柔性直流输电换流器放电模型及其放电时间定值整定方法与流程

本发明涉及柔性直流输电技术领域，特别是涉及一种柔性直流输电换流器放电模型及其放电时间定值整定方法。

背景技术：

换流器停运是柔性直流输电工程运维过程中的关键状态之一，包括正常停运、故障停运、紧急停运等多种方式。换流器停运后由于子模块IGBT闭锁和二极管反向截止，子模块电容电压不能迅速放电，只能通过并联电阻等缓慢放电。由于电容残留电压过大，放电过程中阀厅门禁系统应处于闭锁状态，禁止运维人员进入。放电时间直接关系到阀厅门禁闭锁时间和电容残留电压大小，需要获得放电过程中时间与电容电压的关系，最终确定放电时间定值。目前研究中换流器放电时间计算结果与实际偏差较大，因此有必要建立柔性直流输电换流器放电模型并提出放电时间定值整定方法，为柔性直流输电工程停运过程中相关继电保护定值整定提供理论依据和技术支持。

目前换流器停运过程的相关研究中，主要集中在设计桥臂放电电阻和子模块并联电阻两个方面。桥臂放电电阻放置在桥臂之间，在放电时开通作为放电通道；子模块并联电阻与电容并联，在换流器启动时起均压作用、在换流器停运后作为放电电阻使用。例如文献《模块化多电平换流器型直流输电系统的启停控制》、《MMC-HVDC向无源网络供电的停机策略》等通过桥臂中放电电阻的投入来实现子模块电容的放电，但由于电压低于某一阀值后子模块IGBT闭锁和二极管反向截止，使电压不能通过桥臂中的放电电阻放电完全。且此类研究忽略了并联电阻的放电作用，导致放电时间计算结果误差较大，目前并没有实际应用案例。已有文献研究了并联电阻的放电作用，如《模块化多电平换流器型高压直流输电系统停运控制策略研究》在分析换流器停运过程时介绍了不可控能量耗散阶段中均压电阻的放电作用。但现有研究均忽略了取能电源及其供电的二次控制回路负载的放电作用，使放电过程电容电压变化曲线和放电时间定值计算结果误差较大。取能电源与并联电阻一样直接并联在电容两端，当取能电源工作时，取能电源及其负载时刻消耗电容电量，因此换流器放电时必须考虑取能电源的放电作用。

鉴于目前对换流器停运后放电过程机理研究并不透彻、且放电时间计算结果误差较大的现状，本发明提出了柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法。该方法综合考虑取能电源工作状态、取能电源等效电阻和并联电阻等因素的影响，阐明了换流器放电过程的机理并提高了放电时间定值整定结果的准确度。通过本发明提供的柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法对换流器放电过程分析和相关继电保护定值整定具有重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法，一方面该放电模型综合考虑取能电源工作状态、取能电源等效电阻和并联电阻对电容放电的影响，阐明了换流器放电过程的机理；另一方面根据放电模型推导出放电时间整定公式，整定后的放电时间定值误差较小。通过本发明为分析换流器放电过程和整定相关继电保护定值提供理论依据和技术支持。

本发明采用以下方案实现：一种柔性直流输电换流器放电模型，包括电容、并联电阻、取能电源等效电阻、取能电源开关、第一二极管、第二二极管；所述第一二极管的阴极与所述电容的正极、所述并联电阻的一端、所述取能电源开关的一端相连，所述取能电源开关的另一端与所述取能电源等效电阻的一端连接，所述等效电阻的另一端同时与所述并联电阻的另一端、所述电容的负极、所述第二二极管的阳极、一子模块的负极相连，所述子模块正极与第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极连接。

进一步地，所述取能电源开关为自动开关，当电容电压大于取能电源关断电压时，取能电源开关开通；当电容电压小于取能电源关断电压时，取能电源开关关断。

本发明还采用以下方法实现：一种柔性直流输电换流器放电模型的放电时间定值整定方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取换流器停运前子模块的工作电压范围；

