CN111799751A - 一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法及系统 - Google Patents

一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法及系统，对于背靠背柔性控制器直流单元故障，分析其中模块化多电平换流器直流单元故障后的暂态全过程，得到柔性控制器直流单元发生故障时的短路电流回路和暂态拓扑，进而得到柔性控制器各元件等效电路和短路电流回路模型，计算暂态各过程的短路电流，从而用于继电保护装置的选定和整定。本发明通过对柔性控制器直流单元故障的分析，得到不同暂态下短路电流计算方法的推导，可以快速有效的计算故障后短路电流，从而有利于设备选型和继电保护装置整定。

Description

一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法及系统
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及直流换流器，为一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法。
技术背景
模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为新一代直流换流器，具有谐波含量低、损耗低、无功可控、模块化等优势，适用于可再生能源消纳，长距离输电等，因而被广泛运用于柔性直流输配电系统中(文献[1][2])。而半桥模块化多电平换流器(half bridge sub module based modular multilevel converter，HBSM-MMC)由于其成本和运行损耗较低而在目前工程中应用最为普遍。
柔性控制器指以模块化多电平技术MMC为基础，如图1所示，对有功分量与无功分量进行解耦的背靠背结构控制器，可同时支持接入储能单元，具备柔性“软连接”配电网不同部分，可对潮流以及电能质量进行实时动态的优化调控，是解决智能配电网新问题的有效思路和方法。
当柔性控制器应用于配网时，由于直流线路较短，一般忽略其阻抗，当背靠背柔性控制器直流单元发生故障时，短路电流可能超过阈值，影响设备安全。柔性控制器直流单元发生故障时，以极间故障和单极故障为主，半桥型换流器的拓扑结构导致其发生闭锁时间极短，闭锁后直流电网与外部电网处于隔离状态，续流二极管也将构成一个不控整流桥，从而使得故障点有长期故障电流馈入。不同的故障类型下短路电流回路和暂态拓扑均发生变化，使得柔性控制器故障特性极其复杂。不间断运行是直流电网直流保护的新要求。由于直流系统阻抗很小，直流短路电流会在极短时间内上升至极高水平，导致柔性控制器需要承受很高的电流应力，影响柔性控制器及相应系统运行。因此，分析柔性控制器直流单元故障后的故障特性对于主电路参数设计、保护配置等具有重要意义。
目前，国内外主要对基于MMC的高压直流输电的故障过程和基本控制保护策略等关键问题进行了较多研究，并取得了一系列研究成果。在文献[3]中，对直流侧单极接地故障后的MMC-HVDC的正负母线电压和故障电流的变化进行了定量分析。提出了一个电路模型，用于在转换器被阻塞之前和之后对子模块进行过电流分析，并在[4]中分析了MMC故障期间的过电流方程。文献[5]研究了MMC在故障后电容放电的等值回路，将MMC等效为电容和电感的串联电路。在文献[6]中研究了MMC故障后电容器放电的等效电路，并提出了MMC的等效电路。在交流侧发生故障的情况下，MMC控制系统可以有效地限制从交流侧向直流侧馈送的故障电流，但是在直流侧发生故障的情况下，故障电流不能被交流电有效地阻止。文献[7]分析了直流双极短路、单极接地短路故障机理和系统的故障输出特性。文献[8]提出对于柔性配网极间故障的分析方法，但并未建立在极间故障暂态拓扑分析，进而也未能进一步考虑到单极故障电流解析推导。文献[9]主题虽然是计算短路故障电流，但实际分析是等效放电电容，未对短路电流进行暂态分析。有上述文献可见，MMC高压直流输电的双极短路和单极短路故障虽已有相关研究，然而并未见到对于两种故障状态下，适用于配网的柔性控制器的暂态特性分析和相应的短路电流解析分析。本发明从这一角度出发，考虑配电网低电压等级和短直流线路特性，进行暂态分析，进而分析两种故障下，柔性控制器各元件等效电路和短路电流回路模型，推导短路电流解析表达。
参考文献
[1]XU Z，XIAO H，XIAO L，et al.DC fault analysis and clearance solutionsof MMC-HVDC systems[J].Energies，2018，11(4)：941.
