一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法

本发明涉及电力设备，尤其是一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法。

背景技术：

1、随着可再生能源技术的发展，大量分布式电源接入配电网，导致潮流的大小和方向随机变化。因此，常规的保护方案可能失效，配电网故障因无法被及时处理，导致负面影响增加。据统计，配电网发生的故障大多数为单相接地故障，且通常伴随有高温电弧。电弧性接地故障容易引发电力设备损伤、过电压、火灾等衍生事故。此外，接地故障点周围将存在跨步电压，可能引发人身触电。接地故障电流为配电网对地电容电流和泄漏电阻电流总和，采用消弧线圈可以补偿接地故障电流中的容性分量，但无法补偿接地故障电流中的阻性分量。残余的故障电流可能导致电弧重燃，因此，消弧线圈已无法适应当前的新型配电网。

2、基于电力电子变流器的柔性消弧装置能够四象限调控电流，实现接地故障电流全补偿，因此受到业界广泛的关注，具备很好的应用前景。其中，基于级联h桥变流器的柔性消弧装置，能够耐受高电压、大电流，具备大容量补偿能力，且安装位置灵活。其可安装在配电网接地变压器中性点，与消弧线圈配合运行，亦可以单独运行。此外，其能够直接挂接在配电网的任意位置，并且满足单相、两相和三相级联h桥变流器接入条件。挂接在线路中的柔性消弧装置能够从配电网吸收能量，无需额外的直流供电。然而，级联h桥的耐压等级需要满足线电压要求，导致级联数增加，装置的成本上升，且两相和三相级联h桥的成本投入更高。因此，中性点接入式的级联h桥柔性消弧装有更高的性价比。然而，由于配电网正常运行时，中性点电压为零，柔性消弧装置无法从配电网吸收能量。因此，需要为柔性消弧装置的每个h桥单元提供独立的直流电源，导致装置的成本、体积和重量严重增大。

3、鉴于此，若能够解决中性点接入式的柔性消弧装置直流取源的问题，有利于装置的模块化和轻量化，实现柱上安装和更好的推广应用。

技术实现思路

1、本发明提出一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，该方法能够在不影响配电网单相接地故障柔性消弧效果的情况下，实现柔性消弧装置直流源数量和容量最小，有效减小柔性消弧装置的成本和体积。

2、本发明采用以下技术方案。

3、一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，所述方法根据配电网单相接地故障柔性消弧装置的输出特性，将柔性消弧装置的输出电压参考向量分解为两个相互垂直的电压子向量，且两个电压子向量分别平行和垂直于柔性消弧装置的输出电流参考向量；将柔性消弧装置的级联h桥模块分成主模块和辅助模块两部分，将平行于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为主模块的输出电压参考量，将垂直于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为辅助模块的输出电压参考量，由主模块向外输出有功功率，辅助模块向外输出无功功率。

4、所述主模块向外输出有功功率所需的电能仅由为其配置的直流电源提供，所述辅助模块仅向外输出无功功率，辅助模块未配置直流电源，以使柔性消弧装置所需配备的直流电源数量和容量最小。

5、柔性消弧装置的输出电压向量为主模块的输出电压向量与辅助模块的输出电压向量之和，所合成的输出电压向量为输出电压参考向量；即配电网柔性消弧装置直流源最小化方法在实施后，柔性消弧装置的输出特性保持不变，不影响配电网单相接地故障柔性消弧的效果。

6、柔性消弧装置在柔性消弧期间装置的输出电压与输出电流的关系，其计算表达式为：

7、

8、式中，im是柔性消弧装置的输出电流参考量；um是柔性消弧装置的输出电压参考量；ex是并网节点处的等效故障相电源电压，x＝a,b,或c；r0是零序对地泄漏电阻；c0是零序对地电容；l是滤波电感及接地变压器电感之和，r是其等效电阻。

9、所述将柔性消弧装置的输出电压参考向量分解为两个相互垂直的电压子向量，且两个电压子向量分别平行和垂直于柔性消弧装置的输出电流参考向量，其表达式为：

10、

11、其中，u1和u2分别为u1和u2的幅值；θ0为ex的相角；α0的表达式为

12、u1为平行于输出电流参考向量的电压子向量；u2为垂直于输出电流参考向量的电压子向量；同时，u1和u2满足u1+u2+ul+ur＝-ea，

13、式中ul和ur的计算表达式如下：

14、ul＝inωlsin(ωt+θ0-α0+π)

