CN104767188A - 直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，当差动电流大于整定值时，判为故障发生，控制所述被保护输电线路两端的断路器断开，同时接通吸收回路。它能够在一个毫秒内迅速切除故障线路，阻止由于系统阻抗较低导致故障电流快速达到过流值，从而避免整个系统崩溃。当电流差动保护失效时，欠电压保护作为第二道防线，防止线路和二极管等电力电子器件被巨大的短路电流损坏，保证了系统的安全运行。

Description

直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法

技术领域

本发明涉及一种风电直流微网的电流差动保护方法，尤其是一种直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法。

背景技术

一般而言，极间短路故障通常为外界机械应力导致，视为永久性故障，需快速准确切除，否则会造成整个直流微网的瘫痪。因此需要研究快速的故障定位和隔离方案，以保证直流线路发生故障及故障切除后直流微网系统仍能安全稳定地运行。目前，有关直流微网保护的研究仍处于初级阶段。

当直流微网发生双极短路故障时，由于直流正负极短接，直流侧电容通过故障点迅速放电，交流系统的电流被箝位到三相短路电流，变流器自身的过电流保护闭锁变流器，交流系统电流通过二极管继续馈入故障点，等效电路如图3(a)所示。图3(a)中R、L分别为直流线路的等效电阻和电感。C为直流侧电容和线路等效电容。

直流线路短路时的等效电路是一个复杂的非线性电路，可以将系统的响应分为三个阶段。

1.电容放电阶段

本阶段中由于故障回路的产生，电容快速放电，直流电压从初值下降至零，直流故障电流相应地快速上升。此期间并联电容、线路电阻与电感构成了一个RLC串联二阶电路，放电过程也就可以看成一个零输入响应。

不考虑交流系统的影响时，等效电路如图3(b)，由KVL得

$\mathrm{LC}\frac{d^2{v}_c}{d{t}^2}+\mathrm{RC}\frac{d{v}_c}{\mathrm{dt}}+v_c=0---\left(1\right)$

根据R与的大小关系，式(1)可以有不同的解，考虑到直流线路金属短路时的电阻较小，本文只对时进行分析。

设在t₀时刻直流线路短路，其初始条件为v_c(t₀)＝V₀，i_L(t₀)＝I₀。电路处于振荡放电过程，由式(1)得，故障后直流侧电压和电流分别为

$v_c=\frac{V_0{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}{e}^{-\mathrm{\δt}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\β})-\frac{I_0}{\mathrm{\ωC}}{e}^{-\mathrm{\δt}}\sin \mathrm{\ωt}---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{i}_L=C\frac{{\mathrm{dv}}_c}{\mathrm{dt}}=\\ -\frac{I_0{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}{e}^{-\mathrm{\δt}}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\β})+\frac{V_0}{\mathrm{\ωL}}{e}^{-\mathrm{\δt}}\sin \mathrm{\ωt}\end{array}---\left(3\right)$

式中， $\mathrm{\δ}=\frac{R}{2L},{\mathrm{\ω}}^2=\frac{1}{\mathrm{LC}}-{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2,{\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{{\mathrm{\δ}}^2+{\mathrm{\ω}}^2}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}},\mathrm{\β}=\arctan \frac{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\δ}}.$

由(2)式可知，当电容放电到零，即v_c＝0时所用的时间为

$t_1=t_0+\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

式中，γ＝arctan[(V₀ω₀Csinβ)/(V₀ω₀Ccosβ-I₀)]

将式(4)带入式(3)可得到

$\begin{array}{c}{i}_L\left(t_1\right)=-\frac{I_0{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}{e}^{-\mathrm{\δ}\left(\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ω}}\right)}\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}-\mathrm{\β})+\\ \frac{V_0}{\mathrm{\ωL}}{e}^{-\mathrm{\δ}\left(\frac{\mathrm{\π}-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ω}}\right)}\sin \mathrm{\γ}\end{array}---\left(5\right)$

一般情况下，直流线路金属短路时，远小于可以认为ω₀＝ω，则短路电流可简化为

$i_L=e^{-\mathrm{\δt}}(V_0\sqrt{\frac{C}{L}}\sin \mathrm{\ωt}+I_0\cos \mathrm{\ωt})---\left(6\right)$

