CN109638783B - 电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法 - Google Patents

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Abstract

一种电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法。从DC/DC变换器整体性出发构建内部存在损耗的直流变压器模型，通过计算电压变比Ku与电流变比Ki得出电压电流变比结果后将低压直流处故障电阻折算到上一级直流线路末端，从而最终问题转变为上一级直流线路故障问题，利用交流电源出口处直流线路故障分析方法获得出口短路故障稳态电流。本发明根据换流器闭锁失败情况下的极间短路故障稳态特性，从整体性出发计算电力电子变压器的电压电流变比，进而得到故障稳态电流。

Description

电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法
技术领域
本发明涉及的是一种配、用电领域的技术，具体是一种电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法。
背景技术
故障机理分析是继电保护的理论基础，是电网安全可靠运行的基石。现有的方法对于电力电子变压器故障分析的基本的思路是，先假定故障发生后换流器闭锁，切断电源侧提供的故障电流。在这个假定的前提下考虑电力电子变压器出口极间短路故障。故障暂态过程分为电容放电和电感续流两个阶段。故障稳态过程并没有分析，认为在换流器闭锁情况下，电源侧不向电力电子变压器出口直流侧故障点提供故障电流。电力电子变压器出口故障经历电容放电和电感续流后故障电流衰减至0，即利用换流器控制特性实现故障清除。实际工程中，故障发生后闭锁信号产生电路可能出现问题，无法发出闭锁信号。此时，故障暂态过程中换流器件以及直流线路将会承受较大的过流水平，并且故障达到稳态后，由于电源侧供流作用，换流器件以及直流线路中仍然存在较大的故障电流。因此，设备以及线路选型需要考虑换流器闭锁失败情况下的故障特性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法。根据换流器闭锁失败情况下的极间短路故障稳态特性，从整体性出发计算电力电子变压器的电压电流变比，进而得到故障稳态电流。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明从DC/DC变换器整体性出发构建内部存在损耗的直流变压器模型，通过计算电压变比Ku与电流变比Ki得出电压电流变比结果后将低压直流处故障电阻折算到上一级直流线路末端，从而最终问题转变为上一级直流线路故障问题，利用交流电源出口处直流线路故障分析方法获得出口短路故障稳态电流。
附图说明
图1为实施例DC/DC变换器出口短路故障示意图；
图2为实施例DC/DC变换器出口短路故障电流示意图；
图3为实施例电力电子变压器出口短路故障整体结构图；
图4为实施例PSCAD中搭建的直流配电系统总体结构图。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的DC/DC变换器出口短路故障模型，包括：三电平逆变器和不控整流器，其中：DC/DC变换器输入侧设有串联二极管以防止上一级直流线路发生故障时产生故障电流倒送，不控整流器的出口分别设有用于平稳整流器输出电流的串联电感Ld、用于平稳低压直流线路输出电压的并联电容C2以及故障电感L与故障电阻R。
本实施例从DC/DC变换器整体性出发，将其视为一个内部存在损耗的直流变压器，通过计算电压变比Ku与电流变比Ki得出电压电流变比结果后将低压直流处故障电阻折算到上一级直流线路末端，从而最终问题转变为上一级直流线路故障问题，利用交流电源出口处直流线路故障分析方法求解得到出口短路故障稳态电流。
