CN109861184B - 柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法 - Google Patents

柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法，通过±10kV多端柔性直流配电系统及接口设备拓扑结构，分析接口设备出口不同位置双极短路故障下放电回路，由故障等效电路求解故障电流，同时结合直流断路器开断能力，可得到满足直流断路器开断能力下接口设备出口应接入的限流电抗器值，该方法科学有效地确定接口设备出口限流电抗器值，从而提高系统供电可靠性，同时可为后续系统过电压和过电流研究提供参考。

Description

柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法
技术领域
本发明涉及±10kV多端柔性直流配电系统故障分析领域，具体涉及柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法。
背景技术
随着分布式能源技术、储能技术、敏感电子负荷、大型数据中心等的发展，基于模块化多电平换流器的柔性直流配电系统是未来城市配网的重要发展趋势。当系统发生双极短路故障时，由于电容放电导致故障电流迅速上升，从而对设备造成巨大冲击，这将影响到系统的安全可靠运行。
为防止设备遭受故障电流冲击，需及时隔离故障，目前隔离直流故障措施有：使用交流断路器、使用故障自清除能力子模块以及使直流断路器。其中交流断路器动作时间较长，将导致电力电子设备承受更大和更长时间的故障电流；使用故障自清除能力子模块将增加系统稳态运行时的损耗与投资，同时将会提高系统的控制难度；而直流断路器具有动作速度快的优点，因此使用直流断路器进行隔离故障是较为理想的选择。但目前直流断路器开断能力较低，无法开断较大的直流电流，因此采用直流断路器进行故障隔离需采取相应的限流方法来配合直流断路器动作。
目前对限流方法的研究主要集中在主换流器出口故障电流的限制，常见限流方法主要是通过增大故障回路阻抗以减小故障电流，包括串联限流电抗器、超导限流器、电抗器和双向晶闸管并联、电阻和GTO并联以及增大子模块电阻等方式。
但柔性直流配电系统中除主换流器外，还包含较多的接口设备，包括直流变交流的两电平换流器VSC和直流变直流的直流变压器DCSST。同理，当接口设备出口发生双极短路故障时，接口设备出口电容也将通过故障点迅速放电。因此，研究接口设备的故障电流产生机理和电磁暂态特性，进而研究其限流方法，是确保接口设备以及系统安全稳定运行的前提。与其他限流方法相比，限流电抗器具有明显的故障电流限制效果和经济性，因此需要提出一种科学有效通用的接口设备出口限流电抗器值确定方法。
发明内容
为了解决现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法。
本发明采用如下技术方案：
一种柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法，包括：
根据±10kV柔性直流配电系统拓扑结构，确定系统中换流器的数量及换流器和直流电缆的参数；所述换流器包括主换流器和接口设备，所述接口设备包括两电平换流器和直流变压器；所述换流器的参数包括两电平换流器的出口电容、桥臂电抗器、限流电抗器、直流变压器的出口电容、直流变压器的限流电抗器。所述直流电缆的参数包括电阻及电感。
确定接口设备两电平换流器VSC出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下流过直流断路器的故障电流,分析故障等效回路，可知直流断路器网侧发生双极短路故障下，VSC出口电容和桥臂电抗器通过故障点构成放电回路，该放电过程可等效成二阶电容电感电路叠加一阶电感电路，可通过微分方程求解流过直流断路器的故障电流iVSC1。
确定接口设备直流变压器DCSST出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下流过直流断路器的故障电流。分析故障等效回路，可知直流断路器网侧发生双极短路故障下，DCSST出口电容通过故障点构成放电回路，该放电过程可等效成二阶电容电感电路，可通过微分方程求解流过直流断路器的故障电流iDCSST1。
考虑直流断路器开断能力为tDCB时间(包括故障识别时间和断路器开断时间)内开断IDCB以内的故障电流，因此步骤S2和S3得到的故障电流应满足iVSC1≤IDCB(t≤tDCB)和iDCSST1≤IDCB(t≤tDCB)，从而得到在直流断路器网侧发生双极短路故障下满足直流断路器开断能力的VSC和DCSST出口限流电抗器分别为LVSC1和LDCSST1，其中t表示故障持续时间，iVSC1≤IDCB(t≤tDCB)表示在两电平换流器出口发生双极短路故障后，且在直流断路器开断时间内，两电平换流器的故障电流应该在直流断路器的开断电流范围内。
确定接口设备出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下流过直流断路器的故障电流，该故障电流为除故障接口设备外其他换流器向故障点放电电流之和。分析故障等效回路，可知直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下，VSC出口电容和桥臂电抗器通过直流电缆与故障点构成放电回路，DCSST出口电容通过直流电缆与故障点构成放电回路，通过微分方程求解VSC放电电流iVSC2和DCSST放电电流iDCSST2。
为确保每个接口设备出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下流过断路器故障电流满足其开断能力，将每个设备产生的故障电流限制在
