一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，基于直流故障发生时极间电压的频谱含有全频域信息的特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振；分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，最终完成故障定位。本发明专利技术仅需故障前后2.5ms的故障电流信息，且具有较高的耐受过渡电阻、噪声和分布电容能力，满足光伏直流汇集系统的精确定位故障与快速恢复运行的要求。

A fault location method based on high frequency resonance identification for photovoltaic DC convergence branch

【技术实现步骤摘要】
一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法
本专利技术属于新能源发电并网
，特别涉及到一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法。
技术介绍
光伏通过柔性直流升压、汇集送出并网，减少了无功装置使用和功率传输变换环节，提高新能源利用率，解决传统光伏交流并网电能质量差和供电率低等问题。直流汇集支路发生双极故障时，由于多光伏电站馈入使得故障电流激增，受光伏电站自身控制策略和换流器状态影响，故障特征持续时间短，给故障定位带来极大挑战。实现快速可靠的故障定位，对光伏电站加快故障恢复与高效并网发电具有重要的意义。而现有的适用于直流输电系统线路故障定位方法主要有行波法、注入法和故障分析法，行波法主要通过计算故障行波从故障处传播到量测点的时间来进行故障定位，行波法用于柔性直流配电网中，由于系统分支多，线路短，存在波头识别困难、采样率高，所需故障窗较长等问题，且耐受过渡电阻和抗噪能力有限。注入法通过装设额外设备向故障线路注入特征信号，基于对注入信号的检测定位故障。注入法由于在故障后注入特征信号，具有一定的抗噪声和耐过渡电阻能力，但需要额外的注入设备，加大系统故障控制难度。故障分析法利用故障电气量与线路参数之间的拓扑约束实现故障定位，原理简单，但难以消除约减项带来的误差。因此，有必要研究适合大型光伏电站内汇集系统汇集支路的故障电流特征，提出快速可靠的故障定位方法。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，包括以下步骤：步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压进行时频转换，得出其频谱含有的全频域信息；步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，从而完成故障定位。优选地，上述步骤1进一步包括：直流故障发生后，在换流器闭锁之前，故障电流激增，故障电压迅速下降到较低值，短时窗内故障电压和电流都呈阶跃特征，将阶跃信号ε(t)的时域和频域表达为：所述故障电流和电压含全频域信息，且在高频段频谱密度保持不变，故障前直流电压和电流为零频信号，故障高频分量指仅在故障后存在的直流电流中高频分量，该故障高频分量由故障点处附加高频电压源产生；分析高频故障分量回路，运用基尔霍夫电压定律，列出频域故障回路方程如式(1)、式(2)所示：式(1)、式(2)中Lki1、Lki2、Rki1、Rki2为故障汇集支路i故障点两侧的电感与电阻，Lr、Rr为非故障汇集支路的电感和电阻，CPVi、Li、CPVr、Lr分别为故障汇集支路与非故障汇集支路上直流变压器的等效出口并联电容和限流电抗器，Iki1、Iki2为流过故障汇集支路的电流，In为流过非故障汇集支路的电流，ΔE(ω)为故障附加电压源，即ΔE(ω)＝A/jω，式中A为故障前故障点极间电压幅值，j为虚数单位。进一步优选地，通过设计限流电抗器值使得直流变压器的出口谐振频率均为fωr，且规模小的光伏发电单元采用多并联汇集结构，使得光伏发电单元的出口并联等值电容较小，fωr为千赫兹；在谐振频率对应的故障电压源作用时，交流侧换流器呈高阻抗，送出支路流过的谐振频率分量电流较小，可忽略不计，表示为式(3)：式(3)中n＝∑l/lr，∑l为非故障汇集支路总长，lr为汇集支路r长度。更进一步优先地，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，结合频域故障回路方程如式(5)、式(6)所示：整理得到式(6)、式(7)、式(8)：lk＝(lr+nli)/(K+n)(8)式(4)至式(8)中K＝Iki1ωr/Irωr，Iki1ωr、Irωr分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r量测的故障电流中的谐振电流分量，li、lr分别为故障汇集支路i和非故障汇集支路r的线路长度，测距前已知，lk为故障点距量测点的线路长度，即故障位置。再进一步优选地，选择故障支路i与相邻支路i+1构成故障定位方程，如式(9)所示lk＝(li+1+nli)/(K+n)(9)式(9)中K＝Iiωr/Ii+1ωr，表明只需量测并提取出故障支路与相邻支路直流变压器出口故障谐振电流，求出比值K，就可以得到故障距离lk；利用连续小波变换算法进行故障暂态信息的提取，提取时，以故障时刻为中点，取其前后对称的暂态信息加Blackman窗，并设置合适的中心频率和带宽频率。有益效果(1)所需数据窗短，不受换流器状态和控制系统影响；(2)不需要额外注入设备，利用直流变压器自身频率特性就能实现故障定位；(3)动作性能较好，受噪声、过渡电阻和分布式电容的影响较小，测距结果也具有较高的准确性。附图说明图1为本专利技术的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法流程图；图2为大型光伏直流汇集系统拓扑示意图；图3为故障附加等值网络图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。图1为本专利技术的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法流程图，包括以下步骤：步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压时频转换后得出其频谱含有全频域信息。步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，最终完成故障定位。图2为光伏直流汇集系统拓扑图，光伏发电单元通过直流变压器(DCtransformer，DCT)就地升压后经汇集支路送至±30kV汇流母线，就地送至并网模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)接入220kV电网。为提高光伏电站输出电压等级，其中三个小规模发电单元PV1a～PV1c的DCT采用IPOS(input-paralleloutput-series)结构，各DCT和MMC出口均加装限流电抗器。以双极短路故障发生在汇集支路1为例说明，图3为故障附加等值网络，图中Llk1、Llk2、Rlk1、Rlk2为故障汇集支路1电感与电阻，Lln、Rln为非故障汇集支路的电感和电阻，CPVn、Ln为DCT等效出口并联电容和限流电抗器，In为流过汇集支路的故障分量电流，Ig为流过MMC支路的故障分量电流，ΔEk为故障附加电压源，即ΔEk＝Aε(t-t0)，式中A为故障前故障点极间电压幅值，t0为故障发生时刻。运用基尔霍夫电压定律，可列出频域故障回路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压进行时频转换，得出其频谱含有的全频域信息；/n步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；/n步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，从而完成故障定位。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、基于直流故障发生时极间电压的阶跃式降落特征，对故障点极间电压进行时频转换，得出其频谱含有的全频域信息；
步骤2、基于步骤1的故障点极间电压特征，利用直流变压器出口并联电容与限流电抗器构成的串联谐振，分析高频故障分量回路，推导出高频谐振电流与故障距离的关系；
步骤3、通过连续小波变换提取一定数据窗长内的故障谐振电流，计算出故障距离，从而完成故障定位。