故障稳态时，电感电流无波动，电容电压无波动，由于DC/DC变换器内部电流转换较为简单，考虑先分析电流变比Ki，此时故障电流如图2所示：Imvf＝Iinv，It1·kt＝It2，Irec＝Ilvf，其中：单相变压器中流经副线圈的电流It2经过不控整流器后得到Irec的过程，即等效为一个取绝对值的过程：即无论It2是正或是负，Irec方向不变、大小和It2相同，相当于Irec＝|It2|，其中：|It2|是副线圈电流绝对值的平均值。
故障情况下，因为电压跌落，低压直流线路电压无法维持正常水平，三电平逆变器的脉冲控制信号均达到限值，换流器件的通断规律恒定。三电平逆变器中Iinv和It1之间的关系通过比例系数关联：Iinv＝kinv·|It1|，其中：kinv为比例系数。
综上计算得到电流变比
当三电平逆变器工作时，基于功率守恒，因此满足：
其中：Rd为换流器件(包括二极管)的电阻，Ulvf、Ilvf为电力电子变压器出口稳态故障电压和稳态故障电流，Umvf、Imvf为上一级直流线路末端稳态故障电压和稳态故障电流。
结合电流关系以及Ulvf＝R·Ilvf计算得到电压变比：
进一步根据电压变比Ku与电流变比Ki得到如图3所示的电力电子变压器出口短路故障整体结构模型。该模型将DC/DC变换器等效为一个电压变比Ku与电流变比Ki的变压器，从而可以将电力电子变压器出口短路故障转化为交流电源出口处直流线路故障处理，得到了的上一级直流故障对应的故障电阻为R′up＝Rup+R·Ku/Ki，其中：Rup为上一级直流线路电阻值，R′up为上一级直流线路极间短路等效故障电阻。
利用交流电源出口处直流线路稳态故障电流的计算方法，得到上一级直流线路上稳态故障电流Imvf，再利用电流变比得到低压直流线路上稳态故障电流Ilvf，同时也能得到中压直流和低压直流的稳态电压：Umvf＝Ulvf·Ku、Ulvf＝Ilvf·R。
这个分析电力电子变压器出口短路故障稳态情况的方法可以作为换流器件以及线路参数选取的参考。系统实际运行时，应当保证故障发生后脉冲闭锁的可靠发出，这样就能有效地降低故障后果的严重性，同时也可以降低对设备的要求。
本实施例通过在PSCAD中搭建的直流配电系统模型，其结构如图4所示：发电机输出的交流电压经AC/DC整流后接入直流10kV母线上，形成第一个直流电压等级。直流10kV经过直流变压器转换为下一个直流电压等级1kV，DC/DC变换器由三电平逆变器和不控整流器构成，三个DC/DC变换器并联形成一个3MW变流器，增大直流变压器的过流能力。直流1kV线路末端连接3个1MW逆变器，1MW逆变器用于将1kV直流电压转换为390V交流电压供给交流负载。
如图4所示，系统交流电源线电压有效值7.52kV，考虑交流电源内阻0.2Ω，等效电感为2mH；正常工作时，直流10kV线路通过的电流为0.155kA，直流1kV线路电流为1.512kA，三个交流负载功率总和为1.5MW。直流10kV线路和直流1kV线路每千米电阻0.01Ω，每千米电感0.2mH，不考虑线路的电容。交流电源整流器出口并联8mF电容，串联4mH电感；DC/DC变换器内部的变压器变比为10kV/5kV，变压器基频为1kHz，DC/DC变换器出口串联电感为0.01H，三个DC/DC变换器出口总并联电容为15mF。换流站内可控性器件开通时内阻均为0.005Ω。仿真故障为直流1kV线路极间短路故障，仿真时长为10s，步长为5us，故障发生在6s(此时系统已经达到稳定，各电压电流参数已满足要求)。DC/DC变换器中的三电平逆变器采用SPWM调制，定直流10kV电压输出移相角信号shifti，定直流1kV电压输出调制比信号mi，利用mi和shifti生成理想正弦波，和频率为15kHz的三角波比较产生脉冲信号。
