本發(fā)明涉及電力電網(wǎng)技術領域，特別是涉及抑制配網(wǎng)瞬時故障的VSMES(V-superconducting magnetic energy storage，電壓源型超導磁儲能)參數(shù)配置方法與系統(tǒng)。

背景技術：

配電網(wǎng)是連接電源與用戶的關鍵環(huán)節(jié)，由于配電網(wǎng)范圍廣、設備多、運行工況復雜，各類故障頻發(fā)，尤為電力用戶正常用電行為。在配電網(wǎng)的眾多故障中，瞬時故障尤為突出，表現(xiàn)為瞬時的電壓跌落，嚴重影響電力用戶的正常用電。

由于SMES(superconducting magnetic energy storage，超導磁儲能)具有四象限功率快速調(diào)節(jié)的動態(tài)特性，同時電壓型變流器作為當前電力電子技術領域的主流發(fā)展技術，在可靠性和成熟性方面已經(jīng)取得了巨大的進步，因此，利用VSMES來抑制配網(wǎng)瞬時故障提供穩(wěn)定的短時功率支撐具有重要的現(xiàn)實意義。

然而，當前針對配網(wǎng)瞬時故障的VSMES參數(shù)配置尚無完整的方法，多數(shù)情況下是采用人工經(jīng)驗方式進行VSMES參數(shù)配置，這樣會導致設置的VSMES參數(shù)，無法實現(xiàn)對配網(wǎng)瞬時故障的快速抑制，嚴重危害電力電網(wǎng)的正常安全運行。

技術實現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對目前尚無配網(wǎng)瞬時故障的VSMES參數(shù)配置方法的問題，提供一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法與系統(tǒng)，以實現(xiàn)對配網(wǎng)瞬時故障的快速抑制，確保電力電網(wǎng)的正常安全運行。

一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法，包括步驟：

根據(jù)歷史記錄中配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量；

根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值；

獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，并根據(jù)超導線圈電感值以及最小儲能，確定VSMES中初始電流；

獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓；

根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。

一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)，包括：

基礎能量獲取模塊，用于根據(jù)歷史記錄中配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量；

電感值確定模塊，用于根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值；

初始電流確定模塊，用于獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，并根據(jù)超導線圈電感值以及最小儲能，確定VSMES中初始電流；

功率參數(shù)獲取模塊，用于獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓；

支撐電容電壓確定模塊，用于根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。

本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法與系統(tǒng)，預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量，根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值，獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，確定VSMES中初始電流，獲取VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。整個過程中，采用工程化的參數(shù)設計方法和基于功率圓的參數(shù)設計思路，能夠快速并準確配置抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)，確保電力電網(wǎng)的正常安全運行。

附圖說明

圖1為VSMES的主電路拓撲結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法第一個實施例的流程示意圖；

圖3為功率圓示意圖；

圖4為VSMES的一相等值電路；

圖5為本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法第二個實施例的流程示意圖；

圖6為本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)第一個實施例的結(jié)構示意圖；

圖7為本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)第二個實施例的結(jié)構示意圖；

圖8為本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法與系統(tǒng)其中一個應用實例中，VSMES系統(tǒng)電路局部示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法與系統(tǒng)，VSMES的主電路拓撲結(jié)構如圖1所示，參數(shù)配置方法其主要包含三個方面：超導線圈電感值L的選取、超導線圈初始電流I_{sm_ref}的選取和支撐電容電壓U_dc的選取。超導線圈電感值L的選取是決定后續(xù)初始電流大小的關鍵，影響超導磁儲能的能量大小，初始電流I_{sm_ref}的選取直接反映了VSMES抑制電壓跌落的最小儲能值ΔE，支撐電容電壓U_dc的選取及修正會直接影響VSMES的功率調(diào)節(jié)范圍。

