级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法

摘要

本发明提供了一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，所述方法针对中心点不接地电网中级联H桥电池储能系统，包括：S1，获取级联H桥电池储能系统各个储能单元的交流侧电压及相位；S2，测量级联H桥电池储能系统中心点对地电压及其相位；S3，判断单点接地故障是否发生，若单点接地故障发生，则进入S4；否则，为无单点接地故障，跳转到S1；S4，判断单点接地故障所在相；S5，判断单点接地故障在故障相的电气位置。本发明可以有效地检测中性点不接地电网中CHB‑BESS的单点接地故障，并定位接地故障发生的电气位置，极大地方便了CHB‑BESS的故障检修和维护。

权利要求

1.一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述方法针对中心点不接地电网中级联H桥电池储能系统，包括：S1，获取级联H桥电池储能系统各个储能单元的交流侧电压及相位；

S2，测量级联H桥电池储能系统中心点对地电压及其相位；

S3，判断单点接地故障是否发生：将S2所述中心点对地电压值与S1所述各个储能单元的交流侧电压进行比较，判断单点接地故障是否发生，若单点接地故障发生，则进入S4；否则，为无单点接地故障，跳转到S1；

S4，根据S1中得到的各个储能单元的交流侧电压相位以及S2中心点对地电压相位进行比较，判断单点接地故障所在相；

S5，根据各个储能单元的交流侧电压和设定阈值，判断单点接地故障在故障相的电气位置。

2.根据权利要求1所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述获取级联H桥电池储能系统各个储能单元的交流侧电压及相位，包括：对每个储能单元的交流侧电压进行测量，或者通过调制比与直流侧电压计算，或者从级联H桥电池储能系统的控制系统直接获取调制目标值，得到级联H桥电池储能系统的每个储能单元的交流侧电压和相位。

3.根据权利要求2所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，将获取的3*N个储能单元交流电压值按照储能单元从中心点到并网点的顺序组成三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[ Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]；

其中，下标a，b，c分别表示储能单元所在的相，N为每相储能单元的数量；1,2，……，N则表示每相的储能单元从中心点到并网点的编号，与中心点直接相连的编号为1，与并网电抗器直接相连的编号为N；由于每一相的储能单元的交流侧相位相同，获取的a、b、c三相的储能单元的相位分别为 、 和 。

4.根据权利要求3所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述测量级联H桥电池储能系统中心点对地电压及其相位，包括：通过连接在级联H桥电池储能系统中心点与“地”之间电压互感器测量级联H桥电池储能系统的中心点对地电压Uo和相位 。

5.根据权利要求4所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述判断单点接地故障是否发生，包括：将测量得到的级联H桥电池储能系统中心点电压值Uo与三相储能单元电压向量Ua1、Ub1、Uc1进行比较，记k1=Uo/Ua1、k2=Uo/Ub1和k3=Uo/Uc1，若k1、k2和k3中任何一个相等或大于设定阈值，则判定发生单点接地故障。

6.根据权利要求5所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述设定阈值为0.5，考虑测量误差，k1、k2和k3与0.5的偏差在(80%‑120%)范围认为相等。

7.根据权利要求4所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述判断单点接地故障所在相，包括：将测量得到的级联H桥电池储能系统中心点电压相位 与 、 、 进行比较，则：若 等于 ，判定单点接地故障发生在A相；

若 等于 ，判定单点接地故障发生在B相；

若 等于 ，判定单点接地故障发生在C相；

考虑到实际测量回路中误差，两个相位的偏差在 以内，认为两者相等。

8.根据权利要求3所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，其特征在于，所述判断单点接地故障在故障相的电气位置，包括：从三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[ Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]中取出故障相的储能单元电压向量，记为[Ugz1,Ugz2,…,Ugzn]；

记k=Uo/Ugz1，Uo为级联H桥电池储能系统中心点电压值；若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元与第2个储能单元之间；k与0.5、1的偏差在(80%‑120%)范围认为相等；

若k大于1，重新记k=(Uo‑Ugz1)/Ugz2，若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元与第3个储能单元之间；

若k仍大于1，重新记k=(Uo‑Ugz1‑Ugz2)/Ugz3，若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元与第4个储能单元之间；

