CN103746364A - 一种直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法 - Google Patents

Abstract

一种直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是：先获得直流系统单极运行时待测变压器中性点处交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，之后按照如下步骤进行：第一步，计算该处直流接地极及接地网自电阻；第二步，计算该处直流接地极及接地网互电阻；第三步，基于自电阻与互电阻及该处的交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，利用PSCAD搭建该处的交直流输电系统模型；第四步，运行模型，量测各变压器中性点电流作为预测值。本发明提出的互电阻概念，将复杂的电流场问题转化为易于求解的电路问题，其模型为可视化模型，使预测系统更加直观且便于根据实际交直流混联系统进行相应修改，提高了该预测方案的适用性。

Description

一种直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法

技术领域

本发明涉及直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，具体是一种对于高压直流输电系统处于单极运行方式时窜入变压器中性点的直流电流的预测方法。

背景技术

直流输电系统的运行方式主要有单极金属回线方式、单极大地回线方式和双极方式。当一极发生故障或检修需退出运行时，另一极变为单极工作方式，利用大地或海水作为回路继续运行，此时直流电流经接地极注入大地，并在极址土壤中形成一个恒定的直流电流场。进而会在换流站附近的交流变电站之间形成较大的电位差，使得站内中性点接地变压器的绕组有直流分量流过。因此在直流输电采取单极大地运行方式前，需提前预测直流入地电流经交流电网的分流情况，为评估直流分量可能对接地电气设备如变压器等的影响提供依据，以便采取相应的防护措施。

目前对高压直流输电系统直流入地电流在交流系统的分布计算主要采用场路耦合法。该方法存在的缺陷是对结构复杂的实际系统来说，应用场路耦合法会增加计算方程的矩阵维数，增加计算的复杂性和降低方程的求解精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种在直流输电采取单极大地运行方式时，提前预测直流入地电流经交流电网的分流情况的方法，从而为评估直流分量可能对接地电气设备如变压器等的影响提供依据，以便于采取相应的防护措施。

所述直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法的技术方案是：先获得直流系统单极运行时待测变压器中性点处交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，之后按照如下步骤进行：第一步，计算该处直流接地极及接地网自电阻，将接地网的自电阻取为接地体的接地电阻；第二步，计算该处直流接地极及接地网互电阻，这个电阻的大小反应了两个接地极之间的土壤产生的影响直流电流通过的作用；第三步，利用PSCAD搭建该处的交直流输电系统模型，其中地上网络基于该处的交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，接地极的自电阻与互电阻基于第一步与第二步的计算数据；第四步，运行模型，量测各变压器中性点电流作为预测值。

所述接地极自电阻按如下公式计算：

$R=\frac{V}{I}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πa}}---\left(1\right)$

公式中的a表示接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，I表示由接地电极流入大地的电流，V表示接地电极与大地间的电压，R为接地极自电阻。

所述的接地极互电阻计算公式如下：

$R_{\mathrm{I\; II}}=\frac{\mathrm{\ρ}(\frac{f}{a^{\′}}-1)}{2\mathrm{\πa}}---\left(2\right)$

公式中的a、a′表示两个接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，f表示两接地极中心距离，R_I II接地网互电阻。

所述第三步利用PSCAD搭建该处交直流输电系统模型的具体方法是将所述的交直流输电系统模型分为交流侧电源模型和直流输电系统模型两大部分，两边交流侧的电网模型等值为中性点通过电感电阻接地的三相电源，三相电源的内阻用阻感回路并联等效，同时将交、直流两端接口处用于交、直流输电系统换流、逆变的换流变压器的特征方程分为磁路和电路两部分，其磁路和电路方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=i_1{r}_1+L_{1\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_1}{\mathrm{dt}}+E_1\\ u_2=i_2{r}_2+L_{2\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_2}{\mathrm{dt}}+E_2\\ \mathrm{\Φ}=\mathrm{BA}\\ N_1{i}_1+N_2{i}_2=\mathrm{Hl}\\ E_1=N_1\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\\ E_2=N_2\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：u₁、u₂为原、副边电压；i₁、i₂为原、副边电流；r₁、r₂为原、副边绕组的电阻；L_1σ、L_2σ为原、副边绕组的漏感；N₁、N₂为原、副边绕组的匝数；A、l为铁芯的有效横截面积和磁路长度；B、H和Φ分别为变压器铁芯中的磁感应强度、磁场强度和磁通；E₁、E₂为原、副边绕组的感应电势，二者通过变量Φ联系起来；与换流变压器直流侧相连的换流阀由多个整流管以串联分压的形式构成；