如圖2所示，一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法，包括步驟：

S100：根據(jù)歷史記錄中配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量。

歷史記錄中配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況可以基于配電網(wǎng)運行日志等獲取，在歷史記錄中會記錄有配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況發(fā)生時間、故障發(fā)生位置與關聯(lián)設備、瞬時電壓值以及瞬時電流值等。非必要的，可以針對歷史記錄中配電網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況進行初步篩選，選取區(qū)中具有代表性的典型配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況，再基于該典型配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量。具體來說，可以先預估VSMES中超導線圈預估電流值、超導線圈預估電壓值，并結(jié)合VSMES在瞬時故障的持續(xù)時間來預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量，其具體計算公式為：基礎能量ΔE₀＝I_L0*U_L0*t_sag，式中I_L0為超導線圈預估電流值，U_L0為超導線圈預估電壓值，t_sag為VSMES在瞬時故障的持續(xù)時間。

S200：根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值。

VSMES中超導線圈自身臨界電流與VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓為超導線圈自身的性能參數(shù)，其可以通過對超導線圈采用常規(guī)試驗手段來檢測獲得，或者直接通過超導線圈的銘牌以及產(chǎn)品供應商來了解其自身臨界電流與承受的直流電壓。具體來說，VSMES中超導線圈電感值的具體計算公式如下：

式中，L為VSMES中超導線圈電感值，ΔE₀為預估的VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中基礎能量，ΔE₀＝I_L0*U_L0，I_L0為VSMES中超導線圈預估電流值，U_L0為VSMES中超導線圈預估電壓值，I_C為VSMES中超導線圈自身臨界電流，U_c為VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓。

S300：獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，并根據(jù)超導線圈電感值以及最小儲能，確定VSMES中初始電流。

根據(jù)VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障導致電壓跌落所需的最小儲能ΔE，并結(jié)合超導磁體本身的電磁特性(VSMES中超導線圈電感值L)，來選取初始電流I_{sm_ref}，其具體計算公式如下：

式中，I_{sm_ref}為初始電流，ΔE為VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障導致電壓跌落所需的最小儲能，L為VSMES中超導線圈電感值。具體來說，最小儲能ΔE可以基于歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析獲得。

S400：獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓。

支撐配網(wǎng)瞬時故障導致的電壓跌落時，可近似認為VSMES運行在固定的狀態(tài)點，即VSMES在瞬時故障t_sag期間所恒定輸出的有功功率ΔP和無功功率ΔQ，則有：

ΔP＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×sinf₂(V_load,V_sag,α,φ)

ΔQ＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×cosf₂(V_load,V_sag,α,φ)

其中，f₁(V_sag,V_load,cosα)函數(shù)和f₂(V_load,V_sag,α,φ)函數(shù)滿足

其中，V_load和I_load為故障前的負荷電壓和負荷電流，V_sag為故障后的系統(tǒng)電壓，α為V_load超前I_load的相角，φ為V_sag相對I_load的相角。此時，VSMES的工況點為(ΔP,ΔQ)，則有：

ΔE＝ΔP×t_sag

VSMES持續(xù)支撐瞬時電壓跌落時，VSMES最小的功率調(diào)節(jié)范圍必須包含覆蓋工況點(ΔP,ΔQ)。然而，VSMES的功率調(diào)節(jié)范圍與支撐電容電壓U_dc的選取相關，且在電路結(jié)構確定的前提下，U_dc的大小與VSMES的功率調(diào)節(jié)范圍成正比。因此，VSMES最小功率調(diào)制范圍的必須滿足功率圓(如圖3所示)約束。

S500：根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。

采用基于功率圓的VSMES參數(shù)配置思路，確定VSMES中支撐電容電壓。其具體的計算公式如下：

U_dc＝U(ΔP,ΔQ,O,R)

