抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统与流程

本发明涉及电力电网技术领域，特别是涉及抑制配网瞬时故障的VSMES(V-superconducting magnetic energy storage，电压源型超导磁储能)参数配置方法与系统。

背景技术：

配电网是连接电源与用户的关键环节，由于配电网范围广、设备多、运行工况复杂，各类故障频发，尤为电力用户正常用电行为。在配电网的众多故障中，瞬时故障尤为突出，表现为瞬时的电压跌落，严重影响电力用户的正常用电。

由于SMES(superconducting magnetic energy storage，超导磁储能)具有四象限功率快速调节的动态特性，同时电压型变流器作为当前电力电子技术领域的主流发展技术，在可靠性和成熟性方面已经取得了巨大的进步，因此，利用VSMES来抑制配网瞬时故障提供稳定的短时功率支撑具有重要的现实意义。

然而，当前针对配网瞬时故障的VSMES参数配置尚无完整的方法，多数情况下是采用人工经验方式进行VSMES参数配置，这样会导致设置的VSMES参数，无法实现对配网瞬时故障的快速抑制，严重危害电力电网的正常安全运行。

技术实现要素：

基于此，有必要针对目前尚无配网瞬时故障的VSMES参数配置方法的问题，提供一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统，以实现对配网瞬时故障的快速抑制，确保电力电网的正常安全运行。

一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法，包括步骤：

根据历史记录中配网瞬时故障的电压跌落情况预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量；

根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值；

获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，并根据超导线圈电感值以及最小储能，确定VSMES中初始电流；

获取VSMES抑制配网瞬时故障中VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆；

根据VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。

一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统，包括：

基础能量获取模块，用于根据历史记录中配网瞬时故障的电压跌落情况预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量；

电感值确定模块，用于根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值；

初始电流确定模块，用于获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，并根据超导线圈电感值以及最小储能，确定VSMES中初始电流；

功率参数获取模块，用于获取VSMES抑制配网瞬时故障中VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆；

支撑电容电压确定模块，用于根据VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。

本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统，预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量，根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值，获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，确定VSMES中初始电流，获取VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。整个过程中，采用工程化的参数设计方法和基于功率圆的参数设计思路，能够快速并准确配置抑制配网瞬时故障中VSMES参数，确保电力电网的正常安全运行。

附图说明

图1为VSMES的主电路拓扑结构示意图；

图2为本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法第一个实施例的流程示意图；

图3为功率圆示意图；

图4为VSMES的一相等值电路；

图5为本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法第二个实施例的流程示意图；

图6为本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统第一个实施例的结构示意图；

图7为本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统第二个实施例的结构示意图；

图8为本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统其中一个应用实例中，VSMES系统电路局部示意图。

具体实施方式

本发明提出一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统，VSMES的主电路拓扑结构如图1所示，参数配置方法其主要包含三个方面：超导线圈电感值L的选取、超导线圈初始电流I_{sm_ref}的选取和支撑电容电压U_dc的选取。超导线圈电感值L的选取是决定后续初始电流大小的关键，影响超导磁储能的能量大小，初始电流I_{sm_ref}的选取直接反映了VSMES抑制电压跌落的最小储能值ΔE，支撑电容电压U_dc的选取及修正会直接影响VSMES的功率调节范围。

如图2所示，一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法，包括步骤：

S100：根据历史记录中配网瞬时故障的电压跌落情况预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量。

历史记录中配网瞬时故障的电压跌落情况可以基于配电网运行日志等获取，在历史记录中会记录有配网瞬时故障的电压跌落情况发生时间、故障发生位置与关联设备、瞬时电压值以及瞬时电流值等。非必要的，可以针对历史记录中配电网瞬时故障的电压跌落情况进行初步筛选，选取区中具有代表性的典型配网瞬时故障的电压跌落情况，再基于该典型配网瞬时故障的电压跌落情况预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量。具体来说，可以先预估VSMES中超导线圈预估电流值、超导线圈预估电压值，并结合VSMES在瞬时故障的持续时间来预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量，其具体计算公式为：基础能量ΔE₀＝I_L0*U_L0*t_sag，式中I_L0为超导线圈预估电流值，U_L0为超导线圈预估电压值，t_sag为VSMES在瞬时故障的持续时间。

S200：根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值。

VSMES中超导线圈自身临界电流与VSMES中超导线圈本身承受的直流电压为超导线圈自身的性能参数，其可以通过对超导线圈采用常规试验手段来检测获得，或者直接通过超导线圈的铭牌以及产品供应商来了解其自身临界电流与承受的直流电压。具体来说，VSMES中超导线圈电感值的具体计算公式如下：

式中，L为VSMES中超导线圈电感值，ΔE₀为预估的VSMES抑制配网瞬时故障中基础能量，ΔE₀＝I_L0*U_L0，I_L0为VSMES中超导线圈预估电流值，U_L0为VSMES中超导线圈预估电压值，I_C为VSMES中超导线圈自身临界电流，U_c为VSMES中超导线圈本身承受的直流电压。