依次递推，即实现接地故障点的电气定位。

9.一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位设备，包括：存储器，用于存储非暂时性计算机可读指令；以及处理器，用于运行所述计算机可读指令，当所述计算机可读指令被所述处理器运行时执行权利要求1‑8任一项所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法。

10.一种计算机可读存储介质，用于存储非暂时性计算机可读指令，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时执行权利要求1‑8任一项所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法。

说明书

级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电池储能系统领域，具体地，涉及一种在中性点不接地电网中运行的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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 energy 
storage system,"2014IEEE PES General Meeting|Conference&Exposition,National 
Harbor,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。

[0004] 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",2016IEEE Transportation Electrification 
Conference 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《"Wavelet 
decomposition based fault detection in cascaded H‑bridge multilevel inverter 
using artificial neural network",2017 2nd IEEE International Conference on 
Recent 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

[0005] 本发明针对现有技术存在的不足，提出一种对在中性点不接地电网中运行的级联H桥电池储能系统单点接地故障进行检测与定位的方法。该方法避免了电网三相不平衡电
压的影响，根据接地故障状态下级联H桥电池储能系统(CHB‑BESS)中心点的电压偏移值，结
合CHB‑BESS各个储能单元的交流侧电压的大小，来检测并定位接地故障。

[0006] 本发明第一方面，提供一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法，所述方法针对中心点不接地电网中级联H桥电池储能系统，包括：

[0007] S1，获取级联H桥电池储能系统各个储能单元的交流侧电压及相位；

[0008] S2，测量级联H桥电池储能系统中心点对地电压及其相位；

[0009] S3，判断单点接地故障是否发生：将S2所述中心点对地电压值与S1所述各个储能单元的交流侧电压进行比较，判断单点接地故障是否发生，若单点接地故障发生，则进入
S4；否则，为无单点接地故障，跳转到S1；

[0010] S4，根据S1中得到的各个储能单元的交流侧电压相位以及S2中心点对地电压相位进行比较，判断单点接地故障所在相；

[0011] S5，根据各个储能单元的交流侧电压和设定阈值，判断单点接地故障在故障相的电气位置。

[0012] 可选地，所述获取级联H桥电池储能系统各个储能单元的交流侧电压及相位，包括：对每个储能单元的交流侧电压进行测量，或者通过调制比与直流侧电压计算，或者从级
联H桥电池储能系统的控制系统直接获取调制目标值，得到级联H桥电池储能系统的每个储
能单元的交流侧电压和相位。

[0013] 可选地，将获取的3*N个储能单元交流电压值按照储能单元从中心点到并网点的顺序组成三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]；其
中，下标a，b，c分别表示储能单元所在的相，N为每相储能单元的数量；1,2，……，N则表示每
相的储能单元从中心点到并网点的编号，与中心点直接相连的编号为1，与并网电抗器直接
相连的编号为N；由于每一相的储能单元的交流侧相位相同，获取的a、b、c三相的储能单元
的相位分别为 和

[0014] 可选地，所述测量级联H桥电池储能系统中心点对地电压及其相位，包括：通过连接在级联H桥电池储能系统中心点与“地”之间电压互感器测量级联H桥电池储能系统的中
心点对地电压Uo和相位

[0015] 可选地，所述判断单点接地故障是否发生，包括：将测量得到的级联H桥电池储能系统中心点电压值Uo与三相储能单元电压向量Ua1、Ub1、Uc1进行比较，记k1＝Uo/Ua1、k2＝Uo/
Ub1和k3＝Uo/Uc1，若k1、k2和k3中任何一个相等或大于设定阈值，则判定发生单点接地故障。

[0016] 可选地，所述设定阈值为0.5，考虑测量误差，k1、k2和k3与0.5的偏差在(80％‑120％)范围认为相等。

[0017] 可选地，所述判断单点接地故障所在相，包括：将测量得到的级联H桥电池储能系统中心点电压相位 与三相储能单元的相位 进行比较，则：

[0018] 若 等于 判定单点接地故障发生在A相；

[0019] 若 等于 判定单点接地故障发生在B相；

[0020] 若 等于 判定单点接地故障发生在C相；

[0021] 考虑到实际测量回路中误差，两个相位的偏差在3°以内，认为两者相等。

[0022] 可选地，所述判断单点接地故障在故障相的电气位置，包括：

[0023] 从三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]中取出故障相的储能单元电压向量，记为[Ugz1,Ugz2,…,Ugzn]；

