一种直流电网双极短路故障电流计算方法

文档序号:10652479阅读:591来源:国知局
一种直流电网双极短路故障电流计算方法
【专利摘要】本发明涉及一种直流电网双极短路故障电流计算方法,属于输配电技术领域。针对目前直流电网发生双极短路故障后,各换流器电容放电相互耦合,无明确的故障电流计算方法的问题。本发明针对故障后换流器等效电容的放电过程,忽略交流侧的故障馈入电流,将模块化多电平型直流电网化简为RLC等效网络。按照直流电网节点的特性,将直流电网节点分为实站节点和虚站节点。本发明的核心技术方案是:利用基尔霍夫电路基本原理,列写整个直流电网双极短路故障电流计算所需要的矩阵,并根据故障位置修正所列写的矩阵,可以实现直流电网任意线路发生双极短路后全部直流线路的故障电流大小的快速计算。
【专利说明】
-种直流电网双极短路故障电流计算方法
技术领域
[0001] 本发明属于输配电技术领域,尤其设及一种直流电网双极短路故障电流计算方 法。
【背景技术】
[0002] 直流电网是一个具有多个换流器通过直流线路互联的直流传输网络。它能够整合 多个新能源电源,并W最小的损耗和最大的效率在数千公里的范围内对电能进行传输和分 配。
[0003] 直流电网的发展已引起世界范围内的广泛重视,而直流电网的安全可靠运行却面 临着众多问题和挑战。最突出的问题为直流电网如何处理直流侧故障。直流电网发生直流 侧双极短路故障后,换流器中的电容将迅速放电,并且由于直流电网中阻抗较低,将导致直 流电网中短路电流迅速增大。若在直流故障后闭锁全部换流站并采用交流断路器切除交流 线路,将导致整个直流电网失去供电,运是直流电网运行不希望看到的。所W直流电网需要 直流断路器来切除直流侧故障线路,隔离直流故障。在断路器选取W及保护参数整定时,需 要直流电网双极短路故障后故障电流的幅值。对于双端直流输电系统,发生双极短路故障 后,故障电流已有计算方法。但是在直流电网中发生双极短路故障后,换流器等效电容放电 存在禪合,目前针对直流电网不存在直流侧双极短路故障后直流电网全网故障电流大小的 计算方法。直流电网双极短路故障后,各条线路上故障电流大小只能通过仿真软件进行仿 真得到。如何计算直流电网线路双极短路故障后的故障电流是直流电网发展的关键科学和 工程实际问题。

【发明内容】

[0004] 针对上述【背景技术】中提到的直流电网双极短路故障,且关注故障发生后的换流站 等效电容放电过程,忽略交流侧的故障馈入电流。本发明W故障后换流器电容的放电回路 为切入点,将模块化多电平(Modular Multilevel Converter,MMC)型直流电网化简为化C 串联电路的等效网络。考虑直流电网拓扑的一般性,按照节点的特性,将直流电网节点分为 实站节点和虚站节点,在此基础上,遵循基尔霍夫电路基本原理(K化和KVL)提出了一套故 障电流计算方法。
[0005] 本发明的技术方案的特征包括W下步骤: 步骤1:根据直流电网中节点的特性,将直流电网中的节点与支路进行编号。
[0006] 步骤2:根据KCL与KVL,列写不考虑故障支路的直流电网初始节点电容电压矩阵、 支路电流矩阵、支路节点关联矩阵、电阻矩阵和电感矩阵。
[0007] 步骤3:根据直流故障点位置,修正步骤2中所列写的各个矩阵,并建立由各矩阵组 成的微分方程组,利用直流电网稳态潮流计算结果,求解微分方程组。
[000引本发明通过上述=个步骤,能够解决直流电网双极短路故障电流计算时各MMC换 流站等效电容放电的禪合问题,为直流电网双极短路故障电流计算提供了有效的方法。
【附图说明】