S300：获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，并根据超导线圈电感值以及最小储能，确定VSMES中初始电流。

根据VSMES抑制配网瞬时故障导致电压跌落所需的最小储能ΔE，并结合超导磁体本身的电磁特性(VSMES中超导线圈电感值L)，来选取初始电流I_{sm_ref}，其具体计算公式如下：

式中，I_{sm_ref}为初始电流，ΔE为VSMES抑制配网瞬时故障导致电压跌落所需的最小储能，L为VSMES中超导线圈电感值。具体来说，最小储能ΔE可以基于历史经验数据分析获得。

S400：获取VSMES抑制配网瞬时故障中VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆。

支撑配网瞬时故障导致的电压跌落时，可近似认为VSMES运行在固定的状态点，即VSMES在瞬时故障t_sag期间所恒定输出的有功功率ΔP和无功功率ΔQ，则有：

ΔP＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×sinf₂(V_load,V_sag,α,φ)

ΔQ＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×cosf₂(V_load,V_sag,α,φ)

其中，f₁(V_sag,V_load,cosα)函数和f₂(V_load,V_sag,α,φ)函数满足

其中，V_load和I_load为故障前的负荷电压和负荷电流，V_sag为故障后的系统电压，α为V_load超前I_load的相角，φ为V_sag相对I_load的相角。此时，VSMES的工况点为(ΔP,ΔQ)，则有：

ΔE＝ΔP×t_sag

VSMES持续支撑瞬时电压跌落时，VSMES最小的功率调节范围必须包含覆盖工况点(ΔP,ΔQ)。然而，VSMES的功率调节范围与支撑电容电压U_dc的选取相关，且在电路结构确定的前提下，U_dc的大小与VSMES的功率调节范围成正比。因此，VSMES最小功率调制范围的必须满足功率圆(如图3所示)约束。

S500：根据VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。

采用基于功率圆的VSMES参数配置思路，确定VSMES中支撑电容电压。其具体的计算公式如下：

U_dc＝U(ΔP,ΔQ,O,R)

式中，U_dc为VSMES中支撑电容电压，ΔP为VSMES在瞬时故障期间所恒定输出的有功功率，ΔQ为VSMES在瞬时故障期间所恒定输出的无功功率，O为功率圆圆心，R为功率圆半径，U_s为VSMES中电压幅值，X_L为VSMES中一相等值电路的滤波电感，U_t为VSMES交流侧的输出电压幅值，M为调制比，与调制方式相关。VSMES中电压幅值U_s、VSMES中一相等值电路的滤波电感X_L、VSMES交流侧的输出电压幅值U_t以及调制比M均可以在实际应用中采用直接测量方式或采用直接测量+分析方式来获取这些参数，例如在需获取VSMES中一相等值电路的滤波电感X_L时，可以先获取如图4所示的VSMES的一相等值电路，在对该VSMES的一相等值电路进一步研究获得VSMES中一相等值电路的滤波电感X_L。

本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法，预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量，根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值，获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，确定VSMES中初始电流，获取VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。整个过程中，采用工程化的参数设计方法和基于功率圆的参数设计思路，能够快速并准确配置抑制配网瞬时故障中VSMES参数，确保电力电网的正常安全运行。

如图5所示，在其中一个实施例中，步骤S500之前还包括：

S420：获取配网瞬时故障的电压跌落以及配电网中设备损耗对VSMES功率调节范围的影响增加补偿量。

在实际操作中，为了更加准确确定VSMES中支撑电容电压，需要考虑配网瞬时故障的电压跌落以及配电网中设备损耗对VSMES功率调节范围的影响，因此，在确定VSMES中支撑电容电压时，根据VSMES支撑电压时的工况点(ΔP,ΔQ)和反映功率调节范围的功率圆，并考虑到配网发生瞬时故障时系统电压跌落及电力电子设备的损耗对VSMES功率调节范围的影响增加补偿量ΔU，最终获得支撑电容电压U_dc。配网瞬时故障的电压跌落以及配电网中设备损耗对VSMES功率调节范围的影响可以基于历史经验数据分析获得。修正后VSMES中支撑电容电压的计算公式如下：

U_dc＝U_min(ΔP,ΔQ,O,R)+ΔU

式中，ΔU为配网发生瞬时故障时系统电压跌落及电力电子设备的损耗对VSMES功率调节范围的影响增加补偿量，其余参数含义同上，不再赘述。

如图6所示，一种抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统，包括：

基础能量获取模块100，用于根据历史记录中配网瞬时故障的电压跌落情况预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量。

电感值确定模块200，用于根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值。

初始电流确定模块300，用于获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，并根据超导线圈电感值以及最小储能，确定VSMES中初始电流。

