CN113051707B - 换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统 - Google Patents

换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统，建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型；确定闭锁后等效模型，采用运算电路分析法，计算故障后的稳态电流，计算暂态阶段的电流，确定换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素。本发明准确考虑闭锁后短路电流，对于短路电流计算较为准确。

Description

换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统
技术领域
本发明属于电流分析技术领域，具体涉及一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着柔性直流输电工程的不断发展，交直流混合系统越来越复杂，针对线路故障保护的的要求也越来越高。当发生单极接地故障时，故障极直流母线电压迅速降为零，半桥子模块电容快速放电，桥臂电流迅速升高造成换流站在几毫秒内闭锁。为了系统和元件安全，对于闭锁后精确的短路电流计算就十分重要。如果计算值严重大于实际值，则会选用限流能力更大的设备，增加了设备成本，如果计算值严重小于实际值，就会导致设备抗过电流能力不足，危害电力电子设备。因此我们可以通过对于短路电流精确计算，为交流侧限流设备提供参考，使可靠性与经济性达到最优化标准。
当MMC-HVDC系统直流侧发生换流站出口处故障后，暂态阶段故障电流主要可分为以下两部分：(1)MMC子模块内部储能电容所释放的电流；(2)MMC所连接的交流系统在直流侧电压下降过程中，通过桥臂电抗器及与储能电容反并联的二极管D1、D2向直流侧故障点馈入的短路电流。目前多数短路电流计算都是基于闭锁前子模块放电模型的建立，而未准确考虑闭锁后短路电流值。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法及系统，本发明的短路电流计算较为准确。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法，包括以下步骤：
建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型；
确定闭锁后等效模型，采用运算电路分析法，计算故障后的稳态电流，计算暂态阶段的电流，确定换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素。
作为可选择的实施方式，在建立电路模型时，故障发生时，子模块控制策略不变，仍然正常投切，建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型。
作为可选择的实施方式，不考虑交流部分，确定闭锁前MMC单相等效电阻、等效电感和等效电容，得到等效电路初始条件。
作为可选择的实施方式，对电路元件的微分方程作拉普拉斯变换，将微分方程变成代数方程，将交流稳态分析中的阻抗和导纳分别用运算阻抗和运算导纳来代替，计算故障后的稳态电流。
作为可选择的实施方式，进行暂态阶段的电流计算，此时电路中不存在交流等效电源，只有桥臂电感以及交流侧等效电感释放能量，不省略电阻，基于闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流，计算各相闭锁后的电流。
作为可选择的实施方式，分析影响桥臂电流的重要因素时，改变影响参数，确定正常运行电流、闭锁时刻冲击电流值、暂态电流衰减速度和故障后稳态电流变化情况。
一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析系统，包括：
模型构建模块，被配置为建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型；
模型分析模块，被配置为确定闭锁后等效模型，采用运算电路分析法，计算故障后的稳态电流，计算暂态阶段的电流，确定换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素。
作为可选择的实施方式，所述模型分析模块分析影响桥臂电流的重要因素时，改变影响参数，确定正常运行电流、闭锁时刻冲击电流值、暂态电流衰减速度和故障后稳态电流变化情况。
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法的步骤。
一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
