CN107565519B - 一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法 - Google Patents

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本发明公开了一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法，应用于交流保护技术领域，将MMC‑HVDC闭锁后换流站不控整流分为四个临界状态，分别是三相环流、两相环流、单相环流和无环流状态；建立这四个临界状态的电流微分方程与边界条件方程，得出对应的电流与临界电阻解析表达式；通过线性化拟合，得出任意短路电阻下的故障电流解析表达式，以对MMC‑HVDC直流双极短路故障进行分析。通过本发明可实现任意短路电阻下的交流电流计算，弥补了交流保护整定计算无法计及MMC‑HVDC直流双极短路故障的不足，确保了交流保护定值的正确性与合理性。

Description

一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法
技术领域
本发明属于交流保护技术领域，更具体地，涉及一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法。
背景技术
交流保护整定计算是保障电网安全运行的一项重要基础性工作，而保护整定计算由于存在保护间配合协调的关系，又是整定计算中最为复杂、工作量最大的重要组成部分。随着交流电网的发展，其相关研究已日趋完善。近年来，随着环境恶化、能源紧缺等问题日益突出，电网需要更加高效、可靠、灵活的输电技术以满足新能源并网、城市负荷中心供电等需求。在此背景下，基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modular multilevelconverter based HVDC，MMC-HVDC)受到了广泛关注，目前已有数条已投入运行与规划建设中的MMC-HVDC。然而，其不具备直流双极短路故障自清除能力的特点，给交流保护整定计算带来了新的挑战。
目前投运的MMC-HVDC需要借助交流断路器才能将直流双极短路故障清除，对交流保护造成了较大的影响。而由于缺乏完善的MMC-HVDC直流双极短路解析分析方法，当前的交流保护整定计算无法涉及该类型故障；且常用于分析MMC-HVDC直流双极短路故障的基于电磁暂态仿真程序(Electro Magnetic Transient in DC System，EMTDC)的电磁暂态仿真方法，存在建模复杂、运算速度较慢等不足，又无法应用于交流保护整定计算。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法，由此解决现有的交流保护整定计算无法涉及MMC-HVDC直流双极短路故障的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法，包括：
(1)在MMC-HVDC闭锁后，将不同短路电阻下的三相不控整流状态分为四个临界状态，其中，四个临界状态包括三相环流状态、两相环流状态、单相环流状态以及无环流状态；
(2)分别获取各个临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式；
(3)分别求解各临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式，得到各临界状态的交流电流解析式与临界阻值，其中，临界电阻为满足相应临界状态的短路电阻阻值；
(4)分别对各临界状态的交流电流解析式进行短路电阻相关的线性化拟合，得到各临界状态在任意短路电阻下的目标交流电流解析式，以对MMC-HVDC直流双极短路故障进行分析。
优选地，在步骤(2)中的电流微分关系式为：
其中，aij、bij与cij为与短路电阻以及桥臂电感相关的矩阵元素，i1,i2,...,in为二极管电流，Emk,k＝a,b,c为桥臂中点电压，i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n，n为三相不控整流桥中同时导通的二极管个数。
优选地，在步骤(2)中的边界条件关系式包括：二极管电压正向过零导通关系式以及二极管电流周期性变化关系式，其中，二极管电压正向过零导通关系式为：二极管电流周期性变化关系式为：其中，EmL-L为桥臂中点线电压，为二极管导通时刻前一时刻的导通角，Ls为桥臂电感，w为系统频率，为二极管导通组的初始导通角。
优选地，三相不控整流桥中的二极管同时导通的个数随短路电阻的增大而减少。
优选地，三相环流状态对应的二极管同时导通个数为6，两相环流状态对应的二极管同时导通个数为5，单相环流状态对应的二极管同时导通个数为4，无环流状态对应的二极管同时导通个数为3。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过对MMC-HVDC闭锁后三相不控整流稳态电流进行解析，推导得出任意短路电阻下的交流电流解析式，可实现任意短路电阻下的交流电流计算，弥补了交流保护整定计算无法计及MMC-HVDC直流双极短路故障的不足，确保了交流保护定值的正确性与合理性。
附图说明
图1为MMC-HVDC直流双极短路故障示意图；
图2为本发明实施例公开的一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法的流程示意图；
图3为闭锁后的等效电路图，其中，D1-D6为二极管，E为交流电源电压，in为二极管Dn的导通电流，idc为直流电流，iac为交流电流，Ls为桥臂电感，Rl为短路电阻；
图4为临界状态电流回路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为MMC-HVDC直流双极短路故障示意图。图1中最左边为交流系统，交流系统通过变压器与MMC-HVDC柔性之流系统相连接，图1中直流系统双极短路故障是直流系统中最严重的故障。