[2]LI C Y，ZHAO C，XU J，et al.A pole-to-pole short-circuit faultcurrent calculation method for DC grids[J].IEEE Transactions on PowerSystems，2017，32(6)：4943-4953.
[3]赵成勇,李探,俞露杰,等.MMC-HVDC直流单极接地故障分析与换流站故障恢复策略[J].中国电机工程学报,2014,34(21):3518-3526.
[4]王姗姗，周孝信，汤广福.模块化多电平换流器HVDC直流双极短路子模块过电流分析[J].中国电机工程学报，2010，31(1)：1-7.
[5]XUE Yinglin,XU Zheng.DC fault ride-through mechanism and improvedtopology scheme of C-MMCLJ].Proceedings of the csee,2013,33(21):63-70.
[6]龙凯华,李笑倩,李子明,等.考虑MMC主动限流控制的直流短路电流计算方法[J].电力系统自动化,2020,44(5):84-90.DOI:10.7500/AEPS20190408013.
[7]姚良忠，杨晓峰，林智钦，等.模块化多电平换流器型高压直流变压器的直流故障特性研究[J].电网技术，2016，40(4)：1051-1058.
[8]秦红霞,孙刚,时伯年,邢晓刚,赵宇明.柔性直流配网极间故障控制保护策略与主设备参数配合研究[J].电力系统保护与控制,2016,V44(21):150-156.
[9]段国朝,王跃,尹太元,等.模块化多电平变流器直流短路故障电流计算[J].电网技术,2018,042(007):2145-2152.
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有技术虽然对基于MMC的高压直流输电的故障有所研究，但没有适用于配网的柔性控制器的暂态特性和相应的短路电流解析分析，不利于柔性控制器的设备的选型和整定。
本发明的技术方案为：一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，对于背靠背柔性控制器直流单元故障，分析其中模块化多电平换流器MMC的直流单元故障，及故障后的暂态全过程，得到柔性控制器直流单元发生故障时的短路电流回路和暂态拓扑，进而得到柔性控制器各元件等效电路和短路电流回路模型，计算暂态各过程的短路电流，从而用于继电保护装置的选定和整定。
进一步的，针对直流单元双极故障，分别建立MMC子模块闭锁前后的两阶段模型，第一阶段为子模块电容放电过程，第二阶段为续流二极管和交流侧与故障点之间形成回路过程，根据故障后两阶段等效电路，分别解析各阶段短路电流。
进一步的，针对直流单元单极故障，考虑交流侧接地方式，
若柔性控制器采用交流侧三角形接线方式，当直流正极母线接地时，不会出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变；
若交流侧经阻抗接地，当直流正极母线接地时，存在与换流站交流侧构成的电路回路，因而出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变；则短路电流通过故障点、交流侧经桥臂电感、交流侧接地点形成回路，建立单极故障等效电路并解析电路电流。
本发明还提供一种柔性控制器直流单元故障电流检测系统，所述系统包括数据处理设备，柔性控制器直流单元的电力参数输入数据处理设备，所述数据处理设备中配置有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述电流计算方法，输出故障电流值。
本发明提出一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，通过分析柔性控制器故障后的暂态拓扑，在此基础上进一步推导计算短路电流，有利于将柔性控制器用于配电网时的精细准确控制。
本发明具有以下有益效果：
(1)柔性控制器发生直流单元故障时，主要以极间故障和单极故障为主，而由于MMC器件整流技术的特殊性，短路故障后，MMC的短路电流与桥臂电容、反并联二极管等的动作状态均有关系，通过本发明的暂态分析，实现对两种故障模式下的短路电流计算方法的推导，进一步明晰了柔性控制器直流单元发生短路故障后的暂态特性，有利于对柔性控制器直流单元发生短路故障的保护和制动策略的研究。
