CN110729745B - 一种多端直流系统转换开关参数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多端直流系统转换开关参数计算方法，本方法可有效解决多端直流输电系统中直流转换开关的配置问题，保证系统安全、可靠、经济运行。相比于传统的直流转换开关参数计算问题，本方法对不同接线方式的复杂直流输电网络，均可将转换回路分解为换流站接地回路、直流网络、接地网络三个部分，换流站接地回路为通用拓扑结构，结合直流网络拓扑可方便迅速的提取其拓扑结构并生成表述结构的关联矩阵，具有很好的通用性、拓展性，计算方法在求解直流转换开关参数的同时，可同时明确的对应的顺控逻辑，简化了这部分的计算量，同时给直流系统线路运行方式、功率输送等其他参数的选取提供了依据，有利于直流输电系统工程整体经济效益的提升。

Description

一种多端直流系统转换开关参数计算方法

技术领域

本发明涉及转换开关参数计算，具体涉及一种多端直流系统转换开关参数计算方法

背景技术

直流转换开关是高压直流输电系统中重要的关断器件，在高压直流输电系统中的位置如图1所示。其中金属回线转换开关MRTB(metallicreturntransferbreaker)位于接地极引线电路中，它的作用是将单极大地回线运行时的电流转换到单极金属回线中。在转换过程中，首先闭合ERTB(earthreturntransferbreaker)，当单极运行系统重新达到稳态时，断开MRTB，即电流由接地极引线和极线两路分流状态转为只从极线流过的单路状态。

直流转换开关没有开断直流电流或者纹波电流的能力，但具有转换直流电流的能力，因此直流转换开关中除了由单相交流断路器改进获得的断路器，还包括由电抗器、电容器和能量吸收避雷器等器件组成的辅助设备来配合断路器实现直流电流的转移功能。在工程初设阶段，需要根据开关转换电流Id以及分闸时间要求，选取合适大小的电感、电容等参数，使振荡电流幅值及叠加电流过零点过程满足工程要求。

目前，两端直流输电系统求取转换电流的方法通常是转换回路等效为图2所示电路。

进行金属/大地回线转换过程时，直流输电系统为单极运行方式。最大运行电流I_dc按照2小时过负荷电流考虑。由等效电路图可知转换过程中两开关合上时开关并联电流I_MRTB、I_ERTB数值如式(1)(2)所示。

同时直流回路参数与运行方式有关，可按照上式求取各运行方式下MRTB、ERTB中可能出现的最大转换电流以及该跃变过程中避雷器应满足的消耗能量。

相较于传统两端直流输电系统，多端直流输电系统中直流转换开关的分流情况较为复杂，需要根据具体的拓扑结构和运行方式进行分析，目前仍采用类似的方法进行转换电流求取，则存在计算量大，通用性差等缺点。

如对三端并联式直流输电系统，目前的做法是分析画出图3所示等效电路，再列出直流输电系统的各类运行方式和分合闸顺序，之后根据对应运行方式的电阻、电感参数计算转换电流，进行简单枚举后比较得出转换开关需要承受的转换电流数值。在较复杂的直流电网系统中采用这种方法需要枚举各转换开关不同状态的接线方式以及分合闸的顺序，计算量较大，计算速度慢，且随着直流网络的改建和扩展，网络结构变化后重新计算难度将大幅上升，可维护性较差。因此，对于多端直流输电网络中转换开关的参数计算，需要设计一种更具有通用性，开放性和可扩展性强的计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多端直流系统转换开关参数计算方法，以有效解决多端直流输电系统中直流转换开关的配置问题，保证多端直流输系统系统安全、可靠、经济运行

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种多端直流系统转换开关参数计算方法，所述多端直流系统包括MRTB和ERTB开关，包括：