步骤S2：获取电容容值、并联电阻阻值、取能电源负载功率、取能电源效率、取能电源关断电压等参数；

步骤S3：建立柔性直流输电换流器放电模型；

步骤S4：根据换流器停运前子模块电压最大值判断取能电源开通、关断工作状态；取能电源开通时，电容通过并联电阻、取能电源共同放电；取能电源关断后，电容通过并联电阻放电；

步骤S5：换流器停运前取能电源开通时，计算电容从子模块工作电压最大值降至取能电源关断电压时的放电时间1；计算电容从取能电源关断电压降至安全电压定值时的放电时间2；两段放电时间求和，得到换流器放电时间。

步骤S6：换流器停运前取能电源关断时，计算电容从停运前子模块电压最大值降至安全电压定值时的放电时间，得到换流器放电时间。

进一步地，所述换流器的放电时间根据所述子模块停运前的最大工作电压整定。

进一步地，当所述子模块停运前最大工作电压大于取能电源关断电压时，取能电源开关开通，取能电源处于工作状态，电容通过取能电源等效电阻和并联电阻一起放电，此阶段放电时间为：

式中η为取能电源效率，R为并联电阻阻值，C为电容容值，P为取能电源负载，U为电容电压，U_N为子模块停运前最大工作电压，U_off为取能电源关断电压阀值。

进一步地，随着子模块电容电压降低，当低于取能电源关断电压时，取能电源开关关断，取能电源处于关断状态，电容继续通过并联电阻放电，至到符合安全要求的电容电压安全阀值，此阶段放电时间为：

式中U₀为子模块电容电压安全阀值。

此时放电时间为两阶段时间之和：

T＝t₁+t₂

当子模块停运前最大工作电压低于取能电源关断电压时，取能电源一直处于关断状态，电容通过并联电阻放电，放电时间为：

与现有技术相比，本发明提出的柔性直流输电换流器放电模型及其放电时间定值整定方法，综合考虑取能电源工作状态、取能电源等效电阻和并联电阻等因素。取能电源开通时，电容通过并联电阻、取能电源共同放电；取能电源关断后，电容只通过并联电阻放电。放电时间定值整定方法使放电时间计算结果与工程实际基本一致，具体方法为：换流器停运时取能电源处于开通状态，分段计算通过并联电阻、取能电源共同放电的时间1、计算只通过并联电阻放电的时间2、两段时间求和得到换流器放电时间；换流器停运时取能电源处于关断状态，计算只通过并联电阻放电的放电时间。通过本发明提供的柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法可为柔性直流输电工程停运过程中相关继电保护定值整定提供理论依据和技术支持，阐明了换流器放电机理，提高了放电时间定值的计算精度。

附图说明

图1是本发明柔性直流输电换流器放电模型。

图2是放电时间与电容残留电压的关系图。

图3是放电时间定值整定方法流程图。

图4是不同安全电压要求下放电时间定值。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种柔性直流输电换流器放电模型，如图1所示，包括电容、并联电阻、取能电源等效电阻、取能电源开关、第一二极管、第二二极管；所述第一二极管的阴极与所述电容的正极、所述并联电阻的一端、所述取能电源开关的一端相连，所述取能电源开关的另一端与所述取能电源等效电阻的一端连接，所述等效电阻的另一端同时与所述并联电阻的另一端、所述电容的负极、所述第二二极管的阳极、一子模块的负极相连，所述子模块正极与第一二极管的阳极、所述第二二极管的阴极连接。

在本实施例中，所述取能电源开关为自动开关，当电容电压大于取能电源关断电压时，取能电源开关开通；当电容电压小于取能电源关断电压时，取能电源开关关断。

在本实施例中，换流器停运后，由于二极管反向截止作用，子模块电容只能通过内部的并联电阻或取能电源进行放电。因此换流器的放电过程就是单个子模块的放电过程。放电时间应根据停运时子模块最大工作电压进行计算。