(2)由于配网柔性控制器电压等级低，直流线路短，其直流单元的故障可能会严重影响设备运行，通过柔性控制器直流单元短路故障电流的解析推导，可以快速有效的计算故障后短路电流，有利于选择和整定继电保护装置，有利于载流导体和限流设备的选择。
附图说明
图1为本发明涉及的柔性控制器结构示意图。
图2为本发明方法的分析下，柔性控制器直流单元双极故障过程，(a)为第一阶段，(b)为第二阶段。
图3为本发明方法的分析下，柔性控制器直流单元双极故障等效电路图，(a)为第一阶段，(b)为第二阶段。
图4为本发明方法的分析下，柔性控制器直流单元单极故障时放电回路。
图5为本发明方法的分析下，柔性控制器直流单元单极故障时单端单相等效电路。
具体实施方式
本发明对于背靠背柔性控制器直流单元故障，分析其中模块化多电平换流器MMC的直流单元故障，及故障后的暂态全过程，提出了基于柔性控制器直流单元极间和单极短路故障电流计算方法。本发明分析了基于模块化多电平换流器直流单元故障后的暂态全过程，针对直流单元双极故障，分别建立MMC子模块闭锁前后的两阶段模型，第一阶段为子模块电容放电过程，第二阶段为续流二极管和交流侧与故障点之间形成回路过程，根据故障后两阶段等效电路，分别解析短路电流；针对直流单元单极故障，考虑交流侧接地方式，若交流侧经阻抗接地，则短路电流通过故障点、交流侧经桥臂电感、交流侧接地点形成回路，建立单极故障等效电路并解析电路电流。通过对两种故障模式下的短路电流计算方法的推导，可以快速有效的计算故障后短路电流，从而有利于设备选型和继电保护装置整定。
下面对本发明的基于柔性控制器直流单元短路故障电流计算方法进行阐述。
(1)分析柔性控制器直流单元双极故障暂态过程，对于极间短路故障，暂态过程分为2个阶段，第一阶段为子模块电容放电过程，第二阶段为续流二极管和交流侧与故障点之间形成回路过程，根据两阶段等效电路推导MMC直流侧双极故障短路电流。
柔性控制器直流单元双极短路故障是系统最为严重的故障之一，其故障过程分为2个阶段。如图2(a)所示，第一阶段是MMC闭锁前直流电容器放电阶段，每相桥臂子模块电容串联后与故障点构成放电回路；如图2(b)所示，第二阶段是MMC闭锁后，交流侧经桥臂电抗与反并联二极管(续流二极管)经过直流侧故障点构成放电回路。
对于子模块电容串联后放电的第一阶段，可以简化为如图3(a)所示等效的RLC电路图。其中，n为单相上桥臂或下桥臂子模块数量，Rf为直流单元故障接地电阻，L为桥臂电感；每一时刻，每相桥臂共有n个子模块投入运行，由于配电网中背靠背柔性控制器之间的直流线路较短，一般忽略不计。根据此RLC回路，可得式每相桥臂的电容电压，如式(1):
Figure BDA0002533476740000051
C表示柔性控制器双极故障时的桥臂电容，uc为其电压。通常，由于MMC等效RLC电路中
Figure BDA0002533476740000052
RΣ、LΣ、CΣ分别代表电路中电阻、电感、电容总和，因此MMC子模块闭锁前的电容放电过程是二阶欠阻尼震荡衰减过程，电容电压的计算公式为：
Figure BDA0002533476740000053
式中：U0，I0为系统额定运行时直流侧的电压、电流，ω0是系统额定运行时角频率。
Figure BDA0002533476740000054
根据式(2)，即可求出图3(a)回路的电流计算公式：
Figure BDA0002533476740000055
式中：
Figure BDA0002533476740000056
闭锁前的故障回路电流受多项参数影响，当MMC容量一定时，如果直流电容电压不变，故障后电流峰值随着子模块电容值的增加而增大。桥臂电流峰值随着桥臂电抗值的增大而减小，这是因为电抗越大，储存同样能量所需要的电流越小。
如图3(b)所示，当MMC闭锁后，进入交流侧经续流二极管流向故障的第2阶段，等效电路如图所示。在不考虑二极管的非线性特性，当续流二极管初始电流没有衰减至0时，设交流系统电压为
Figure BDA0002533476740000057
Us为系统额定运行时交流侧的电压有效值，ωs为交流系统角频率，设第二阶段起始时刻(即MMC闭锁时)的回路电流为I1，则上下桥臂电流分别为：
Figure BDA0002533476740000061
式中：
Figure BDA0002533476740000062
Rs为交流侧电阻，Ls为交流侧电感。
当续流二极管电流衰减到0后，系统变为三相不可控整流电路，桥臂电流出现直流偏置，其桥臂电流表达式为式(5)。
