计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法及系统与流程

1.本发明涉及一种柔性直流输电技术领域，特别是关于一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法及系统。


背景技术：

2.相比于常规直流输电技术，柔性直流输电技术具有控制灵活、有功和无功可独立调节、无换相失败问题、占地面积小等优势，更适用于深入负荷中心改善潮流分布、整体提高电网的供电能力。但负荷中心系统强度高，网架密集，往往面临短路电流超标问题。而柔性直流输电可实现故障穿越，为减少系统恢复时间短路故障期间不闭锁，也会向短路点注入短路电流，导致短路电流水平接近或超过断路器的遮断极限，短路故障难以清除，给系统安全稳定运行带来严重威胁。随着柔性直流输电容量的增加，柔性直流对交流系统短路电流的影响已不容忽略。
3.短路电流计算是电力系统规划设计、机电保护整定计算、电气设备选择校验等工作的基础。目前，对含柔性直流接入的系统短路电流计算主要是将柔直控制限幅下过流能力与交流短路电流做数值叠加，此方法忽略了柔直提供的短路电流与交流短路电流相位差，高估了此时柔直提供的短路电流，导致冗余的短路电流抑制措施，增加了无谓的成本。还有方法是简单的矢量叠加，计及了故障限流方式的影响并简化了柔直提供短路电流与交流短路电流的相位关系，但并未考虑柔直控制策略与控制参数、系统网架结构、运行方式等影响，结算结果往往存在较大误差。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法及系统，其解决了柔性直流提供的交流三相短路电流计算存在较大偏差问题。并根据柔直控制模式与系统运行方式，实现了柔性直流提供交流三相短路电流的合理计算。
5.为实现上述目的，第一方面，本发明采取以下技术方案：一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法，其包括：根据电力系统运行方式确定系统的节点阻抗矩阵，以及各电源节点对短路点的转移阻抗、柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗；基于各电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第一短路电流；基于柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直并网点单独注入柔直等效电流源所提供的第二短路电流；当第一短路电流与第二短路电流同相位时，得到柔直提供的最大短路电流，将第一短路电流和最大短路电流进行矢量叠加后，得到柔直的交流三相短路电流。
6.进一步，所述第一短路电流的计算，包括：
7.当电网中只有单独电源存在，其他电源电势等于零时，基于电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第三短路电流；
8.当柔直闭锁电网中电源全部投入时，将所有第三短路电流进行叠加计算得到第一短路电流。
9.进一步，所述第二短路电流的计算，包括：
10.假定故障穿越期间柔直输出电流幅值恒定，且柔直提供的短路电流已与柔直并网点电压解耦；
11.以柔直并网点电压为参考点，根据柔直输出电流的限值i
max
计算柔直输出电流与柔直并网点电压的夹角δ；
12.根据夹角δ以及柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直等效电流源所提供的第二短路电流。
13.进一步，所述夹角δ为：
[0014][0015]
式中，i
qmax
为柔直q轴pi环节输出的限幅，i
dmax
为柔直d轴pi环节输出的限幅。
[0016]
进一步，所述第二短路电流为：
[0017][0018][0019]
式中，为第二短路电流，z
fi
为柔直并网点与短路点的互阻抗，z
ff
为柔直并网点与短路点的自阻抗，ω为角频率，α为并网点电压的角度。
[0020]
第二方面，本发明采取以下技术方案：一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算系统，其包括：第一处理模块，根据电力系统运行方式确定系统的节点阻抗矩阵，以及各电源节点对短路点的转移阻抗、柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗；第二处理模块，基于各电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第一短路电流；第三处理模块，基于柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直并网点单独注入柔直等效电流源所提供的第二短路电流；叠加计算模块，当第一短路电流与第二短路电流同相位时，得到柔直提供的最大短路电流，将第一短路电流和最大短路电流进行矢量叠加后，得到柔直的交流三相短路电流。
[0021]
进一步，所述第二处理模块中，第一短路电流的计算包括：
[0022]
当电网中只有单独电源存在，其他电源电势等于零时，基于电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第三短路电流；
[0023]
当柔直闭锁电网中电源全部投入时，将所有第三短路电流进行叠加计算得到第一短路电流。
[0024]
进一步，所述第三处理模块中，第二短路电流的计算包括：
[0025]
假定故障穿越期间柔直输出电流幅值恒定，且柔直提供的短路电流已与柔直并网点电压解耦；
[0026]
以柔直并网点电压为参考点，根据柔直输出电流的限值i
max
计算柔直输出电流与柔直并网点电压的夹角δ；
[0027]
根据夹角δ以及柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直等效电流源所提供的第二短路电流。
[0028]
第三方面，本发明采取以下技术方案：一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
[0029]
第四方面，本发明采取以下技术方案：一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
