通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法

技术领域

本发明涉及电池储能系统领域，具体地，涉及一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法。

背景技术

电池储能系统主要实现能量的存储和释放，能够很好地解决风能、太阳能等可再生能源发电带来的电能质量问题，维持电网功率平衡。在大容量电池储能系统中，级联H桥储能系统由于其扩展性强、大容量、高电压以及输出电压电流谐波含量小等优点，具有广泛的应用前景。电池储能系统其占地面积广，随着其推广应用，面临的接地故障将日益突出。

目前国内外对级联H桥电池储能系统接地故障尚未进行深入研究，仅有一篇此次问题进行了论述。L.Zhi-Bin等在文献《"Grounding faults of cascade battery energystorage system,"2014 IEEE PES General Meeting|Conference&Exposition,NationalHarbor,MD,USA,2014,pp.1-5.》中对级联H桥电池储能系统接地故障按照接地点的数量进行了简要的分类，提出了通过监测级联H桥电池储能系统中心点电压变化来进行故障检测和定位的想法。但阐述较为粗略，没有考虑电网电压不平衡造成的中心点电压偏移对故障检测和定位的影响，没有考虑相内和相间均衡控制引起的储能单元交流侧电压不同和零序电压对定位的影响，也没有说明如何判断接地故障相，更没有对具体的定位方法进行阐述。另外，由于电压互感器为铁磁元件，由于铁磁元件的非线性特性，采用电压互感器测量CHB-BESS中心点对地电压，存在引起铁磁谐振的风险。

相近的研究主要针对于开关器件的开路或短路故障以及配电网故障。S.Mukherjee等在《"Fast fault detection of open power switch in cascaded H-bridge multilevel inverters",2016 IEEE Transportation ElectrificationConference and Expo(ITEC),Dearborn,MI,2016,pp.1-5.》中提出用CHB各个模块的输出电压作为检测变量，来检测晶体管是否发生开路故障。D.Chowdhury等在《"Waveletdecomposition based fault detection in cascaded H-bridge multilevel inverterusing artificial neural network",2017 2nd IEEE International Conference onRecent Trends in Electronics,Information&Communication Technology(RTEICT),Bangalore,2017,pp.1931-1935.》中提出用人工神经网络和小波变换作为信号预处理器来检测CHB的开路故障。赵成勇等在《MMC-HVDC直流单极接地故障分析与换流站故障恢复策略[J].中国电机工程学报,2014,34(21):3518-3526.》中研究了MMC-HVDC交流侧接地方式下的直流母线单极接地故障暂态特性。这些对级联H桥电池储能系统的故障检测研究，主要针对于开关器件的开路或短路故障以及配电网故障，均与级联H桥电池储能系统内部接地故障没有直接关系。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法，利用储能单元漏电流对在中性点不接地电网中运行的级联H桥电池储能系统交流侧单点接地故障进行定位。

本发明的第一方面，提供一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法，包括：

测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流；

根据三相储能单元的漏电流大小及分布规律，采用曲线拟合的方法来进行接地故障的检测和接地故障定位。

可选地，所述测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流，包括：

在级联H桥电池储能系统的储能单元交流侧出口处设置漏电流传感器，用于测量漏电流；

对各自的漏电流传感器输出进行测量，得到本储能单元的漏电流大小及相位，构成一个点(x，I)，其中，x为该储能单元的整数编号，编号从1开始，自CHB-BESS的中心点向并网点由小到大，I为本储能单元的漏电流大小，该漏电流与该储能单元所在的电网相电压引起的漏电流相位差π/2以内，记I为正号，相位差超过π/2，记I为负号。

可选地，所述根据三相储能单元的漏电流大小及分布规律，采用曲线拟合的方法来进行接地故障的检测和接地故障定位，包括：

S201，根据测量级联H桥电池储能系统三相储能单元的漏电流，分别建立三相储能单元的漏电流数据样本集，得到三个数据样本集；

S202，对三个数据样本集的数据进行线性拟合；

S203，根据线性拟合结果判断有无单点接地故障，如无，则返回测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流，如有进入S204；