步骤1、将多端直流系统等效为包括各换流站转换回路、接地极回路、金属回线回路构成的拓扑结构；

步骤2、根据拓扑结构列出转换回路等效电路总的关联矩阵；

步骤3、选取确定多端直流系统的运行方式,并根据多端直流系统的运行方式来确定各换流站接入状态及配置转换开关的站点；

步骤4、简化关联矩阵后根据节点支路法计算转换过程开关电流，确定各换流站MRTB、ERTB开关状态时开关分流情况，确定开关转换电流最大数值以及此时线路参数；

步骤5、根据多端直流系统工程情况确定转换开关配置及分、合闸顺控逻辑；

步骤6、判断多端直流系统是否还存在其他运行方式，若存在，则返回步骤3，否，则结束。

进一步地，所述关联矩阵为如下式所示，对应开关闭合时，s取1；开关分开时，s取0；

进一步地，所述步骤4包括：

步骤41、将所有换流站站点中ERTB、MRTB开关状态定义为矩阵B＝[SQ]＝[s₁，s₂，...，s_n，q₁，q₂，...，q_n]；式中s_i，q_i(i＝1，2，...，n)分别代表各ERTB、MRTB开关状态，开关分位为0，开关合位为1；金属转大地回线过程即矩阵B由[1，1，...，1，0，0，...，0]转换为[0，0，...，0，1，1，...，1]的过程，大地转金属回线过程即矩阵B由[0，0，...，0，1，1，...，1]转换为[1，1，...，1，0，0，...，0]的过程；n为正整数；

步骤42、金属转大地回线过程，确定满功率运行方式，选取第一站点ERTB开关作为最后拉开断路器，对应状态矩阵B1＝[1，0，...，0，1，1，...，1]，计算在系统流经最大负荷电流时该开关的转换电流i_1；

步骤43、将第一站点ERTB开关作为转换过程中最后断开的ERTB，选取第二站点ERTB开关作为倒数第二个拉开断路器，用支路电流法计算Q取尽所有可能时该ERTB开关最大转换电流以及对应矩阵B’；

步骤44、重复步骤43，选取除第一站点外所有站点ERTB作为倒数第二个断开开关时转换电流最小的情况，记录该开关S’及对应状态矩阵B”。

进一步地，所述步骤2包括：

将多端直流系统的转换回路分解为换流站接地回路、直流网络、接地网络三个部分，换流站接地回路为通用拓扑结构，结合直流网络拓扑提取其拓扑结构并生成表述结构的关联矩阵。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

(1)对不同接线方式的复杂直流输电网络，均可将转换回路分解为换流站接地回路、直流网络、接地网络三个部分，换流站接地回路为通用拓扑结构，结合直流网络拓扑可方便迅速的提取其拓扑结构并生成表述结构的关联矩阵，具有很好的通用性、拓展性。

(2)该计算方法可以简单的通过编程计算完成，在复杂直流输电系统设计阶段，可以迅速求取不同设计直流转换开关的参数要求，计算效率高，可实现性强。

(3)该计算方法在求解直流转换开关参数的同时，可同时明确的对应的顺控逻辑，简化了这部分的计算量，同时给直流系统线路运行方式、功率输送等其他参数的选取提供了参考依据，有利于直流输电系统工程整体经济效益的提升。

附图说明

图1为现有两端特高压直流输电系统示意图；

图2为两端直流输电系统直流转换开关等效电路图；

图3为三端并联式直流输电系统直流转换开关等效电路图；

图4为并联型放射式直流系统示意图；

图5为并联型直流系统转换回路示意图；

图6为并联型直流系统转换回路拓扑图；

图7为本发明实施例提供的多端直流系统转换开关参数计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

本发明设计了一种结合拓扑结构分析的多端直流系统转换开关参数计算方法。分析不同接线方式的多端直流系统可知，对于不同直流系统，其转换回路部分均可等效为接地极线路网络、直流接线网络、换流站接地转换部分组成的等效电路。以图4中并联型放射式多端直流系统为例，转换回路电路示意图如图5所示。分析换流站接地转换部分拓扑结构可知，在金属/大地回线转换过程中，一个换流站可认为是一个具有三个节点的通用拓扑结构，即图6中点1、2、3及支路I、II部分。该换流站拓扑结构结合接地极线路网络、直流接线网络，可得出多端直流系统转换回路拓扑图(图6所示)。