Figure BDA0002533476740000063
(2)分析柔性控制器直流单元单极故障暂态过程，对于单极短路故障，交流侧若无接地点，则短路电流较小，若交流侧经阻抗接地，则短路电流通过故障点、交流侧经桥臂电感、交流侧接地点形成回路，根据等效电路推导单极故障短路电流。
对于柔性控制器直流单元单极短路故障电流，如若柔性控制器采用交流侧三角形接线方式，当直流正极母线接地时，不能够与换流站交流侧构成电路回路，因此理论上不会出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变。如若柔性控制器采用交流侧星形电抗经电阻接地方式，当直流正极母线接地时，存在与换流站交流侧构成的电路回路因而出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变。由于系统交流侧接地，各端上桥臂电容通过故障接地点与交流侧接地点形成电容放电通路，其放电回路如图4所示。
柔性控制器两端流过接地电阻的放电电流分别为if1、if2，故障点的故障电流为if，if＝if1+if2。交流侧系统的接地电阻为Rg，直流母线电压为Udc。正、负极直流母线对地电压为：
Figure BDA0002533476740000064
图5为正极接地故障后、换流站闭锁前的单端单相等效电路。根据图5所示，等值电感Leq用Leq＝L0+Ls1表示，等值电容Ceq用Ceq＝2C0/n表示，等效电阻用Req＝Rg+Rf表示，L0为桥臂电感，Ls1为交流侧电感，C0是柔性控制器单极故障时桥臂电容，Rf为直流单元故障接地电阻，Rg为交流侧中性点接地电阻，
由图5的RLC回路可得：
Figure BDA0002533476740000071
uc为对应单极故障时桥臂电容的电压，故障瞬间直流电压Udc和上桥臂电感电流Iarm均不为0，而通常
Figure BDA0002533476740000072
因此闭锁前，MMC的暂态过程是一个二阶过阻尼非振荡放电过程。
故障发生时的初始条件，电容电压Uc为直流母线电压的一半，即Uc(0)＝Udc/2，桥臂电流初值I(0)＝Iarm。则故障电流的计算公式为：
Figure BDA0002533476740000073
式中，
Figure BDA0002533476740000074
正极接地故障后、换流站闭锁前的时间内，整流站的上桥臂子模块的电容会放电，上桥臂的电流会增大，上桥臂子模块电容的能量损失有所增加，在控制系统的作用下交流电流逐渐升高，因此并联侧出口电流幅值也有所增大。同理可求得if2并由式两者之和得到总故障电流。
作为具体实施，本发明还提供一种柔性控制器直流单元故障电流检测系统，所述系统包括数据处理设备，柔性控制器直流单元的电力参数输入数据处理设备，所述数据处理设备中配置有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述电流计算方法，输出故障电流值。根据得到的故障后短路电流，用于对配网选择和整定继电保护装置，用于载流导体和限流设备的选择。

Claims (7)

1.一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是对于背靠背柔性控制器直流单元故障，分析其中模块化多电平换流器MMC的直流单元故障，及故障后的暂态全过程，得到柔性控制器直流单元发生故障时的短路电流回路和暂态拓扑，进而得到柔性控制器各元件等效电路和短路电流回路模型，计算暂态各过程的短路电流，从而用于继电保护装置的选定和整定。
2.根据权利要求1所述的一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是针对直流单元双极故障，分别建立MMC子模块闭锁前后的两阶段模型，第一阶段为子模块电容放电过程，第二阶段为续流二极管和交流侧与故障点之间形成回路过程，根据故障后两阶段等效电路，分别解析各阶段短路电流。
3.根据权利要求2所述的一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是所述第一阶段是MMC闭锁前直流电容器放电阶段，每相桥臂子模块电容串联后与故障点构成放电回路，等效得到RLC电路，求出此回路的电流，即本阶段的短路电流；当MMC闭锁后，进入第二阶段，即交流侧经续流二极管流向故障点，不考虑二极管的非线性特性，当续流二极管初始电流没有衰减至0时，交流系统电压为
Figure FDA0002533476730000011