S204，判断接地故障所在相；

S205，判断单点接地故障在故障相的电气位置。

可选地，S201中，所述别建立三相储能单元的漏电流数据样本集，得到三个数据样本集，包括：

收集级联H桥电池储能系统各个储能单元漏电流，每相组成一个二维数据样本点集，三相构成三个二维数据样本点集{(1,I

可选地，S202中，所述对三个数据样本集的数据进行线性拟合，包括：

以x为横轴、I为纵轴，对三个二维点集分别进行线性拟合，得到三条直线I

再根据拟合得到的上述三条直线方程，分别求取该直线与x轴的交点x1，x2和x3。

可选地，S203中，所述根据线性拟合结果判断有无单点接地故障，包括：

若三条拟合直线与横轴的交点x1，x2和x3相同，则级联H桥电池储能系统无接地故障；

若三条直线与横轴的交点x1，x2和x3各不相同，则级联H桥电池储能系统存在接地故障。

可选地，S204中，所述判断接地故障所在相，包括：

若x1在储能单元编号(1-N)范围内，则拟合直线I

若x2在储能单元编号(1-N)范围内，则拟合直线I

若x1在储能单元编号(1-N)范围内，则拟合直线I

可选地，S205中，所述判断单点接地故障在故障相的电气位置，包括：

记接地故障相对应的拟合直线与横轴的交点的数值为k，接地故障点处于第ROUND(k-0.5)个储能单元与ROUND(k+0.5)个储能单元之间。此处，ROUND代表四舍五入的取整运算。

本发明的第二方面，提供一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位系统，包括：

电流测量模块，该模块测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流；

故障检测模块，该模块根据三相储能单元的漏电流大小及分布规律，采用曲线拟合的方法来进行接地故障的检测和接地故障定位。

本发明的第三方面，提供一种电池储能系统交流侧单点接地故障定位终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时用于执行所述的级联H桥电池储能系统接地故障检测方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有以下至少一种有益效果：

本发明提供了一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位，可以实现中性点不接地电网中级联H桥电池储能系统交流侧单点接地故障的检测与定位，且不需要对CHB-BESS(级联H桥电池储能系统)的中心点对地电压进行测量，不用考虑电网电压三相不平衡的影响，避免了电压互感器可能引起的铁磁谐振，安全方便，利于CHB-BESS的故障检修和维护。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法流程图；

图2为本发明一较优实施例中采用漏电流传感器进行交流侧单点接地故障检测与定位示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例中通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法的流程图。

参照图1所示，本发明实施例提供了一种通过储能单元漏电流进行的中心点不接地电网中级联H桥电池储能系统(Cascaded H Bridge Battery Energy Storage System-CHB-BESS)交流侧单点接地故障定位方法，包括：

S100，测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流；

本步骤中，可以利用设置在CHB-BESS储能单元交流侧出口处的漏电流传感器来测量漏电流。

S200，根据三相储能单元的漏电流大小及分布规律，采用曲线拟合的方法来进行接地故障的检测和接地故障定位。

本发明实施例不需要对CHB-BESS的中心点对地电压进行测量，测量信号少，且避免了电压互感器可能引起的铁磁谐振，安全方便，有利于CHB-BESS的故障检修和维护。

图2为本发明一较优实施例中采用漏电流传感器进行交流侧单点接地故障检测与定位示意图，图中椭圆表示漏电流传感器。

参照图2所示，在一优选实施例中，上述的通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位方法可分为六个步骤，具体步骤如下：

(1)测量各个储能单元工频漏电流；

(2)分别建立三相储能单元的漏电流数据样本集；

(3)对三个数据样本集的数据进行线性拟合；

(4)判断有无单点接地故障，如无返回第(1)步，如有进入第(5)步；

(5)判断接地故障所在相；

(6)判断单点接地故障在故障相的电气位置。

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(1)，可以对各自的漏电流传感器输出进行测量，得到本储能单元的漏电流大小及相位，构成一个点(x，I)，其中x为该储能单元的整数编号。编号从1开始，自CHB-BESS的中心点向并网点由小到大。I为本储能单元的漏电流大小，该漏电流与该储能单元所在的电网相电压引起的漏电流相位差π/2以内，记I为正号，相位差超过π/2，记I为负号。