[0024] 记k＝Uo/Ugz1，若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元与第2个储能单元之间；k与0.5、1的偏
差在(80％‑120％)范围认为相等；

[0025] 若k大于1，重新记k＝(Uo‑Ugz1)/Ugz2，若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元与第3个储能单
元之间；

[0026] 若k仍大于1，重新记k＝(Uo‑Ugz1‑Ugz2)/Ugz3，若k等于0.5，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元直流侧；若k等于1，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元与第4个
储能单元之间；

[0027] 依次递推，即实现接地故障点的电气定位。

[0028] 本发明第二方面，提供一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位设备，包括：

[0029] 存储器，用于存储非暂时性计算机可读指令；以及

[0030] 处理器，用于运行所述计算机可读指令，当所述计算机可读指令被所述处理器运行时执行所述的级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法。

[0031] 本发明第三方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储非暂时性计算机可读指令，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时执行所述的级联H桥电池储能系统
单点接地故障检测与定位方法。

[0032] 与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

[0033] 本发明提供了一种在中性点不接地电网中级联H桥电池储能系统单点接地故障的检测与定位方法，根据CHB‑BESS的中心点电压的大小，判断接地故障是否发生，依据中心点
电压的相位判断接地故障相，根据中心点电压的大小和故障相各个储能单元电压的大小，
联合进行故障定位。本发明极大地方便了CHB‑BESS的故障检修和维护。

附图说明

[0034] 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：

[0035] 图1为本发明一实施例中级联H桥电池储能系统单点接地故障的检测与定位方法流程图；

[0036] 图2为本发明一实施例中采用电压互感器测量CHB‑BESS中心点对地电压，以及单点接地故障示意图.

具体实施方式

[0037] 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。

[0038] 参照图1所示，为本发明一实施例中级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法流程图。本实施例中方法通过级联H桥电池储能系统(Cascaded H Bridge Battery 
Energy Storage System‑CHB‑BESS)中心点的对地电压的大小和相位，结合CHB‑BESS各个
储能单元的交流侧电压，实时监测系统接地故障并进行故障定位，具体步骤如下：

[0039] S100，获取CHB‑BESS各个储能单元的交流侧电压及相位；

[0040] 本步骤中，通过对每个储能单元的交流侧电压进行测量，或者通过调制比与直流侧电压计算，或者从CHB‑BESS的控制系统直接获取调制目标值，得到CHB‑BESS的每个储能
单元的交流侧电压和相位。

[0041] 具体的，将获取的3*N个储能单元交流电压值按照储能单元从中心点到并网点的顺序组成三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]。其
中，下标a，b，c分别表示储能单元所在的相，N为每相储能单元的数量。1,2，……，N则表示每
相的储能单元从中心点到并网点的编号，与中心点直接相连的编号为1，与并网电抗器直接
相连的编号为N。由于每一相的储能单元的交流侧相位相同，获取的a、b、c三相的储能单元
的相位分别为 和

[0042] S200，测量CHB‑BESS中心点对地电压及其相位；

[0043] 本步骤中，通过连接在CHB‑BESS中心点与“地”之间电压互感器测量CHB‑BESS的中心点对地电压Uo和相位

[0044] S300，判断单点接地故障是否发生；如判断为已经发生单点接地故障，进入第(4)步；如判断为无单点接地故障，跳转到S100；

[0045] 本步骤中，将测量得到的CHB‑BESS中心点电压值Uo与Ua1、Ub1和Uc1进行比较，记k1＝Uo/Ua1、k2＝Uo/Ub1和k3＝Uo/Uc1。如k1、k2和k3中任何一个等于或大于0.5。则判定发生单
点接地故障；考虑到依据测量S100、S200中的测量误差，通常k1、k2和k3与0.5的偏差在
(80％‑120％)范围可认为相等。

[0046] S400，判断单点接地故障所在相；

[0047] 本步骤中，将测量得到的CHB‑BESS中心点电压相位与 和 进行比较。

[0048] 如 约等于 判定单点接地故障发生在A相；

[0049] 如 约等于 判定单点接地故障发生在B相；

[0050] 如 约等于 判定单点接地故障发生在C相；

[0051] 考虑到实际测量回路中电压互感器角差、信号调理电路引起的相移、以及计算误差，两个相位的偏差在3°以内，可以认为两者相等。

[0052] S500，判断单点接地故障在故障相的电气位置。

[0053] 本步骤中，从三相储能单元电压向量[Ua1,Ua2,…,Uan]、[Ub1,Ub2,…,Ubn]和[Uc1,Uc2,…,Ucn]中取出故障相的储能单元电压向量，记为[Ugz1,Ugz2,…,Ugzn]。