[0009] 图1为(a)详细MMC结构与(b)MMC等值放电化C电路。图中£/dc为直流极对极电压,id。 为直流电流,侃和知分别为桥臂电阻和桥臂电感。化a。和G分别为等值电阻、等值电感与等 值电容。巧3架空线等值电阻,公%直流侧等值电感,包含架空线等值电感与直流电抗器。图2 为某福射直流电网化C等效网络。化,、和心X图2中i=l、2、3)分别为MMCi的等值电阻、等值 电容与等值电感。n 1、n 2、n 3和m分别为节点,& j、Z i j分别为节点n i、n义间的电阻和电感,i i j 为支路b上的电流,方向为从节点n/流向节点n/图2中i J=I、2、3、4)。图3为故障支路b的 等效回路。no为故障节点,&〇和如分别为故障支路更新后的电阻,心0和心?〇分别为故障支路 更新后的电感,iio和ijo为故障电流,方向分别为从节点ni流向节点no和从节点n/流向节点 no O
【具体实施方式】
[0010] 下面将对本发明设及的一种直流电网双极短路故障电流计算方法作详细说明。应 该强调的是,下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0011] 本发明所要解决的技术问题是通过列写简化直流电网的各个矩阵,构建微分方程 组,求解得到直流电网发生双极短路故障后各线路上故障电流的大小。本发明采用如下技 术方案实现: 本发明通过如下=步来实现: 步骤1:根据直流电网中节点的特性,将直流电网中的节点与支路进行编号。
[0012] 将待求解直流电网中各换流站与输电线路按图1所示等值为化C等效电路。并将其 中各节点分为实站节点和虚站节点。定义与MMC换流站直接相连的节点定义为实站节点,如 图2中的m、n2、n3节点,定义没有直接连接换流站,仅是起到联接直流线路的作用的节点为 虚站节点,如图2中的ru节点。将直流电网中各个节点进行编号。假设直流电网中有n个节 点,6条支路。其中W个实站节点,站节点,实站节点编号^化虚站节点编号W+1~ N+Mo
[0013] 步骤2:根据KCL与KVL,列写不考虑故障支路的直流电网初始节点电容电压矩阵、 支路电流矩阵、支路节点关联矩阵、电阻矩阵和电感矩阵。
[0014] 支路电流矩阵io和节点电容电压矩阵W可W写为
(2) 根据KWJ日VAR,整个直流电网各支路的回路方程可W写为
(3) 其中Ao为支路与节点的关联矩阵,且其阶次是6Xn,A中的元素定义如下: (4) Ro是6X评介的电阻矩阵,矩阵的列表示各条支路,行表示各支路电流。假设支路bjj上的 电流方向与支路发收方向一致,且支路的方向在计算中确定后不更改,贝化0遵循如下的列 写规则: (1)对角元素:对角元素包含该对应支路在列写1(\^1方程时的全部电阻,例如:支路13,;; 的对角兀素,为2&J+化i+化J'。
[0015] (2)非对角元素:非对角元素代表的是两支路共用节点换流站的等效电阻,但由于 支路电流正方向的规定,非对角元素的正负号跟支路标号有关。若公共节点同为支路发点 或者同为收点,则符号为正;若公共节点分别为两支路的发点和收点,则符号为负。W支路 bjj可能出现的非对角元素为例,结果如表1所示,其中片/7为非i、J的任意节点。
[0016] 表1Ro矩阵非对角元素列写规则
由于电阻和电感是成对出现的,Lo矩阵的列写规则与Ro矩阵一致,只是将电阻改为电 感。
[0017] 步骤3:根据直流故障点位置,修正步骤2中所列写的各个矩阵,并建立由各矩阵组 成的微分方程组,利用直流电网稳态潮流计算结果,求解微分方程组。
[001引假设故障发生在支路bjj上,如图3所示。则整个直流电网节点数由n变为打+1,支路 数由嫂为知1,定义故障节点为no节点,支路bj速新为支路bj0和bjo,支路电阻也?和支路电 感心7分别变为化日、知和心日、心日。J'日修正为i。
[0019]