令则式(5-6)进一步化简为

$i_L=e^{-\left(\frac{R}{2L}\right)t}\left[\sqrt{\frac{C}{L}{V_0}^2+{I_0}^2}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})\right]---\left(7\right)$

2.二极管续流阶段

这个阶段从直流电容电压下降至零开始，到电容重新充电。当v_c>0时，电容放电，电流流过线路阻抗。随着电容的放电，直流电压降低，当v_c降为零时，即t₁时刻，电感放电，故障电流通过反并联二极管续流，初始条件为i_L(t₁)＝I'₀。此时的等效电路如图3(c)，二极管构成的三相桥中每个桥臂承受1/3的电感电流，即

$i_{\mathrm{VD}}=\frac{1}{3}{i}_L---\left(8\right)$

此时电路变为一阶电路，电感电流按照指数规律衰减

i_L＝I′₀e^-(R/L)t                 (9)

此过程是二极管最危险的时刻，很大的电感放电电流突然通过二极管，由于初始电流过大，可以将其瞬间损坏。在选取开关器件时，应充分考虑二极管的过电流能力。

3.交流系统激励阶段

变流器闭锁后，交流系统并不会切除，变流器的反并联二极管可以形成一个三相桥式整流电路，交流系统继续向直流侧输送功率。此时系统相当于三相不控整流器工作在直流侧短路状态。交流系统的三相短路电流可以用电力系统暂态分析的方法来计算。设短路发生前，a相电流为

式中，I_m|0|为电流幅值，ω为同步角频率，a相相角为α，阻抗角为可求得三相短路电流为

式中，I_m为短路电流周期分量幅值，短路回路阻抗角短路回路时间常数τ＝(L_g+L)/R，L_g是VSC的进线电感。

二极管组成的三相不控整流电路将交流系统的短路电流的大于零的部分送到直流侧。因此，VSC的短路电流为

i_VSC＝i_VD1+i_VD2+i_VD3＝i_a,(＞0)+i_b,(＞0)+i_c,(＞0)         (12)

由以上分析可知，当直流线路发生双极短路时，变流器的过电流保护闭锁脉冲，直流侧电容与线路阻抗组成二阶电路，当直流电容降为零时，振荡电流经二极管续流，此时对二极管的冲击很大。保护系统的设计必须具有足够快的响应速度以避免二极管损坏。

直流微网系统发生直流输电线路短路故障后，不仅连接此线路的单元向故障点释放功率，其他直流端也会通过相应直流线路向故障点释放功率，线路电流会快速上升，图4所示为直流线路短路故障时四端环型风电直流微网系统的电流示意图。系统包含风电机组、储能系统、交流主网以及负荷部分，稳定运行时各单元的有功功率。故障前交流主网通过并网变流器向微网内输入功率以控制网内功率平衡。图4中标记了故障前后各输电线路两端的电流方向，可以看出线路L13故障后，故障线路两端电流均流向故障点，而其它直流端也向故障点馈入功率。同理可知输电线路L12、L24及L34发生短路故障时的电流流向。

低压直流微网是一个小惯量系统，且采用大量电压源型变流器联接分布式电源和负荷，系统通过控制直流电压稳定、改变电流的大小来确保网内功率平衡。稳定运行时直流电压不会发生突变，直流电流只有微小的波动；短路故障时直流电压会迅速降低、直流电流会发生比电压变化更快速的长时间的大幅波动。环型拓扑结构的直流微网在正常运行时全部直流断路器闭锁，形成闭环结构。当直流线路故障时，故障线路两端的直流断路器打开以切除故障线路，系统继续稳定运行在开环模式，没有风电功率、储能功率或是电网功率的损失，比辐射型拓扑结构具有更高的供电可靠性，而且更具有灵活性。环型网络上任意一点发生直流短路故障，其它单元的电压电流都会受到影响，而且电压电流故障特性差异不明显。直流网络的电压源型变流器采用大电容滤波，没有大电感，故障时各端电流会快速上升，短路电流非常大，能够在短时间内对线路和二极管等电力电子设备造成严重的损坏，这就要求保护单元快速准确地检测并区分是哪一条输电线路故障，然后快速地将故障线路隔离。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，包括以下步骤：

