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CN110108986A - 直流电网故障电流复频域计算方法 - Google Patents

直流电网故障电流复频域计算方法 Download PDF

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CN110108986A
CN110108986A CN201910459839.4A CN201910459839A CN110108986A CN 110108986 A CN110108986 A CN 110108986A CN 201910459839 A CN201910459839 A CN 201910459839A CN 110108986 A CN110108986 A CN 110108986A
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CN
China
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fault current
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CN201910459839.4A
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English (en)
Inventor
赵成勇
俞永杰
吕煜
许建中
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North China Electric Power University
Original Assignee
North China Electric Power University
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Publication date
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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    • G01R31/081—Locating faults in cables, transmission lines, or networks according to type of conductors
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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/08—Locating faults in cables, transmission lines, or networks
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Abstract

本发明提供直流电网故障电流复频域计算方法。在输配电技术领域，直流电网作为风电和光伏等新能源汇集的有效手段，其故障电流的计算对设备选型、保护设计、参数优化等工作具有重要意义，该发明提出了一种适用于单双极故障且不受过渡电阻影响的故障电流复频域计算方法，充分考虑了故障后交流侧的交流馈入和远端健全支路的直流馈入，针对换流站交流馈入，运用叠加定理将直流电网分为正常网络和故障附加网络，对其分别进行求解；针对健全线路支路的直流馈入，对故障附加网络的外部节点静态等值，在复频域内对等值电路进行故障电流求解。