巧) 将Ro和Lo中支路bjj对应得行和列修改成新的2行2列,元素列写规则与2.2.1节一致,更 新后矩阵记为Rt和Lt。将Ao阵中代表支路bij对应的行修改成新的2行,更新后记为At,阶数 为(6パ)Xn。式(3)修正为:
(6) 式(6)所示的方程个数为知1,而未知量还包含了实站节点的等效电容电压W及虚站节 点的节点电压,总未知量为/^n+1个,故还需增列电容电压与电流关系方程才能求解。又因 为虚站节点并不包含电容电压与电流的微分关系,本发明采用故障节点no到虚站的正负极 直流线路压降来替换虚站节点电压,如式(7)所示。
[0020:
(7) 需要注意的是,若有两个虚站节点相连时,应避免代换路径经过的第一条线路为两虚 站之间的线路。
[0021]将式(7)等号左右同时左乘At后带入式(6),方程中全部虚站节点电压已被代换, 删去UO中的已变为O的全部虚站节点电压元素,记为u。删去At中第~娇将新的矩阵 记为A.1 - KA撒*f A…V化将删除的~娇耀U组成的矩阵记为At2,并令
(8) (9) 由于虚站节点的代换,虽然消去了方程中不需要求解的肿虚站节点电压大小,但是实 际出现了线性相关的冗余方程,使得R2和L2不为满秩矩阵,导致方程无法求解。
[0022] 由于虚站节点代换时所走路径的第一条线路所列写的微分方程为冗余方程,将R2 和L2中对应运些线路的行替换为A\2中对应的虚站节点的行,记为R和L。同时将Ati中对应的 冗余线路的行改成全0行,记为A。则式(6)可写成
(10) 八个实站的电容电压微分方程表示如下:
(11) 联立式(10)、(11)、(12)和(13)可得最终的修正矩阵方程,如式(14)所示。
[0023]
(14) 根据直流电网稳态潮流计算结果,求解微分方程组(14),便可得到直流电网发生双极 短路故障后各条线路上的故障电流大小。
[0024] 需要说明的是步骤1,2和3整体作为
【发明内容】
,步骤1和2是步骤3的基础,=个步骤 为有机的不可分割的整体。
[0025] W上所述,仅为本发明较佳的【具体实施方式】,但本发明的保护范围并不局限于此, 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换, 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种直流电网双极短路故障电流计算方法,其特征是针对直流电网直流侧双极短路 故障,考虑各个换流站等效电容放电耦合,提出了各个直流电网支路回路方程的统一矩阵 形式列写的方法,求解所构建的微分方程组,可以得到直流侧各支路的故障电流大小; 包括以下步骤:步骤1:根据直流电网中节点的特性,划分直流电网中的节点为实站节 点与虚站节点,并将直流电网中的节点与支路进行编号; 步骤2:根据基尔霍夫电路原理,列写不考虑故障支路的直流电网初始节点电容电压矩 阵、支路电流矩阵、支路节点关联矩阵、电阻矩阵和电感矩阵; 步骤3:根据直流故障点位置,修正步骤2中所列写的各个矩阵,并建立由各矩阵组成的 微分方程组,结合实站节点电容电压微分方程,利用直流电网稳态潮流计算结果,求解微分 方程组。2. 基于权利要求1中所述的一种直流电网双极短路故障电流计算方法,其特征是步骤 1,2和3整体作为
【发明内容】
,步骤1和2是步骤3的基础,步骤3保证了直流电网双极短路故障 电流的计算的正确性,三个步骤为有机的不可分割的整体。
【文档编号】G01R19/00GK106018924SQ201610451196
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】赵成勇, 李承昱, 许建中, 姬煜轲
【申请人】华北电力大学
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