本發(fā)明涉及電力設備，尤其是一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展，大量分布式電源接入配電網(wǎng)，導致潮流的大小和方向隨機變化。因此，常規(guī)的保護方案可能失效，配電網(wǎng)故障因無法被及時處理，導致負面影響增加。據(jù)統(tǒng)計，配電網(wǎng)發(fā)生的故障大多數(shù)為單相接地故障，且通常伴隨有高溫電弧。電弧性接地故障容易引發(fā)電力設備損傷、過電壓、火災等衍生事故。此外，接地故障點周圍將存在跨步電壓，可能引發(fā)人身觸電。接地故障電流為配電網(wǎng)對地電容電流和泄漏電阻電流總和，采用消弧線圈可以補償接地故障電流中的容性分量，但無法補償接地故障電流中的阻性分量。殘余的故障電流可能導致電弧重燃，因此，消弧線圈已無法適應當前的新型配電網(wǎng)。

2、基于電力電子變流器的柔性消弧裝置能夠四象限調(diào)控電流，實現(xiàn)接地故障電流全補償，因此受到業(yè)界廣泛的關(guān)注，具備很好的應用前景。其中，基于級聯(lián)h橋變流器的柔性消弧裝置，能夠耐受高電壓、大電流，具備大容量補償能力，且安裝位置靈活。其可安裝在配電網(wǎng)接地變壓器中性點，與消弧線圈配合運行，亦可以單獨運行。此外，其能夠直接掛接在配電網(wǎng)的任意位置，并且滿足單相、兩相和三相級聯(lián)h橋變流器接入條件。掛接在線路中的柔性消弧裝置能夠從配電網(wǎng)吸收能量，無需額外的直流供電。然而，級聯(lián)h橋的耐壓等級需要滿足線電壓要求，導致級聯(lián)數(shù)增加，裝置的成本上升，且兩相和三相級聯(lián)h橋的成本投入更高。因此，中性點接入式的級聯(lián)h橋柔性消弧裝有更高的性價比。然而，由于配電網(wǎng)正常運行時，中性點電壓為零，柔性消弧裝置無法從配電網(wǎng)吸收能量。因此，需要為柔性消弧裝置的每個h橋單元提供獨立的直流電源，導致裝置的成本、體積和重量嚴重增大。

3、鑒于此，若能夠解決中性點接入式的柔性消弧裝置直流取源的問題，有利于裝置的模塊化和輕量化，實現(xiàn)柱上安裝和更好的推廣應用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，該方法能夠在不影響配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧效果的情況下，實現(xiàn)柔性消弧裝置直流源數(shù)量和容量最小，有效減小柔性消弧裝置的成本和體積。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

3、一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，所述方法根據(jù)配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧裝置的輸出特性，將柔性消弧裝置的輸出電壓參考向量分解為兩個相互垂直的電壓子向量，且兩個電壓子向量分別平行和垂直于柔性消弧裝置的輸出電流參考向量；將柔性消弧裝置的級聯(lián)h橋模塊分成主模塊和輔助模塊兩部分，將平行于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為主模塊的輸出電壓參考量，將垂直于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為輔助模塊的輸出電壓參考量，由主模塊向外輸出有功功率，輔助模塊向外輸出無功功率。

4、所述主模塊向外輸出有功功率所需的電能僅由為其配置的直流電源提供，所述輔助模塊僅向外輸出無功功率，輔助模塊未配置直流電源，以使柔性消弧裝置所需配備的直流電源數(shù)量和容量最小。

5、柔性消弧裝置的輸出電壓向量為主模塊的輸出電壓向量與輔助模塊的輸出電壓向量之和，所合成的輸出電壓向量為輸出電壓參考向量；即配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法在實施后，柔性消弧裝置的輸出特性保持不變，不影響配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧的效果。

6、柔性消弧裝置在柔性消弧期間裝置的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系，其計算表達式為：

7、

8、式中，im是柔性消弧裝置的輸出電流參考量；um是柔性消弧裝置的輸出電壓參考量；ex是并網(wǎng)節(jié)點處的等效故障相電源電壓，x＝a,b,或c；r0是零序?qū)Φ匦孤╇娮?；c0是零序?qū)Φ仉娙?；l是濾波電感及接地變壓器電感之和，r是其等效電阻。

9、所述將柔性消弧裝置的輸出電壓參考向量分解為兩個相互垂直的電壓子向量，且兩個電壓子向量分別平行和垂直于柔性消弧裝置的輸出電流參考向量，其表達式為：

10、

11、其中，u1和u2分別為u1和u2的幅值；θ0為ex的相角；α0的表達式為

12、u1為平行于輸出電流參考向量的電壓子向量；u2為垂直于輸出電流參考向量的電壓子向量；同時，u1和u2滿足u1+u2+ul+ur＝-ea，

13、式中ul和ur的計算表達式如下：

14、ul＝inωlsin(ωt+θ0-α0+π)

