一种伪双极直流电网元件参数的确定方法与流程

本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种伪双极直流电网元件参数的确定方法。

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，需明确电路元件参数对故障电流的影响，通过合理设置元件参数达到降低故障电流的目的。

现有技术提供的方法或者没有考虑非故障极在故障后的动态过程，对故障通路的分析不准确，因此无法得到准确的计算结果，并且所提计算方法不便于分析电路参数对故障电流的影响关系。或者就是分析了接地方式对故障电流的影响，为接地方式的选取提供了参考，但没有定性分析接地极参数对故障电流的影响，并给出参数选取范围。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种直流电网元件参数的确定方法，所述直流电网包括至少两个换流站及换流站之间的至少一条直流线路，所述方法包括：确定待定的所述电网的元件参数；基于所述电网的拓扑结构和所述电网的元件参数，确定状态矩阵；基于所述状态矩阵和所述直流线路故障电流时域表达式，确定以一个所述电网的元件参数为变量的直流线路故障电流随时间变化的关系；基于所述直流线路上故障电流的抑制要求，确定变量元件参数的范围。

根据一些实施例，所述方法还包括：基于所述电网的元件参数的范围，合理规划所述电网的元件参数，以降低所述直流线路故障电流。

根据一些实施例，所述电网呈网状或辐射状连接，所述换流站包括换流器、接地极和平波电抗器，所述换流器包括三相六个桥臂，每相上桥臂和下桥臂两个桥臂组成一个相单元，每个桥臂包括n个串联连接的子模块、桥臂电感和桥臂电阻，每个子模块包括串联连接的两个igbt和直流电容，上桥臂和下桥臂的中点与交流电网连接，所述接地极包括串联连接的接地极电感组和接地极电阻，所述接地极电感组包括三个并联连接的接地极电感，所述平波电抗器串联于换流器正极与直流线路之间，其中，所述电网的元件参数包括子模块直流电容值、桥臂电感值、桥臂电阻值、直流线路的电感值、直流线路的电阻值和平波电抗器的电感值、接地极电阻值和接地极等效电感。

根据一些实施例，所述基于所述电网的拓扑结构和所述电网的元件参数，确定状态矩阵，包括：基于所述电网的拓扑结构，建立电流关联矩阵、修正矩阵；基于所述电网的元件参数和所述电网的拓扑结构建立电容矩阵、电感矩阵、电阻矩阵；基于所述电流关联矩阵和所述修正矩阵，计算电压关联矩阵和放电电流关联矩阵；基于所述电容矩阵、电感矩阵、电阻矩阵、电压关联矩阵和放电电流关联矩阵，计算状态矩阵。

根据一些实施例，所述电流关联矩阵中第i行第k列元素aik为：

所述修正矩阵为对角矩阵，第i行第i列元素mii为：

所述电压关联矩阵为：b＝a^tm，其中，a为电流关联矩阵，m为修正矩阵；

根据一些实施例，所述放电电流关联矩阵为：p＝ma，其中，a为电流关联矩阵，m为修正矩阵。

根据一些实施例，所述电容矩阵的对角矩阵基于每个换流器正负极等效电容确定；所述电感矩阵为：对角元素基于对应回路电流流经的所有电感确定，非对角元素基于接地电感和等效桥臂电感确定；所述电阻矩阵为：对角元素基于对应回路电流流经的所有电阻确定，非对角元素基于接地电阻和等效桥臂电阻确定。

根据一些实施例，所述状态矩阵为：

其中，l为电感矩阵，r为电阻矩阵，b为电压关联矩阵，c为电容矩阵，p为修正矩阵。

根据一些实施例，所述电网的线路故障电流时域表达式为：

其中，x0为状态变量的初值，i为单位向量，t为时间，s为状态矩阵。

根据一些实施例，所述基于所述状态矩阵和所述直流线路故障电流时域表达式，确定以一个所述电网的元件参数为变量的直流线路故障电流随时间变化的关系，包括：将所述电网的每一个元件参数作为变量，其他元件参数作为已知量，基于所述状态矩阵和所述直流线路故障电流时域表达式，确定直流线路故障电流随时间变化的关系。

根据一些实施例，所述线路故障电流的抑制要求，包括：直流断路器动作时刻的故障电流值小于设定值，所述直流断路器串联于每条直流线路的首末两端，用于切断直流线路故障电流。

本申请实施例提供的技术方案，明确了伪双极直流电网单极接地的故障电流通路，建立了详细的故障电流、故障电压的计算模型，提出了一种基于矩阵指数的实用简化计算方法，便于定量分析直流电网元件参数对单极接地故障电流的影响，从而快速确定电路元件参数的选取范围，达到限制故障电流的目的，降低故障限流装置的费用投入和保护系统的设计要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的一种直流电网示意图。

图2是本申请实施例的一种直流电网元件参数的确定方法流程示意图。

图3是本申请实施例的一种状态矩阵的确定方式流程示意图。

图4是本申请实施例的一种四端直流电网拓扑结构示意图。

图5是本申请实施例的一种故障电流曲线和仿真曲线对比示意图。

图6是本申请实施例的一种接地极电感对故障电流影响的三维和二维曲线示意图。

图7是本申请实施例的一种接地极电阻对故障电流影响的三维和二维曲线示意图。

图8是本申请实施例的一种故障线路电感对故障电流影响的三维和二维曲线示意图。

图9是本申请实施例的另一种直流电网元件参数的确定方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例的一种直流电网示意图。

