适用于储能和新能源接入的配电网主动式纵联保护方法

本发明属于配电网保护，特别涉及适用于储能和新能源接入的配电网主动式纵联保护方法。

背景技术：

1、近年来，储能系统(energy storage system，ess)被大量接入配电网，ess通过buck-boost电路接入直流母线，后经过功率变流器系统(power converter system，pcs)和lc滤波电路接入配电网。ess的接入有助于含多类型、高比例新能源的新型配电网实现调峰填谷和需求侧管理，提高配电网供电的灵活性和稳定性。伴随储能系统和新能的接入，不可避免地增加了配网结构的复杂性和多样性，以及配网潮流变化的随机性。加之ess和逆变型分布式电源(inverter-interfaced distributed generator，iidg)特性存在不同：ess在充电时相当于负荷，而在放电时相当于电源，且在不同模式下的控制策略也有所区别，对配网保护特性分析和继电保护系统提出了更大挑战。当配电网故障时，由于储能充放电模式的切换，故障点的短路电流水平在不同模式下都会有所不同，常规的三段式电流保护难以保证动作的灵敏性和选择性，从而影响配电网继电保护装置的正常运行。

2、现有技术中ess充放电模式的切换具有随机性，往往没有固定的故障电流特征，配电网保护受到ess模式切换的影响，缺乏明显统一的故障特征。纵联差动保护通过利用两端获取的故障信息构造判据，在多电源网络中具有良好的速动性和选择性。随着配电网储能配置容量的增大，当某条线路发生故障时，若故障线路下游的储能处于充电状态，则流经故障线路的穿越性电流将大幅增大，线路两侧故障特征被削弱，保护拒动概率增高。

3、因此亟需一种适用于储能和新能源接入的配电网主动式纵联保护方法，能够消除充放电模式切换给保护带来的影响，使储能故障时具有明显统一的故障特征,解决现有的纵联差动保护在储能充电时易发生拒动的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供适用于储能和新能源接入的配电网主动式纵联保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、s1：选择非工频注入信号；

3、s2：构建基于功率变流器系统的工频-特征频率解耦控制策略；

4、s3：对储能系统主动注入信号频率，对不同馈线上储能系统注入信号的频率进行交叉配置，实现注入电流的纵联保护。

5、所述s1中选择非工频注入信号的步骤为：

6、s11：确定非工频注入信号的频率；

7、s12：确定非工频注入信号的启动判据；

8、s13：确定非工频注入信号的持续时间。

9、所述s11中非工频注入信号为：频率为400hz的8次谐波信号和频率为350hz的7次谐波信号。

10、所述s31中非工频注入信号的持续时间为2s。

11、所述s2中构建基于功率变流器系统的工频-特征频率解耦控制策略的步骤为：

12、s21：构建整体控制策略；

13、s22：构建正常运行工频控制策略；

14、s23：构建工频负序电流控制策略；

15、s24：构建工频故障穿越控制策略；

16、s25：构建特征信号控制策略。

17、所述s21中构建整体控制策略的步骤为：

18、当正常运行时，功率变流器系统采用功率外环和电流内环相结合的双闭环pq控制策略；

19、当故障发生后，功率变流器系统检测到端口电压下降，由开关s1和s2从功率外环切换到低电压穿越控制环节，维持其不脱网运行，此时端口等效电阻下降到谐波注入启动值，特征频率控制环节开始注入高次谐波；

20、当故障消除后，电压开始恢复，而系统中的补偿装置因反应延迟不能及时退出运行，导致系统中电压升高；此时开关s2切换到高电压穿越环节，吸收网络中过剩的无功；在检测到负序电流后，负序控制环节投入运行，用于抑制不对称故障时产生的负序电流，避免功率变流器系统直流母线发生二倍频波动现象。

21、所述s24中构建工频故障穿越控制策略的步骤为：

22、在故障期间采用低电压控制策略，优先考虑输出q轴电流以支撑并网点电压；

23、当储能系统处于充电模式时，储能系统在吸收有功功率的同时向系统注入无功功率；

24、当储能系统处于放电模式时，有功功率与充电时反向，向系统同时注入有功和无功功率；

25、当故障消除之后，补偿装置的延迟退出导致并网点电压抬升，此时采用高电压穿越策略，q轴电流流入功率变流器系统以吸收网络中的过剩无功；

26、在充放电两种模式下的无功功率用式(7)进行表达：

27、

28、式中，iq_rt为故障穿越下输出的无功电流大小，upcc.f为并网点故障电压的标幺值，in为储能系统故障前输出的额定电流，其中un为并网点额定电压，定义无功电流流出功率变流器系统为正方向；

