一种mmc-hvdc接地电阻的最大稳态损耗的计算方法及设备的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种MMC?HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法及设备，用于计算伪双极模块化多电平换流器?高压直流MMC?HVDC输电系统的中性点接地电阻的最大稳态损耗，涉及直流输电领域，能够提高计算接地电阻最大稳态损耗的效率，缩短工程设计周期。具体方案为：确定目标运行方式；目标运行方式为伪双极MMC?HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式；根据目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工况；目标运行工况为接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况；根据能量守恒，计算得到目标运行工况下伪双极MMC?HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗。本发明用于计算接地电阻的最大稳态损耗。
【专利说明】
一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法及设备
技术领域
[0001 ]本发明涉及直流输电领域，尤其涉及一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计 算方法及设备。
【背景技术】
[0002] 在高压直流(英文全称:High Voltage Direct Current，英文简称:HVDC)输电领 域中，模块化多电平换流器(英文全称:Modular Multilevel Converter，英文简称:MMC)以 其模块化程度高、谐波含量小、开关器件损耗小、成本相对较低等优点而被广泛采用。基于 丽C的HVDC输电系统（后文简称MMC-HVDC输电系统)在可再生能源发电并网、异步联网和大 城市中心负荷供电等场合具有广阔的应用前景。
[0003] 伪双极丽C-HVDC输电系统中，接地方式通常采用联结变压器换流器侧中性点高阻 接地方式。中性点接地电阻的稳态损耗，决定了电阻的体积和散热设计，同时也影响了中性 点接地电阻热过载保护定值。在工程设计阶段，有必要对中性点接地电阻的最大稳态损耗 进行较为精确的估计。现有技术中采用搭建EMTDC(英文全称：Electro Magnetic Transient in DC)仿真模型的方法，在各种工况及运行方式下进行仿真。建模过程、仿真过 程过程往往需要耗费大量时间，导致工程设计周期长。
【发明内容】
[0004] 本申请提供一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法及设备，能够提高 计算接地电阻最大稳态损耗的效率，缩短工程设计周期。
[0005] 为达到上述目的，采用以下方案：
[0006] 第一方面，提供一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，用于计算伪 双极MMC-HVDC输电系统的中性点接地电阻的最大稳态损耗，具体包括：
[0007] 确定目标运行方式;所述目标运行方式为所述伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电 阻产生最大稳态损耗的运行方式；
[0008] 根据所述目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工况;所述目标运行工况为 所述接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况；
[0009] 根据能量守恒，计算得到所述目标运行工况下所述伪双极MMC-HVDC输电系统内接 地电阻的稳态损耗。
[0010] 第二方面，提供一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算设备，用于执行第 一方面所提供的计算方法。
[0011] 本发明的实施例所提供的MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法及设备， 首先确定伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式，然后进一步 确定在该运行方式下接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况，最后根据能量守恒，计算得 到该工况下接地电阻的稳态损耗，即为伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗。 本发明所提供的接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，无需在PSCAD (英文全称：Power Systems Computer Aided Design)/EMTDC等专业电磁暂态仿真软件中进行扫描仿真，省去 了建模、仿真的时间投入，能够显著提高计算效率，减少校核伪双极MMC-HVDC中性点接地电 阻性能要求所花费的时间，缩短工程设计周期，具有重要的工程实用价值。
