含逆变型分布式电源小电阻接地系统的接地故障分析方法与流程

本发明涉及电力系统故障分析领域，具体涉及一种含逆变型分布式电源小电阻接地系统的接地故障分析方法。

背景技术：

为了应对化石能源危机和缓解环境压力，以光伏发电和风力发电为代表的分布式发电技术在我国得到了大力发展，尤其是逆变型分布式电源(inverterinterfacedistributiongenerator，iidg)在电网中的接入日渐广泛。iidg是通过逆变器实现并网，其输出特性主要由逆变器的控制策略决定，具有较强的非线性；而且并网规定要求iidg应具有低电压穿越能力，即在电网发生故障后，故障相的电压跌落时，iidg能够优先输出无功以支撑起电网电压。iidg复杂的故障输出特性改变了配电网的短路电流分布，将可能造成传统配电网继电保护无法正确动作。

目前我国配电网大量采用中性点经消弧线圈接地方式。由于土地资源的紧缺以及对供电可靠性要求的提高，地下电缆输电被我国很多大中型城市所采用。电缆线路因具有较大的对地电容，以至于消弧线圈接地方式很难满足迅速增长的补偿容量需求，容易造成欠补偿、过电压等危险。由于小电阻接地系统具有较强的故障排除能力，能够有效地抑制过电压，越来越多的大型城市开始采用小电阻接地方式。小电阻接地系统发生接地故障时故障相会出现较大的压降，在低电压穿越期间iidg将输出较大的故障电流，极大地改变了馈线零序电流分布，因此iidg对于小电阻接地系统馈线零序电流保护的影响不可忽略。但是，目前iidg在小电阻接地系统中的应用尚缺乏完善的理论和经验指导，含iidg小电阻接地系统的故障分析成为了亟待研究的课题。

传统的接地故障分析方法是通过列写回路电流或节点电压方程求出各节点电压及注入电流，并在此基础上求解零序电流。但由于iidg的故障输出特性复杂，输出电流与公共联结点(pointofcommoncoupling，pcc)电压呈非线性关系，因此无法通过线性变换的方法直接求解回路电流方程。并且当电网发生不对称故障时，如果采取普通的控制策略，iidg将输出负序电流，这不仅会影响逆变器的性能，还会加剧电网的不对称程度，不利于故障的恢复。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供了一种计及iidg低电压穿越能力与消除负序电流控制策略的小电阻接地系统接地故障分析方法，所述方法通过高斯迭代法对回路电流方程进行求解，即以回路电流方程作为迭代方程，iidg输出电流与pcc电压的关系式作为修正方程，经过数次迭代修正后得到各节点电压和注入电流；同时，本iidg控制系统采用消除负序电流的控制策略，即把pcc正序电压作为参考，并将iidg的负序电流参考值设为0，使得iidg输出电流仅含正序分量。所述方法提高了故障分析的准确性，在工程实践中具有很强的实用性。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种含逆变型分布式电源小电阻接地系统的接地故障分析方法，所述方法包括以下步骤：

s1、计算小电阻接地系统正常运行时的公共联结点pcc的电压幅值upcc.0；

s2、根据正序等效定则，建立小电阻接地系统发生接地故障时的复合序网、负序序网和零序序网；

s3、利用负序序网和零序序网计算附加阻抗zδ，再利用复合序网列写故障时的回路电流方程：

其中k为当前迭代次数，z′为故障时的回路电流方程对应的阻抗矩阵，表示接地故障时小电阻接地系统中各个节点的正序电压，其中为小电阻接地系统的电源电压，为故障点的正序电压，为接地故障时pcc结点的正序电压，m表示pcc结点的序号；表示接地故障时小电阻接地系统中各个节点的注入电流，其中为流经电源侧母线的馈线正序电流，为流经故障点的正序电流，为接地故障时分布式电源注入pcc结点的电流；

由于和呈非线性关系，该回路电流方程无法通过线性变换直接求解，此处通过高斯迭代法进行求解，令该回路电流方程作为迭代方程，并利用逆变型分布式电源输出电流和pcc结点电压的关系式作为修正方程：

式中，i表示逆变型分布式电源对应的序号；idgd.f和idgq.f分别表示接地故障时逆变型分布式电源输出的有功电流和无功电流，imax为逆变型分布式电源所能输出的最大故障电流幅值；pref和qref分别表示逆变型分布式电源正常运行时输出的有功功率和无功功率，kb表示无功比例支撑系数，δ表示pcc结点电压相量和电源电压相量的夹角；

s4、将正常运行时各个节点的电压和注入电流作为迭代初值，并开始迭代和修正；

s5、每完成一次迭代修正后，判断是否满足收敛判据若满足，则结束迭代；若不满足，迭代次数k加1，然后进行下一次迭代；

s6、迭代完成后，利用所得的各电气量以及小电阻接地系统发生接地故障时故障点各序电流电压之间的关系，即可求得流经母线处的馈线零序电流。

进一步地，所述步骤s1具体包括以下步骤：

s11、根据正常运行时小电阻接地系统等值图得到正常运行时的回路电流方程：

其中，z表示正常运行时的回路电流方程对应的阻抗矩阵，表示正常运行时小电阻接地系统中各个节点的正序电压，为正常运行时pcc结点的正序电压，表示正常运行时小电阻接地系统中各个节点的注入电流，其中为正常运行时分布式电源注入pcc结点的电流，这里能够取各逆变型分布式电源的额定电流；

s12、根据回路电流方程求得然后取绝对值得到小电阻接地系统正常运行时的公共联结点pcc的电压幅值upcci.0。

进一步地，步骤s3中设置逆变型分布式电源正常运行时输出的无功功率qref为0。

进一步地，受到逆变器容量的影响，逆变型分布式电源的故障输出电流最多能够达到额定电流的两倍。

进一步地，为了消除负序分量带来的影响，逆变型分布式电源采取消除负序的控制策略，即把pcc电压正序分量作为参考值，从而只输出正序电流。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明通过计及iidg低电压穿越能力与控制策略，建立了新的iidg故障等值模型，能更加真实地反映iidg的故障电流特性；在此基础上建立新的小电阻接地系统接地故障分析模型，提高了故障分析的准确性，为含iidg小电阻接地系统的设备选型与保护整定等方面提供了科学的依据，在工程实践中具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例的小电阻接地系统图。