根据多端直流输电系统系统的拓扑结构构建关联矩阵，进而确定转换电流的数值和对应运行方式的计算流程如图7所示，具体步骤如下：

步骤1、计算直流转换开关电流，可将多端直流系统等效为包括各换流站转换回路、接地极回路、金属回线回路构成的拓扑结构。

步骤2、对每个换流站的转换回路部分，如式(3)所示，可认为存在关联矩阵A。对应开关闭合时，s取1；开关分开时，s取0。

接地极回路、金属回线回路拓扑结构相同，由多端直流接线方式和运行方式决定。根据拓扑结构可列出转换回路等效电路总的关联矩阵。

步骤3、为进一步简化关联矩阵，减小运算数据，可根据系统运行方式确定各换流站接入状态及配置转换开关的站点。目前我国直流输电系统建设主要为解决大容量远距离输电和分布式清洁能源并网问题，因此根据设计规划、电网装机容量、功率消耗预估可以确定直流系统功率传输方向。对环网型系统，也可将换流站划分为送电侧和受电侧，功率输送方向总体不变。即多端直流电网单极运行方式通常存在固定的几种模式。

实际工程中，为降低投资成本，部分站点不配置MRTB、ERTB开关，依靠对侧站点完成电流转换。配置MRTB、ERTB开关的站点应符合以下要求：一、系统全功率运行方式下选取整流侧、逆变侧中换流站点多的一侧配备转换开关；二、考虑完成各运行方式下系统进行回路转换的要求，对另一侧部分换流站点补充配置转换开关。

步骤4、简化关联矩阵后根据节点支路法计算转换过程开关电流，即确定各站MRTB、ERTB开关状态时开关分流情况，根据结果公式求导可确定开关转换电流最大数值以及此时线路参数，分析流程按下述步骤进行：

步骤41、将所有站点中ERTB、MRTB开关状态定义为矩阵B＝[SQ]＝[s₁，s₂，...，s_n，q₁，q₂，...，q_n]。式中s_i，q_i(i＝1，2，...，n)分别代表各ERTB、MRTB开关状态，开关分位为0，开关合位为1。金属转大地回线过程即矩阵B由[1，1，...，1，0，0，...，0]转换为[0，0，...，0，1，1，...，1]的过程，大地转金属回线过程即矩阵B由[0，0，...，0，1，1，...，1]转换为[1，1，...，1，0，0，...，0]的过程。

步骤42、金属转大地回线过程，确定满功率运行方式，选取第一个站点(以下简称为S1站点)的ERTB开关作为最后拉开断路器，对应状态矩阵B1＝[1，0，...，0，1，1，...，1]，计算在系统流经最大负荷电流时该开关的转换电流i₁。

步骤43、将S1的点ERTB开关作为转换过程中最后断开的ERTB，选取第二个站点((以下简称为S2站点))的ERTB开关作为倒数第二个拉开断路器，用支路电流法计算Q取尽所有可能时该ERTB开关最大转换电流以及对应矩阵B’。

步骤44、重复步骤43，选取除S1外所有站点ERTB作为倒数第二个断开开关时转换电流最小的情况，记录该开关Sm(m＝2，3，...，n)及对应状态矩阵B’。

步骤5、求解计算完成后，可根据工程具体情况确定转换开关配置及分、合闸顺控逻辑，具体包括：

步骤51、参照步骤43、44，根据B1、Sm、B’，继续推导倒数第三个断开的ERTB开关以及对应状态矩阵B”。由此迭代运算可得选取S1作为最后断开ERTB时，最合适的分、合闸顺序以及此过程中各开关最大转换电流。

步骤52、选取其他站点ERTB开关作为最后拉开断路器，同样步骤求取ERTB转换电流及操作顺序。

步骤53、根据所得ERTB开关最大转换电流矩阵及设备造价综合考虑，确定当前运行方式下各ERTB开关转换电流限值及对应的转换开关操作顺序。

步骤6、针对大地转金属回线过程，可参照上述流程确定转换开关操作顺序及各MRTB开关转换电流限值，若多端直流系统有其他单极运行方式，可根据上述步骤核实ERTB、MRTB开关配置是否满足系统运行要求，综合各工况开关转换电流取最大值。