式中，U_dc為VSMES中支撐電容電壓，ΔP為VSMES在瞬時故障期間所恒定輸出的有功功率，ΔQ為VSMES在瞬時故障期間所恒定輸出的無功功率，O為功率圓圓心，R為功率圓半徑，U_s為VSMES中電壓幅值，X_L為VSMES中一相等值電路的濾波電感，U_t為VSMES交流側(cè)的輸出電壓幅值，M為調(diào)制比，與調(diào)制方式相關。VSMES中電壓幅值U_s、VSMES中一相等值電路的濾波電感X_L、VSMES交流側(cè)的輸出電壓幅值U_t以及調(diào)制比M均可以在實際應用中采用直接測量方式或采用直接測量+分析方式來獲取這些參數(shù)，例如在需獲取VSMES中一相等值電路的濾波電感X_L時，可以先獲取如圖4所示的VSMES的一相等值電路，在對該VSMES的一相等值電路進一步研究獲得VSMES中一相等值電路的濾波電感X_L。

本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法，預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量，根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值，獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，確定VSMES中初始電流，獲取VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。整個過程中，采用工程化的參數(shù)設計方法和基于功率圓的參數(shù)設計思路，能夠快速并準確配置抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)，確保電力電網(wǎng)的正常安全運行。

如圖5所示，在其中一個實施例中，步驟S500之前還包括：

S420：獲取配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落以及配電網(wǎng)中設備損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響增加補償量。

在實際操作中，為了更加準確確定VSMES中支撐電容電壓，需要考慮配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落以及配電網(wǎng)中設備損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響，因此，在確定VSMES中支撐電容電壓時，根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點(ΔP,ΔQ)和反映功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，并考慮到配網(wǎng)發(fā)生瞬時故障時系統(tǒng)電壓跌落及電力電子設備的損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響增加補償量ΔU，最終獲得支撐電容電壓U_dc。配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落以及配電網(wǎng)中設備損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響可以基于歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析獲得。修正后VSMES中支撐電容電壓的計算公式如下：

U_dc＝U_min(ΔP,ΔQ,O,R)+ΔU

式中，ΔU為配網(wǎng)發(fā)生瞬時故障時系統(tǒng)電壓跌落及電力電子設備的損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響增加補償量，其余參數(shù)含義同上，不再贅述。

如圖6所示，一種抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)，包括：

基礎能量獲取模塊100，用于根據(jù)歷史記錄中配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落情況預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量。

電感值確定模塊200，用于根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值。

初始電流確定模塊300，用于獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，并根據(jù)超導線圈電感值以及最小儲能，確定VSMES中初始電流。

功率參數(shù)獲取模塊400，用于獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓。

支撐電容電壓確定模塊500，用于根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，確定VSMES中支撐電容電壓。

本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)，基礎能量獲取模塊100預估VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障的基礎能量，電感值確定模塊200根據(jù)預估的基礎能量、VSMES中超導線圈自身臨界電流以及VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓，確定VSMES中超導線圈電感值，初始電流確定模塊300獲取VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中導致電壓跌落所需的最小儲能，確定VSMES中初始電流，功率參數(shù)獲取模塊400獲取VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓，支撐電容電壓確定模塊500確定VSMES中支撐電容電壓。整個過程中，采用工程化的參數(shù)設計方法和基于功率圓的參數(shù)設計思路，能夠快速并準確配置抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)，確保電力電網(wǎng)的正常安全運行。

如圖7所示，在其中一個實施例中，抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置系統(tǒng)還包括：

影響增加補償量獲取模塊420，用于獲取配網(wǎng)瞬時故障的電壓跌落以及配電網(wǎng)中設備損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響增加補償量。

支撐電容電壓確定模塊500還用于根據(jù)VSMES支撐電壓時的工況點與表征VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的功率圓以及影響增加補償量，確定VSMES中支撐電容電壓。

