对保护提出了新问题。因此，为了保证分布式电源接入情况下配电网保护的可靠动作， 并且充分利用分布式电源来提高供电可靠性，有必要开展适应分布式电源接入的配电网保 护的研究。
[0004] 由于分布式电源的接入，给配电网的保护带来了诸多不利的影响，尤其对于较高 电压等级的配电线路影响更大。分布式电源接入给保护带来的影响主要有：
[0005] 1)改变保护范围，可能引起保护失去选择性，灵敏度降低，拒绝动作和误动作等；
[0006] 2)配电网故障电流水平发生变化，给保护装置和断路器的容量提出了更高要求；
[0007] 3)影响原有过流保护，焰断器以及重合闸之间的配合；
[0008] 4)当未经逆变器接口分布式电源接入时，可能会产生谐波影响保护正确动作； [0009] 5)分布式电源的接入可能会造成故障点电弧不熄灭或者非同期合闸。
[0010]分布式电源复杂的故障电流特性和多变的运行方式导致传统继电保护性能劣化， 严重影响电网的安全稳定运行。同时，这也使得传统的以交流同步电机供电电源为基础的 短路电流分析理论和方法难以满足分布式电源接入后电网故障分析的要求，给以故障特征 为基础的继电保护原理研究带来了严峻的挑战。这已成为制约分布式发电技术进一步发展 和应用的重要技术瓶颈，存在大量的理论和技术问题亟待解决。由于逆变器电源的多样性 和其运行控制的复杂性，以及配电网短路的的多样性，工程师和研究人员必须根据实际情 况不断改进并网变换器的传统控制策略，使已有的光伏并网系统具备故障穿越能力。这使 得传统的仅针对特定的逆变器电源建立的模型不再适用，而需每次根据配不同的电网及逆 变器电源重新建立模型，工作琐碎且效率较低。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种配电网短路下的 逆变器电源建模方法，从逆变型分布式电源的外部短路特性入手，分析、归纳、综合主要影 响因素，结合短路动模实验数据通过由点到线再到面的建模方式，建立比较标准且普遍适 用的逆变器电源短路模型的方法，该模型具有通用性。
[0012] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0013] 根据本发明提出的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，包括以下步 骤：
[0014] 步骤一、从机理分析着手结合统计，对影响逆变器电源短路电流输出的因素进行 分类；
[0015] 步骤二、确定若干典型的逆变器，及其短路输出电流的影响因素，影响因素分为三 类:控制策略、拓扑结构、配电网短路类型；
[0016] 步骤三、建立所有控制策略下的短路模型，并拟合模型参数;模型参数用于分析逆 变器电源故障；
[0017] (301 )、综合步骤二中确定的各个影响因素；
[0018] (302 )、指定一种控制策略，在此控制策略下，任选一种拓扑结构，之后在短路类型 中根据不同短路类型建模；
[0019] (303)、然后再指定另一种拓扑结构，完成该拓扑结构所对应的不同短路类型的建 模；
[0020] (304)、重复(303)，直至完成指定控制策略下的所有拓扑结构下的建模；
[0021] (305)、指定另一种控制策略，重复(302)-(304)，直至所有控制策略下的短路模 型都已建立；
[0022] (306)、根据(305)建立好的短路模型进行短路动模试验，根据实验数据，拟合模型 参数;模型参数用于分析逆变器电源故障。
[0023] 作为本发明所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法进一步优化方 案，所述不同短路类型是指配电网三相短路、两相短路以及单相接地短路。
[0024] 作为本发明所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法进一步优化方 案，所述拓扑结构为全桥、H桥或推挽式结构。
[0025] 作为本发明所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法进一步优化方 案，所述控制策略为PQ控制、VF控制或下垂控制。
[0026] 作为本发明所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法进一步优化方 案，模型建立后，每种拓扑结构在特定控制策略下的短路模型都有一个唯一的编号，一旦被 选定，便通过对多路开关控制信号输入不同编号来选定该种短路模型从而进行仿真。
