CN112838610B - 一种基于二端口网络考虑中性点电流的mmc换流站接地故障分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，属于电力系统继电保护技术领域。在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，二端口网络直流侧出口有两个端子，正常运行时，直流电流从一端子流出，从另外一端子流入。直流输电线路发生单极接地故障时或者在对端换流站内发生接地故障时，由于网络内部有正常接地点，会对网络特性有所影响。当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，正常接地点电流与网络直流侧两端子电流矢量和为零。而当网络内部发生接地故障时，由于出现了新的接地点，直流侧两端子电流与正常接地点电流三者矢量和不再为零。

Description

一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障 分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，属于电力系统继电保护技术领域。

背景技术

基于MMC(模块化多电平换流器modular multilevel converter)的柔性直流输电技术相比于二三电平拓扑的柔性直流具有诸多优点，MMC采用阶梯波逼近技术，开关频率降低，使得换流器的损耗大大降低，MMC拓扑的波形质量高、故障处理能力强等优点，成为现今的研究热点。MMC直流输电系统有多种接地方式，阀侧星形电抗经大电阻接地方式、变压器阀侧中性点经大电阻接地方式、直流母线经钳位电阻接地方式和直流中性母线接地方式。前三种接地方式在MMC伪双极直流输电系统中比较多见，而直流中性母线接地方式更多见于真双极直流输电系统。目前，对MMC的拓扑结构及直流输电线路发生故障的研究较多，而对换流站内发生接地故障的研究较少，本发明针对前两种接地方式，提出利用二端口网络的端口特性来进行MMC直流输电系统换流站接地故障分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，能有效识别二端口网络内部接地故障，为未来智能电网的大数据库提供支撑。

本发明的技术方案是：一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，所述二端口网络直流侧出口设有两个端子。正常运行时，直流电流从一个端子流出，从另外一个端子流入。当直流输电线路发生单极接地故障时或者在对端换流站内发生接地故障时，由于网络内部有正常接地点，会对网络特性有所影响，通过中性点电流与网络直流侧两端子电流，判断故障位置和种类。当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，中性点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和为零。而当网络内部发生接地故障时，由于出现了新的接地点，中性点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和不为零。

具体步骤为：

Step1：在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，网络直流侧出口两个端子分别是正极线和负极线，正极线电流i_d方向从网络流出，负极线电流i_d’方向是流入网络，中性点电流i_g方向为从大地流向网络。

Step2：当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，中性点电流与网络直流侧两端子电流矢量和为零。根据Step1所规定的电流方向，当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，则用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|≤ε (1)

i_cd为二端口网络电流差值，ε为大于零的值，其整定值需考虑正常运行时由互感器传变误差、换流器中杂散电容引起的不平衡电流。

Step3：网络内部发生接地故障时，由于出现了新的接地点，直流侧两端子电流与正常接地点电流三者矢量和不再为零。根据Step1所规定的电流方向，用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|＞ε (2)

若满足公式(2)，则说明发生了二端口网络内部接地故障。

当MMC直流系统正常运行时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小基本相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g很小，i_g＜ε₁，ε₁为大于零的值。

若中性点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和为零，则判断网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障。若中性点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和不为零，则判断网络内部发生接地故障。

当MMC直流系统发生非接地故障时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小基本相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g很小，i_g＜ε₁，ε₁为大于零的值。

当MMC直流系统发生直流输电线路单极接地故障或对端换流站内接地故障时，二端口网络内部中性点电流i_g也会明显增大，i_g＞ε₁。

本发明的有益效果是：本发明通过计算三者电流矢量和是否为零来判断二端口网络内部是否发生了接地故障，可为将来智能电网的大数据库提供支撑，具有一定的实际工程意义。

附图说明

图1是本发明二端口网络等效图；

图2是本发明MMC直流输电系统阀侧星形电抗经大电阻接地方式图；

图3是本发明MMC直流输电系统变压器阀侧中性点经大电阻接地方式图；

图4是本发明直流输电线路发生接地故障时，网络直流侧出口两端子与正常接地点电流对比图；

图5是本发明二端口网络内部发生接地故障时，网络直流侧出口两端子与正常接地点电流对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，具体步骤为：

Step1：在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，所述二端口网络直流侧出口设有两个端子。

Step2：当MMC直流系统发生故障时，通过中性点电流与网络直流侧两端子电流，判断故障位置和种类。

当MMC直流系统正常运行时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小基本相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g＜ε₁，ε₁为大于零的值

当MMC直流系统发生非接地故障时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小基本相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g＜ε₁。