15、

16、其中，in是柔性消弧装置输出电流参考量的幅值。

17、通过上述公式计算获取平行于输出电流参考向量的电压子向量u1和垂直于输出电流参考向量的电压子向量u2。

18、所述直流源最小化方法中，使辅助模块无需配备直流电源的方法为：将垂直于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为辅助模块的输出电压参考量，设定辅助模块的控制目标为其输出电压，且其目标参考量为u2，并加入直流电压稳定和均衡控制，确保其对外只输出无功功率，不受辅助模块运行损耗的影响。

19、所述直流源最小化方法中，仅需为主模块配备直流电源的方法为：当柔性消弧装置的输出电流为其参考量，且辅助模块的输出电压为u2时，根据基尔霍夫电压定律推定主模块的输出电压必为u1；再将柔性消弧装置的输出电流参考量作为主模块的控制目标以确保消弧效果，确保主模块能够自动提供柔性消弧装置所需的全部有功功率，

20、所述配电网柔性消弧装置为中性点接入式柔性消弧装置。

21、所述配电网柔性消弧装置为轻量化柔性消弧装置。

22、所述轻量化柔性消弧装置为用于柱上安装的模块化柔性消弧装置。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、1、本方法只需为柔性消弧装置主模块提供直流源，有效减小了柔性消弧装置直流源配备数量和容量，且对于绝大多数配电网应用场景，其通常仅需配备单一最小容量的直流源。

25、2、基于本方法的柔性消弧装置保持可靠的输出性能和消弧效果，且装置的成本、体积和重量有效降低，有利于装置的模块化和轻量化，实现柱上安装及推广应用。

1.一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述方法根据配电网单相接地故障柔性消弧装置的输出特性，将柔性消弧装置的输出电压参考向量分解为两个相互垂直的电压子向量，且两个电压子向量分别平行和垂直于柔性消弧装置的输出电流参考向量；将柔性消弧装置的级联h桥模块分成主模块和辅助模块两部分，将平行于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为主模块的输出电压参考量，将垂直于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为辅助模块的输出电压参考量，由主模块向外输出有功功率，辅助模块向外输出无功功率。

2.根据权利要求1所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述主模块向外输出有功功率所需的电能仅由为其配置的直流电源提供，所述辅助模块仅向外输出无功功率，辅助模块未配置直流电源，以使柔性消弧装置所需配备的直流电源数量和容量最小。

3.根据权利要求2所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：柔性消弧装置的输出电压向量为主模块的输出电压向量与辅助模块的输出电压向量之和，所合成的输出电压向量为输出电压参考向量；即配电网柔性消弧装置直流源最小化方法在实施后，柔性消弧装置的输出特性保持不变，不影响配电网单相接地故障柔性消弧的效果。

4.根据权利要求2所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：柔性消弧装置在柔性消弧期间装置的输出电压与输出电流的关系，其计算表达式为：

5.根据权利要求4所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述将柔性消弧装置的输出电压参考向量分解为两个相互垂直的电压子向量，且两个电压子向量分别平行和垂直于柔性消弧装置的输出电流参考向量，其表达式为：

6.根据权利要求5所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述直流源最小化方法中，使辅助模块无需配备直流电源的方法为：将垂直于柔性消弧装置输出电流参考向量的电压子向量作为辅助模块的输出电压参考量，设定辅助模块的控制目标为其输出电压，且其目标参考量为u2，并加入直流电压稳定和均衡控制，确保其对外只输出无功功率，不受辅助模块运行损耗的影响。

7.根据权利要求6所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述直流源最小化方法中，仅需为主模块配备直流电源的方法为：当柔性消弧装置的输出电流为其参考量，且辅助模块的输出电压为u2时，根据基尔霍夫电压定律推定主模块的输出电压必为u1；再将柔性消弧装置的输出电流参考量作为主模块的控制目标以确保消弧效果，确保主模块能够自动提供柔性消弧装置所需的全部有功功率。

8.根据权利要求1所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述配电网柔性消弧装置为中性点接入式柔性消弧装置。

9.根据权利要求1所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述配电网柔性消弧装置为轻量化柔性消弧装置。

10.根据权利要求9所述的一种配电网柔性消弧装置直流源最小化方法，其特征在于：所述轻量化柔性消弧装置为用于柱上安装的模块化柔性消弧装置。