[0027] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0028] (1)本发明从逆变型分布式电源的外部短路特性入手，分析、归纳、综合主要影响 因素，结合短路动模实验数据通过由点到线再到面的建模方式，建立比较标准且普遍适用 的逆变器电源短路模型的方法，该模型具有通用性且可以根据需要进一步拓展；
[0029] (2)从逆变器电源的控制策略出发，依次考虑逆变器电源的拓扑结构以及配电网 短路方式进行建模;该种方法大大减少工作量，提高逆变器电源短路仿真效率，方便逆变器 电源故障分析，适用于电力系统对分布式电源系统的调度、联合运行与协调控制、随机模拟 等需要快速建模与简单模型结构的研究领域。
【附图说明】
[0030] 图1是基于电网电压矢量定向控制的双闭环控制策略控制框图。
[0031]图2是功率流动示意图。
[0032]图3是建模方法流程示意图。
[0033]图4是模型结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0035]下面基于Matlab/Simulink平台，建模配电网短路情况下逆变器电源的建模过程， 如图3流程图所不。
[0036] 步骤一:分析逆变器电源的外部短路特性；
[0037] 由于逆变器电源种类繁多，现基于一种目前广泛采用的电网电压矢量定向控制的 双闭环控制策略进行分析，具体的控制框图如图1。在Park坐标系下，三相电压电流可以转 换成d轴和q轴分量，将d轴定向于并网点电压矢量，通过电压矢量定向方法可以实现PQ解耦 控制，即P = UId，Q = UIq，其中U为并网点电压，Id为有功电流分量，Iq为无功电流分量。功率 外环将测量到的电网侧输出的有功功率P m、无功功率仏和有功功率和无功功率参考值Pre3f、 Qref做差，经过比例积分环节，得到内环控制电流基准分量Idref、Iqref。电流内环再将其与电 流测量值Id、I q作比较，再通过PI控制得到脉宽调制基准值，通过SPffM控制（图1中将此环节 等效为一阶滞后环节)得到逆变器触发脉冲的触发信号，从而达到控制输出有功和无功的 目的。其中在电流反馈控制环节中加入限幅环节，以保证输出电流不超过规定值。综上，根 据图1，电流型定功率控制策略的控制方程根据输出电流的大小有：
[0038]
[0039]其中Pref、Qref为基于最大功率跟踪控制下的直流侧输入功率，一般情况下为保持 电源单位功率运行，取Qref为零。Um为出口电压，I为逆变型电源输出电流，Imax为限幅电流。 出口电压UjPd轴电流的频域响应方程为：
⑵
[0040]
[0041 ]
(3)
[0042] 其中，Τ_、Κ_为P丽环节等效控制参数，R，L为逆变器回路等值电阻、电感，Kip、Kn 为电流控制环节控制参数。响应方程所包含极点与电流控制回路相同，因此具有快速响应 的特点。
[0043] 步骤二:调研影响逆变器电源的短路电流输出的因素，并将之分类；
[0044] 调研发现在现有的电力系统中可将影响因素可分为：
[0045] 第一:控制策略。逆变型电源输出电压电流的频率由网侧逆变器的控制策略决定， 输出电压幅值由直流侧电压幅值和逆变器的控制策略共同决定，由公式(3)电流的频域响 应与输出电压有关。逆变器电源运行控制控制策略分为PQ控制，VF控制和下垂控制以及倒 下垂控制。逆变器电源构成微网分为并网与孤网两种运行模式，考虑到为配电网短路情况 下即并网运行，以PQ控制、VF控制和下垂控制为主。PQ控制下其接入点电压和频率由大电网 提供支撑，可以不考虑频率和电压的调节，频率和电压的调节由大电网完成，此时逆变器电 源仅发送或吸收功率，假设逆变器输出电流为通过dq变换得到的d轴和q轴电流分别为Id、 Iq，电压为Ud、uq，由于uq = 0,所以当设定逆变器输出的有功功率Pref和无功功率Qref时，逆变 器输出的参考电流应为：
[0046]
(4)
[0047] 公式(4)可知逆变器电源短路电流输出与有功功率P和无功功率Q有关；
[0048] 第二:逆变器电源主电路拓扑。拓扑结构一般都由DC/DC变换电路和DC/AC变换电 路构成。其中DC/DC变换电路，它可以分为Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zete电路以 及正激、反激、推挽、半桥、全桥隔离变换器;而DC/AC变换电路也可以分为推挽逆变、半桥逆 变、全桥逆变电路等。不同拓扑结构下短路电流均不相同且并网点电压、电流受分布式电源 上游阻抗即系统侧阻抗、并网点到短路点线路阻抗影响。若一条线路上的有功、无功功率从 A点流向B点，如图2所示。从A点流向B点的有功功率和无功功率计算公式可表示为：
[0049]