现有研究多数是关于闭锁前子模块放电模型的建立，由于换流站短时间内闭锁，因此对于线路保护的整定计算还得依靠闭锁后贡献短路电流值整定。针对这种情况，本发明提出了闭锁后电流通路以及等效模型计算。最后在PSCAD中进行仿真验证，结果表明短路电流计算较为准确，并得出短路电流受桥臂电感、通态电阻的影响较大。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为闭锁前MMC换流站放电路径示意图；
图2为故障时相单元电流流通路径示意图；
图3为闭锁后单相电流通路示意图；
图4为双极系统交流侧A相电流示意图；
图5为故障后A相稳态电流示意图；
图6为闭锁后A相电流仿真计算对比示意图；
图7为L0＝150mHA相电流值示意图；
图8为Rloss＝2ΩA相电流值示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法，包括以下步骤：
闭锁前等效模型及电流通路
故障发生时，子模块控制策略不变，仍然正常投切，建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型，如图1所示。
可以推理出流入交流电网的电流大小对直流线路不起作用，因此我们可以不考虑交流部分。每相电流通路如图2所示。
因此我们可以得到闭锁前MMC单相等效电阻Req、等效电感Leq和等效电容Ceq为：
由于换流站故障后暂态阶段初始时刻电容电压、换流站出口处电感电流受到线路中电容、电感的影响，短时间内不会突变，故可得等效电路初始条件分别为：
电容放电电流为：
其中，
闭锁后等效模型及电流通路
当桥臂电流达到一定值后，几毫秒内子模块迅速闭锁，使电流只能通过二极管流通。由于桥臂电感的存在，使得闭锁后电感放电构成桥臂电流的直流分量，并在回路阻抗的作用下逐渐衰减。交流系统仍通过D2向短路点注入短路电流，A相电流通路如图3所示。
其中uva_u是交流侧等效电源，Rs、Ls是交流侧等效阻抗，L0是桥臂电抗，Rloss是上下桥臂通态电阻，ia、ip和in分别是交流侧相电流、上桥臂电流和下桥臂电流。对线性电路暂态过程进行解析分析的一种有效方法是采用运算电路分析法，本质是对电路元件的微分方程作拉普拉斯变换，将微分方程变成代数方程。将交流稳态分析中的阻抗和导纳分别用运算阻抗和运算导纳来代替。
首先我们先计算故障后的稳态电流，此时假设交流侧等效电源电压为由于通态电阻较小我们暂不考虑电阻影响，可得A相电流为：
为证明该分析合理，在PSCAD中搭建MMC-HVDC双端38电平输电系统，其主要参数如表1。
表1系统主要参数
进行直流单极接地故障仿真，设故障发生时间为t0＝3s，闭锁时间为t1＝3.005，获得交流侧A相电流波形如图4所示。该过程分为四部分，①正常运行阶段：相电流为标准正弦函数；②子模块电容放电阶段：故障发生瞬间，子模块快速放电向桥臂电感充能，故障电流迅速升高，造成模块闭锁；③暂态阶段：电容切除，桥臂电感以及交流等效电感能量释放，由于通态电阻的存在电流逐渐衰减；④故障后稳态阶段：交流断路器断开前，交流系统继续向短路点提供短路电流。
通过对故障后稳态阶段的计算结果与阶段④图形比较如图5所示。
由此我们可以验证该阶段分析正确，进行下一步暂态阶段的电流计算，此时电路中不存在交流等效电源，只有桥臂电感以及交流侧等效电感释放能量，由于电阻对于暂态影响较大，故在该阶段不可省略。设闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流分别为ia-0、ip-0、in-0，因此我们可得A相电流为：
闭锁后的A相总电流为：
化简得：
将计算结果验证得如图6所示。
换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素分析
通过对计算公式的分析，我们得出交流侧等效电感Ls、桥臂电感L0、交流侧电阻Rs和通态电阻Rloss是影响桥臂电流的重要因素，为进一步验证具体影响，在保证主要的电气参数不变的前提下，分别进行以下仿真：
1)设桥臂电感L0＝150mH，将图7与图4对比可知，随着桥臂电感值的增大，阶段①正常运行电流发生很小的变化；阶段②闭锁时刻冲击电流值减小；阶段③暂态电流衰减速度减缓；阶段④故障后稳态电流减小。
设通态电阻Rloss＝2Ω，将图8与图4对比可知：随着通态电阻Rloss的增大，阶段①正常运行电流基本没有变化；阶段②闭锁时刻冲击电流减小；阶段③暂态电流衰减速度加快；阶段④故障后稳态电流也没有变化。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法，其特征是：包括以下步骤：
建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型；
确定闭锁后等效模型，采用运算电路分析法，计算故障后的稳态电流，计算暂态阶段的电流，确定换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素；