29、在充电和放电两种模式下，所述故障穿越有功电流id_rt受式(8)约束：

30、|id_rt+iq_rt|≤1.1in                       (8)

31、其中，id_rt为故障穿越下输出的有功电流大小。

32、所述s25中构建特征信号控制策略的步骤为：

33、通过不受基本控制回路影响的固定角频率ω0和幅值常数m，实现特征信号环节产生的谐波电压的角度和幅度均与调节基波电压和电流的工频控制系统解耦；

34、在故障期间形成相互解耦的特征信号层和基波层；

35、其中h是谐波的次数，由主站进行设置，ka、kb和kc是三相谐波的使能值，k(a,b,c)＝k1(a,b,c)∧k2(a,b,c)，k1的值由配电网主站控制，当储能系统是该馈线的首个储能系统时，k1取1，否则k1被置为0，所述首个储能系统为该馈线所连储能系统中距离系统侧最近的储能系统，k2的值由功率变流器系统端口的等效电阻决定，当检测到故障时，等效阻抗下降到启动值，k2被置为1；

36、在不对称故障期间，在纵联保护中利用故障特征判别故障类型；

37、构建特征信号源的谐波分量网络；通过调整功率变流器系统端子处的谐波电压大小来产生高于纵联保护判据的谐波故障电流；当没有谐波电流存在时，设置功率变流器系统在故障期间最大输出电流标幺值ilimit＝1.1pu，当考虑谐波电流的注入时，将ilimit设置为1.5pu，确保功率变流器系统不发生过载；

38、所述功率变流器系统端子处的谐波电压大小满足约束，如式(9)所示：

39、

40、其中，是功率变流器系统端口产生的h次谐波电压，是滤波器谐波感抗，是储能系统注入的最大h次谐波电流，此时受到工频故障电流和功率变流器系统限流的影响，其约束用式(10)表示：

41、

42、其中，为端子处三相短路故障时的工频故障电流，ilimit为功率变流器系统在故障期间最大输出电流标幺值。

43、所述s3的步骤为：

44、s31：进行网络拓扑辨识，当主站识别到配电网的网络发生重构时，各馈线所连储能系统在控制系统中的k1置为0，自动识别单元生成满足配电网辐射状运行要求的树状结构，并识别各馈线的首个储能系统，主站通过辨识给需要主动注入信号的储能系统发出使能信号，使所述需要主动注入信号的储能系统在控制系统中的k1置为1，所述需要主动注入信号的储能系统为各馈线的首个储能系统，所述首个储能系统为该馈线所连储能系统中距离系统侧最近的储能系统；

45、s32：进行注入信号频率配置，根据每条馈线的首个储能系统到主站母线的距离长短对馈线进行排序，根据排序结果依次向每条馈线间隔注入所述s1中的非工频注入信号，对每条馈线上储能系统注入信号的频率进行交叉配置，确保其他馈线向故障馈线注入的非工频注入信号均匀分布；

46、s33：确定基于主动注入电流的纵联保护判据，采集储能端口的电压和电流，计算等效电阻，当所述等效电阻满足电阻判据时，注入谐波电流，利用纵联保护判据，判断是否执行保护继电器动作并经过所述s1中选择非工频注入信号时确定的信号注入时间后，停止注入谐波电流，所述纵联保护判据为判断线路两端谐波保护参数是否相同。

47、当线路发生两相短路故障时，所述s33中的纵联保护判据还包括：当保护检测到特征信号大于设定值后，需与对端相对应的谐波电流幅值比较，若其幅值小于对端同次谐波电流幅值的1/2，则将谐波特征参数置为0。

48、本发明的有益效果在于：

49、针对现有技术中纵联差动保护在储能充电时易发生拒动的问题，将主动注入电流的思想应用在储能上，消除充放电模式切换给保护带来的影响，使储能故障时具有明显统一的故障特征。在分析ess正常运行和故障后的控制策略基础上，提出与其工频解耦的谐波电压控制环节，并根据主动注入高次谐波信号设计了适用于储能接入的配电网纵联保护方案，因此具有如下有益效果：

50、(1)系统故障期间，ess工频故障穿越控制环节支撑系统电压的恢复，实现ess的稳定运行。

51、(2)提出谐波注入和配置方案保证在各种故障情况下配电网中高次谐波潮流分布均能满足保护检测的要求，且不受工频控制环节的影响，所提启动判据保证ess仅在故障相注入谐波，使得保护同时具备故障类型识别能力。

52、(3)所提保护在不同故障类型下均能可靠动作，具备较强的抗过渡电阻能力；对通信要求较低，不需精确数据同步，且能灵活适应配电网拓扑变化。