[0050] 在高压传输线上，线路参数中感抗远大于电阻，即X?R，当功率角较小时，可以认 为??ηδ = δ，(3〇8δ = 1，那么上式可以近似简写为：
[0051]
[0052] 对于中低压配网传输线，由于线路中感抗与电阻接近或者远小于电阻，那么从式 (5)求得的方程可以改写为：
[0053]
[0054] 而分布式电源大多接在中低压配电网上，P、Q可参照公式(7)考虑。
[0055] 第三：配电网短路类型。实际电网运行中可能出现三相对称短路、两相不对称短 路、单相接地短路等一系列短路现象，大多故障为瞬时性产生，其中以单相短路接地最为频 繁。当发生单相短路接地故障时短路电流值会大大增加，对逆变器电源及大电网造成负面 影响。
[0056] 第四：故障点的位置。故障点位置距离分布式电源较远时，电压跌落程度较轻，分 布式电源输出电流没有达到限幅条件，分布式电源可以等效为输出功率一定的压控电流 源，反之当故障点位置距离分布式电源较近时，并网点跌落程度较重，分布式电源输出电流 达到限幅值，分布式电源可以等效为输出电流幅值大小一定的压控电流源。
[0057] 第五:分布式电源容量。在分布式电源接入容量较小时(一般为接入点短路容量的 10%)可以将短路电流计算结果进行线性处理，将分布式电源和传统电源输出的短路电流 解偶。采用近似公式计算出的短路电流大小会稍大于实际的稳态短路电流值。
[0058] 第六:微网运行方式。由逆变器电源构成的微网运行方式分为并网和孤网两种模 式。孤网运行下，微网内分布式电源提供的故障电流由于受电力电子器件的限制，其值一般 不超过故障电流的2倍。
[0059] 综合各个因素，可主要按照以下三个因素分类：
[0060] 第一:控制策略。逆变型电源输出电压电流的频率由网侧逆变器的控制策略决定， 输出电压幅值由直流侧电压幅值和逆变器的控制策略共同决定，由公式(3)电流的频域响 应与输出电压有关。逆变器电源运行控制控制策略分为PQ控制，VF控制和下垂控制以及倒 下垂控制。逆变器电源构成微网分为并网与孤网两种运行模式，考虑到为配电网短路情况 下即并网运行，以PQ控制、VF控制和下垂控制为主。本方法则主要考虑这三种控制策略。 [0061 ] 第二:逆变器电源主电路拓扑。拓扑结构一般都由DC/DC变换电路和DC/AC变换电 路构成。其中DC/DC变换电路，它可以分为Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zete电路以 及正激、反激、推挽、半桥、全桥隔离变换器;而DC/AC变换电路也可以分为推挽逆变、半桥逆 变、全桥逆变电路等。不同拓扑结构下短路电流均不相同且并网点电压、电流受分布式电源 上游阻抗即系统侧阻抗、并网点到短路点线路阻抗影响。联合实际情况我们发现，工程中 主要使用全桥式逆变器电路，其次是推挽式逆变器电路。因此本方法主要考虑这两种拓扑 结构。
[0062] 第三：配电网短路类型。实际电网运行中可能出现三相对称短路、两相不对称短 路、单相接地短路、两相接地短路等一系列短路现象，大多故障为瞬时性产生，其中以单相 短路接地最为频繁。当发生单相短路接地故障时短路电流值会大大增加，对逆变器电源及 大电网造成负面影响。通过调查发现，由于在中低压等级下的配电网中发生三相对称短路、 两相不对称短路以及单相接地短路的概率更大，因此，本方法主要研究这三种短路类型。 [0063]步骤三:综合步骤二中确定的各个影响因素，影响因素分为三类：1、控制策略，2、 拓扑结构，3、配电网短路类型;首先确定分类一的控制策略，再确定分类二的拓扑结构，之 后在分类三的短路类型中根据不同短路类型建模;然后修改分类二的拓扑结构，再完成分 类三下的建模，以此类推；当完成分类二的建模，修改分类一的控制策略，重复上述步骤;搭 建逆变器电源的短路模型。该模型较为精准，且可普遍适用，并且可以在此基础上继续拓 展，具有通用性。
[0064]根据三相VSC特性分析的需要，三相VSC的数学模型按适用的时间区域可分为以下 两种类型：（1)通常采用开关函数描述的高频数学模型；（2)通常采用占空比描述的低频数 学模型。采用开关函数描述的高频数学模型是对VSC开关过程的精确描述，较适合于VSC的 波形仿真。然而采用开关函数描述的高频数学模型由于包括了其开关过程的高频分量，因 而很难用于控制器设计。当VSC开关频率远高于电网基波频率时，可忽略VSC开关函数描述 的模型中高频成分。而只考虑其低频分量从而获得采用占空比描述的低频数学模型。这种 低频数学模型非常适合于控制系统分析以及控制器设计。因此高频模型和低频模型在VSC 控制系统设计过程中都起着重要作用。本方法先通过低频模型设计VSC的控制系统，然后采 用高频模型进行仿真，校验控制系统的性能指标。