Figure BDA0001954087520000031
因此步骤S5得到的故障电流应满足
Figure BDA0001954087520000032
和
Figure BDA0001954087520000033
从而得到在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下满足直流断路器开断能力的VSC和DCSST出口限流电抗器分别为LVSC2和LDCSST2。
通过比较步骤S4和S6得到的VSC/DCSST出口限流电抗器LVSC1/LDCSST1和LVSC2/LDCSST2，可得到VSC出口所需接入限流电抗器LVSC＝max[LVSC1,LVSC2]，DCSST出口所需接入限流电抗器LDCSST＝max[LDCSST1,LDCSST2]。
L表示接口设备(包括两电平换流器VSC和直流变压器DCSST)出口接入的限流电抗器(单位为H)，其中LVSC1/LDCSST1表示直流断路器线路侧发生双极短路情况下接口设备应接入的限流电抗器大小；LVSC2/LDCSST2表示直流断路器接口设备侧发生双极短路情况下接口设备应接入的限流电抗器大小
本发明的有益效果：
本发明得到接口设备出口双极短路故障下的故障电流及影响因素，同时结合直流断路器开断能力，确定接口设备出口需要接入限流电抗器值；
本发明有效地确定接口设备出口限流电抗器值，从而提高系统供电可靠性，同时为后续系统的过电压和过电流研究提供参考。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本发明实施例±10kV柔性直流配电系统拓扑结构及接口设备出口发生双极短路路障类型；
图3是VSC出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下放电回路；
图4是DCSST出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下放电回路；
图5(a)、图5(b)、图5(c)及图5(d)是本发明装设限流电抗器后在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下流过直流断路器的故障电流。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法，包括如下步骤：
S1根据±10kV柔性直流配电系统拓扑结构，如图2所示。系统中换流器数量N＝6，VSC出口电容为CVSC＝1500μF，限流电抗器为LVSC，桥臂电抗器为Lq；DCSST出口电容为CDCSST＝10000μF，限流电抗器为LDCSST；直流电缆电感为LCable，电阻为RCable。
S2VSC出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下放电回路如图3所示。根据放电回路，将该放电过程可等效成二阶电容电感电路叠加一阶电感电路，可得到流过直流断路器的故障电流。
Figure BDA0001954087520000041
式中：
Figure BDA0001954087520000042
RCstray(VSC)＝RC+RL+RDCB+Rf,RLstray(VSC)＝RL+RIGBT+RL+RDCB+Rf,Udc(VSC)为电容两端初始电压,IL(VSC)为线路初始电流。
S3DCSST出口在直流断路器网侧发生双极短路故障下放电回路如图4所示。根据放电回路，将该放电过程可等效成二阶电容电感电路，可得到流过直流断路器的故障电流。
Figure BDA0001954087520000043
式中：
Figure BDA0001954087520000044
Rstray(DCSST)＝RC+RL+RDCB+Rf,Udc(DCSST)为电容两端初始电压，IL(DCSST)为线路初始电流。
S4考虑直流断路器开断能力为5ms时间(包括故障识别时间和断路器开断时间)内开断10kA以内的故障电流，对于VSC，出口接入的限流电抗器LVSC1应满足
Figure BDA0001954087520000045
对于DCSST，出口接入的限流电抗器LDCSST1应满足
Figure BDA0001954087520000046
可得到L(VSC1)1≥5.44mH，L(VSC2)1≥5.60mH；L(DCSST1)1≥9.68mH，L(DCSST2)1≥9.75mH。
S5VSC出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下放电回路根据放电回路，可得到VSC向故障点放电电流。
Figure BDA0001954087520000051
式中：
Figure BDA0001954087520000052
RCstray(VSC)＝RC+RL+RDCB+Rf+RCable,RLstray(VSC)＝RL+RIGBT+RL+RDCB+Rf,Udc(VSC)为电容两端初始电压,IL(VSC)为线路初始电流。
DCSST出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下放电回路，根据放电回路，可得到DCSST向故障点放电电流。
Figure BDA0001954087520000053
式中：
Figure BDA0001954087520000054
Figure BDA0001954087520000055
Rstray(DCSST)＝RC+RL+RDCB+Rf+RCable,Udc(DCSST)为电容两端初始电压，IL(DCSST)为线路初始电流。
