基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法

本发明属于电力电子控制，具体涉及一种基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法。

背景技术：

1、在新能源的推动下，大量电力电子设备代替同步机接入电网，电网强度不断减弱，构网变流器因其强大的电压和频率支撑能力已然成为构建新型电力系统的关键装备。然而，在电网故障期间，受其电压源特性及控制环路耦合影响，构网变流器的故障电流会远高于额定值，且暂态电流轨迹复杂，难以进行准确的解析描述。构网变流器的暂态电流响应包括故障初始阶段的短时冲击电流和故障持续阶段的长时稳态电流，该电流特性不仅关系到变流器的硬件设计与控制优化，也直接影响电力系统的保护配置。因此，实现构网变流器全阶段故障电流的显式解析表征，是开展装备优化设计与系统保护配置的重要理论基础。

2、现有故障电流轨迹解析方法高度依赖内外环解耦假设，通常只能单独描述故障冲击电流或故障稳态电流，且计算误差较大。为此，一些研究采用局部数值迭代方法实现了全阶段故障电流表征，但该类方法计算负担较重、求解效率较低，且难以揭示系统参数与故障电流响应之间的定量关系，物理意义不够明确。因此，需要充分考虑构网变流器内外控制环路的耦合动态特性并采取适当的计算方法，实现全阶段故障电流的精准求解与显式刻画，为装备硬件设计、控制优化及系统保护配置提供有效指导。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明公开了一种基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，包括以下步骤：

4、1）基于构网变流器的内环控制结构，采用主导极点保留的降阶方式得到dq坐标系下故障电流的前向通道传递函数，再结合dq轴之间的电流耦合关系，得到同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数，以及dq轴电流频域表达式；

5、2）对同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数进行特征根分解和反拉普拉斯变换，得到各响应传递函数对应的时域单位冲激响应；

6、3）基于构网变流器的外环控制结构和电网故障深度，建立非线性功角微分方程；根据电网故障深度获得故障后功角稳定平衡点，并在该平衡点处解析非线性功角微分方程得到功角时域解析表达式；

7、4）基于所述功角时域解析表达式，对dq轴电流频域表达式中的电压输入激励部分进行二阶泰勒展开，得到线性化电压激励时域表达式，再与步骤2）的时域单位冲激响应分别进行时域卷积，并将卷积结果进行叠加得到dq轴电流时域解析表达式，再结合所述功角时域解析表达式，得到abc坐标系下的全阶段故障电流时域解析表达式。

8、进一步地，步骤1）中，所述得到同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数，包括：根据dq坐标系下电网电压与端电压的相位关系，获得d轴电压输入激励和q轴电压输入激励；基于所述前向通道传递函数，并结合构网变流器输出角频率和电网等效电感对dq轴电流响应的耦合作用，得到表征d轴电压输入激励至d轴电流以及q轴电压输入激励至q轴电流的同轴电流响应传递函数，以及表征q轴电压输入激励至d轴电流以及d轴电压输入激励至q轴电流的交叉轴电流响应传递函数。

9、进一步地，步骤1）中，得到所述dq轴电流频域表达式，包括：将所述d轴电压输入激励与同轴电流响应传递函数的乘积和所述q轴电压输入激励与交叉轴电流响应传递函数的乘积相加，得到d轴电流频域表达式；将所述q轴电压输入激励与同轴电流响应传递函数的乘积减去所述d轴电压输入激励与交叉轴电流响应传递函数的乘积，得到q轴电流频域表达式。

10、进一步地，步骤2）包括：对所述同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数进行特征根求解，得到两对特征根；基于所述两对特征根分别对所述同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数进行分解，并分别对分解结果进行反拉普拉斯变换，得到各响应传递函数对应的时域单位冲激响应。

11、进一步地，步骤4）中，所述得到线性化电压激励时域表达式，包括：将所述功角时域解析表达式代入由所述d轴电压输入激励和q轴电压输入激励构成的dq坐标系下电压激励表达式，再在故障后功角稳定平衡点处对得到的表达式进行二阶泰勒展开，得到线性化电压激励时域表达式。

12、与现有技术相比，本发明具备以下有益技术效果：

13、（1）本发明通过基于构网变流器内环控制结构，并采用主导极点保留的降阶方式保留内环控制结构中影响故障电流动态响应的主要动态特性，得到dq坐标系下故障电流的前向通道传递函数，同时结合dq轴电流耦合关系得到同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数，以及dq轴电流频域表达式；克服了现有方法依赖内外环解耦假设、难以描述内外控制环路耦合动态特性的问题，从而能够统一解析表征故障发生初始阶段的冲击电流以及故障持续阶段的稳态电流，实现构网变流器全阶段故障电流的准确描述。

