CN111276949B - 一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法 - Google Patents
一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，在分析汇集支路阻抗特性和频域故障分量回路的基础上，利用直流故障极间电压的阶跃特征和支路边界元件构成的谐振，选取高于支路谐振频率的特定频率分量进行研究，得出故障线路电流特定频率分量幅值特征。比较通过连续小波变换(CWT)算法提取出的各支路故障电流特定频率分量幅值大小，识别故障支路，完成可靠故障隔离。本发明只需要提取故障电流特定频率分量就可完成故障隔离，对数据存储与传输要求低，无需考虑通信延时带来的误差问题。
Description
技术领域
本发明属于新能源发电并网技术领域，特别涉及到一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法。
背景技术
随着柔性直流输电和电力电子技术的发展，光伏直流升压汇集送出系统作为未来光伏发电送出的重要形式，受到国内外学者的高度关注。与传统光伏交流汇集系统相比，光伏通过柔性直流升压、汇集送出并网，减少了线路损耗，避免多逆变器并联带来的稳定性问题，光伏发电系统整体效率得到提高。快速可靠的故障隔离技术是光伏发电系统高效运行的保障，因此故障隔离技术对提高大规模光伏发电基地产能有重要的作用。
而目前关于柔性直流线路的保护研究，主要有时域保护和频域保护，基于时域故障信息的保护抗噪声能力有限，对高阻故障灵敏性较低；基于频域信息的保护虽然受过渡电阻和噪声影响较小，但需要提取多频段高频量，提取时间较长，受分布电容电流影响也较大。因此，有必要研究适合光伏直流升压汇集系统的线路保护方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，在所述光伏直流升压汇集系统中，光伏发电单元经直流变压器DCT升压后，经汇集支路到汇集母线，再经送出支路并网，所述线路保护方法包括以下步骤：
步骤1、分析汇集支路阻抗特性和频域故障分量回路；
步骤2、基于步骤1的分析结果，利用直流故障极间电压的阶跃特征,支路边界元件所构成的谐振，选取高于支路谐振频率的特定频率分量进行分析，得出故障线路电流特定频率分量幅值特征；
步骤3、利用连续小波变换CWT算法提取出一定数据窗长的各支路故障电流特定频率分量；
步骤4、比较步骤3所提取出的各支路故障电流特定频率分量的幅值大小，识别故障支路，完成故障隔离。
优选地，步骤1中，所述支路元件包括换流器、限流电抗器和直流电缆，其中直流变压器DCT采用隔离升压全桥变换结构，主拓扑由BOOST电路、全桥逆变器、高频隔离变压器及全桥整流电路构成，高压侧用全桥不控器件，当直流线路发生故障后，可过闭锁全桥逆变器的全控器件阻断光伏发电单元向故障点放电；
所述汇集支路阻抗特性Z表示为：
式中，L0为限流电抗器电抗值；C0为DCT出口等效并联电容；Rl、Ll分别为线路电阻和电抗，j为虚数单位；
分析汇集支路的频域故障回路，得到故障支路量测电流为：
优选地，步骤2中，当DCT出口并联等效电容与限流电抗器构成串联谐振时，令各支路串联谐振频率为ωri，则
式中Li为汇集支路i限流电抗器电抗值、Ci为汇集支路i的DCT出口等效并联电容；
当汇集支路i谐振时，支路阻抗为Z＝Rl+jωLl，呈感性，选取特定频率ω0满足：
ω0≥max(ωri)，
在特定频率ω0下，各支路阻抗为感性，模块化多电平换流器MMC自身谐振频率为58Hz；在特定频率ωr0下，送出支路阻抗也呈感性，故障支路电流特定频率分量幅值Ik ω0满足：
式中Ii ω0是各支路电流特定频率分量幅值。
优选地，步骤3中利用连续小波变换CWT算法提取出一定数据窗长的各支路故障电流特定频率分量，数据窗的起点为故障前2.5ms，终点为故障后2.5ms。
优选地，步骤4中比较提取出的各支路故障电流特定频率分量幅值大小，电流幅值最大的支路即为故障支路，从而完成故障隔离。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：本发明只需要提取故障电流特定频率分量就可完成故障隔离，对数据存储与传输要求低，无需考虑通信延时带来的误差问题。
附图说明
图1为光伏直流升压汇集系统拓扑示意图；
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
图1为光伏直流升压汇集系统拓扑图，如图1所示，光伏发电单元经DCT就地升压后，经汇集支路到汇集母线，再经送出支路并网。
支路元件包括换流器、限流电抗器和直流电缆，其中DCT采用隔离升压全桥变换结构，主拓扑由BOOST电路、全桥逆变器、高频隔离变压器及全桥整流电路构成，考虑到光伏发电单元单方向传递功率与经济性要求，高压侧用全桥不控器件。当直流线路发生故障后，可通过闭锁全桥逆变器的全控器件，阻断光伏发电单元向故障点放电。
汇集支路阻抗特性为：