2.根据权利要求1中所述的一种基于高频谐振识别的光伏直流汇集支路故障定位方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：
直流故障发生后，在换流器闭锁之前，故障电流激增，故障电压迅速下降到较低值，短时窗内故障电压和电流都呈阶跃特征，将阶跃信号ε(t)的时域和频域表达为：



所述故障电流和电压含全频域信息，且在高频段频谱密度保持不变，故障前直流电压和电流为零频信号，故障高频分量指仅在故障后存在的直流电流中高频分量，该故障高频分量由故障点处附加高频电压源产生；
分析高频故障分量回路，运用基尔霍夫电压定律，列出频域故障回路方程如式(2)、式(3)所示：






式(1)、式(2)中Lki1、Lki2、Rki1、Rki2为故障汇集支路i故障点两侧的电感与电阻，Lr、Rr为非故障汇集支路的电感和电阻，CPVi、Li、CPVr、Lr分别为故障汇集支路与非故障汇集支路上直流变压器的等效出口并联电容和限流电抗器，Iki1、Iki2为流过故障汇集支路的电流，In为流过非故障汇集支路的电流，ΔE(ω)为故障附加电压源，即ΔE(ω)＝A/jω，式中A为故障前故障点极间电压幅值，j为虚数单位。


3.根据权利要求2中所述的一种基于高频谐振识别的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾科，施志明，毕天姝，朱瑞，王聪博，李俊涛，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11