当MMC直流系统发生直流输电线路单极接地故障或对端换流站内接地故障时，二端口网络内部中性点电流i_g增大，i_g＞ε₁。

所述Step2中：

若正常接地点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和为零，则判断网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障。

若正常接地点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和不为零，则判断网络内部发生接地故障。

网络直流侧出口两个端子分别是正极线和负极线，正极线电流i_d方向是流出网络，负极线电流i_d’方向是流入网络，中性点电流i_g方向为从大地流向网络。

当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|≤ε (1)

i_cd为二端口网络电流差值，ε为大于零的值。

当网络内部发生接地故障时，表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|＞ε (2)

若满足式(2)，则说明发生了二端口网络内部接地故障。

实施例1：如图1，图2所示的MMC直流输电系统作为仿真模型。联接变压器阀侧绕组采用三角形联结，阀侧星形电抗经大电阻接地方式；联接变压器交流侧均采用星形联结。直流电压为±320kV，设整流阀侧发生单相接地故障。在本例中，ε＝0.1kA。

Step1：在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，网络直流侧出口两个端子分别是正极线和负极线，正极线电流i_d方向从网络流出，负极线电流i_d’方向是流入网络，中性点电流i_g方向为从大地流向网络。

Step2：如图4所示，当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，中性点电流与网络直流侧两端子电流矢量和为零。根据Step1所规定的电流方向，当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，则用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|≤ε (1)

i_cd为二端口网络电流差值，ε为大于零的值，其整定值需考虑正常运行时由互感器传变误差、换流器中杂散电容引起的不平衡电流。

Step3：如图5所示，网络内部发生接地故障时，由于出现了新的接地点，直流侧两端子电流与正常接地点电流三者矢量和不再为零。根据Step1所规定的电流方向，用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|＞ε (2)

Step4：计算电流差值i_cd＝1.13kA，满足公式(2)，说明发生了二端口网络内部接地故障。

实施例2：建立如附图3所示的MMC直流输电系统作为仿真模型。联接变压器阀侧绕组采用星形联结，中性点经大电阻接地方式；联接变压器交流侧均采用三角形联结。直流电压为±320kV，设整流阀侧发生两相短路并接地故障。在本案例中，ε＝0.1kA。

Step1：在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，网络直流侧出口两个端子分别是正极线和负极线，正极线电流i_d方向从网络流出，负极线电流i_d’方向是流入网络，中性点电流i_g方向为从大地流向网络。

Step2：如图4所示，当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，正常接地点电流与网络直流侧两端子电流矢量和为零。根据Step1所规定的电流方向，当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，则用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|≤ε (1)

i_cd为二端口网络电流差值，ε为大于零的值，其整定值需考虑正常运行时由互感器传变误差、换流器中杂散电容引起的不平衡电流。

Step3：如图5所示，网络内部发生接地故障时，由于出现了新的接地点，直流侧两端子电流与正常接地点电流三者矢量和不再为零。根据Step1所规定的电流方向，用公式表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|＞ε (2)

Step4：计算电流差值i_cd＝0.98kA，满足公式(2)，说明发生了二端口网络内部接地故障。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，其特征在于：

Step1：在MMC换流站内将换流变压器至MMC直流侧出口处等效成一个二端口网路，所述二端口网络直流侧出口设有两个端子；

Step2：当MMC直流系统发生故障时，通过中性点电流与网络直流侧两端子电流，判断故障位置和种类；

其特征在于：

当MMC直流系统正常运行时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g＜ε₁，ε₁为大于零的值；

当MMC直流系统发生非接地故障时，二端口网络直流侧出口处两端子电流大小基本相等，方向一个为流入二端口网络，一个为流出二端口网络，中性点电流i_g＜ε₁；

当MMC直流系统发生直流输电线路单极接地故障或对端换流站内接地故障时，二端口网络内部中性点电流i_g增大，i_g＞ε₁；

网络直流侧出口两个端子分别是正极线和负极线，正极线电流i_d方向是流出网络，负极线电流i_d’方向是流入网络，中性点电流i_g方向为从大地流向网络；

当网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障时，表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|≤ε (1)

i_cd为二端口网络电流差值，ε为大于零的值；

当网络内部发生接地故障时，表示为：

i_cd＝|i_d-i_d'-i_g|＞ε (2)

若满足式(2)，则说明发生了二端口网络内部接地故障。

2.根据权利要求1所述的基于二端口网络考虑中性点电流的MMC换流站接地故障分析方法，其特征在于所述Step2中：

若正常接地点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和为零，则判断网络外部发生故障或网络内部发生非接地故障；

若正常接地点电流与网络直流侧两端子电流三者矢量和不为零，则判断网络内部发生接地故障。