CN111211574A - 基于半桥型mmc多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，包括：首先对正常运行的直流电网进行检测，得到正常运行电气量参数及***固有参数。其次，对双极故障后直流电网拓扑，由距离故障线路最远的非故障线路进行拆分，进行化为开式网络；在开式网络中计算故障所在线路两端等效换流站分别对故障点单独放电回路中的电流，分别等效原环形电网中故障点左右侧线路电流的故障分量。最后，通过与正常运行时的线路电流相加，得到基于半桥型MMC多端直流***直流侧双极故障电流。通过实施本发明，不需要复杂的建模仿真，能有效实现对基于半桥型MMC多端直流***直流侧单极接地故障电流的近似解析计算，计算时间短，泛用性广，实现成本低。

Description

基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法

技术领域

本发明属于电力***继电保护技术领域，尤其涉及一种基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法。

背景技术

基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)具有独立控制有功功率和无功功率、不存在换相失败、可向无源网络或弱交流***供电等特点，在灵活消纳大规模可再生能源、远距离大容量输电、异步联网等领域具有广阔应用前景，是未来电网发展的重要方向。目前国内已经投运的MMC-HVDC工程多数采用电缆输电，与架空线相比造价高且不便于检修和维护。因此采用架空线输电逐渐成为柔性直流电网未来发展的趋势。

与采用电缆相比，采用架空线输电发生短路故障的几率较大，其中线路双极短路故障是最严重的故障。故障后由于柔性直流电网的低阻尼特性，故障电流上升迅速且稳态值高达数十千安。目前柔性直流电网中多采用直流断路器清除故障电流，这是保障柔性直流电网安全、高效运行的重要措施。

由于目前直流断路器开断能力受限，多采用换流站出口处加装平波电抗器等限流措施限制故障电流的上升速度，从而在直流断路器开断能力范围内有效地清除故障电流。因此掌握短路故障电流水平是进行柔性直流电网参数设计、故障电流抑制及保护方案设计的重要基础。

目前柔性直流电网中计算短路电流较为常用的方法是通过电磁暂态仿真软件求解，但是由于仿真存在建模复杂、耗时长等局限性，不利于工程实际应用。为此，人们开始寻求更为简洁、快速的计算方法，柔性直流输电***故障电流的解析计算成为了研究热点。

现阶段对柔性直流输电***的短路电流解析计算方法的研究大多集中在双端***。现有相关研究认为双端***由于故障后换流站之间不存耦合关系，即故障点左右侧***相互独立，能够分别求解线路故障电流的解析表达式。针对柔性直流电网，由于换流站之间存在相应耦合关系，故障点左右侧***不独立，双端***下的假设条件已不再适用，一般通过在故障后一段时间范围内对换流站进行线性化，然后列写***状态矩阵通过求解不同故障下的***状态微分方程的方法得到线路故障电流以及换流站出口电流。但柔性直流电网中包含多个储能元件，微分方程阶次较高无法解析求解，最终仍需要借助仿真求解线路故障电流，亟待提出一种能够快速解析求解线路故障电流的工程实用计算方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的无法快速解析求解柔性直流电网线路故障电流的缺陷，从而提供了一种基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法。该方法基于多端直流电网故障后电气量变化及故障电流特征，可有效表现故障后一段时间内线路故障电流的整体趋势，包括：

步骤(1)，获取多端直流***固有参数，主要包括各端换流站参数：桥臂子模块个数N_n，子模块电容值C_0n，桥臂电抗值L_0n，桥臂损耗等效电阻R_0n、线路参数R_{line_n}、L_{line_n}，平波电抗器参数L_{pb_n}；

步骤(2)，获取待研究多端直流***故障前线路电流正常运行分量I_0n及***中换流站直流侧输出电压U_dc；

步骤(3)，在直流电网中由故障后电流上升最少的非故障线路，即距离故障线路最远的非故障线路将环形电网拆分为开式网络，并根据拆分后的换流站并联关系计算相应等效参数；

步骤(4)，根据拆分后多端直流***拓扑结构计算***中故障所在线路电流的故障分量i_{f_n}(t)；

步骤(5)，计算线路故障电流全量i_{fline_n}(t)。

前述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流的近似解析计算方法，在所述步骤(3)中，将多端直流***中非故障极网络去除，并删除与各换流站相连的交流***；去除非故障所在线路两端换流站之间的金属回线，将多端直流***的原拓扑由离故障线路最远的非故障线路将原环形网络拆分为开式网络。

换流站内部等效参数为：

其中，R_sumn、L_sumn、C_sumn分别为各换流站对外等效参数，L_z为中性线限流电抗器。

在开式网络中，换流站并联后等效计算公式如下：

前述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流的近似解析计算方法，在所述步骤(4)中，只考虑故障网络，使用拆分后的开式网络中故障线路电流的故障分量的计算公式为：