Description

直流电网故障电流复频域计算方法
技术领域
本发明属于输配电技术领域，具体涉及直流电网故障电流复频域计算方法。
背景技术
采用全控型器件的电压源换流器高压直流输电(Voltage Source Converterbased HVDC，VSC-HVDC)具有四象限独立控制有功和无功功率、便于潮流反转、可作为黑启动电源等独特技术优势。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种新型的VSC拓扑，在具有上述优点的基础上，采用子模块级联的方式，避免了两、三电平VSC中功率器件压接式串联所导致的触发一致性和短路失效等问题，已成为VSC-HVDC的发展趋势。
MMC因开关损耗低、输出谐波少、模块化设计等优点受到了广泛的关注，而基于MMC的直流电网是大规模清洁能源接入电网的重要技术手段。直流电网“低惯量、弱阻尼”的特性使其耐受直流故障的能力极差，MMC子模块电容在故障发生瞬间迅速放电，对整个直流电网造成严重危害。
由于传统半桥型MMC换流站没有故障自清除能力，需配置直流断路器来切除故障线路。直流电网发生故障后，故障电流上升迅速，其稳态值可达数十千安。这要求直流电网必须在几个毫秒之内就快速准确地识别故障线路，以在故障电流超出断路器开断能力之前可靠地切除故障线路，直流电网的故障电流特性对于设备选型、保护设计、参数优化等工作来说有重要意义。
发明内容
针对上述问题，在学术界对直流电网故障电流研究的基础上，本发明将半桥MMC换流站的故障等值电路等效为电阻、电感和电容的串联模型，将直流架空线路等效为电阻和电感的串联模型，并充分考虑了故障后交流侧的馈入电流成分和远端健全支路直流馈入的电流成分。针对换流站交流馈入，运用叠加定理将直流电网分为正常网络和故障附加网络，对其分别进行求解；针对健全线路支路的直流馈入，对故障附加网络的外部节点静态等值，在复频域内对等值电路进行故障电流求解。针对双极短路故障、单极接地故障、金属性故障、非金属性故障等多种场景，该计算方法都能够适用且具有较高的精度。
附图说明
图1是四端直流电网示意图；
图2是直流电网线性等效网络；
图3换流站正极等值电路；
图4是等效故障网络；
图5是故障等值电路；
具体实施方式
为进一步阐述本发明的性计算过程，以下结合附图对发明的原理进行具体说明。
图1为四端直流电网示意图，在架空线输电场合，MMC直流电网通常采用正负极可以独立运行的对称双极结构，在某一极直流线路发生故障后，另一极仍可以输送一半的功率，从而提高直流电网供电可靠性。4个MMC换流站由4条正负极直流线路相连成网，线路两端配有各配有平波电抗器和直流断路器，换流器出口与中性线之间配置接地电抗器，其主要用于抑制故障电流的上升速度，为线路保护和直流断路器的动作争取一定的时间。设在线路Line12+处发生接地短路，其短路电流不仅包括近端换流站子模块电容放电电流和交流系统馈入电流，同时还需要考虑远端换流站的馈入电流。在线路保护和断路器动作以前，换流站仍然处于不闭锁状态。可以采用叠加定理将整个直流电网拆分为两个线性等效网络，分别是正常运行网络和故障附加网络，如图2所示。
无源网络中半桥MMC换流站的故障等值电路如图3所示，由于真双极系统中正负极结构对称，图3具体展现其换流站正极的等值电路。图中：R0为桥臂电阻(由处于放电回路中的IGBT和二极管的通态电阻串联组成)；L0为桥臂电抗；Lm为直流电抗；Le为接地电抗；C0为子模块电容。RC、LC和CC分别为MMC故障等值电路中的电阻、电感和电容，其等效为RLC电路后的具体参数如式(1)所示。
由于架空线的对地电容很小，忽略对地电容的影响，将直流线路化简为RL串联结构。将换流站和架空线的等效模型运用于图1的四端直流电网，可得到单极接地的等效故障网络，其详细的拓扑结构和电路参数如图4所示。图中：U1、U2、U3、U4为四个换流站出口直流母线电压，对地支路分为换流站支路和故障点电压源激励支路，连接支路中包括换流站出口电抗器和架空线等效RL参数。在线路Line12+处发生经过渡电阻接地短路，故障电流I10，I20分别从两侧线路流入接地点；R0为故障点的过渡电阻，故障点的激励电压源-Udcf为正常运行时该点电压的相反值。
首先将其所在线路Line12+及故障点电压源激励支路移除，对剩余网络列写节点电压方程，如式(2)所示。
AYATUn＝AIs-AYUs (2)
式中：A为节支关联矩阵；Y为支路导纳矩阵，Un为节点电压，Is，Us为各支路电流源和电压源列向量。
在剩余网络中选取U1、U2、U3、U4四个换流站出口直流母线电压为节点电压，根据有无电流注入将其分为近端节点和远端节点。又由于该剩余网络中不存在含电压源支路，因此可以把式(2)化简并分解为
式中UI，II为近端节点1、2的电压和注入电流列向量，UE为远端节点3、4的电压列向量，其注入电流为0，YII、YIE、YEI，YEE为对应的节点导纳矩阵。对上述矩阵的外部网络进行化简，消去远端节点，可得等值后近端节点的结点电压方程为
式中是等值后的节点导纳矩阵，它包括了外部网络化简后产生的等值电路的贡献。
根据式(4)、式(5)，可以将剩余网络等效为二端口网络，在此基础上加入故障所在线路支路及故障点电压源激励支路构成故障等值电路，如图5所示。
首先根据等值节点导纳矩阵两端电压U1、U2，短路故障电流I10、I20的关系可以表示为
由于该无源网络没有受控源和互感，等值节点导纳矩阵为对称阵，可得
Y12＝Y21 (7)
接着根据基尔霍夫定律列写式(8)的回路电压方程。
其中
Z1＝s(Ldc+L10)+R10+R0 (9)
Z2＝s(Ldc+L20)+R20+R0 (10)
由于故障附加电压源列向量Udcf与正常网络中的电压源方向相反，其在复频域下的阶跃响应为。
结合公式(6)—(11)可得故障电流分量I10、I20为
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.直流电网故障电流复频域计算方法，其特征在于：将半桥MMC换流站的故障等值电路等效为电阻、电感和电容的串联模型，将直流架空线路等效为电阻和电感的串联模型。
2.根据权利1所述的直流电网故障电流复频域计算方法，其特征在于：直流电网的故障电流主要由交流侧的交流电流馈入和换流站中子模块的电容放电，计算方法充分考虑了故障后交流侧的馈入电流成分和远端健全支路直流馈入的电流成分。
3.根据权利1所述的直流电网故障电流复频域计算方法，其特征在于：针对换流站交流馈入，运用叠加定理将直流电网分为正常网络和故障附加网络，对其分别进行求解。
4.根据权利1所述的直流电网故障电流复频域计算方法，其特征在于：针对健全线路支路的直流馈入，对故障附加网络的外部节点静态等值，在复频域内对等值电路进行故障电流求解。
5.根据权利1所述的直流电网故障电流复频域计算方法，其特征在于：针对双极短路故障、单极接地故障、金属性故障、非金属性故障等多种场景，该计算方法都能够适用且具有较高的精度。
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