CN112134265B - 基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法 - Google Patents

基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法，建立评估不同网架结构中单极故障电流水平的简化指标；通过智能算法寻优得到故障电流水平最低的拓扑结构；相应改变原始直流电网各站连接路径，使得所设计的直流电网故障电流水平得到限制；分别解锁优化前后的伪双极直流电网并使其在零功率条件下稳定运行；对优化前后的直流电网逐条线路设置单极接地故障，并提取故障后某一时刻的故障电流值；对比验证两种拓扑中最大故障电流值进行验证，确认所优化的网架结构能够实现故障电流水平限制效果。本发明方法避免了逐个拓扑指标计算的繁琐工作，降低故障限流装置的费用投入和保护系统的设计要求。

Description

基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法
技术领域
本发明涉及直流电网故障分析和处理领域，特别是一种基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法。
背景技术
随着电力电子技术的进步，基于电压源换流器(VSC)的柔性直流输电技术在异步联网和可再生能源并网中优势凸显，特别是模块化多电平变换器(MMC)的高压大容量传输能力使其成为未来直流电网发展的必然选择。
然而，直流电网中故障电流传播速度极快，电力电子设备的过电流耐受性差，与基于晶闸管的常规直流换流器(LCC)相比，MMC中的IGBT元件更容易受到故障电流的影响而闭锁甚至损坏。这对直流断路器提出了更苛刻的技术要求，对保护系统的设计也提出了更严格的要求。对于采用架空线的柔性直流电网，发生单极接地故障的概率远高于极间短路故障，通过附加限流设备的故障电流抑制措施必然增加工程建设的投资成本。因此，需明确故障电流的影响因素，并有针对性地提出故障电流抑制方法。
现有的故障电流抑制措施都需要额外安装故障限流装置，一方面增加了工程投资，另一方面附加装置对实际工程稳态运行的影响尚不明确，例如：1)一种结合直流断路器的直流故障限流器拓扑文献中，其利用直流断路器使用的电流转移原理分断电路，在系统发生短路故障时快速限制短路电流的上升率及短路电流水平；2)基于预充电换相电容的直流故障限流器文献中，其基于预充电换相电容的直流故障限流器，通过预充电换相电容实现限流电阻和限流电感的投入；3)电流换相H桥型混合式直流故障限流器文献中，其电流换相H桥型混合式直流故障限流器，换相支路由晶闸管、换相电容、限流电感和4组H桥型二极管所组成，正常运行时负载电流通过低损耗支路通流,故障后电流流过换相支路实现限流过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法，明确网架拓扑对伪双极直流电网单极接地故障电流的影响特性，有针对性地抑制故障电流。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法，包括以下步骤：
步骤1：根据直流电网拓扑结构提取系统相关参数，参数包括直流线路的单位电感参数Lm、直流线路长度Lline和平波电抗器的电感值Ld；
步骤2：计算各换流站对故障点贡献电流的简化指标
Figure GDA0003032160580000021
其中Distequivalent为换流站到故障点的等效距离，包含线路长度和平波电抗器的等效距离
Figure GDA0003032160580000022
x为分流系数，若馈流换流站与故障点两侧换流站均直接相连，则其中一侧路径的x等于该换流站分别经过这两个故障换流站到故障点的等效距离之和与另一路径等效距离之比，否则x＝1；
步骤3：计算线路ij的故障电流指标IndexPTG_lineij为所有换流站贡献电流指标之和；将同一拓扑直流电网中所有线路最大的故障电流指标设为该拓扑的故障电流水平；
步骤4：以降低最大的故障电流指标为目标，利用算法寻优得到故障电流水平最低的直流电网拓扑结构；
步骤5：依据所得优化后的拓扑，相应改变原始直流电网各站连接路径，使得所设计的直流电网故障电流水平得到限制；
步骤6：分别解锁优化前后的伪双极直流电网并使其在零功率条件下稳定运行；
步骤7：对优化前后的直流电网逐条线路设置单极接地故障，并提取故障后某一时刻t时的故障电流值，该时刻选为直流断路器开断故障电流的时刻；
步骤8：对比验证两种拓扑中t时刻最大故障电流值，确认所优化的网架结构能够实现故障电流水平限制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：明确了网架拓扑对伪双极直流电网单极接地故障电流的影响特性，建立了评估不同网架结构中单极故障电流水平的简化指标，通过智能算法寻优得到故障电流水平最低的拓扑结构，一方面避免了逐个拓扑指标计算的繁琐工作，另一方面为直流电网的设计提供故障限流方面的参考，降低故障限流装置的费用投入和保护系统的设计要求。本发明方法简单易行，为工程设计提供有价值的参考。
附图说明
图1是本发明实例1中5端直流电网位置示意图。
图2是本发明实例1效果对比图。
图3是本发明实例2中5端直流电网位置示意图。
图4是本发明实例2中效果对比图。
图5是本发明实例3中6端直流电网位置示意图。
图6是本发明实例3中效果对比图。
图7是本发明实例4中7端直流电网位置示意图。
图8是本发明实例4中效果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。本发明基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法具体如下：
一、根据直流电网拓扑结构提取系统相关参数，参数包括直流线路的单位电感参数Lm、直流线路长度Lline和平波电抗器的电感值Ld。
二、计算各换流站对故障点贡献电流的简化指标
Figure GDA0003032160580000041
其中Distequivalent为换流站到故障点的等效距离，包含线路长度和平波电抗器的等效距离
Figure GDA0003032160580000042
x为分流系数，若馈流换流站与故障点两侧换流站均直接相连，则其中一侧路径的x等于该换流站分别经过这两个故障换流站到故障点的等效距离之和与另一路径等效距离之比，否则x＝1。
三、计算线路ij的故障电流指标IndexPTG_lineij为所有换流站贡献电流指标之和。将同一拓扑直流电网中所有线路最大的故障电流指标设为该拓扑的故障电流水平。
四、以降低最大的故障电流指标(即故障电流水平)为目标，利用相关算法(如智能算法)寻优得到故障电流水平最低的直流电网拓扑结构。
五、依据所得优化后的拓扑，相应改变原始直流电网各站连接路径，即可使得所设计的直流电网故障电流水平得到限制。
六、分别解锁优化前后的伪双极直流电网并使其在零功率条件下稳定运行。
七、对优化前后的直流电网逐条线路设置单极接地故障，并提取故障后某一时刻t时的故障电流值。
八、对比验证两种拓扑中t时刻时最大故障电流值，确认所优化的网架结构能够实现故障电流水平限制效果。
下面通过具体实例验证本发明方法的有益效果，如下所述：
验证实例1：5端直流电网网架优化
以5端直流电网为例验证说明，各站地理位置如图1所示；以辐射型网络作为优化前的原始拓扑，基于所提指标，对该拓扑进行优化，优化前后的拓扑及最大故障电流出现线路如图2所示，可以看出最大故障电流降低了22％，说明本发明方法具有限制故障电流水平的作用。
验证实例2：改变地理位置后的5端直流电网网架优化
改变前述5端直流电网各站地理位置如图3所示；同样以辐射型网络作为优化前的原始拓扑，基于所提指标，对该拓扑进行优化，优化前后的拓扑及最大故障电流出现线路如图4所示，可以看出最大故障电流降低了11％，说明本发明方法具有限制故障电流水平的作用。
验证实例3：6端直流电网网架优化
增加换流站端数，以6端直流电网为例验证说明，各站地理位置如图5所示；同样以辐射型网络作为优化前的原始拓扑，基于所提指标，对该拓扑进行优化，优化前后的拓扑及最大故障电流出现线路如图6所示，可以看出最大故障电流降低了29％，说明本发明方法具有限制故障电流水平的作用。
验证实例4：7端直流电网网架优化
增加换流站端数，以7端直流电网为例验证说明，各站地理位置如图7所示；同样以辐射型网络作为优化前的原始拓扑，基于所提指标，对该拓扑进行优化，优化前后的拓扑及最大故障电流出现线路如图8所示，可以看出最大故障电流降低了32％，说明本发明方法具有限制故障电流水平的作用。
本发明明确了网架拓扑对伪双极直流电网单极接地故障电流的影响规律，建立了评估不同网架结构中单极故障电流水平的简化指标，并利用智能算法设计了面向故障限流的直流电网网架结构优化方法，降低了直流电网整体单极接地故障电流水平，并能降低故障限流装置的费用投入和保护系统的设计要求，为直流电网的设计提供了参考。