式中，j＝1,2；i_{f_j}(t)表示故障左右侧线路故障分量，U_dc表示正常运行时换流站直流侧输出电压；N_j、L_eqsj、R_eqsj、C_eqsj表示开式网络中故障所在线路两端换流站并联等效参数；L_{dc_j}、R_{dc_j}表示故障所在线路两端等效换流站对故障点放电回路参数。

前述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流的近似解析计算方法，在所述步骤(5)中，线路故障电流全量的计算方法为：

i_{fline_j}(t)＝i_{f_j}(t)+I₀， (8)

式中，j＝1,2；i_{fine_j}(t)表示故障点左右侧线路故障电流全量；I₀表示故障前线路电流正常运行分量。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，可以直接通过计算获得柔性直流电网线路故障电流，无需对多端直流电网进行复杂的建模和仿真，具有较强的实用性；并且本发明只需结合***固有参数、正常运行状态参数及故障发生位置进行计算，可执行性较强。通过实施本发明可实现对基于半桥MMC的多端直流电网直流侧发生双极故障时的线路故障电流进行计算。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法的程序框图；

图2为基于半桥MMC的张北四端直流电网拓扑结构图；

图3为MMC换流器基本结构图；

图4为故障后康保站向故障点提供故障电流路径示意图；

图5为故障后基于半桥MMC的张北四端直流电网简化拓扑图；

图6为故障后换流站等值电路图；

图7为故障后直流环形电网拆分为开式网络等效电路图；

图8为换流站并联等效参数图；

图9为开式网络中换流站并联等效后计算等效电路图；

图10为基于半桥MMC张北的线路故障电流的仿真和解析对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供了一种基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，如图1所示，包括：

步骤(1)，获取多端直流***固有参数，主要包括各端换流站参数：桥臂子模块个数N_n，子模块电容值C_0n桥臂电抗值L_0n，桥臂损耗等效电阻R_0n、线路参数R_{line_n}、L_{line_n}，平波电抗器参数L_{pb_n}；

步骤(2)，获取待研究多端直流***故障前线路电流正常运行分量I_0n及***中换流站直流侧输出电压U_dc；

步骤(3)，在直流电网中由故障后电流上升最少的非故障线路，即距离故障线路最远的非故障线路将环形电网拆分为开式网络，并根据拆分后的换流站并联关系计算相应等效参数；

步骤(4)，根据拆分后多端直流***拓扑结构计算***中故障所在线路电流的故障分量i_{f_n}(t)；

步骤(5)，计算线路故障电流全量i_{fline_n}(t)。

本发明实施例提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，可以直接通过计算获得柔性直流电网线路故障电流，无需对多端直流电网进行复杂的建模和仿真，具有较强的实用性；并且本发明只需结合***固有参数、正常运行状态参数及故障发生位置进行计算，可执行性较强。

在一可选实施例中，在上述步骤(3)中，将多端直流***中非故障极网络去除，并删除与各换流站相连的交流***；

去除非故障所在线路两端换流站之间的金属回线，将多端直流***的原拓扑由离故障线路最远的非故障线路将原环形网络拆分为开式网络；

换流站内部等效参数为：

其中，R_sumn、L_sumn、C_sumn分别为各换流站对外等效参数，L_z为中性线限流电抗器；

在开式网络中，换流站并联后等效计算公式如下：

在一可选实施例中，在上述步骤(4)中，只考虑故障网络，使用故障后故障所在线路两端换流站对故障点的单独放电回路中的电流分别等效计算故障左右侧线路电流的故障分量的计算公式为：

式中，j＝1,2；i_{f_j}(t)表示故障左右侧线路故障分量，U_dc表示正常运行时换流站直流侧输出电压；N_j、L_eqsj、R_eqsj、C_eqsj表示开式网络中故障所在线路两端换流站并联等效参数，L_{dc_j}、R_{dc_j}表示故障所在线路两端等效换流站对故障点放电回路参数。

在一可选实施例中，在上述步骤(5)中，线路故障电流全量的计算方法为：

i_{fline_j}(t)＝i_{f_j}(t)+I₀， (16)

式中，j＝1,2；i_{fine_j}(t)表示故障点左右侧线路故障电流全量；I₀表示故障前线路电流正常运行分量。

本发明实施例以图2所示的基于半桥MMC张北四端直流电网为例对本发明实施例提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法进行说明，换流器基本结构如图3所示。当康保-丰宁线路康保出口处发生双极短路时，发生双极故障时，可以认为非故障极的电流在故障前后不发生改变，仅考虑故障极，去除金属回线网络。由于张北直流电网为环状结构，以如图4康保站为例，四个换流站像故障点提供故障电流的路径均有两条，且故障后四个换流站可等效为如图5所示的等值电路。故障后换流站中子模块电容的放电电流，对应换流站出口电流的故障分量和线路电流的故障分量；与正常运行时分量相加得到故障后电流全量。故障后交流侧对直流线路故障电流不提供作用，因此将可将各换流站交流侧断开，得到故障后张北直流电网拓扑及电流故障分量分布如图6所示。