[0065]由于不同拓扑结构的逆变器电源，使用同一控制策略时，控制模块所需的输入输 出变量相同。因此本专利从逆变器电源的控制策略出发，依次考虑逆变器电源的拓扑结构 以及配电网短路方式进行建模。该种方法大大减少工作量，提高建模效率。具体方法如下： [0066] 1、先在某一指定控制策略下、根据指定拓扑结构建立模型（比如:全桥PQ控制逆变 器电源、H桥VF控制逆变器电源......）；
[0067] 2、确定了控制策略和拓扑结构后，在此基础上分别对配电网三相短路，两相短路 以及单相接地短路进行建模。
[0068] 3、在2基础上，将拓扑结构通过多路开关Multiport Swich拓展到其他拓扑结构 (比如:全桥、H桥以及推挽式结构......）分别建立不同短路方式下的模型，完成由点到线 的建模。
[0069] 4、将控制策略通过多路开关拓展到其他控制策略，重复上述建模，完成由线到面 的建模。
[0070] 模型建立后，每种拓扑结构在特定控制策略下的短路模型都有一个唯一的编号， 一旦被选定，便可通过对多路开关控制信号输入不同编号来选定该种短路模型从而进行仿 真。此外，该模型还可以根据逆变器电源种类的发展进行拓展，具有通用性。模型结构示意 图见图4,其中模型选择可由人工输入所需的短路模型编号，使选择器和控制器分别选定指 定的拓扑结构和控制策略。控制器在实施控制策略之前会先根据模型选择传来的指令选择 相应控制策略，进而实施相应控制。
[0071] 步骤四、进行短路动模实验，根据实验结果辨识重要参数，并校验。
[0072] 进行短路动模实验得到实测数据。以有功功率P、无功功率Q作为输入变量，电流I 和电压U作为输出变量，搭建逆变器电源的非机理模型（I/O模型），根据短路动模实验数据， 辨识重要的模型参数;模型参数用于方便逆变器电源故障分析，适用于电力系统对分布式 电源系统的调度、联合运行与协调控制、随机模拟等需要快速建模与简单模型结构的研究 领域。
[0073] 本方法不会辨识所有参数，而会选择重要参数进行辨识。通过所选模型的可辨识 性分析，来确定需要辨识的参数。具体参数辨识时，先分别通过最小二乘类辨识方法和梯度 校正辨识方法分别求出参数，再取两者平均值。
【主权项】
1. 一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、从机理分析着手结合统计，对影响逆变器电源短路电流输出的因素进行分类； 步骤二、确定若干典型的逆变器，及其短路输出电流的影响因素，影响因素分为三类： 控制策略、拓扑结构、配电网短路类型； 步骤三、建立所有控制策略下的短路模型，并拟合模型参数;模型参数用于分析逆变器 电源故障； (301 )、综合步骤二中确定的各个影响因素； (302) 、指定一种控制策略，在此控制策略下，任选一种拓扑结构，之后在短路类型中根 据不同短路类型建模； (303) 、然后再指定另一种拓扑结构，完成该拓扑结构所对应的不同短路类型的建模； (304) 、重复(303)，直至完成指定控制策略下的所有拓扑结构下的建模； (305) 、指定另一种控制策略，重复(302)-(304)，直至所有控制策略下的短路模型都已 建立； (306) 、根据（305)建立好的短路模型进行短路动模试验，根据实验数据，拟合模型参 数;模型参数用于分析逆变器电源故障。2. 根据权利要求1所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，其特征在于， 所述不同短路类型是指配电网三相短路、两相短路以及单相接地短路。3. 根据权利要求1所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，其特征在于， 所述拓扑结构为全桥、H桥或推挽式结构。4. 根据权利要求1所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，其特征在于， 所述控制策略为PQ控制、VF控制或下垂控制。5. 根据权利要求1所述的一种配电网短路下的逆变器电源故障分析方法，其特征在于， 模型建立后，每种拓扑结构在特定控制策略下的短路模型都有一个唯一的编号，一旦被选 定，便通过对多路开关控制信号输入不同编号来选定该种短路模型从而进行仿真。
【文档编号】G06F17/50GK105914736SQ201610294971
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】林伟伟, 陈广巍, 齐贝贝, 陈谦, 鞠平, 余平, 余一平, 金宇清, 徐卓林
【申请人】河海大学