[0030]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0031]
本发给出了计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法及系统，针对柔性直流接入电网的情况，综合考虑柔直控制模式和控制参数、系统运行方式对交流短路电流的影响，计算获得合理的短路电流，解决了含柔直接入电网短路电流计算结果偏高、不准确的问题，为电力系统规划设计、机电保护整定计算、电气设备选择校验等工作提供基础。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例中柔性直流输电系统控制示意图；
[0033]
图2是本发明实施例中含柔性直流输电接入的多电源交流网络短路故障示意图；
[0034]
图3是本发明实施例中计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法流程图；
[0035]
图4是本发明实施例中单独电源提供短路电流示意图；
[0036]
图5是本发明实施例中不含柔性直流输电的多电源提供短路电流示意图；
[0037]
图6是本发明实施例中柔性直流提供短路电流示意图；
[0038]
图7是本发明实施例中柔性直流提供最大短路电流的计算原理图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
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技术的示例性实施方式。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。
[0041]
为了解决现有柔性直流提供的交流三相短路电流计算存在较大偏差问题，本发明提供一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法及系统。本发明适用于接入柔性直流输电的电力系统，包括：根据电力系统运行方式确定系统的节点阻抗矩阵，确定各电源节点对短路点的转移阻抗、柔直并网点与短路点的互阻抗及短路点的自阻抗，根据叠加原理计算所有电源节点提供的短路电流及柔直并网点电压，计算柔直并网点单独注入柔直等效电流源所提供的短路电流，确定计及柔直的交流三相短路电流。本发明可以合理的计算接入柔性直流输电电力系统的短路电流水平，进而为考虑柔直对于短路电流的影响，分析不同控制模式下柔直对不同运行方式下系统短路电流的影响提供参考。
[0042]
在本发明的一个实施例中，提供一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算
方法。本实施例中，采用的柔直换流器整体控制结构如图1所示，主要采取的是dq坐标系下的双闭环解耦控制，分为内环控制器和外环控制器。内环控制属于直接电流控制，能够获得优良的动态响应性能，外环根据控制目标d轴可设置为定有功功率控制或定直流电压控制，q轴可设置为定无功功率控制或定交流电压控制。d、q轴的pi环节均设置限幅，同时为避免发生过流设置了限流环节。其中，i
dmax
为d轴pi环节输出的限幅，i
qmax
为q轴pi环节输出的限幅，i
max
为限流环节输出的限幅。
[0043]
电力系统三相短路计算主要是短路电流周期分量的计算，在给定电源电势时，实际就是稳态交流电路的求解，可利用节点方程作故障计算。首先根据给定的电力系统运行方式制定系统的等值电路，形成不含发电机的节点阻抗矩阵z。含柔性直流输电接入的多电源交流网络短路故障后系统的等值电路如图2所示。
[0044]
具体的，如图3所示，本发明计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法包括以下步骤：
[0045]
1)根据电力系统运行方式确定系统的节点阻抗矩阵，以及各电源节点对短路点的转移阻抗、柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗；
[0046]
2)基于各电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第一短路电流；
[0047]
3)基于柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直并网点单独注入柔直等效电流源所提供的第二短路电流；
[0048]
4)当第一短路电流与第二短路电流同相位时，得到柔直提供的最大短路电流，将第一短路电流和最大短路电流进行矢量叠加后，得到柔直的交流三相短路电流。
[0049]
上述步骤2)中，第一短路电流的计算，包括以下步骤：
[0050]
2.1)当电网中只有单独电源i存在，其他电源电势等于零时(如图4所示)，基于电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第三短路电流
[0051][0052]
式中，z
fi
为电源i对短路点f的转移阻抗，可利用节点阻抗矩阵z求得；为电网中单独电源i。
[0053]
2.2)当柔直闭锁电网中电源全部投入时(如图5所示)，根据叠加原理，将所有第三短路电流进行叠加计算得到第一短路电流
[0054][0055]
式中，n为电源的总个数。
[0056]
同时可以计算出柔直并网点电压与交流短路电流分别为：
[0057][0058][0059]
式中，为柔直闭锁电网中电源全部投入时的m节点电压电压，ω为角频率，α为并网点电压的角度，β为短路电流与柔直并网点电压之间的角度。
[0060]
上述步骤3)中，由于短路故障期间，柔直进入低电压穿越控制。当短路点f发生在距离柔直并网点m较近时，并网点电压跌落较深，柔直输出电流幅值达到限值i
max
。当短路点f发生在距离柔直并网点m较远，并网点电压跌落不多，或是故障前柔直输出电流较小时，故障期间柔直输出电流幅值未达到限值i
max
，但此情况下柔直提供的短路电流本身有限。同时，故障期间柔直输出电流与柔直低电压控制策略、故障前控制模式、控制参数设置等紧密相关，难以穷举计算，因此，计算短路电流时可将幅值设定为限值i
max
，得到的结果是保守的也是合理的。
[0061]
故第二短路电流的计算，包括以下步骤：
[0062]