在其中一個實施例中，電感值確定模塊200確定VSMES中超導線圈電感值的計算公式具體為：

式中，L為VSMES中超導線圈電感值，ΔE₀為預估的VSMES抑制配網(wǎng)瞬時故障中基礎能量，ΔE₀＝I_L0*U_L0，I_L0為VSMES中超導線圈預估電流值，U_L0為VSMES中超導線圈預估電壓值，I_C為VSMES中超導線圈自身臨界電流，U_c為VSMES中超導線圈本身承受的直流電壓。

在其中一個實施例中，VSMES支撐電壓時的工況點包括VSMES在瞬時故障期間所恒定輸出的有功功率和無功功率。

在其中一個實施例中，支撐電容電壓確定模塊500確定VSMES中支撐電容電壓的計算公式具體為：

U_dc＝U(ΔP,ΔQ,O,R)

式中，U_dc為VSMES中支撐電容電壓，ΔP為VSMES在瞬時故障期間所恒定輸出的有功功率，ΔQ為VSMES在瞬時故障期間所恒定輸出的無功功率，O為功率圓圓心，R為功率圓半徑，U_s為VSMES中電壓幅值，X_L為VSMES中一相等值電路的濾波電感，U_t為VSMES交流側(cè)的輸出電壓幅值，M為調(diào)制比。

為了更進一步詳細解釋本發(fā)明抑制配網(wǎng)瞬時故障中VSMES參數(shù)配置方法與系統(tǒng)的技術方案及其有益效果，下面將采用具體實例來進行說明。

如圖8，該系統(tǒng)電路局部示意圖包含5個等效用戶Z₀，Z₁₀，Z_load，Z₂₀，Z₂₁，1個等效電源V₀和在d點并網(wǎng)的VSMES。其中，Z_load為重要用戶。為了簡化實例，可假設Z₁₀＝Z₂₀，Z₂₁＝Z_load，當在fault點發(fā)送瞬時故障時，VSMES動作支撐d點電壓，確保重要用戶Z_load的電能質(zhì)量不變。

步驟1、超導線圈電感值L的選?。河捎诠收虾鬄閆₀與Z₁₀之間的電壓V_bus和d點電壓V_load都將下降。而為了提升V_load電壓，VSMES會向Z_load和Z₂₀同時提供電能，也間接提升了V_bus電壓。因此，可初步根據(jù)故障前后I_load的變化量預估ΔE₀，VSMES中超導線圈預估電流值I_L0和VSMES中超導線圈預估電壓值U_L0，并結(jié)合超導線圈本身的性能約束和經(jīng)濟性因素選擇小容量的L值，則有

步驟2、超導線圈初始電流I_{sm_ref}的選取：假設故障前Z_load的負荷電流相角為參考基準，則根據(jù)故障發(fā)生前后的線路電壓和可以得到VSMES用于抑制配網(wǎng)故障的運行工況點(ΔP，ΔQ)滿足：

ΔP＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×sinf₂(V_load,V_sag,α,φ)

ΔQ＝3f₁(V_sag,V_load,cosα)×I_load×cosf₂(V_load,V_sag,α,φ)

而根據(jù)(ΔP，ΔQ)及瞬時電壓跌落時長t_sag，則確定VSMES最小功率調(diào)制范圍的儲存能量ΔE＝ΔP×t_sag，故：

步驟3、支撐電容電壓U_dc的選取及修正：考慮到VSMES的功率調(diào)節(jié)范圍必須覆蓋工況點(ΔP，ΔQ)，當(ΔP，ΔQ)在VSMES的可調(diào)節(jié)范圍邊緣上，即：(ΔP，ΔQ)在VSMES的功率圓的圓周上，此時U_dc最小。同時考慮到修正因素，根據(jù)工程經(jīng)驗配置配網(wǎng)發(fā)生瞬時故障時系統(tǒng)電壓跌落及電力電子設備的損耗對VSMES功率調(diào)節(jié)范圍的影響增加補償量ΔU，則有：

U_dc＝U_min(ΔP,ΔQ,O,R)+ΔU

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。