【附图说明】
[0012]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的一些 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。
[0013]图1为伪双极MMC-HVDC输电系统结构示意图；
[0014] 图2为本发明的实施例所提供的接地电阻的最大稳态损耗的计算方法流程示意 图；
[0015] 图3为伪双极MMC-HVDC输电系统在不控整流运行方式下的等效电路图示意图；
[0016] 图4为目标运行工况下流过中性点的电流波形示意图；
[0017] 图5为本发明的实施例所提供的接地电阻的最大稳态损耗的计算设备结构示意 图。
【具体实施方式】
[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。
[0019 ] 丽C-HVDC输电系统包括送电侧和受电侧两侧，结合图1所示的伪双极丽C-HVDC输 电系统，送电侧和受电侧各连接有一个联结变压器101，联结变压器101的换流器侧绕组中 性点通过接地电阻10 2接地。
[0020] 伪双极MMC-HVDC输电系统中，中性点接地电阻102的稳态损耗，决定了电阻的体积 和散热设计，同时也影响了中性点接地电阻热过载保护定值。本发明的目的在于提供一种 理论解析的数学计算方法，无需通过PSCAD/EMTDC等专业电磁暂态仿真软件进行大量的扫 描仿真，以求高效便捷的计算接地电阻最大稳态损耗，缩短工程规划设计的周期。
[0021] 实施例
[0022] 本发明的实施例提供一种MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，用于计 算伪双极MMC-HVDC输电系统的中性点接地电阻的最大稳态损耗，参照图2所示，具体包括以 下步骤：
[0023] 201、确定目标运行方式。
[0024]其中，目标运行方式是指伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗 的运行方式。
[0025]结合图1所示的伪双极丽C-HVDC输电系统，联结变压器的换流器侧绕组中性点通 过接地电阻接地。中性点接地电阻的稳态损耗是由流过中性点接地电阻的稳态零序电流造 成的。由于不同运行方式下，换流器的电路结构不相同，电流通路也不相同，因此针对不同 运行方式分情况进行分析。
[0026] 对于功率传输运行方式，两侧换流器通过直流线路传输有功功率。这种运行方式 下，一般要求直流线路正负极的对地电压保持平衡，换流器输出的交流电压三相对称，因此 中性点接地电阻几乎不流过电流，稳态损耗接近为零。
[0027] 对于静止同步补偿器（英文全称：Static Synchronous Compensator，英文简称： STATC0M)运行方式，两侧换流器在直流侧断开电气连接。对于任意一侧来说，换流器只有一 个接地点，无法形成零序回路，因此中性点接地电阻的稳态损耗为零。
[0028] 对于不控整流运行方式，与功率传输运行方式的区别在于，换流器处于闭锁状态。 图3是伪双极MMC-HVDC输电系统在不控整流运行方式下的等效电路图，其中联结变压器仅 画出了阀侧绕组。
[0029] 每个桥臂用两个二极和一个电容C进行等效。下脚标a、b、c分别标识a、b、c 相，例如Dal表示a相电流对应的桥臂上的二极管口:。电容C为桥臂所有子模块电容的串联等 效，电容C的下脚标r、i分别标识伪双极丽C-HVDC输电系统的两侧，例如，C r表示伪双极MMC-HVDC输电系统送电侧桥臂上的电容C，Ci表示伪双极MMC-HVDC输电系统受电侧桥臂上的电 容C。电容C上的电压即为桥臂子模块电容电压之和。考虑到子模块的放电电阻、高位取能电 源引起的损耗，电容C两侧还需并联电阻1予以等效。图3中 Uan、Ubn、Ucn代表联结变压器阀侧 绕组相对中性点的相电压，i a、ib、ic代表流过联结变压器阀侧绕组的相电流，ig代表流过中 性点接地电阻R g的零序电流。
[0030] 当两侧交流系统存在相位差时，两侧之间会出现电流通路，以补偿换流器闭锁状 态下自身的损耗。因此中性点接地电阻的最大稳态损耗发生在不控整流运行方式下，即目 标运行方式具体为不控整流运行方式。
[0031] 202、根据目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工况。
[0032] 其中，目标运行工况是指接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况。
[0033] 图3中，当两侧联结变压器的换流器侧绕组电压相差60度时，两侧联结变压器的绕 组电压可以分别表示为：
(1) (2)
[0036]其中U2为联结变压器换流器侧相电压的有效值，co为基波角频率。从式（1)和式 (2)可以看到，当两侧联结变压器的换流器侧绕组电压相位差为60度时，一侧的a、b、c相电 压分别与另一侧b、c、a相电压成反相的关系。假设某一时刻MMC-HVDC输电系统一侧uanr处于 峰值附近，则施加于另一侧b相上桥臂的电压差约等于两倍的相电压峰值。显然，两倍的相 电压峰值大于线电压峰值，如图3中的虚线所示，一侧a相将通过D al、Db2给另一侧b相的上桥 臂电容充电。对于其他相也是如此，直至所有桥臂电容均充至说。说的大小与两侧的相位差 有关。当两侧的换流器侧电压相差60度时，udi到最大，约等于两倍的相电压峰值。