3.1)假定故障穿越期间柔直输出电流幅值恒定，且柔直提供的短路电流已与柔直并网点电压解耦；
[0063]
3.2)以柔直并网点节点m的电压(柔直并网电点为节点m，此节点电压为如图2所示，采用叠加法计算短路电流是将不同工况下的短路电流矢量求和，为区分不同工况下的m节点电压以便用公式表达时更清晰，将不同工况下的柔直并网点电压分别表示为分别如图4～6所示。可以理解为在不同工况下的具体表达)为参考点，根据柔直输出电流的限值i
max
计算柔直输出电流与柔直并网点电压的夹角δ；
[0064]
柔直换流器虽然是电压源型换流器，但由于采用了dq解耦控制，必须依靠电网电压提供参考。而在短路电流计算过程中，假定故障穿越期间柔直输出电流幅值恒定后，计算其提供的短路电流已与柔直并网点电压解耦，因此可将柔直等效为理想电流源，具体为：
[0065][0066]
其中，δ根据故障穿越策略及限流环节的设置确定，限流环节可采取等比限幅、有功优先、无功优先等，以限流环节采取等比限幅为例，夹角δ为：
[0067][0068]
式中，i
qmax
为柔直q轴pi环节输出的限幅，i
dmax
为柔直d轴pi环节输出的限幅。
[0069]
3.3)根据夹角δ以及柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直等效电流源所提供的第二短路电流；
[0070]
其中，如图6所示，第二短路电流为：
[0071][0072][0073]
式中，为第二短路电流，z
fi
为柔直并网点与短路点的互阻抗，z
ff
为柔直并网点与短路点的自阻抗，可利用节点阻抗矩阵z求得。
[0074]
并且有：
[0075][0076][0077]
上述步骤4)中，计及柔直时f点的短路电流应为柔直提供短路电流与所有电源提供短路电流的矢量叠加，具体为：
[0078][0079]
当与为同相位时，柔直提供的短路电流最大，为电流的有效值，如图7所示。此时有：
[0080]
δ
ifmax
＝β-α-γ。
[0081]
式中，δ
ifmax
为并网点电压与柔直提供最大短路电流时的相角。
[0082]
在本发明的一个实施例中，提供一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算系统，其包括：
[0083]
第一处理模块，根据电力系统运行方式确定系统的节点阻抗矩阵，以及各电源节点对短路点的转移阻抗、柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗；
[0084]
第二处理模块，基于各电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第一短路电流；
[0085]
第三处理模块，基于柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直并网点单独注入柔直等效电流源所提供的第二短路电流；
[0086]
叠加计算模块，当第一短路电流与第二短路电流同相位时，得到柔直提供的最大短路电流，将第一短路电流和最大短路电流进行矢量叠加后，得到柔直的交流三相短路电流。
[0087]
上述第二处理模块中，第一短路电流的计算包括：
[0088]
当电网中只有单独电源存在，其他电源电势等于零时，基于电源节点对短路点的转移阻抗计算该短路点的第三短路电流；
[0089]
当柔直闭锁电网中电源全部投入时，将所有第三短路电流进行叠加计算得到第一短路电流。
[0090]
上述第三处理模块中，第二短路电流的计算包括：
[0091]
假定故障穿越期间柔直输出电流幅值恒定，且柔直提供的短路电流已与柔直并网点电压解耦；
[0092]
以柔直并网点电压为参考点，根据柔直输出电流的限值i
max
计算柔直输出电流与柔直并网点电压的夹角δ；
[0093]
根据夹角δ以及柔直并网点与短路点的互阻抗和短路点的自阻抗，计算柔直等效电流源所提供的第二短路电流。
[0094]
其中，夹角δ为：
[0095]
[0096]
式中，i
qmax
为柔直q轴pi环节输出的限幅，i
dmax
为柔直d轴pi环节输出的限幅。
[0097]
第二短路电流为：
[0098][0099][0100]
式中，为第二短路电流，z
fi
为柔直并网点与短路点的互阻抗，z
ff
为柔直并网点与短路点的自阻抗，ω为角频率，α为并网点电压的角度。
[0101]
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
[0102]
在本发明一实施例中提供的计算设备结构，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(communications interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种计及柔性直流输电的交流三相短路电流计算方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、管理商网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令。
[0103]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0104]
在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法。
[0105]
在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法。
[0106]
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
[0107]
本发明是参照上述各实施例的方法、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。
[0108]
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。
[0109]
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。
[0110]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。