a:将电流差动保护控制模块并联在所述被保护输电线路的两端；

b:所述电流差动保护控制模块采集被保护输电线路的输入电流值i_{L_in}和输出电流值i_{L_out}；

c:所述电流差动保护控制模块计算差动电流i_diff：

i_diff＝|i_{L_in}-i_{L_out}|         (1)

d:所述电流差动保护控制模块判断差动电流i_diff是否大于整定值i_set，如果否，转向步骤b，如果是转向步骤e；

e:所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端断路器断开。

所述的直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，还包括欠电压保护步骤：

当电流差动保护控制模块失效时，判断所述被保护输电线路两端直流电压是否低于整定值且超出预定时间阈值；如果是，所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端断路器断开；如果否，继续监测。

所述电流差动保护控制模块包括吸收回路，在控制所述被保护输电线路两端断路器断开的同时，控制所述吸收回路闭合。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、直流断路器根据保护系统发出的指令信号，能够在一个毫秒内迅速切除故障线路，阻止由于系统阻抗较低导致故障电流快速达到过流值，从而避免整个系统崩溃。

2、在短路故障情况下，电流差动保护判据仅需根据电流方向的表现，依靠被保护线路差动电流值，更加简单可靠，保护动作速度更加快速。当电流差动保护失效时，欠电压保护作为第二道防线，防止线路和二极管等电力电子器件被巨大的短路电流损坏，保证了系统的安全运行。

附图说明

图1是本发明实施例1的流程图；

图2是本发明实施例2的流程图；

图3是直流微网系统直流线路短路时VSC的等效电路；

图4是输电线路L13双极短路故障后系统的电流方向示意图；

图5是应用本发明实例1的系统示意图；

图6是本发明实例中吸收电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，一种直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，包括以下步骤：

a:将电流差动保护控制模块并联在所述被保护输电线路的两端；

b:所述电流差动保护控制模块采集被保护输电线路的输入电流值i_in和输出电流值i_out；

c:所述电流差动保护控制模块计算差动电流i_diff：

i_diff＝|i_{L_in}-i_{L_out}|          (1)

d:所述电流差动保护控制模块判断差动电流i_diff是否大于整定值i_set，如果否，转向步骤b，如果是转向步骤e；

e:所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端断路器断开。

应用本实施例的系统示意图如图5所示。

实施例2：

所述的直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，还包括欠电压保护步骤：

当电流差动保护控制模块失效时，判断所述被保护输电线路两端直流电压是否低于整定值且超出预定时间阈值；如果是，所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端断路器断开；如果否，继续监测。

实施例3：

本实施例的电流差动保护控制模块包括吸收回路，在控制所述被保护输电线路两端断路器断开的同时，控制所述吸收回路闭合。吸收回路的电路原理图如图6所示。

Claims (3)

1.一种直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，被保护输电线路的两端装有断路器，其特征在于：包括以下步骤：

a:将电流差动保护控制模块并联在所述被保护输电线路的两端；

b:所述电流差动保护控制模块采集被保护输电线路的输入电流值i_{L_in}和输出电流值i_{L_out}；

c:所述电流差动保护控制模块计算差动电流i_diff：

i_diff＝|i_{L_in}-i_{L_out}|   (1)

d:所述电流差动保护控制模块判断差动电流i_diff是否大于整定值i_set，如果否，转向步骤b，如果是转向步骤e；

e:所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端的断路器断开。

2.根据权利1所述的直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，其特征在于：还包括欠电压保护步骤：

当电流差动保护控制模块失效时，判断所述被保护输电线路两端直流电压是否低于整定值且超出预定时间阈值；如果是，所述电流差动保护控制模块控制所述被保护输电线路两端断路器断开；如果否，继续监测。

3.根据权利1和/或2所述的直流双极短路故障下风电直流微网的电流差动保护方法，其特征在于：所述电流差动保护控制模块包括吸收回路，在控制所述被保护输电线路两端断路器断开的同时，控制所述吸收回路闭合。