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(2)，可以采用：收集CHB-BESS各个储能单元漏电流，每相组成一个二维数据样本点集，三相构成三个二维数据样本点集{(1,I

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(3)，可以采用：以x为横轴、I为纵轴，对三个二维点集分别进行线性拟合，得到三条直线I

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(4)，可以采用：如果三条拟合直线与横轴的交点x1，x2和x3相同，则CHB-BESS无接地故障；如三条直线与横轴的交点x1，x2和x3各不相同，则CHB-BESS存在接地故障。

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(5)，可以采用：如x1在储能单元编号(1-N)范围内，则拟合直线I

在上述实施例的基础上，为了执行步骤(6)，可以采用：记接地故障相对应的拟合直线与横轴的交点的数值为k，接地故障点处于第ROUND(k-0.5)个储能单元与ROUND(k+0.5)个储能单元之间。

基于相同的技术构思，本发明另一实施例中还提供一种通过漏电流的电池储能系统交流侧单点接地故障定位系统，包括：电流测量模块和故障检测模块，电流测量模块测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流；故障检测模块根据三相储能单元的漏电流大小及分布规律，采用曲线拟合的方法来进行接地故障的检测和接地故障定位。

作为优选，在一实施例中，电流测量模块包括在级联H桥电池储能系统的储能单元交流侧出口处设置的漏电流传感器，该传感器用于测量漏电流；对各自的漏电流传感器输出进行测量，得到本储能单元的漏电流大小及相位，构成一个点。本实施例不需要对CHB-BESS的中心点对地电压进行测量，测量信号少，且避免了电压互感器可能引起的铁磁谐振，安全方便。

作为优选，在一实施例中，故障检测模块实现以下功能：根据测量级联H桥电池储能系统三相储能单元的漏电流，分别建立三相储能单元的漏电流数据样本集，得到三个数据样本集；对三个数据样本集的数据进行线性拟合；根据线性拟合结果判断有无单点接地故障，如无，则返回测量级联H桥电池储能系统三相储能单元漏电流，如有则进一步判断接地故障所在相；判断单点接地故障在故障相的电气位置。本实施例可以很好地实现接地故障相的判断。

上述系统中各模块具体实现的技术可以参照上述级联电池储能系统交直流侧接地故障检测定位方法对应步骤中的技术，在此不再赘述。

基于相同的技术构思，本发明另一实施例中还提供一种电池储能系统交流侧单点接地故障定位终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时用于执行上述任一项的级联H桥电池储能系统接地故障检测方法。

为了更好说明上述技术方案，以下结合一个具体的应用试验作为实施例来进行说明。但应该理解的是，以下实施例不用于限定本发明。

本实施例中，研究对象为10kV/5MW的级联H桥电池储能系统，实际电网频率为50Hz，实际电网电压10kV。CHB-BESS每相20个储能单元。储能单元的电池簇对地分布电容值为3.2nF，直流侧连接电缆对地电容12.72nF。在每个储能单元交流侧出口配置高精度漏电流互感器ETCR068，电流分辨率0.01mA，精度0.5级。在CHB-BESS运行过程中，由于某种原因，CHB-BESS的A相的20个储能单元及其连接线的交流侧某处发生单点接地故障。