Claims (1)

1.一种基于拓扑优化伪双极直流电网单极接地故障电流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据直流电网拓扑结构提取系统相关参数，参数包括直流线路的单位电感参数Lm、直流线路长度Lline和平波电抗器的电感值Ld；
步骤2：计算各换流站对故障点贡献电流的简化指标
Figure FDA0003032160570000011
其中Distequivalent为换流站到故障点的等效距离，包含线路长度和平波电抗器的等效距离
Figure FDA0003032160570000012
x为分流系数，若馈流换流站与故障点两侧换流站均直接相连，则其中一侧路径的x等于该换流站分别经过这两个故障换流站到故障点的等效距离之和与另一路径等效距离之比，否则x＝1；
步骤3：计算线路ij的故障电流指标IndexPTG_lineij为所有换流站贡献电流指标之和；将同一拓扑直流电网中所有线路最大的故障电流指标设为该拓扑的故障电流水平；
步骤4：以降低最大的故障电流指标为目标，利用算法寻优得到故障电流水平最低的直流电网拓扑结构；
步骤5：依据所得优化后的拓扑结构，相应改变原始直流电网各站连接路径，使得所设计的直流电网故障电流水平得到限制；
步骤6：分别解锁优化前后的伪双极直流电网并使其在零功率条件下稳定运行；
步骤7：对优化前后的直流电网逐条线路设置单极接地故障，并提取故障后某一时刻t时的故障电流值，该时刻选为直流断路器开断故障电流的时刻；
步骤8：对比验证两种拓扑中t时刻最大故障电流值，确认所优化的网架结构能够实现故障电流水平限制效果。
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