14、（2）本发明通过对响应传递函数进行特征根分解和反拉普拉斯变换获得时域单位冲激响应，并结合电压激励时域表达式进行时域卷积，避免了现有数值迭代方法在求解全过程故障电流时存在的计算负担重、求解效率低的问题，从而获得具有显式解析形式的全阶段故障电流时域解析表达式，提高故障电流解析计算效率。

15、（3）本发明通过建立包含内环控制动态、外环功角动态以及电网故障深度影响的故障电流解析逻辑，使故障电流响应能够以解析表达形式与构网变流器控制参数、电网参数以及运行状态参数建立对应关系，克服了现有方法难以揭示系统参数与故障电流响应之间定量关系的问题，从而提高故障电流分析结果的物理可解释性，为构网变流器硬件参数设计、控制参数优化以及电力系统保护配置提供理论依据。

16、（4）本发明通过构建基于模型降阶与时域卷积的故障电流解析方法，使解析模型能够根据不同电网故障深度、线路参数以及控制参数进行调整，适用于不同运行条件下构网变流器故障电流特性的分析，提高了故障电流解析方法的适用范围和拓展能力。

1.一种基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤1）中，所述得到dq坐标系下故障电流的前向通道传递函数，包括：获取所述内环控制结构对应的极点，保留构网变流器故障电流暂态响应对应的主导极点，并基于保留的主导极点对所述内环控制结构进行降阶，得到所述前向通道传递函数。

3.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤1）中，所述得到同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数，包括：根据dq坐标系下电网电压与端电压的相位关系，获得d轴电压输入激励和q轴电压输入激励；基于所述前向通道传递函数，并结合构网变流器输出角频率和电网等效电感对dq轴电流响应的耦合作用，得到表征d轴电压输入激励至d轴电流以及q轴电压输入激励至q轴电流的同轴电流响应传递函数，以及表征q轴电压输入激励至d轴电流以及d轴电压输入激励至q轴电流的交叉轴电流响应传递函数。

4.根据权利要求3所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤1）中，得到所述dq轴电流频域表达式，包括：将所述d轴电压输入激励与同轴电流响应传递函数的乘积和所述q轴电压输入激励与交叉轴电流响应传递函数的乘积相加，得到d轴电流频域表达式；将所述q轴电压输入激励与同轴电流响应传递函数的乘积减去所述d轴电压输入激励与交叉轴电流响应传递函数的乘积，得到q轴电流频域表达式。

5.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤2）包括：对所述同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数进行特征根求解，得到两对特征根；基于所述两对特征根分别对所述同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数进行分解，并分别对分解结果进行反拉普拉斯变换，得到各响应传递函数对应的时域单位冲激响应。

6.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤3）中，所述建立非线性功角微分方程，包括：根据所述外环控制结构获得构网变流器输出角频率，并根据构网变流器输出角频率获得功角；根据所述电网故障深度、功角和电网等效电感获得构网变流器的实时功率，并基于所述外环控制结构和实时功率建立所述非线性功角微分方程。

7.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤3）中，所述获得故障后功角稳定平衡点，包括：根据电网故障深度，结合构网变流器输出电压参考值、电网等效阻抗以及输电线路功率传输特性，得到故障后功角稳定平衡点；

8.根据权利要求4所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤4）中，所述得到线性化电压激励时域表达式，包括：将所述功角时域解析表达式代入由所述d轴电压输入激励和q轴电压输入激励构成的dq坐标系下电压激励表达式，再在故障后功角稳定平衡点处对得到的表达式进行二阶泰勒展开，得到线性化电压激励时域表达式。

9.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤4）中，所述得到dq轴电流时域解析表达式，包括：将所述电压激励时域表达式分别与所述同轴电流响应传递函数和交叉轴电流响应传递函数对应的时域单位冲激响应进行时域卷积，并根据所述dq轴电流频域表达式中的叠加关系对卷积结果进行叠加，得到所述dq轴电流时域解析表达式。

10.根据权利要求1所述的基于模型降阶与时域卷积的构网变流器故障电流解析方法，其特征在于，步骤4）中，对所述dq轴电流时域解析表达式进行反park变换，再代入所述功角时域解析表达式，得到abc坐标系下的全阶段故障电流时域解析表达式。