本实施例的过程如下：

步骤(1)：通过CHB-BESS的储能单元控制器对漏电流进行测量。

步骤(2)：通过CHB-BESS的主控制器收集各个储能单元控制器测量得到的漏电流。按照模块所在的相分为三个样本集。每个样本集含有模块编号和模块漏电流两个维度的数据。其中，A相储能单元漏电流数据样本集为{(20,28.24),(19,26.76),(18,25.34),(17,23.88),(16,22.45),(15,20.98),(14,19.55),(13,18.09),(12,16.65),(11,15.22),(10,13.76),(9,12.31),(8,10.83),(7,9.42),(6,7.95),(5,6.52),(4,5.06),(3,3.63),(2,2.18),(1,0.72)}；B相储能单元漏电流数据样本集为{(20,28.72),(19,27.25),(18,25.78),(17,24.31),(16,22.81),(15,21.33),(14,19.85),(13,18.38),(12,16.91),(11,15.45),(10,13.97),(9,12.49),(8,11.04),(7,9.59),(6,8.12),(5,6.65),(4,5.17),(3,3.69),(2,2.22),(1,0.74)}；C相储能单元漏电流数据样本集为{(20,28.72),(19,27.25),(18,25.77),(17,24.29),(16,22.82),(15,21.33),(14,19.84),(13,18.37),(12,16.89),(11,15.4),(10,13.93),(9,12.45),(8,10.97),(7,9.49),(6,8.03),(5,6.58),(4,5.13),(3,3.67),(2,2.18),(1,0.71)}。漏电流单位为mA。

步骤(3)：以x为横轴、I为纵轴，对三个二维点集分别进行最小二乘法线性拟合，得到I

步骤(4)：计算三条直线与x轴的交点，为x1＝0.5，x2＝0.5，x3＝0.5。根据x1＝x2＝x3，此时判定无接地故障。并返回第(1)步。

步骤(1)：通过CHB-BESS的储能单元控制器对漏电流进行测量。

步骤(2)：通过CHB-BESS的主控制器收集各个储能单元控制器测量得到的漏电流。按照模块所在的相分为三个样本集。每个样本集含有模块编号和模块漏电流两个维度的数据。其中，A相储能单元漏电流数据样本集为{(20,22.87),(19,21.4),(18,19.92),(17,18.44),(16,16.95),(15,15.49),(14,14.03),(13,12.56),(12,11.07),(11,9.59),(10,8.13),(9,6.67),(8,5.20),(7,3.70),(6,2.23),(5,0.75),(4,-0.74),(3,-2.22),(2,-3.71),(1,-5.15)}；B相储能单元漏电流数据样本集为{(20,28.72),(19,27.25),(18,25.78),(17,24.31),(16,22.81),(15,21.33),(14,19.85),(13,18.38),(12,16.91),(11,15.45),(10,13.97),(9,12.49),(8,11.04),(7,9.59),(6,8.12),(5,6.65),(4,5.17),(3,3.69),(2,2.22),(1,0.74)}；C相储能单元漏电流数据样本集为{(20,28.72),(19,27.25),(18,25.77),(17,24.29),(16,22.82),(15,21.33),(14,19.84),(13,18.37),(12,16.89),(11,15.4),(10,13.93),(9,12.45),(8,10.97),(7,9.49),(6,8.03),(5,6.58),(4,5.13),(3,3.67),(2,2.18),(1,0.71)}。漏电流单位为mA。

步骤(3)：以x为横轴、I为纵轴，对三个二维点集分别进行最小二乘法线性拟合，得到I

步骤(4)：计算三条直线与x轴的交点，为x1＝4.49，x2＝-2.94，x3＝-2.94。此时x1处于有效的模块编号范围内，x2和x3均处于无效的模块编号范围。故判定有单点接地故障发生，拟合直线I

步骤(5)：拟合直线I

本发明上述实施例考虑电网电压不平衡造成的中心点电压偏移对故障检测和定位的影响，同时还考虑了相内和相间均衡控制引起的储能单元交流侧电压不同和零序电压对定位的影响，从而进一步判断接地故障相，另外，不用采用电压互感器不存在引起铁磁谐振的风险。本发明不需要对CHB-BESS的中心点对地电压进行测量，测量信号少，且避免了电压互感器可能引起的铁磁谐振，安全方便，有利于CHB-BESS的故障检修和维护。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。