[0054] 记k＝Uo/Ugz1，如k约等于0.5，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元直流侧；如k约等于1，则判定接地故障发生在该相第1个储能单元与第2个储能单元之间；

[0055] 如k大于1，重新记k＝(Uo‑Ugz1)/Ugz2，如k约等于0.5，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元直流侧；如k约等于1，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元与第3个储
能单元之间；

[0056] 如k仍大于1，重新记k＝(Uo‑Ugz1‑Ugz2)/Ugz3，如k约等于0.5，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元直流侧；如k约等于1，则判定接地故障发生在该相第3个储能单元与
第4个储能单元之间；

[0057] 依次递推，即可实现接地故障点的电气定位。

[0058] 在本发明另一实施例中，还提供一种级联H桥电池储能系统单点接地故障检测与定位设备，包括：存储器，用于存储非暂时性计算机可读指令；以及处理器，用于运行所述计
算机可读指令，当所述计算机可读指令被所述处理器运行时执行所述的级联H桥电池储能
系统单点接地故障检测与定位方法。

[0059] 在本发明另一实施例中，本发明还提供一种计算机可读存储介质，用于存储非暂时性计算机可读指令，当所述非暂时性计算机可读指令由计算机执行时执行所述的级联H
桥电池储能系统单点接地故障检测与定位方法。

[0060] 为了更好说明上述技术方案，以下提供具体的仿真实例来说明：

[0061] 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。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某处发生单点接地故障。

[0062] 本实施例的过程如下：

[0063] 步骤(1)：从CHB‑BESS的变流器控制系统实时取得该CHB‑BESS储能单元的交流侧电压值和相位。按照从CHB‑BESS中心点往并网点依次排列得到：A相储能单元电压向量为
[295,300,292,298,291,295,292,300,296,294,297,290,292,292,290,294,299,292,294,
294]，单位V，相位 (以A相电网电压为基准)；B相储能单元电压向量为[300,294,
297,292,297,289,299,289,289,292,298,294,289,300,296,290,291,296,294,304]，单位
V，相位 C相储能单元电压向量为[290,294,297,295,299,298,298,290,297,
298,295,293,294,299,292,290,296,294,294,286]，单位V，相位 每相储能单元
数量N＝20。

[0064] 步骤(2)：通过工频电压互感器对CHB‑BESS中心点对地电压进行为测量，得到其电压Uo＝600V，相位

[0065] 步骤(3)：将测量得到的CHB‑BESS中心点电压值Uo与CHB‑BESS三相的储能单元电压向量的第1个元素Ua1、Ub1和Uc1进行比较，得到k1＝600/295、k2＝600/300和k3＝600/290。
k1、k2和k3均大于0.5。因此判定CHB‑BESS发生了单点接地故障；

[0066] 步骤(4)：将测量得到的CHB‑BESS中心点电压相位与 和 进行比较。

[0067] 与 最为相近，考虑到电压互感器和测量电路引入的误差，认为两者相等，因此判定单点接地故障发生在A相；

[0068] 步骤(5)：A相为故障相，因此故障相的储能单元电压向量[Ugz1,Ugz2,…,Ugz20]＝[295,300,292,298,291,295,292,300,296,294,297,290,292,292,290,294,299,292,294,
294]。

[0069] 计算k＝Uo/Ugz1＝600/295＝2.03，对于1。重新计算k＝(600‑295)/300＝1.02。其结果约等于1，则判定接地故障发生在该相第2个储能单元与第3个储能单元之间。

[0070] 本发明上述实施例方法在CHB‑BESS的中心点处设置一个电压互感器，根据接地故障状态下CHB‑BESS的中心点电压偏移，来进行接地故障的检测和接地故障定位，可以有效
地检测中性点不接地电网中CHB‑BESS的单点接地故障，并定位接地故障发生的电气位置，
极大地方便了CHB‑BESS的故障检修和维护。

[0071] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影
响本发明的实质内容。