CN109446608A - 一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，包括：建立含HTS‑FCL的短路电流计算模型；在模型里输入电网数据和故障信息；对原网络化简；构建化简后网络的导纳矩阵；对导纳矩阵进行三角分解；通过前推回代法求解出电压向量；根据电压向量重新计算非线性支路的阻抗，并更新导纳矩阵；计算故障节点相邻支路电流之和，并进一步计算电流偏差；判断电流偏差是否小于预设阈值，若是，则计算完成；将故障节点和限流器两端母线的三序电流注入线性网络，求解其余各母线电压、支路电流。本发明提供的技术方案，具有计算简单、结果准确、实用性强等优点，能够为含高温超导限流器的电网安全稳定分析、继电保护整定计算等提供依据。

Description

一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法
技术领域
本发明实施例涉及电网短路电流计算技术领域，尤其涉及一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法。
背景技术
随着社会经济的高速发展，全国许多地区电网电力负荷持续增长，装机容量不断增大，电网建设得到进一步加强和完善。坚强的网络结构在满足电网负荷持续增长的同时，也造成了电网短路电流水平较高的问题，某些变电站的短路电流水平已经逼近断路器的遮断能力，短路电流问题已经成为制约电网安全稳定运行和规划发展的突出因素。近年来高温超导技术的发展促进了高温超导限流器(High Temperature Superconducting FaultCurrent Limiter，HTS-FCL)在电力系统中的应用。饱和型HTS-FCL的主要结构包括交流一次绕组、直流励磁绕组、铁心，如图1所示。其中，交流一次绕组分别绕制在两个不同的铁心上并串联在电网中，线圈产生方向相同的磁场；由超导材料制成的直流励磁绕组跨接在两个铁心上，同时为两个铁心提供励磁电流。
电网正常运行时，直流励磁回路的快速开关处于闭合状态，直流电源Udc提供的励磁电流使得两个铁心处于深度饱和状态，由于正常运行时限流器一次绕组电流i1是幅值不大的正常负载电流，产生的交变磁场不足以使铁心磁场退出饱和，一次绕组磁链变化较小，此时限流器处于低感抗状态。当电网发生短路故障，限流器一次绕组中流过幅值急剧增大的短路电流，其产生的交变磁场使得两个铁心磁场在一个周期内相继退出饱和，处于短时非饱和状态，一次绕组磁链发生突变，此时限流器处于高感抗状态，起到限制短路电流的作用。另一方面，在短路故障发生瞬间，限流器的控制单元将快速开关断开，在灭磁电阻Rdc2的作用下励磁电流i2迅速衰减，铁心退出饱和状态，此时限流器感抗进一步增大，可更有效地限制短路电流。当故障切除，快速开关闭合，限流器恢复到正常运行时的饱和状态。
传统的电网短路电流计算方法将各个元件均处理为一个恒定的阻抗，发电机用次暂态电抗替代、线路和变压器均处理为线性阻抗，因此电力网络可用一个线性的电路网络模拟。传统的电网短路电流计算过程如下：
(1)形成线性网络的导纳矩阵Y，节点电压U与节点电流I满足关系I＝YU；
(2)对导纳矩阵进行三角分解Y＝LU；
(3)置节点n的注入电流为单位1，其他节点注入电流为0，即I＝[0，0，…，1，…，0]T；
(4)通过前推回代法求解电压向量U，向量中第n个元素的值即为节点n的系统等值阻抗Zn；
(5)计算节点n的短路电流水平I"Kn＝1/Zn。
重复以上(3)～(5)即可求解任何节点的短路电流。
而对于HTS-FCL，其等效电抗值取决于通过的电流，而短路电流抑制效果与限流器电抗大小有关，因此HTS-FCL的阻抗—电流特性呈现非线性，不能用一个固定的阻抗模拟，无法采用传统的短路电流计算方法。如果仍然应用传统短路电流计算方法，则将带来不容忽视的偏差；在非线性元件附近短路时，则带来完全错误的计算结果。目前国内外针对HTS-FCL的研究主要集中在特性参数、样机研制与优化配置等方面，尚无含HTS-FCL的短路电流计算方法的研究。
发明内容
本发明提供一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，以解决现有技术的不足。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，包括：
S1、建立含HTS-FCL的短路电流计算模型；
