中压直流发电机出口短路故障稳态电流检测方法与流程

本发明涉及的是一种船舶电气领域的技术，具体是一种中压直流发电机出口短路故障稳态电流计算方法。

背景技术：

现有直流配电网中的故障主要考虑将故障分为暂态、过渡态和稳态三个阶段。对于极间短路故障分析，现有的方法基本都将全过程分为电容放电阶段、二极管续流阶段和网侧馈流阶段，其中前两个阶段不受交流侧影响称为自然响应，后一个阶段受交流侧影响称之为受迫响应。还有技术将其划分为直流电容放电阶段、二极管自然换相导通阶段和二极管同时导通阶段。

现有的方法对于故障稳态网侧馈流阶段基本的求解思路是，先考虑交流侧发生三相短路故障求得交流侧短路故障电流，再以交流侧短路故障电流作为激励源和直流侧rlc电路构成故障回路，进而求解得到交流侧参与下的故障稳态特性。这类分析方法先得到单相电流源激励下的故障特性，再合成三相电流源激励得到最终的故障稳态特性，分析方法过程繁琐复杂，在工程实践上实用性不强。

中压直流发电机出口短路故障涉及到了发电机交流电源与中压直流侧线路之间的换流器的特性，因此故障特性较为复杂，故障电流的求取方法也要进一步深入到换流器各器件的通断状况这个层面，研究具体的故障回路，但目前技术对于该方面的分析仍然存在一定误差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种中压直流发电机出口短路故障稳态电流检测方法，通过跟踪发电机出口整流器直流侧极间短路故障稳态特性并得到故障稳态电流实现船舶直流配电系统的保护。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过建立带内阻抗的交流电源等效发电机和与之相连的三相整流器作为模型，模拟中压直流侧线路故障并得到相应故障稳态电流，该模型包括：三相输出电源usa、usb、usc以及每相电源的等效电阻rs和等效电感ls，当发生中压直流侧线路故障时，故障回路电感l，故障电阻r，发生故障的两相之间具有电容c。

当zs/r＞0.577时，即故障电阻较小时故障稳态电流为当zs/r＜0.577时，即故障电阻较大时故障稳态电流其中：rs、xs为交流电源内阻抗，r为故障电阻，xs＝ωls，ls为交流电源电感值，表示交流电源的相电压幅值，ullm表示交流电源的线电压幅值。

附图说明

图1为实施例中压直流发电机出口短路故障示意图；

图2为实施例故障电阻较小时短路故障稳态等效电路图；

图3为实施例故障电阻较大时短路故障稳态等效电路图；

图4为实施例pscad中搭建的船舶直流配电系统总体结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例采用一个带内阻抗的交流电源等效发电机和与之相连的三相整流器作为模型，包含：三相输出电源usa、usb、usc、每相电源的等效电阻为rs、等效电感为ls，当发生中压直流侧线路故障时，故障回路电感为l，故障电阻r，发生故障的两相之间具有电容c。

当故障回路电感l较小时，故障回路电流imvf振荡变化。电容放电过程中，电压持续下降，电容电压降为0后，由于二极管的单向导通性，电容电压被箝制为0，不会继续降低。可以知道，电容电压降为0时故障电流最大，此时得到暂态故障电流峰值。之后的时刻电感续流，电流逐渐减小。当电感电流减小到一定程度时，左侧的交流系统开始参与故障回路，同时抬升电容电压，交流系统与直流系统共同作用逐渐达到稳态。

当故障回路电感l较大时，由于电感的稳流作用控制住电流的剧烈变化，因此电流变化平缓，故障暂态过程的尖峰并不会体现出来。一般这种情况下，电容电压下降至低于交流侧线电压后，交流系统参与故障回路，电容放电与交流系统馈流共同作用使得故障电路逐渐达到稳态。此时最大的故障电流即为稳态电流。

稳态电流的计算需要考虑故障电阻r的大小，r的大小会影响二极管的通断状态。

当故障电阻r较小时，故障电流很大，这时整流器中二极管的通断由故障电流的正负决定，此时每个桥臂中上下二极管依次轮流导通半个周期，每一时刻都有三个二极管导通。由于稳态过程中，电容c主要体现为滤波作用，流过中压直流线路的电流波动很小，电感l两端电压近似为0，中压直流线路侧主要考虑故障电阻r的作用。等效电路如图2所示，该等效电路满足：其中：usa、usb、usc表示发电机等效的三相电源，rs、xs为其等效内阻抗，imvfa、imvfb、imvfc为各相故障稳态电流，求解得到此时稳态电流

当故障电阻r较大时，故障电流较小，这时整流器中二极管通断由交流电源之间的线电压大小决定，此时6个二极管中仅2个导通，对应于电压值最大的两相之间的线电压，等效电路如图3所示，得到此时稳态电流其中：表示交流电源的相电压幅值，ullm表示交流电源的线电压幅值，xs＝ωls。

当两种情况结果相同时，则有即当zs/r＞0.577时，即故障电阻较小时故障稳态电流为当zs/r＜0.577时，故障稳态电流

本实施例在pscad中搭建的船舶直流配电系统模型结构如图4所示：发电机输出的交流电压经ac/dc整流后接入直流10kv母线上，形成第一个直流电压等级；直流10kv经过dc/dc换流器转换为下一个直流电压等级1kv；直流1kv线路末端连接三个1mw逆变器，1mw逆变器用于将1kv直流电压转换为390v交流电压供给交流负载，仿真实例中1mw逆变器各自带50％的交流负载。

图4所示的模型中的发电机采用等效交流电源代替，交流电源线电压有效值7.52kv，考虑交流电源内阻0.2ω，等效电感为2mh；正常工作时，直流10kv线路通过的电流为0.155ka。直流10kv线路每千米电阻0.01ω，每千米电感0.2mh，不考虑线路的电容。交流电源整流器出口并联8mf电容，串联4mh电感。由于这里只考虑发电机出口中压直流线路短路故障，直流10kv着重分析，直流1kv和交流390v不予考虑。换流站内可控性器件开通时内阻均为0.005ω。仿真故障为直流10kv线路极间短路故障，仿真时长为10s，步长为5us，故障发生在6s，此时系统已经达到稳定，各电压电流参数已满足要求。

实施例结果：直流10kv线路在ac/dc换流器出口100m处发生短路故障，故障电阻为0.005ω，故障发生后换流器闭锁，整流器变为不控整流器。直流10kv线路故障进入稳态后，线路电压电流趋于稳定。基于上述方法进行稳态故障电流的检测，具体步骤包括：先判断交流电源内阻抗与故障电阻比值大小：交流电源内阻抗故障电阻为线路电阻与故障处电阻之和r＝0.002+0.005＝0.007ω。可以知道交流电源内阻抗与故障电阻比值大小zs/r>0.577，此时稳态短路故障回路为图2。相应地，采用计算得到稳态故障电流为8.898ka。

pscad仿真实例得到的稳态故障电流仿真值为8.860ka，求得计算误差为：(8.898-8.860)/8.860×100％＝0.43％，计算误差在1％以内。pscad仿真实例结果验证了本方法的正确性，并且实现了很高的计算精度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。