由于故障后各换流站向故障线路提供电流故障分量的实质是子模块电容储能的释放，线路两端的电压由四个换流站子模块储能共同维持。随着各站子模块电容储能的释放，故障线路两端阀侧电压下降，导致故障电流变化率下降。张北直流电网故障后换流站并联结构复杂，难以进行并联关系分析并进行等效解析计算。由于故障后非故障线路上的电流变化很小，若仅关注故障闭锁前5ms～10ms以内的故障电流变化，可以对拓扑进行简化，将原环形网络由故障后产生线路故障电流最小的非故障线路进行拆分，即由距离故障线路最远的非故障线路拆分为开式网络。对于张北环形直流电网，在由上文描述中的康保站出口处发生双极短路时，离故障点最远的线路为张北-北京线路，则故障后即由此线路将原环网拆分为开式网络，得到如图7所示电路。由图7可知，由故障点可将开式网络分为左右两个独立***，独立***中两个换流站存在并联关系，故障点左右换流站并联关系如图8所示，参数由(3)可计算得出：

从而得到简化之后的等效电路如图9所示，进一步地，故障线路电流即可由式(4)-(8)可得：

i_K2(t)＝21.73e^-0.36tsin(70.69t)， (19)

i_F2(t)＝17.56e^-2.33tsin(57.02t)， (20)

则线路故障电流全量为：

i₁(t)＝i_K2(t)+I₀＝21.73e^-0.36tsin(70.69t)+0.9， (21)

i₂(t)＝I₀-i_F2(t)＝0.9-17.56e^-2.33tsin(57.02t)。 (22)

为了验证上述计算结果是否准确，本发明实施例还利用PSCAD/EMTDC软件对康保-丰宁线路康保出口处发生双极故障进行了电磁暂态仿真，并将线路故障电流仿真结果与近似解析计算结果对比如图10所示，可以看出仿真结果与近似解析计算结果基本一致，验证了本发明实施例提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法的正确性和有效性，由此可见，通过本发明实施例提供的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，能够不依靠复杂的建模和仿真迅速有效地得到基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流。

Claims (4)

1.一种基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)，获取多端直流***固有参数，主要包括各端换流站参数：桥臂子模块个数N_n，子模块电容值C_0n桥臂电抗值L_0n，桥臂损耗等效电阻R_0n、线路参数R_{line_n}、L_{line_n}，平波电抗器参数L_{pb_n}；

步骤(2)，获取待研究多端直流***故障前线路电流正常运行分量I_0n及***中换流站直流侧输出电压U_dc；

步骤(3)，在直流电网中由故障后电流上升最少的非故障线路，即距离故障线路最远的非故障线路将环形电网拆分为开式网络，并根据拆分后的换流站并联关系计算相应等效参数；

步骤(4)，根据拆分后多端直流***拓扑结构计算***中故障所在线路电流的故障分量i_{f_n}(t)；

步骤(5)，计算线路故障电流全量i_{fline_n}(t)。

2.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，其特征在于：

在所述步骤(3)中，将多端直流***中非故障极网络去除，并删除与各换流站相连的交流***；

去除非故障所在线路两端换流站之间的金属回线，将多端直流***的原拓扑由离故障线路最远的非故障线路将原环形网络拆分为开式网络；

换流站内部等效参数为：

其中，R_sumn、L_sumn、C_sumn分别为各换流站对外等效参数，L_z为中性线限流电抗器；

在开式网络中，换流站并联后等效计算公式如下：

。

3.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，其特征在于：

在所述步骤(4)中，只考虑故障网络，使用故障后故障所在线路两端换流站对故障点的单独放电回路中的电流分别等效计算故障左右侧线路电流的故障分量的计算公式为：

式中，j＝1,2；i_{f_j}(t)表示故障左右侧线路故障分量，U_dc表示正常运行时换流站直流侧输出电压；N_j、L_eqsj、R_eqsj、C_eqsj表示开式网络中故障所在线路两端换流站并联等效参数，L_{dc_j}、R_{dc_j}表示故障所在线路两端等效换流站对故障点放电回路参数。

4.根据权利要求1所述的基于半桥型MMC多端直流电网直流侧双极故障电流计算方法，其特征在于：

在所述步骤(5)中，线路故障电流全量的计算方法为：

i_{fline_j}(t)＝i_{f_j}(t)+I₀， (8)

式中，j＝1,2；i_{fine_j}(t)表示故障点左右侧线路故障电流全量；I₀表示故障前线路电流正常运行分量。

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