S2、在所述含HTS-FCL的短路电流计算模型里输入电网数据和故障信息；
S3、对原网络进行等值化简，仅保留故障节点和限流器两端母线节点；
S4、构建化简后网络的导纳矩阵；
S5、对所述导纳矩阵进行三角分解；
S6、通过前推回代法求解出电压向量；
S7、根据所述电压向量重新计算非线性支路的阻抗，并更新所述导纳矩阵；
S8、计算故障节点相邻支路电流之和，并进一步计算电流偏差；
S9、判断所述电流偏差是否小于预设阈值，若是，则计算完成，进入步骤S10，否则进入步骤S5；
S10、将故障节点和限流器两端母线的三序电流注入线性网络，求解其余各母线电压、支路电流。
进一步地，所述含高温超导限流器的电网短路电流计算方法中，所述步骤S1具体为：
首先建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型；
然后建立含HTS-FCL的短路电流计算模型。
进一步地，所述含高温超导限流器的电网短路电流计算方法中，建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型需考虑以下因素：
(1)限流器阻抗的非线性特征；
(2)从短路故障开始发生至过渡到稳态短路电流的中间过渡过程模拟；
(3)限流器对故障电流的识别；
(4)限流器切除直流电源的延迟时间；
(5)故障清除后的恢复过程。
进一步地，所述含高温超导限流器的电网短路电流计算方法中，建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型需输入的参数如下：
(1)直流侧切除电源对应的一次绕组电流门槛值；
(2)检测动作电流限值的持续时间；
(3)直流侧切除电源后过渡到限流态的时间常数；
(4)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值；
(5)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值持续时间；
(6)直流侧闭合电源后过渡到正常态的时间常数；
(7)限流器在正常工作状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线；
(8)限流器在限流状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线。
进一步地，所述含高温超导限流器的电网短路电流计算方法中，在所述步骤S2之前，还包括：
基于所述含HTS-FCL的短路电流计算模型，按照正常工作状态下的阻抗—电流特性曲线进行短路电流计算，求解限流器支路电流；
判断所述限流器支路电流是否小于限流器动作电流，若是，则计算结束，否则按限流状态下的阻抗—电流特性曲线进入步骤S2，进行短路电流计算。
进一步地，所述含高温超导限流器的电网短路电流计算方法中，所述电网数据包括网络拓扑结构和各元件电气参数，所述故障信息包括故障发生位置和故障类型。
本发明实施例提供一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，具有计算简单、结果准确、实用性强等优点，能够为含高温超导限流器的电网安全稳定分析、继电保护整定计算等提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有技术中饱和型HTS-FCL的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种含HTS-FCL的电网短路电流计算方法的流程示意图；
图3是本发明实施例一提供的HTS-FCL的阻抗—电流特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
请参阅附图2，为本发明实施例一提供的一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法的流程示意图，该方法具体包括如下步骤：
S1、建立含HTS-FCL的短路电流计算模型。
S2、在所述含HTS-FCL的短路电流计算模型里输入电网数据和故障信息。
其中，所述电网数据包括网络拓扑结构和各元件电气参数，所述故障信息包括故障发生位置和故障类型。
S3、对原网络进行等值化简，仅保留故障节点和限流器两端母线节点。
S4、构建化简后网络的导纳矩阵。