如图2所示为本发明实施例公开的一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法的流程示意图，在图2所示的方法中，包括：
(1)在MMC-HVDC闭锁后，将不同短路电阻下的三相不控整流状态分为四个临界状态，其中，四个临界状态包括三相环流状态、两相环流状态、单相环流状态以及无环流状态；其中，故障闭锁后等效电路如图3所示，在图3中，D1-D6为二极管，E为交流电源电压，in为二极管Dn的导通电流，idc为直流电流，iac为交流电流，Ls为桥臂电感，Rl为短路电阻，Ll为短路电阻，Emk,k＝a,b,c为桥臂中点电压，即，Ema为a相桥臂中点电压，Emb为b相桥臂中点电压，Emc为c相桥臂中点电压，各临界状态的电流回路如图4所示，其中，图4(a)表示无环流状态对应的电流回路，图4(b)表示单相环流状态对应的电流回路，图4(c)表示两相环流状态对应的电流回路，图4(d)表示三相环流状态对应的电流回路。
(2)分别获取各个临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式；
(3)分别求解各临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式，得到各临界状态的交流电流解析式与临界阻值，其中，临界电阻为满足相应临界状态的短路电阻阻值；
(4)分别对各临界状态的交流电流解析式进行短路电阻相关的线性化拟合，得到各临界状态在任意短路电阻下的目标交流电流解析式，以对MMC-HVDC直流双极短路故障进行分析。
其中，在步骤(2)中的电流微分关系式为：
其中，aij、bij与cij为与短路电阻以及桥臂电感相关的矩阵元素，i1,i2,...,in为二极管电流，Emk,k＝a,b,c为桥臂中点电压，i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n，n为三相不控整流桥中同时导通的二极管个数。
其中，在步骤(2)中的边界条件关系式包括：二极管电压正向过零导通关系式以及二极管电流周期性变化关系式，其中，二极管电压正向过零导通关系式为：二极管电流周期性变化关系式为：其中，EmL-L为桥臂中点线电压，为二极管导通时刻前一时刻的导通角，in为二极管Dn的导通电流，Ls为桥臂电感，w为系统频率，为二极管导通组的初始导通角。
其中，三相不控整流桥中的二极管同时导通的个数随短路电阻的增大而减少。
其中，三相环流状态对应的二极管同时导通个数为6，两相环流状态对应的二极管同时导通个数为5，单相环流状态对应的二极管同时导通个数为4，无环流状态对应的二极管同时导通个数为3。
以单相环流状态为例，选取其中一组二极管导通组，建立电流微分方程组如下：
其中，in为二极管Dn导通电流；Ls为桥臂电感；Rl为短路电阻；Emk(k＝a，b,c)为桥臂中点电压。
由二极管导通、关断特性，得出边界方程组如下：
其中，Emac为A、C相桥臂中点线电压；为所选二极管导通组的初始导通角。
在该实施例中交流电源线电压为El-l＝370kV，桥臂电感为Ls＝30mH，换流变压器等效电感为Lt＝25.4mH。因此，可以得出交流电流解析表达式与临界电阻阻值为：iac＝19.40sin(ωt-69.7°)kA，Rc3＝4.96Ω。
将不同短路电阻下的交流电流计算结果与PSCAD/EMTDC仿真结果进行对比验证，如表1所示。
表1
表1验证结果表明，所提解析分析方法计算结果与PSCAD/EMTDC仿真结果一致，可适用于交流保护整定计算。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于交流保护的柔性直流双极短路解析分析方法，其特征在于，包括：
(1)在MMC-HVDC闭锁后，将不同短路电阻下的三相不控整流状态分为四个临界状态，其中，四个临界状态包括三相环流状态、两相环流状态、单相环流状态以及无环流状态；
(2)分别获取各个临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式；
(3)分别求解各临界状态的电流微分关系式与边界条件关系式，得到各临界状态的交流电流解析式与临界阻值，其中，临界电阻为满足相应临界状态的短路电阻阻值；
(4)分别对各临界状态的交流电流解析式进行短路电阻相关的线性化拟合，得到各临界状态在任意短路电阻下的目标交流电流解析式，以对MMC-HVDC直流双极短路故障进行分析。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中的电流微分关系式为：
其中，aij、bij与cij为与短路电阻以及桥臂电感相关的矩阵元素，i1,i2,...,in为二极管电流，Emk,k＝a,b,c为桥臂中点电压，i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,n，n为三相不控整流桥中同时导通的二极管个数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中的边界条件关系式包括：二极管电压正向过零导通关系式以及二极管电流周期性变化关系式，其中，二极管电压正向过零导通关系式为：二极管电流周期性变化关系式为：其中，EmL-L为桥臂中点线电压，为二极管导通时刻前一时刻的导通角，Ls为桥臂电感，w为系统频率，为二极管导通组的初始导通角。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，三相不控整流桥中的二极管同时导通的个数随短路电阻的增大而减少。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，三相环流状态对应的二极管同时导通个数为6，两相环流状态对应的二极管同时导通个数为5，单相环流状态对应的二极管同时导通个数为4，无环流状态对应的二极管同时导通个数为3。
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