图2为本发明实施例含逆变型分布式电源小电阻接地系统接地故障分析方法的流程图。

图3(a)为本发明实施例小电阻接地系统的复合序网图，图3(b)为本发明实施例小电阻接地系统的负序序网图，图3(c)为本发明实施例小电阻接地系统的零序序网图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例以图1的小电阻接地系统为例，提供了一种含逆变型分布式电源小电阻接地系统的接地故障分析方法，所述方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

s1、计算小电阻接地系统正常运行时的公共联结点pcc的电压幅值upcc.0；具体包括以下步骤：

s11、根据正常运行时小电阻接地系统等值图得到正常运行时的回路电流方程：

其中，z表示正常运行时的回路电流方程对应的阻抗矩阵，本实施例中正常运行时的回路电流方程为：

其中为小电阻接地系统的正序等值阻抗；和分别为pcc1上游线路l1正序阻抗和pcc1下游线路l2正序阻抗；为负荷正序等值阻抗；表示系统等值电势，和分别为正常运行时pcc1和pcc2的电压；为正常运行时经过节点m的电流；和分别取值为iidg1和iidg2的额定电流；

s12、根据回路电流方程求得和然后取绝对值得到upcc1.0和upcc2.0。

s2、建立小电阻接地系统发生接地故障时pcc的电压幅值的求解方程组，具体包括以下步骤：

s21根据小电阻接地系统发生接地故障时的各序序网图，复合序网图、负序序网图和零序序网图分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，得到故障时的回路电流迭代方程：

其中k为当前迭代次数，z′为故障时的回路电流方程对应的阻抗矩阵，本实施例中故障时的回路电流迭代方程为：

其中和分别表示iidg1至故障点及故障点到节点n的线路正序阻抗；k表示当前迭代次数为第k次；zδ为附加阻抗；和分别为故障时pcc1和pcc2的正序电压；和分别为流经过节点m和故障点的正序电流；和分别为iidg1和iidg2的故障输出电流。对于单相接地故障，有对于两相接地短路，有其中为负序等效阻抗，为零序等效阻抗。由图3(b)和图3(c)的负序序网图和零序序网图可知：

根据iidg的控制策略，表示为：

式中，i(i＝1或2)表示含逆变型分布式电源对应的序号；idgd.f和idgq.f分别表示接地故障时含逆变型分布式电源输出的有功电流和无功电流，imax为含逆变型分布式电源所能输出的最大故障电流幅值；pref和qref分别表示含逆变型分布式电源正常运行时输出的有功功率和无功功率，kb表示无功比例支撑系数，δ表示pcc结点电压相量和电源电压相量的夹角；值得注意的是：1)为了充分利用可再生能源，qref一般设为0；2)受到逆变器短路容量的影响，iidg输出电流一般有最大值，通常为额定电流的两倍；

s22、将iidg的额定电流作为迭代初值，并通过步骤s21计算得到以及对iidg的输出电流进行修正，并判断是否满足收敛判据若满足，则结束迭代；若不满足，迭代次数k加1，然后进行下一次迭代修正。

s3、利用迭代完成后的各节点电压和注入电流，以及故障点各序电流电压的关系，可求出流经节点m的馈线零序电流其表达式为：

为了验证所提的含逆变型分布式电源小电阻接地系统的接地故障分析方法的有效性和准确性，在电力系统实时仿真系统rtds上搭建了如图1所示的小电阻接地系统模型，并利用matlab编写了所提故障分析算法，将matlab计算结果与rtds仿真结果进行比较。

图1所示的小电阻接地系统参数如下：iidg1和iidg2分别“t”接入线路中点和接入母线n，额定容量均为2.25mw，k均取2；系统等值电势为10.5kv，系统等值阻抗为(j0.5)ω，中性点接地小电阻为10ω；线路全长6km，单位长度阻抗为(0.13+j0.35)ω/km，单位长度零序阻抗为(0.39+j1.05)ω/km；负荷阻抗为(8+j3)ω；过渡电阻为1ω。

下面列举两种不同的接地故障情况予以说明：

情况1：

故障前，两个iidg的有功输出均为2.25mw，无功输出为零。线路末端处发生a相单相接地故障，matlab的计算结果和rtds的仿真结果如表1所示。

表1

由表1可知，当系统发生单相接地故障时，计算结果和仿真结果基本一致。母线m出口处馈线零序电流幅值相对误差为0.88％，相角误差为0.86°；pcc正序电压幅值最大相对误差为0.14％，最大相角误差为0.24°；iidg故障电流输出幅值最大相对误差为0.93％，最大相角误差为0.76°。

情况2：

故障前，两个iidg的有功输出均为2.25mw，无功输出为零。线路末端处发生bc相两接地故障，matlab的计算结果和rtds的仿真结果如表2所示。

表2

由表2可知，当系统发生单相接地故障时，计算结果和仿真结果基本一致。母线m出口处馈线零序电流幅值相对误差为0.88％，相角误差为0.86°；pcc正序电压幅值最大相对误差为1.26％，最大相角误差为0.74°；iidg故障电流输出幅值最大相对误差为1.26％，最大相角误差为0.8°。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。