由此可知，本实施例提供的多端直流系统转换开关参数计算方法是一种确定转换开关配置方式、参数选择和操作顺序的通用计算方法。该计算方法可有效解决多端直流输电系统中直流转换开关的配置问题，保证系统安全、可靠、经济运行。相比于传统的直流转换开关参数计算问题，它具有以下优点：

(1)对不同接线方式的复杂直流输电网络，可方便迅速的提取其拓扑结构并生成表述结构的关联矩阵，具有很好的通用性、拓展性。

(2)该计算方法可以简单的通过编程计算完成，在复杂直流输电系统设计阶段，可以迅速求取不同设计直流转换开关的参数要求，计算效率高，可实现性强。

(3)该计算方法在求解直流转换开关参数的同时，可同时明确的对应的顺控逻辑，简化了这部分的计算量，同时给直流系统线路运行方式、功率输送等其他参数的选取提供了参考依据，有利于直流输电系统工程整体经济效益的提升

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多端直流系统转换开关参数计算方法，所述多端直流系统包括MRTB和ERTB开关其特征在于，包括：

步骤1、将多端直流系统等效为包括各换流站转换回路、接地极回路、金属回线回路构成的拓扑结构；

步骤2、根据拓扑结构列出转换回路等效电路总的关联矩阵；

步骤3、选取确定多端直流系统的运行方式,并根据多端直流系统的运行方式来确定各换流站接入状态及配置转换开关的站点；

步骤4、简化关联矩阵后根据节点支路法计算转换过程开关电流，确定各换流站MRTB、ERTB开关状态时开关分流情况，确定开关转换电流最大数值以及此时线路参数；

步骤5、根据多端直流系统工程情况确定转换开关配置及分、合闸顺控逻辑；

步骤6、判断多端直流系统是否还存在其他运行方式，若存在，则返回步骤3，否，则结束；

所述步骤4包括：

步骤41、将所有换流站站点中ERTB、MRTB开关状态定义为矩阵B＝[S Q]＝[s₁，s₂，...，s_n，q₁，q₂，...，q_n]；式中s_i，q_i，i＝1，2，...，n，分别代表各ERTB、MRTB开关状态，开关分位为0，开关合位为1；金属转大地回线过程即矩阵B由[1，1，...，1，0，0，...，0]转换为[0，0，...，0，1，1，...，1]的过程，大地转金属回线过程即矩阵B由[0，0，...，0，1，1，...，1]转换为[1，1，...，1，0，0，...，0]的过程；n为正整数；

步骤42、金属转大地回线过程，确定满功率运行方式，选取第一站点ERTB开关作为最后拉开断路器，对应状态矩阵B1＝[1，0，...，0，1，1，...，1]，计算在系统流经最大负荷电流时该开关的转换电流i₁；

步骤43、将第一站点ERTB开关作为转换过程中最后断开的ERTB，选取第二站点ERTB开关作为倒数第二个拉开断路器，用支路电流法计算Q取尽所有可能时该ERTB开关最大转换电流以及对应矩阵B’；

步骤44、重复步骤43，选取除第一站点外所有站点ERTB作为倒数第二个断开开关时转换电流最小的情况，记录该开关S’及对应状态矩阵B”。

2.如权利要求1所述的多端直流系统转换开关参数计算方法，其特征在于，所述关联矩阵为如下式所示，对应开关闭合时，s取1；开关分开时，s取0；

3.如权利要求1所述的多端直流系统转换开关参数计算方法，其特征在于，所述步骤2包括：

将多端直流系统的转换回路分解为换流站接地回路、直流网络、接地网络三个部分，换流站接地回路为通用拓扑结构，结合直流网络拓扑提取其拓扑结构并生成表述结构的关联矩阵。

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