功率参数获取模块400，用于获取VSMES抑制配网瞬时故障中VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆。

支撑电容电压确定模块500，用于根据VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，确定VSMES中支撑电容电压。

本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统，基础能量获取模块100预估VSMES抑制配网瞬时故障的基础能量，电感值确定模块200根据预估的基础能量、VSMES中超导线圈自身临界电流以及VSMES中超导线圈本身承受的直流电压，确定VSMES中超导线圈电感值，初始电流确定模块300获取VSMES抑制配网瞬时故障中导致电压跌落所需的最小储能，确定VSMES中初始电流，功率参数获取模块400获取VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆，支撑电容电压确定模块500确定VSMES中支撑电容电压。整个过程中，采用工程化的参数设计方法和基于功率圆的参数设计思路，能够快速并准确配置抑制配网瞬时故障中VSMES参数，确保电力电网的正常安全运行。

如图7所示，在其中一个实施例中，抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置系统还包括：

影响增加补偿量获取模块420，用于获取配网瞬时故障的电压跌落以及配电网中设备损耗对VSMES功率调节范围的影响增加补偿量。

支撑电容电压确定模块500还用于根据VSMES支撑电压时的工况点与表征VSMES功率调节范围的功率圆以及影响增加补偿量，确定VSMES中支撑电容电压。

在其中一个实施例中，电感值确定模块200确定VSMES中超导线圈电感值的计算公式具体为：

式中，L为VSMES中超导线圈电感值，ΔE₀为预估的VSMES抑制配网瞬时故障中基础能量，ΔE₀＝I_L0*U_L0，I_L0为VSMES中超导线圈预估电流值，U_L0为VSMES中超导线圈预估电压值，I_C为VSMES中超导线圈自身临界电流，U_c为VSMES中超导线圈本身承受的直流电压。

在其中一个实施例中，VSMES支撑电压时的工况点包括VSMES在瞬时故障期间所恒定输出的有功功率和无功功率。

在其中一个实施例中，支撑电容电压确定模块500确定VSMES中支撑电容电压的计算公式具体为：

U_dc＝U(ΔP,ΔQ,O,R)

式中，U_dc为VSMES中支撑电容电压，ΔP为VSMES在瞬时故障期间所恒定输出的有功功率，ΔQ为VSMES在瞬时故障期间所恒定输出的无功功率，O为功率圆圆心，R为功率圆半径，U_s为VSMES中电压幅值，X_L为VSMES中一相等值电路的滤波电感，U_t为VSMES交流侧的输出电压幅值，M为调制比。

为了更进一步详细解释本发明抑制配网瞬时故障中VSMES参数配置方法与系统的技术方案及其有益效果，下面将采用具体实例来进行说明。

如图8，该系统电路局部示意图包含5个等效用户Z₀，Z₁₀，Z_load，Z₂₀，Z₂₁，1个等效电源V₀和在d点并网的VSMES。其中，Z_load为重要用户。为了简化实例，可假设Z₁₀＝Z₂₀，Z₂₁＝Z_load，当在fault点发送瞬时故障时，VSMES动作支撑d点电压，确保重要用户Z_load的电能质量不变。

步骤1、超导线圈电感值L的选取：由于故障后为Z₀与Z₁₀之间的电压V_bus和d点电压V_load都将下降。而为了提升V_load电压，VSMES会向Z_load和Z₂₀同时提供电能，也间接提升了V_bus电压。因此，可初步根据故障前后I_load的变化量预估ΔE₀，VSMES中超导线圈预估电流值I_L0和VSMES中超导线圈预估电压值U_L0，并结合超导线圈本身的性能约束和经济性因素选择小容量的L值，则有

步骤2、超导线圈初始电流I_{sm_ref}的选取：假设故障前Z_load的负荷电流相角为参考基准，则根据故障发生前后的线路电压和可以得到VSMES用于抑制配网故障的运行工况点(ΔP，ΔQ)满足：

ΔP＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×sinf₂(V_load,V_sag,α,φ)

ΔQ＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×cosf₂(V_load,V_sag,α,φ)

而根据(ΔP，ΔQ)及瞬时电压跌落时长t_sag，则确定VSMES最小功率调制范围的储存能量ΔE＝ΔP×t_sag，故：

步骤3、支撑电容电压U_dc的选取及修正：考虑到VSMES的功率调节范围必须覆盖工况点(ΔP，ΔQ)，当(ΔP，ΔQ)在VSMES的可调节范围边缘上，即：(ΔP，ΔQ)在VSMES的功率圆的圆周上，此时U_dc最小。同时考虑到修正因素，根据工程经验配置配网发生瞬时故障时系统电压跌落及电力电子设备的损耗对VSMES功率调节范围的影响增加补偿量ΔU，则有：

U_dc＝U_min(ΔP,ΔQ,O,R)+ΔU

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。