S6为确保每个接口设备出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下流过断路器故障电流满足其开断能力，对于VSC，出口接入的限流电抗器LVSC2应满足
Figure BDA0001954087520000056
对于DCSST，出口接入的限流电抗器LDCSST2应满足
Figure BDA0001954087520000057
可得到L(VSC1)2≥37.58mH，L(VSC2)2≥40.41mH；L(DCSST1)2≥52.93mH，L(DCSST2)2≥55.34mH。
S7由步骤S4和S6可得到在接口设备出口发生双极短路故障下为满足直流断路器开断能力，VSC出口应接入的限流电抗器L(VSC1)＝38mH，L(VSC2)＝41mH，L(DCSST1)＝53mH，L(DCSST2)＝56mH。在PSCAD中建立多端柔性直流配电系统电磁暂态仿真模型，根据S7提出的限流电抗器值，仿真验证该限流电抗器值的限流效果，仿真结果如图5(a)、图5(b)、图5(c)及图5(d)所示，图5(a)为VSC1出口直流断路器接口设备侧发生双极短路故障，图5(b)VSC2出口直流断路器接口设备侧发生双极短路故障，图5(c)DCSST1出口直流断路器接口设备侧发生双极短路故障，图5(d)DCSST2出口直流断路器接口设备侧发生双极短路故障，由仿真结果可知在接口设备出口装设上述所得出的限流电抗器可使得故障电流满足直流断路器开断能力
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种柔性直流配电系统接口设备的出口限流电抗器值确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
根据±10kV柔性直流配电系统拓扑结构，确定系统中换流器的数量及换流器和直流电缆的参数；所述换流器包括主换流器和接口设备，所述接口设备包括两电平换流器和直流变压器；
确定两电平换流器出口发生双极短路故障时，所述双极短路故障包括直流断路器线路侧发生双极短路故障及直流断路器接口设备侧发生双极短路故障，分别获得两种故障下的两电平换流器故障等效电路及直流变压器故障等效电路；
确定在直流断路器线路侧发生双极短路故障时，两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC1及直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST1；
获得在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障时，两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC2及直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST2；
确认两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC＝max[LVSC1,LVSC2]，直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST＝max[LDCSST1,LDCSST2]；
所述确定在直流断路器线路侧发生双极短路故障时，两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC1及直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST1，具体为：
根据两电平换流器故障等效电路，得到流过两电平换流器的直流断路器的故障电流iVSC1及流过直流变压器的直流断路器的故障电流iDCSST1；
考虑故障电流应满足直流断路器开断能力，则两电平换流器的故障电流为iVSC1≤IDCB，t≤tDCB，直流变压器的故障电流为iDCSST1≤IDCB，t≤tDCB，进一步得到两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC1及直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST1，其中t表示故障持续时间，tDCB表示故障识别时间和断路器开断时间之和；
获得在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障时，两电平换流器出口应接入的限流电抗器LVSC2及直流变压器出口应接入的限流电抗器LDCSST2，具体为：当接口设备出口在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障时，根据故障等效电路，得到两电平换流器的故障电流iVSC2及直流变压器的故障电流iDCSST2；
故障电流应满足直流断路器开断能力，则：
Figure FDA0002528204250000011
t≤tDCB和
Figure FDA0002528204250000012
t≤tDCB，N为换流器的数量；
进一步得到在直流断路器接口设备侧发生双极短路故障下满足直流断路器开断能力的两电平换流器及直流变压器出口应接入的限流电抗器分别为LVSC2和LDCSST2。
2.根据权利要求1所述的出口限流电抗器值确定方法，其特征在于，所述换流器的参数包括两电平换流器的出口电容、桥臂电抗器、限流电抗器、直流变压器的出口电容、直流变压器的限流电抗器。
3.根据权利要求1所述的出口限流电抗器值确定方法，其特征在于，所述直流电缆的参数包括电阻及电感。
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