如图1所示，直流电网包括至少两个换流站及换流站之间的至少一条直流线路。电网呈网状或辐射状连接，换流站包括换流器、接地极和平波电抗器ld，换流器包括三相六个桥臂，每相上桥臂和下桥臂两个桥臂组成一个相单元，每个桥臂包括n个串联连接的子模块smi(i＝1，2，...n)、桥臂电感lm和桥臂电阻rm，每个子模块smi包括串联连接的两个igbt和直流电容cm，上桥臂和下桥臂的中点与交流电网连接，接地极包括串联连接的接地极电感组lg和接地极电阻rg，接地极电感组包括三个并联连接的接地极电感。平波电抗器ld串联于换流器正极与直流线路之间。直流线路的电感为ln，直流线路的电阻为rn。

图2是本申请实施例的一种直流电网元件参数的确定方法流程示意图。

在s10中，确定待定的电网的元件参数。

根据电网拓扑结构，提取待定的电网的元件参数。根据一些实施例，电网的元件参数包括子模块直流电容值cm、桥臂电感值lm、桥臂电阻值rm、直流线路的电感值ln、直流线路的电阻值rn和平波电抗器的电感值ld、接地极电阻值rg和接地极等效电感lg。

根据一些实施例，以图4的四端直流电网拓扑结构为例举例说明。

如图4所示，电网包括四个换流站,换流站1至换流站4。提取待定的电网的元件参数如表1所示。

表1

在s20中，基于电网的拓扑结构和电网的元件参数，确定状态矩阵。包括s21至s24，如图3所示。

在s21中，基于电网的拓扑结构，建立电流关联矩阵、修正矩阵。

电流关联矩阵中第i行第k列元素aik为：

图4的电网拓扑的电流关联矩阵如下。

修正矩阵为对角矩阵，第i行第i列元素mii为：

图4的电网拓扑的修正矩阵如下。

在s22中，基于电网的元件参数和电网的拓扑结构建立电容矩阵c、电感矩阵l、电阻矩阵r。

图4的电网拓扑的电容矩阵c、电感矩阵l、电阻矩阵r如下。

电容矩阵的对角矩阵基于每个换流器正负极等效电容确定。

电感矩阵对角元素基于对应回路电流流经的所有电感确定，非对角元素基于接地电感和等效桥臂电感确定，通过网络基尔霍夫电压定律列写微分方程组，提取参数作为矩阵对应位置数值。

电阻矩阵对角元素基于对应回路电流流经的所有电阻确定，非对角元素基于接地电阻和等效桥臂电阻确定，通过网络基尔霍夫电压定律列写微分方程组，提取参数作为矩阵数值。

在s23中，基于电流关联矩阵和修正矩阵，计算电压关联矩阵b和放电电流关联矩阵p。

电压关联矩阵为：b＝a^tm，其中，a为电流关联矩阵，m为修正矩阵。放电电流关联矩阵为：p＝ma，其中，a为电流关联矩阵，m为修正矩阵。

图3的电网拓扑的电压关联矩阵b和放电电流关联矩阵p如下。

在s24中，基于电容矩阵、电感矩阵、电阻矩阵、电压关联矩阵和放电电流关联矩阵，计算状态矩阵。

状态矩阵如下。

其中，l为电感矩阵，r为电阻矩阵，b为电压关联矩阵，c为电容矩阵，p为修正矩阵。

在s30中，基于状态矩阵和直流线路故障电流时域表达式，确定直流线路故障电流随时间变化的关系。

电网的线路故障电流时域表达式如下。

其中，x0为状态变量的初值，i为单位向量，t为时间，s为状态矩阵。

将状态矩阵代入直流线路故障电流时域表达式，确定直流线路故障电流向量x(t)随时间变化的关系。

将计算所得故障电流曲线和仿真曲线对比如图5所示。

从故障电流图可以看出，各线路的故障电流的计算值与仿真值基本重合，误差极小，证明了所提故障电流实用计算方法的准确性。

在s40中，基于直流线路上故障电流的抑制要求，确定电网的元件参数的范围。

线路故障电流的抑制要求，例如换流器瞬态电流限值等，包括：直流断路器动作时刻的故障电流值小于设定值，直流断路器串联于每条直流线路的首末两端，用于切断直流线路故障电流。

将电网的每一个元件参数作为变量，其他元件参数作为已知量，得到故障电流的时域表达式，并画出故障电流随时间t和变量元件参数变化的三维图，从而得到变量元件参数对故障电流影响的定量关系。并根据故障电流的抑制要求反解故障电流时域表达式，确定该变量参数的取值范围。

以接地极电感、接地极电阻和故障线路电感为例，分别画出了它们对故障电流i10影响的三维图和二维曲线图如图6、图7、图8所示。

可选地，还包括s60,基于电网的元件参数的范围，合理规划电网的元件参数，以降低直流线路故障电流,如图9所示。

分别计算了不同参数下故障电流的抑制结果，如下表2所示。

表2

由图6、图7、图8和表2的结果可知，故障线路的电感对故障电流影响的灵敏度最高，合理增大直流电抗可提高线路电感，从而降低故障电流；增大接地极电阻和电感也可达到降低故障电流的目的。

假设直流断路器在故障后6ms开断故障电流，开断电流的设定值为3.5ka，分别求解接地电感、接地电阻和故障线路电感的取值范围如下。

lg≥3.48h

rg≥720ω

ln≥0.473h。

本申请实施例提供的技术方案，明确了伪双极直流电网单极接地的故障电流通路，建立了详细的故障电流、故障电压的计算模型，提出了一种基于矩阵指数的实用简化计算方法，便于定量分析直流电网元件参数对单极接地故障电流的影响，从而快速确定电路元件参数的选取范围，达到限制故障电流的目的，降低故障限流装置的费用投入和保护系统的设计要求。

以上实施例仅为说明本申请的技术思想，不能以此限定本申请的保护范围，凡是按照本申请提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本申请保护范围之内。