本实施例结果为：由于稳态时电感电压不为0(电流有波动)、电容电流不为0(电压有波动)，理论计算和仿真结果会产生一定偏差误差。考虑两个因素：稳压电容C1产生的电流破坏了Imvf和Iinv的平衡，不控整流换相过程破坏了Irec和|It2|的平衡。考虑添加修正系数，选定Imvf和Iinv之间比例系数、Irec和|It2|之间比例系数均为0.85。可以求出DC/DC变换器的电流变比：Ki＝0.85×0.85×0.55/2＝0.199，其中仿真过程中发现搭建的系统kinv落在[0.5，0.6]之间，选定为0.55。进一步由功率守恒式(由于变流器含3个DC/DC变换器，电压变比表达式变为 求得电压变比Ku＝5Ki/21+12/7Ki＝8.662。将直流1kV故障电阻折算至直流10kV线路上，R′10k＝0.004+0.007×8.662/0.199＝0.309Ω。接着利用中压直流发电机出口短路故障稳态电流分析方法，计算得到直流10kV线路稳态故障电流i10kf＝7.929kA，利用电流变比直流1kV线路故障稳态电流为i1kf＝i10kf/Ki＝7.929/0.199＝39.844kA。PSCAD仿真实例中，直流10kV线路稳态故障电流为7.934kA，直流1kV线路稳态故障电流39.925A。求得稳态电流计算误差：直流10kV线路稳态故障电流计算误差为(7.929-7.934)/7.934×100％＝-0.06％，直流1kV线路稳态故障电流计算误差为(39.844-39.925)/39.925×100％＝-0.20％。此时的计算误差已经达到很小的程度了，说明对误差来源的处理很合理，同时也验证了计算方法的正确性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种电力电子变压器出口短路故障稳态电流获取方法，其特征在于，从DC/DC变换器整体性出发构建内部存在损耗的直流变压器模型，通过计算电压变比Ku与电流变比Ki得出电压电流变比结果后将低压直流处故障电阻折算到上一级直流线路末端，从而最终问题转变为上一级直流线路故障问题，利用交流电源出口处直流线路故障分析方法获得出口短路故障稳态电流；
所述的直流变压器模型包括：三电平逆变器和不控整流器，其中：DC/DC变换器输入侧设有串联二极管以防止上一级直流线路发生故障时产生故障电流倒送，不控整流器的出口分别设有用于平稳整流器输出电流的串联电感、用于平稳低压直流线路输出电压的并联电容以及故障电感与故障电阻；
所述的直流线路故障分析方法是指：根据电压变比Ku与电流变比Ki得到电力电子变压器出口短路故障整体结构模型，该模型将DC/DC变换器等效为一个电压变比Ku与电流变比Ki的变压器，将电力电子变压器出口短路故障转化为交流电源出口处直流线路故障处理，得到了的上一级，即中压等效故障电阻为R′up＝Rup+R·Ku/Ki，其中：Rup为上一级，即中压直流线路电阻值，利用交流电源出口处直流线路稳态故障电流的计算方法，得到上一级，即中压直流稳态故障电流Imvf，再利用电流变比得到低压直流稳态故障电流Ilvf，同时也能得到中压直流的稳态故障电压Umvf＝Ulvf·Ku和低压直流的稳态故障电压Ulvf＝Ilvf·R，R为故障电阻。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的电流变比是指：
故障稳态时，电感电流无波动，电容电压无波动，此时中压直流稳态故障电流Imvf＝Iinv，It1·kt＝It2，Irec＝Ilvf，其中：It1为单向变压器中流经主线圈的电流，kt为单向变压器变比，单相变压器中流经副线圈的电流It2经过不控整流器后得到Irec的过程，即等效为一个取绝对值的过程：即无论It2是正或是负，Irec方向不变、大小和It2相同，相当于Irec＝|It2|，其中：|It2|是副线圈电流绝对值的平均值；
故障情况下，因为电压跌落，低压直流线路电压无法维持正常水平，三电平逆变器的脉冲控制信号均达到限值，换流器件的通断规律恒定，三电平逆变器中Iinv和It1之间的关系通过比例系数关联：Iinv＝kinv·|It1|，其中：kinv为比例系数；
综上计算得到电流变比
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，所述的电压变比是指：当三电平逆变器工作时，基于功率守恒，因此满足：其中：Rd为换流器件的电阻，结合电流关系以及Ulvf＝R·Ilvf计算得到电压变比：
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