具体的，考虑节点n发生短路故障，令迭代次数k＝0，形成线性网络的导纳矩阵节点电压U与节点电流I满足关系(实际中只有发电机电源节点存在注入电流，且I已知，中与非线性支路对应的元素是两端节点电压的函数)。
S5、对所述导纳矩阵进行三角分解。
具体的，对导纳矩阵进行三角分解(此步骤的U为三角分解法中的上三角矩阵，并不是步骤S4中的节点电压U)。
S6、通过前推回代法求解出电压向量。
具体的，通过前推回代法求解电压向量U(k)。
S7、根据所述电压向量重新计算非线性支路的阻抗，并更新所述导纳矩阵。
具体的，根据电压向量U(k)重新计算非线性支路的阻抗，并更新导纳矩阵得到
S8、计算故障节点相邻支路电流之和，并进一步计算电流偏差。
S9、判断所述电流偏差是否小于预设阈值，若是，则计算完成，进入步骤S10，否则进入步骤S5。
具体的，计算短路节点相邻支路电流之和，即为节点n的短路电流计算电流偏差若满足(ζ为预设阈值)则结束，否则令k＝k+1，重复步骤S5。
S10、将故障节点和限流器两端母线的三序电流注入线性网络，求解其余各母线电压、支路电流。
需要说明的是，为了计算不对称短路故障，可将化简等值后的正、负、零三序导纳矩阵统一转换为用相参数描述的导纳矩阵，然后进行上述计算。
优选的，在所述步骤S2之前，还包括：
(1)基于所述含HTS-FCL的短路电流计算模型，按照正常工作状态下的阻抗—电流特性曲线进行短路电流计算，求解限流器支路电流；
具体的，限流器支路电流表示为I"kFCL。
(2)判断所述限流器支路电流是否小于限流器动作电流，若是，则计算结束，否则按限流状态下的阻抗—电流特性曲线进入步骤S2，进行短路电流计算。
具体的，若I"kFCL小于限流器动作电流，则计算结束，若I"kFCL该电流大于限流器动作电流，则按限流状态下的阻抗—电流特性曲线进行短路电流计算。
具体的，所述步骤S1进一步包括：
(1)首先建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型；
(2)然后建立含HTS-FCL的短路电流计算模型。
其中，建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型需考虑以下因素：
(1)限流器阻抗的非线性特征；
(2)从短路故障开始发生至过渡到稳态短路电流的中间过渡过程模拟；
(3)限流器对故障电流的识别；
(4)限流器切除直流电源的延迟时间；
(5)故障清除后的恢复过程。
HTS-FCL的机电暂态仿真模型忽略其电磁暂态过程，近似用非线性电抗模拟其外特性。考虑到限流器工作于正常运行、短路后限流运行两种状态，将HTS-FCL外部特性描述为两条阻抗—电流特性曲线：一条对应直流励磁绕组正常工作，铁心完全处于饱和条件下的曲线；另一条为直流励磁侧切除电源过渡到稳态后的曲线。机电暂态仿真程序模拟限流器的对外阻抗在两种状态之间进行切换的过程。
当系统发生短路故障时，短路电流除了一定幅值的自由分量外，主要是工频分量。流过限流器的电流可看作工频分量与谐波分量的线性叠加，而谐波含量相对较小，可认为谐波分量对限流器的限流效果无影响，即限流器的限流效果可用工频等值阻抗来描述。HTS-FCL的阻抗—电流特性曲线如图3所示。
从短路故障发生过渡到故障后的稳态限流运行，限流器的一次绕组、励磁绕组中将感应产生衰减的直流分量以及波形畸变的交流分量，而机电暂态仿真模型只计及工频基波分量的变化规律。限流器在过渡过程中基波电抗并非一个固定数值，而是随着一次电流、励磁电流变化而变化，要准确模拟其变化过程十分复杂。机电暂态仿真模型中，引入电抗过渡时间常数近似模拟限流器过渡过程中的电抗变化延迟。
短路故障清除后，流过限流器的短路电流消失，限流器需尽快恢复到正常工作状态，即经过短暂过渡，铁心重新恢复饱和。该过程引入过渡时间常数，近似模拟限流器从故障限流态到正常工作状态的电抗变化延迟。
PSD-BPA暂态程序中对限流器按照分相处理，每相根据流过其电流大小调整本相等值电抗的数值，并采用对称分量法进行相关的网络计算。
HTS-FCL的机电暂态仿真模型需输入的参数如下：
(1)直流侧切除电源对应的一次绕组电流门槛值；
(2)检测动作电流限值的持续时间；
(3)直流侧切除电源后过渡到限流态的时间常数；
(4)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值；
