[发明专利]一种逆变电源故障暂态电流的解析方法

权利要求书

1.一种逆变电源故障暂态电流的解析方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、根据新能源电源的控制策略分析短路故障下逆变电源的故障电流特性，获得作为短路暂态电流目标值的短路电流指令；所述步骤1的过程具体为：

逆变电源的输出功率可由并网点电压和输出电流计算得到，具体为：

式中，p、q、U、I分别表示逆变器输出的有功功率、无功功率、端口电压以及输出电流；下标dq代表dq坐标系下的电气量；3/2与坐标变换有关；符号^表示电气相量的共轭；

对于不对称短路故障，并网点电压中包含负序分量，在正向同步速旋转的坐标系中，负序电压、电流表现为按二倍频反向旋转的电气量，具体为：

式中，上标P和N表示电气量的正序和负序分量；下标d和q分别代表d轴和q轴分量；ω为同步角速度；t为时间；

将式(2)代入式(1)，得到功率的详细表达式如下式(3)所示，除平均功率外，有功和无功功率均还包含正向和反向二倍频分量，

式中，下标0，2ωt，-2ωt分别代表功率的平均、正向二倍频以及反向二倍频分量；

根据新能源电源的控制策略追加微分方程的约束条件，对上述功率表达式进行矩阵逆运算，获得dq坐标系下的短路电流指令表达式，该电流也是故障后换流器的稳态输出电流，具体表达式为：

式中，K为引入控制因子，与控制策略有关；

中间变量

步骤2、推导故障暂态过程中考虑控制系统饱和特性时的短路电流解析表达式，基于该表达式获得故障后电流的变化规律；所述步骤2的过程具体为：

故障发生后，逆变电源的输出电流存在动态调节过程，逆变电源换流器的被调制电压指令与电流满足如下关系：

式中，v为逆变器端口电压；u为并网点电压；i为逆变器输出电流；电气量下标dq代表dq轴分量；ω为工频角速度；L为滤波器电抗；k_p和k_i分别为比例积分环节的比例系数和积分系数；带星标*的电气量表示其为参考值；

逆变器端口到并网点之间的电气量之间存在如下关系：

式中，R为滤波器电阻；

消去式(5)和式(6)中的逆变器端口电压，得到关于电流的微分方程，将微分方程中的积分运算进行微分处理，得到：

结合电流环饱和环节的限幅作用，系统的运行状态直接由比例积分输出量f和限幅的上下限MaxOut和MinOut共同决定，为求解公式(7)的非线性系统，选取电流偏差量e作为列写方程的主变量，选取变量f作为区分系统处于线性或非线性状态的判据，具体来说：

当系统处于不饱和段，即-M₀≤f≤M₀时，状态方程表示为：

式中，s为拉普拉斯算子，再利用i_d,r,e间的关系消去i_d，可得：

式中，上标·和··分别表示其下方电气量的一阶和二阶导数；

进一步求得系统处于饱和区域下的状态方程为：

步骤3、根据所述电流变化规律，基于相平面分析法实现短路电流非线性方程的解析；所述步骤3的过程具体为：

(1)针对系统处于饱和区域

对于满足f≥M₀的饱和区域，由微分方程可知其根轨迹斜率为：

轨迹在该区域为直线段，且包含该区域终点在内的直线段可表示为：

在下面的推导过程中式(14)暂时用简单符号表示为：

式中，A和B分别对应式(14)中的两个系数；

变量f和e满足如下关系：

式中，ln表示自然对数函数；

根据上述方程(16)求解出点坐标的数值；

实际系统中|R||M₀|，即|A||B|，因此方程(16)中对数项中的分数值极小，对其泰勒展开，忽略高阶项，方程(16)可化为：

因此点S的横坐标表示为：

结合式(14)求得点S纵坐标表示为：

(2)针对系统处于不饱和区域

对-M₀fM₀的饱和区域，借助下式(20)所示的关系：

得到方程的轨迹斜率表示为：

该区域对应的轨迹线近似为直线且直线方程表示为：

因此在|R||M₀|，k_pR，k_i/k_p≈R/L的条件下，-M₀fM₀的饱和区域在相平面上也表现为线性段；

(3)针对电流时域表达式

时间变化量Δt和偏差信号e及其导数之间存在以下关系：

对于相平面中的线性轨迹，时间随相变量的关系能解析出来，当f≥M₀(即e≥e_k)时，则

再将A，B和e的详细值或初始值代入公式(25)，结合r,i,e的关系，并经变换可得以t为自变量，i为因变量的表达式表示为：

当-M₀fM₀(即ee_k)时，则

同理，将各参数的详细值或初始值代入公式(27)，得到i的表达式为：

综上，逆变型新能源电源的电流时域表达式为：

式中，t_k满足：

2.根据权利要求1所述逆变电源故障暂态电流的解析方法，其特征在于，

所述系统处于饱和区域下的状态方程(10)需要给定两个定解条件，假定故障后瞬间，系统处于f≥M₀下的饱和状态，由于e＝r-i，故障发生前后输出电流无法突变，e的变化直接反映了激励r的突变，即：

e(t₀)＝[e(t₀₊)-e(t_0-)×ε(t-t₀)] (11)

式中，ε表示阶跃函数；t₀为故障时刻，t₀₊和t₀₊分别表示故障后初始时刻和故障前最后时刻；

将其带入式(10)对应的零输入状态方程中，求得另一个定解条件表示为：