在本实施例中，图1中取能电源开关为自动开关，当停运时子模块最大工作电压大于取能电源关断电压时，取能电源开关开通，此时电容通过取能电源等效电阻和并联电阻一起放电，根据基尔霍夫电流定律知，流出电容的电流为：

i＝i₁+i₂

式中i₁是通过并联电阻的电流，i₂是通过取能电源的电流，i是流出电容的电流。

并联电阻阻值是固定值，通过并联电阻的电流为，

式中R为并联电阻阻值，U为电容电压。

取能电源等效电阻是变量，但取能电源负载的功率是固定值，因此通过取能电源的电流为，

式中P为取能电源负载，η为取能电源效率，

流出电容的电流为

在单位时间内，电容电压变化量与电流的关系为，

式中C为电容容值。

在子模块最大工作电压至取能电源关断电压区间内对公式进行定积分处理，

电压变化区间取反后，得到此阶段放电时间为：

式中U_N为子模块停运前最大工作电压，U_off为取能电源关断电压阀值。

随着子模块电容电压降低，当低于取能电源关断电压时，取能电源开关关断，取能电源处于关断状态。电容继续通过并联电阻放电，至到符合安全要求的电容电压安全阀值。此时根据基尔霍夫电流定律知，流出电容的电流为：

对其进行定积分处理得到此阶段放电时间为：

式中U₀为子模块电容电压安全阀值。

此时放电时间为两阶段时间之和：

T＝t₁+t₂

当停运时子模块最大工作电压低于取能电源关断电压时，取能电源一直处于关断状态，此时电容只通过并联电阻放电，流出电容的电流为：

对其进行定积分处理得到放电时间为：

根据以上公式计算得到放电时间与电容残留电压的关系如图2所示，可见子模块电压较大时，放电过程分为两个阶段。第一阶段由于通过并联电阻和取能电源共同放电，放电速度较快。而现有研究的放电过程只包含第二阶段，导致放电时间误差较大。因此通过本发明的柔性直流换流器放电模型可阐明换流器放电机理，使电容电压变化过程与工程实际相符。

因此，在本实施例中，根据停运时子模块最大工作电压、取能电源工作状态的不同，柔性直流输电换流器放电模型的放电时间定值整定方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取换流器停运前子模块的工作电压范围；

步骤S2：获取电容容值、并联电阻阻值、取能电源负载功率、取能电源效率、取能电源关断电压等参数；

步骤S3：建立柔性直流输电换流器放电模型；

步骤S4：根据换流器停运前子模块电压最大值判断取能电源开通、关断工作状态；取能电源开通时，电容通过并联电阻、取能电源共同放电；取能电源关断后，电容通过并联电阻放电；

步骤S5：换流器停运前取能电源开通时，计算电容从子模块工作电压最大值降至取能电源关断电压时的放电时间1；计算电容从取能电源关断电压降至安全电压定值时的放电时间2；两段放电时间求和，得到换流器放电时间。

步骤S6：换流器停运前取能电源关断时，计算电容从停运前子模块电压最大值降至安全电压定值时的放电时间，得到换流器放电时间。

在本实施例中，由于安全电压定值不同，换流器所需放电时间不同。设置不同安全电压定值，根据图3中放电时间整定流程仿真得到对应的放电时间。结果如图4所示，可见安全电压越低，放电时间定值应越大。图4中的放电时间定值，可为阀厅门禁系统闭锁时间定值整定、紧急停运试验等提供具体数据和理论依据。

本发明提出的柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法，综合考虑取能电源工作状态、取能电源等效电阻和并联电阻等因素。取能电源开通时，电容通过并联电阻、取能电源共同放电；取能电源关断后，电容只通过并联电阻放电。放电时间定值整定方法使放电时间计算结果与工程实际基本一致，具体方法为：换流器停运时取能电源处于开通状态，分段计算通过并联电阻、取能电源共同放电的时间1、计算只通过并联电阻放电的时间2、两段时间求和得到换流器放电时间；换流器停运时取能电源处于关断状态，计算只通过并联电阻放电的放电时间。通过本发明提供的柔性直流输电换流器放电模型及放电时间定值整定方法阐明了换流器放电过程，提高了放电时间定值的计算精度，对换流器停运过程相关继电保护定值整定具有重要的意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。