不考虑交流部分，确定闭锁前MMC单相等效电阻、等效电感和等效电容，得到等效电路初始条件；
所述等效电路初始条件分别为：
其中，uc(0-)、uc(0+)分别为故障前后的电容电压值，iL(0-)、iL(0+)分别为故障前后的电感电流值，Udc为直流电压值，I0为故障时刻电流值；
对电路元件的微分方程作拉普拉斯变换，将微分方程变成代数方程，将交流稳态分析中的阻抗和导纳分别用运算阻抗和运算导纳来代替，计算故障后的稳态电流；
假设交流侧等效电源电压为A相电流为：
其中，Ls为交流侧等效电感，L0为桥臂电感，s是拉普拉斯变化的算子，U(s)是故障发生后电压稳态值；
进行暂态阶段的电流计算，此时电路中不存在交流等效电源，只有桥臂电感以及交流侧等效电感释放能量，不省略电阻，基于闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流，计算各相闭锁后的电流；
设闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流分别为ia_0、ip_0、in_0，A相电流为：
闭锁后的A相总电流为：
化简得：
其中，交流侧等效电感Ls、桥臂电感L0、交流侧电阻Rs和通态电阻Rloss；换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素分析。
2.如权利要求1所述的一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法，其特征是：在建立电路模型时，故障发生时，子模块控制策略不变，仍然正常投切，建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型。
3.如权利要求1所述的一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法，其特征是：分析影响桥臂电流的重要因素时，改变影响参数，确定正常运行电流、闭锁时刻冲击电流值、暂态电流衰减速度和故障后稳态电流变化情况。
4.一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析系统，其特征是：包括：
模型构建模块，被配置为建立MMC出口处发生单极接地故障的的等值电路模型；
模型分析模块，被配置为确定闭锁后等效模型，采用运算电路分析法，计算故障后的稳态电流，计算暂态阶段的电流，确定换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素；
不考虑交流部分，确定闭锁前MMC单相等效电阻、等效电感和等效电容，得到等效电路初始条件；
所述等效电路初始条件分别为：
其中，uc(0-)、uc(0+)分别为故障前后的电容电压值，iL(0-)、iL(0+)分别为故障前后的电感电流值，Udc为直流电压值，I0为故障时刻电流值；
对电路元件的微分方程作拉普拉斯变换，将微分方程变成代数方程，将交流稳态分析中的阻抗和导纳分别用运算阻抗和运算导纳来代替，计算故障后的稳态电流；
假设交流侧等效电源电压为A相电流为：
其中，Ls为交流侧等效电感，L0为桥臂电感，s是拉普拉斯变化的算子，U(s)是故障发生后电压稳态值；
进行暂态阶段的电流计算，此时电路中不存在交流等效电源，只有桥臂电感以及交流侧等效电感释放能量，不省略电阻，基于闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流，计算各相闭锁后的电流；
设闭锁瞬间交流侧电流以及上下桥臂电流分别为ia_0、ip_0、in_0，A相电流为：
闭锁后的A相总电流为：
化简得：
其中，交流侧等效电感Ls、桥臂电感L0、交流侧电阻Rs和通态电阻Rloss；换流站在交流母线处贡献短路电流的影响因素分析。
5.如权利要求4所述的一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析系统，其特征是：所述模型分析模块分析影响桥臂电流的重要因素时，改变影响参数，确定正常运行电流、闭锁时刻冲击电流值、暂态电流衰减速度和故障后稳态电流变化情况。
6.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行如权利要求1-3中任意项一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法的步骤。
7.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行如权利要求1-3中任意项一种换流站在交流母线处贡献短路电流分析方法的步骤。
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