(5)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值持续时间；
(6)直流侧闭合电源后过渡到正常态的时间常数；
(7)限流器在正常工作状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线；
(8)限流器在限流状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线。
需要说明的是，含HTS-FCL的短路电流计算模型与其机电暂态仿真模型相似，近似用非线性电抗模拟其外特性，将高温超导限流器外部特性描述为两条阻抗—电流特性曲线：一条对应直流励磁绕组正常工作，铁心完全处于饱和条件下的曲线；另一条为直流励磁侧切除电源过渡到稳态后的曲线。与机电暂态仿真模型不同的是，短路计算模型忽略两条曲线之间的过渡过程。
本发明实施例提供一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，具有计算简单、结果准确、实用性强等优点，能够为含高温超导限流器的电网安全稳定分析、继电保护整定计算等提供依据。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，包括：
S1、建立含HTS-FCL的短路电流计算模型；
S2、在所述含HTS-FCL的短路电流计算模型里输入电网数据和故障信息；
S3、对原网络进行等值化简，仅保留故障节点和限流器两端母线节点；
S4、构建化简后网络的导纳矩阵；
S5、对所述导纳矩阵进行三角分解；
S6、通过前推回代法求解出电压向量；
S7、根据所述电压向量重新计算非线性支路的阻抗，并更新所述导纳矩阵；
S8、计算故障节点相邻支路电流之和，并进一步计算电流偏差；
S9、判断所述电流偏差是否小于预设阈值，若是，则计算完成，进入步骤S10，否则进入步骤S5；
S10、将故障节点和限流器两端母线的三序电流注入线性网络，求解其余各母线电压、支路电流。
2.根据权利要求1所述的含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
首先建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型；
然后建立含HTS-FCL的短路电流计算模型。
3.根据权利要求2所述的含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型需考虑以下因素：
(1)限流器阻抗的非线性特征；
(2)从短路故障开始发生至过渡到稳态短路电流的中间过渡过程模拟；
(3)限流器对故障电流的识别；
(4)限流器切除直流电源的延迟时间；
(5)故障清除后的恢复过程。
4.根据权利要求2所述的含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，建立HTS-FCL的机电暂态仿真模型需输入的参数如下：
(1)直流侧切除电源对应的一次绕组电流门槛值；
(2)检测动作电流限值的持续时间；
(3)直流侧切除电源后过渡到限流态的时间常数；
(4)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值；
(5)限流器恢复正常状态需满足的电流门槛值持续时间；
(6)直流侧闭合电源后过渡到正常态的时间常数；
(7)限流器在正常工作状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线；
(8)限流器在限流状态下，阻抗与一次电流的阻抗—电流特性曲线。
5.根据权利要求1所述的含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，在所述步骤S2之前，还包括：
基于所述含HTS-FCL的短路电流计算模型，按照正常工作状态下的阻抗—电流特性曲线进行短路电流计算，求解限流器支路电流；
判断所述限流器支路电流是否小于限流器动作电流，若是，则计算结束，否则按限流状态下的阻抗—电流特性曲线进入步骤S2，进行短路电流计算。
6.根据权利要求1所述的含高温超导限流器的电网短路电流计算方法，其特征在于，所述电网数据包括网络拓扑结构和各元件电气参数，所述故障信息包括故障发生位置和故障类型。
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