直流输电系统模型采用分布参数模型，导线截面积为6×630mm²，导线半径为1.68cm，正负直流极线距离为23.6m，导线高度为36.5m。

所述第四步运行模型，量测各变压器中性点电流作为预测值的具体步骤是：

1）运行软件电力仿真软件PSCAD，设置仿真时长为2s，仿真步长为500μs，打开所搭建的交直流输电系统模型；

2）利用直流输电系统输送功率调节模块，调节直流输电系统的输送功率，一极调至1500MW，一极调至0MW，此时系统运行方式为单极大地运行；

3）运行所搭建的交直流输电系统模型，利用PSCAD中的电流测量模块量测各变压器中性点处电流。

换流阀由几个整流管以串联分压的形式构成，每一套单位整流管中的元件具体参数为：缓冲器电路中的电容2.4μF，电阻100Ω，最小维持电流I_hold=6A，去游离时间t_q=800μs。特高压直流输电采用分布参数模型，导线截面积为6×630mm²，导线半径为1.68cm，分裂间距为45cm，正负直流极线距离为23.6m，导线高度为36.5m，弧垂为19m，导线电阻为0.00752Ω/km，导线电容为0.0124μF/km，导线电感为0.85mH/km。

本发明的有益效果是：针对目前的场路耦合法对结构复杂的实际系统来说会增加计算方程的矩阵维数、增加计算的复杂性和降低方程的求解精度这一缺陷，提出了互电阻概念，将复杂的电流场问题转化为易于求解的电路问题，本发明的模型为可视化模型，使预测系统更加直观且便于根据实际交直流混联系统进行相应修改，提高了该预测方案的适用性。

附图说明

图1为本发明待测点处交直流输电网络拓扑结构图；

图2（a）为交直流输电系统模型电路图；

图2（b）为换流变压器模型图；

图2（c）为换流阀模型电路图；

图2（d）为直流输电系统模型图；

图3为预测直流系统单极运行时待测处变压器中性点电流实施例流程图；

图4为原理框图。

具体实施方式

以下结合附图1-4具体说明本发明实施过程。如图1示，本发明在预测高压直流输电系统处于单极运行方式时窜入变压器中性点的直流电流前，应先获得该处的交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，之后按照如下步骤进行：第一步，计算该处直流接地极及接地网自电阻，将接地网的自电阻取为接地体的接地电阻；第二步，计算该处直流接地极及接地网互电阻，这个电阻的大小反应了两个接地极之间的土壤产生的影响直流电流通过的作用；第三步，利用PSCAD搭建该处的交直流输电系统模型，其中地上网络基于该处的交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，接地极的自电阻与互电阻基于第一步与第二步的计算数据；第四步，运行模型，量测各变压器中性点电流作为预测值。

所述接地极自电阻按如下公式计算：

$R=\frac{V}{I}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πa}}---\left(4\right)$

公式中的a表示接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，I表示由接地电极流入大地的电流，V表示接地电极与大地间的电压，R为接地极自电阻。

所述的接地极互电阻计算公式如下：

$R_{\mathrm{I\; II}}=\frac{\mathrm{\ρ}(\frac{f}{a^{\′}}-1)}{2\mathrm{\πa}}---\left(5\right)$

公式中的a、a′表示两个接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，f表示两接地极中心距离，R_I II接地网互电阻。

如图2（a）所示，所述第三步利用PSCAD搭建该处交直流输电系统模型的具体方法是将所述的交直流输电系统模型分为交流侧电源模型2和直流输电系统模型5两大部分，两边交流侧的电网模型等值为中性点通过电感电阻接地的三相电源，三相电源的内阻用阻感回路并联等效，同时将交、直流两端接口处用于交、直流输电系统换流、逆变的换流变压器3的特征方程分为磁路和电路两部分，其磁路和电路方程如下（参见图2（b）换流变压器模型图）：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=i_1{r}_1+L_{1\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_1}{\mathrm{dt}}+E_1\\ u_2=i_2{r}_2+L_{2\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_2}{\mathrm{dt}}+E_2\\ \mathrm{\Φ}=\mathrm{BA}\\ N_1{i}_1+N_2{i}_2=\mathrm{Hl}\\ E_1=N_1\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\\ E_2=N_2\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：u₁、u₂为原、副边电压；i₁、i₂为原、副边电流；r₁、r₂为原、副边绕组的电阻；L_1σ、L_2σ为原、副边绕组的漏感；N₁、N₂为原、副边绕组的匝数；A、l为铁芯的有效横截面积和磁路长度；B、H和Φ分别为变压器铁芯中的磁感应强度、磁场强度和磁通；E₁、E₂为原、副边绕组的感应电势，二者通过变量Φ联系起来；与换流变压器3直流侧相连的换流阀4由多个整流管以串联分压的形式构成（图2（c）示）；