15、

16、其中，in是柔性消弧裝置輸出電流參考量的幅值。

17、通過上述公式計算獲取平行于輸出電流參考向量的電壓子向量u1和垂直于輸出電流參考向量的電壓子向量u2。

18、所述直流源最小化方法中，使輔助模塊無需配備直流電源的方法為：將垂直于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為輔助模塊的輸出電壓參考量，設定輔助模塊的控制目標為其輸出電壓，且其目標參考量為u2，并加入直流電壓穩(wěn)定和均衡控制，確保其對外只輸出無功功率，不受輔助模塊運行損耗的影響。

19、所述直流源最小化方法中，僅需為主模塊配備直流電源的方法為：當柔性消弧裝置的輸出電流為其參考量，且輔助模塊的輸出電壓為u2時，根據(jù)基爾霍夫電壓定律推定主模塊的輸出電壓必為u1；再將柔性消弧裝置的輸出電流參考量作為主模塊的控制目標以確保消弧效果，確保主模塊能夠自動提供柔性消弧裝置所需的全部有功功率，

20、所述配電網(wǎng)柔性消弧裝置為中性點接入式柔性消弧裝置。

21、所述配電網(wǎng)柔性消弧裝置為輕量化柔性消弧裝置。

22、所述輕量化柔性消弧裝置為用于柱上安裝的模塊化柔性消弧裝置。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、1、本方法只需為柔性消弧裝置主模塊提供直流源，有效減小了柔性消弧裝置直流源配備數(shù)量和容量，且對于絕大多數(shù)配電網(wǎng)應用場景，其通常僅需配備單一最小容量的直流源。

25、2、基于本方法的柔性消弧裝置保持可靠的輸出性能和消弧效果，且裝置的成本、體積和重量有效降低，有利于裝置的模塊化和輕量化，實現(xiàn)柱上安裝及推廣應用。

技術(shù)特征：

1.一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述方法根據(jù)配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧裝置的輸出特性，將柔性消弧裝置的輸出電壓參考向量分解為兩個相互垂直的電壓子向量，且兩個電壓子向量分別平行和垂直于柔性消弧裝置的輸出電流參考向量；將柔性消弧裝置的級聯(lián)h橋模塊分成主模塊和輔助模塊兩部分，將平行于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為主模塊的輸出電壓參考量，將垂直于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為輔助模塊的輸出電壓參考量，由主模塊向外輸出有功功率，輔助模塊向外輸出無功功率。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述主模塊向外輸出有功功率所需的電能僅由為其配置的直流電源提供，所述輔助模塊僅向外輸出無功功率，輔助模塊未配置直流電源，以使柔性消弧裝置所需配備的直流電源數(shù)量和容量最小。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：柔性消弧裝置的輸出電壓向量為主模塊的輸出電壓向量與輔助模塊的輸出電壓向量之和，所合成的輸出電壓向量為輸出電壓參考向量；即配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法在實施后，柔性消弧裝置的輸出特性保持不變，不影響配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧的效果。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：柔性消弧裝置在柔性消弧期間裝置的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系，其計算表達式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述將柔性消弧裝置的輸出電壓參考向量分解為兩個相互垂直的電壓子向量，且兩個電壓子向量分別平行和垂直于柔性消弧裝置的輸出電流參考向量，其表達式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝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，使輔助模塊無需配備直流電源的方法為：將垂直于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為輔助模塊的輸出電壓參考量，設定輔助模塊的控制目標為其輸出電壓，且其目標參考量為u2，并加入直流電壓穩(wěn)定和均衡控制，確保其對外只輸出無功功率，不受輔助模塊運行損耗的影響。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝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，僅需為主模塊配備直流電源的方法為：當柔性消弧裝置的輸出電流為其參考量，且輔助模塊的輸出電壓為u2時，根據(jù)基爾霍夫電壓定律推定主模塊的輸出電壓必為u1；再將柔性消弧裝置的輸出電流參考量作為主模塊的控制目標以確保消弧效果，確保主模塊能夠自動提供柔性消弧裝置所需的全部有功功率。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述配電網(wǎng)柔性消弧裝置為中性點接入式柔性消弧裝置。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述配電網(wǎng)柔性消弧裝置為輕量化柔性消弧裝置。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，其特征在于：所述輕量化柔性消弧裝置為用于柱上安裝的模塊化柔性消弧裝置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種配電網(wǎng)柔性消弧裝置直流源最小化方法，根據(jù)單相接地故障柔性消弧裝置的輸出特性，將消弧裝置的輸出電壓參考向量分解為兩個相互垂直的電壓子向量，且兩個電壓子向量分別平行和垂直于柔性消弧裝置的輸出電流參考向量；將柔性消弧裝置的級聯(lián)H橋模塊分成主模塊和輔助模塊兩部分，將平行于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為主模塊的輸出電壓參考量，將垂直于柔性消弧裝置輸出電流參考向量的電壓子向量作為輔助模塊的輸出電壓參考量，由主模塊向外輸出有功功率，輔助模塊向外輸出無功功率；本發(fā)明能在不影響配電網(wǎng)單相接地故障柔性消弧效果的情況下，實現(xiàn)柔性消弧裝置直流源數(shù)量和容量最小，有效減小消弧裝置的成本和體積。

技術(shù)研發(fā)人員：郭謀發(fā),張彬隆,鄭澤胤,高偉
受保護的技術(shù)使用者：福州大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10