式中，L0为限流电抗器电抗值；C0为DCT出口等效并联电容；Rl、Ll分别为线路电阻和电抗，j为虚数单位。
当DCT出口并联等效电容与限流电抗器构成串联谐振时，
令各汇集支路串联谐振频率为ωri，即
式中Li为汇集支路i限流电抗器电抗值、Ci为汇集支路i的DCT出口等效并联电容。
当汇集支路i谐振时，支路阻抗为Z＝Rl+jωLl，呈感性。
当双极短路故障发生在汇集支路1上时，汇集支路1量测故障电流为：
在各汇集支路谐振频率下，支路阻抗呈感性。选取特定角频率ωr0满足：
ωr0>max(ωr1、ωr2、ωr3、...ωrn)
所以在特定频率ωr0下，汇集支路阻抗都呈感性。又MMC自身谐振频率在58Hz左右，而DCT出口谐振频率一般为1kHz左右，故在特定频率ωr0下，送出支路阻抗也呈感性。由于各支路接于同一母线上，即各支路输出电压相等且各支路阻抗均呈感性，故各支路电流相角差小于90℃，由矢量加法性质知：
Ik1>max(Ig、I2、...、In)
即故障汇集支路母线侧量测的特定频率ωr0对应的故障电流幅值最大。
当双极短路故障发生在送出支路上时，送出支路量测故障电流为：
同样，在特定频率ωr0下，送出支路故障电流满足：
Ig>max(I1、I2、...、In)
由上述可知，故障支路电流中的特定频率分量幅值最大。
下面给出本发明在PSCAD/EMTDC上的测试结果。搭建如图1所示的光伏直流升压汇集系统，以三个汇集支路为例，直流汇集母线额定电压为±30kV，交流侧电网额定电压为220kV，汇集支路长度均为5km，送出支路长度为30km，直流电缆的参数为r＝0.054Ω/km，l＝0.0013H/km，c＝0.0073μF/km，DCT出口谐振频率分别为800Hz、900Hz和1000Hz。
表1列出了不同位置处发生双极短路故障，本发明的故障判别结果。表2列出了汇集支路1上不同线路分布电容和不同过渡电阻下的故障判别结果。
表1不同位置处故障判别结果
表2不同线路分布电容和不同过渡电阻的故障隔离结果
仿真结果表明，所提故障隔离方法在不同位置、不同过渡电阻、不同线路分布电容情况下均能可靠准确地判别出故障支路。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，其特征在于，在所述光伏直流升压汇集系统中，光伏发电单元经直流变压器DCT升压后，经汇集支路到汇集母线，再经送出支路并网，所述线路保护方法包括以下步骤：
步骤1、分析汇集支路阻抗特性和频域故障分量回路；
步骤2、基于步骤1的分析结果，利用直流故障极间电压的阶跃特征,支路边界元件所构成的谐振，选取高于支路谐振频率的特定频率分量进行分析，得出故障线路电流特定频率分量幅值特征,具体为，当DCT出口并联等效电容与限流电抗器构成串联谐振时，令各支路串联谐振频率为ωri，则
式中Li为汇集支路i限流电抗器电抗值、Ci为汇集支路i的DCT出口等效并联电容，n为汇集支路的数量；
当汇集支路i谐振时，支路阻抗为Z＝Rl+jωLl，呈感性，其中Rl、Ll分别为线路电阻和电抗，选取特定频率ω0满足：
ω0≥max(ωri)，
在特定频率ω0下，各支路阻抗为感性，模块化多电平换流器MMC自身谐振频率为58Hz；在特定频率ωr0下，送出支路阻抗也呈感性，故障支路电流特定频率分量幅值Ik ω0满足：
式中Ii ω0是各支路电流特定频率分量幅值；
步骤3、利用连续小波变换CWT算法提取出一定数据窗长的各支路故障电流特定频率分量；
步骤4、比较步骤3所提取出的各支路故障电流特定频率分量的幅值大小，识别故障支路，完成故障隔离。
2.根据权利要求1中所述的一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，其特征在于，步骤1中，所述支路元件包括换流器、限流电抗器和直流电缆，其中直流变压器DCT采用隔离升压全桥变换结构，主拓扑由BOOST电路、全桥逆变器、高频隔离变压器及全桥整流电路构成，高压侧用全桥不控器件，当直流线路发生故障后，可过闭锁全桥逆变器的全控器件阻断光伏发电单元向故障点放电；
所述汇集支路阻抗特性Z表示为：
式中，L0为限流电抗器电抗值；C0为DCT出口等效并联电容；Rl、Ll分别为线路电阻和电抗，j为虚数单位；
分析汇集支路的频域故障回路，得到故障支路量测电流为：
3.根据权利要求1中所述的一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，其特征在于，步骤3中利用连续小波变换CWT算法提取出一定数据窗长的各支路故障电流特定频率分量，数据窗的起点为故障前2.5ms，终点为故障后2.5ms。
4.根据权利要求1中所述的一种基于谐振电流幅值比较的光伏直流升压汇集系统线路保护方法，其特征在于，步骤4中比较提取出的各支路故障电流特定频率分量幅值大小，电流幅值最大的支路即为故障支路，从而完成故障隔离。
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