Us为系统额定运行时交流侧的电压有效值，ωs为交流系统角频率，设第二阶段起始时刻的回路电流为I1，则MMC上下桥臂电流分别为：
Figure FDA0002533476730000012
式中：
Figure FDA0002533476730000013
Rf为直流单元故障接地电阻，L为MMC桥臂电感，Rs为交流侧电阻，Ls为交流侧电感；
当续流二极管电流衰减到0后，系统变为三相不可控整流电路，桥臂电流出现直流偏置，此时桥臂电流表达式为：
Figure FDA0002533476730000014
4.根据权利要求2或3所述的一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是所述第一阶段短路电流的计算具体为：
对于等效的RLC电路，设n为单相上桥臂或下桥臂子模块数量，Rf为直流单元故障接地电阻，L为桥臂电感；每一时刻，每相桥臂共有n个子模块投入运行，根据RLC电路，得到每相桥臂的电容电压:
Figure FDA0002533476730000021
C为柔性控制器桥臂电容，uc为其电压；
MMC子模块闭锁前的电容放电过程是二阶欠阻尼震荡衰减过程，电容电压的计算公式为：
Figure FDA0002533476730000022
式中：U0，I0为系统额定运行时直流侧的电压、电流；
Figure FDA0002533476730000023
求得第一阶段等效RLC回路的电流计算公式为：
Figure FDA0002533476730000024
式中：
Figure FDA0002533476730000025
5.根据权利要求1所述的一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是针对直流单元单极故障，考虑交流侧接地方式，
若柔性控制器采用交流侧三角形接线方式，当直流正极母线接地时，不会出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变；
若交流侧经阻抗接地，当直流正极母线接地时，存在与换流站交流侧构成的电路回路，因而出现接地电流，此时正极母线电压被拉为零单位，而负极母线对地电压加倍，正、负极直流母线电压差保持不变；则短路电流通过故障点、交流侧经桥臂电感、交流侧接地点形成回路，建立单极故障等效电路并解析电路电流。
6.根据权利要求5所述的一种柔性控制器直流单元故障电流计算方法，其特征是对于交流侧经阻抗接地的情况，设柔性控制器两端流过接地电阻的放电电流分别为if1、if2，故障点的故障电流为if，if＝if1+if2，交流侧系统的接地电阻为Rg，直流母线电压为Udc，正、负极直流母线对地电压为：
Figure FDA0002533476730000031
等效此时的回路为RLC电路，等值电感Leq用Leq＝L0+Ls1表示，等值电容Ceq用Ceq＝2C0/n表示，等效电阻用Req＝Rg+Rf表示，L0为桥臂电感，Ls1为交流侧电感，C0是单极故障时桥臂电容，Rf为直流单元故障接地电阻，Rg为交流侧中性点接地电阻，
则有：
Figure FDA0002533476730000032
故障瞬间直流电压Udc和上桥臂电感电流Iarm均不为0，而
Figure FDA0002533476730000033
因此闭锁前，MMC的暂态过程是一个二阶过阻尼非振荡放电过程；
故障发生时的初始条件，电容电压Uc为直流母线电压的一半，Uc(0)＝Udc/2，桥臂电流初值I(0)＝Iarm，故障电流的计算公式为：
Figure FDA0002533476730000034
式中，
Figure FDA0002533476730000035
正极接地故障后、换流站闭锁前的时间内，整流站的上桥臂子模块的电容会放电，上桥臂的电流会增大，上桥臂子模块电容的能量损失有所增加，在控制系统的作用下交流电流逐渐升高，因此并联侧出口电流幅值也有所增大，同理可求得if2，并由if1、if2两者之和得到总故障电流。
7.一种柔性控制器直流单元故障电流检测系统，其特征是所述系统包括数据处理设备，柔性控制器直流单元的电力参数输入数据处理设备，所述数据处理设备中配置有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现权利要求1-6所述的电流计算方法，输出故障电流值。
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