直流输电系统模型采用分布参数模型，导线截面积为6×630mm²，导线半径为1.68cm，正负直流极线距离为23.6m，导线高度为36.5m（图2（d）示）。

所述第四步运行模型（如图2（a）示），量测各变压器中性点1电流作为预测值的具体步骤是：

1）运行软件电力仿真软件PSCAD，设置仿真时长为2s，仿真步长为500μs，打开所搭建的交直流输电系统模型；

2）利用直流输电系统输送功率调节模块6，调节直流输电系统的输送功率，一极调至1500MW（直流输电极1），一极调至0MW（直流输电极2），此时系统运行方式为单极大地运行；

3）运行所搭建的交直流输电系统模型，利用PSCAD中的电流测量模块量测各变压器中性点1处电流。

所述换流阀每一套单位整流管中的元件具体参数为：缓冲器电路中的电容C1为2.4μF，电阻R1电阻为100Ω。

Claims (6)

1.一种直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是：先获得直流系统单极运行时待测变压器中性点处交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，之后按照如下步骤进行：第一步，计算该处直流接地极及接地网自电阻，将接地网的自电阻取为接地体的接地电阻；第二步，计算该处直流接地极及接地网互电阻，这个电阻的大小反应了两个接地极之间的土壤产生的影响直流电流通过的作用；第三步，利用PSCAD搭建该处的交直流输电系统模型，其中地上网络基于该处的交直流输电网络拓扑结构图及系统运行参数，接地极的自电阻与互电阻基于第一步与第二步的计算数据；第四步，运行模型，量测各变压器中性点电流作为预测值。

2.按照权利要求1所述的直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是，所述接地极自电阻按如下公式计算：

$R=\frac{V}{I}=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πa}}---\left(1\right)$

公式中的a表示接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，I表示由接地电极流入大地的电流，V表示接地电极与大地间的电压，R为接地极自电阻。

3.按照权利要求1所述的直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是，所述的接地极互电阻计算公式如下：

$R_{\mathrm{I\; II}}=\frac{\mathrm{\ρ}(\frac{f}{a^{\′}}-1)}{2\mathrm{\πa}}---\left(2\right)$

公式中的a、a′表示两个接地电极的半径，ρ表示土壤的电阻率，f表示两接地极中心距离，R_I II接地网互电阻。

4.按照权利要求1所述的直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是：所述第三步利用PSCAD搭建该处交直流输电系统模型的具体方法是将所述的交直流输电系统模型分为交流侧电源模型（2）和直流输电系统模型（5）两大部分，两边交流侧的电网模型等值为中性点通过电感电阻接地的三相电源，三相电源的内阻用阻感回路并联等效，同时将交、直流两端接口处用于交、直流输电系统换流、逆变的换流变压器（3）的特征方程分为磁路和电路两部分，其磁路和电路方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_1=i_1{r}_1+L_{1\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_1}{\mathrm{dt}}+E_1\\ u_2=i_2{r}_2+L_{2\mathrm{\σ}}\frac{d{i}_2}{\mathrm{dt}}+E_2\\ \mathrm{\Φ}=\mathrm{BA}\\ N_1{i}_1+N_2{i}_2=\mathrm{Hl}\\ E_1=N_1\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\\ E_2=N_2\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中：u₁、u₂为原、副边电压；i₁、i₂为原、副边电流；r₁、r₂为原、副边绕组的电阻；L_1σ、L_2σ为原、副边绕组的漏感；N₁、N₂为原、副边绕组的匝数；A、l为铁芯的有效横截面积和磁路长度；B、H和Φ分别为变压器铁芯中的磁感应强度、磁场强度和磁通；E₁、E₂为原、副边绕组的感应电势，二者通过变量Φ联系起来；与换流变压器（3）直流侧相连的换流阀（4）由多个整流管以串联分压的形式构成；

直流输电系统模型采用分布参数模型，导线截面积为6×630mm²，导线半径为1.68cm，正负直流极线距离为23.6m，导线高度为36.5m。

5.按照权利要求1所述的直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是：所述第四步运行模型，量测各变压器中性点（1）电流作为预测值的具体步骤是：

1）运行软件电力仿真软件PSCAD，设置仿真时长为2s，仿真步长为500μs，打开所搭建的交直流输电系统模型；

2）利用直流输电系统输送功率调节模块（6），调节直流输电系统的输送功率，一极调至1500MW，一极调至0MW，此时系统运行方式为单极大地运行；

3）运行所搭建的交直流输电系统模型，利用PSCAD中的电流测量模块量测各变压器中性点（1）处电流。

6.按照权利要求4所述的直流系统单极运行时变压器中性点电流预测方法，其特征是：所述换流阀每一套单位整流管中的元件具体参数为：缓冲器电路中的电容C1为2.4μF，电阻R1电阻为100Ω。

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