[0037] 由于并联电阻Rm的存在，桥臂电容C上的电压Uc处在一个动态平衡之中：当桥臂的 D2未导通时，电容通过Rm放电，Uc略有下降；当桥臂的D2导通时，桥臂电容C通过两侧的电源 充电，电压又恢复到uc。在桥臂电容C不断的充放电过程中，流过R g的电流产生了稳态损耗。 由于桥臂的RC时间常数很大，桥臂电容电压可以认为基本维持在UC附近。
[0038] 图3电路中的能量输入源为联结变压器换流器侧绕组，能量的输出端为各个桥臂 的损耗和中性点接地电阻Rg上的稳态损耗。尽管桥臂电容具备能量缓存的作用，但在一段 时间里，桥臂电容中的能量维持平衡。当两侧绕组电压存在60°相位差时，U C最大，亦即换流 器的损耗达到最大，从而导致充电电流达到最大。因此，在两侧联结变压器的换流器侧绕组 电压存在60°相位差的情况下，中性点接地电阻有最大稳态损耗。
[0039] 因此目标运行工况为在不控整流运行方式下，伪双极MMC-HVDC输电系统内两个联 结变压器的换流器侧绕组电压存在60°相位差时的工况。
[0040] 203、根据能量守恒，计算得到目标运行工况下伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电 阻的稳态损耗。
[0041 ]具体的，根据目标运行工况下的目标输入功率和目标输出功率，计算得到目标运 行工况下伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗；其中，目标输入功率为输入 MMC-HVDC输电系统内换流器的有功功率，目标输出功率为丽C-HVDC输电系统内换流器消耗 的有功功率。根据能量守丨旦，目标输入功率与目标输出功率相等，因此可以根据目标输入功 率与目标输出功率之间相等的关系列出方程，具体说明如下：
[0042]图4为目标运行工况下联结变压器阀侧绕组相对中性点的相电压Uan、Ubn、 Ucn，对应 流过联结变压器阀侧绕组的相电流波形"、&、1。的示意图，"为三倍频零序电流，且与相电 压同相位，亦即联结变压器阀侧绕组仅输入有功功率，该有功功率即为目标输入功率，具体 表示为： Pin = + U：bnAr + Uc,Jvr ) + {Uajm + Ubnihi + UcrJci )
[0043] = "2 (m+ 乙）+"2 (，，++4) (3) = 2U2Ig
[0044] 式(3)中Ig为中性点电流的有效值。
[0045] 换流器自身消耗的有功功率即为目标输出功率，具体表示为：
[0046] pmt=21：K+6U；/Rllir+6U：/Rl:Ii (4)
[0047] 针对图3电路中虚线所示的电流通路，根据基尔霍夫电压定律，桥臂电容电压可以 表示为：
[0048] Uc= (Uanr-igrRg)-(ubni+igiRg) (5)
[0049 ]选取uanr达到峰值的时刻进行分析，式(5)可化为：
[0050] Uc = 农1:gRg、. (6)
[00511 将式(6)代入式(4)中，可得：
[0052] pm = 21% +4X((A -+ 48(-/：A： f/^, 〇
[0053]根据能量守恒定律，换流器的有功输入和有功损耗应当平衡，即目标输入功率与 目标输出功率相等，有：
[0054] Pin = Pout (8)
[0055] 联立式(3)(7)(8)，流过中性点接地电阻的电流18可表示为：
(9)
[0057] 式(9)即为中性点电流有效值的数学表达式。若两侧的等效并联电阻相等，式(9) 可简化为：
[0058] Ig = 48U2/(Rm+48Rg) (10)
[0059] 从式（10)可以看出，当Rm?Rg时(通常Rm为兆欧级，心为千欧级），中性点电流I g由联 结变压器换流器侧相电压的有效值U2换流器侧绕组相电压和桥臂等效并联电阻Rm决定，而 与接地电阻R g的大小关系不大。
[0060] 由式(9)可计算得出目标运行工况下伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态 损耗pg为：
(11)
[0062]式(11)即为伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的最大稳态损耗计算公式。
[0063]本发明的实施例所提供的MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，首先确 定伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式，然后进一步确定在 该运行方式下接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况，最后根据能量守恒，计算得到该工 况下接地电阻的稳态损耗，即为伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗。本发明 所提供的接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，是一种基于理论解析的数学计算方法，无 需在PSCAD\EMTDC等专业电磁暂态仿真软件中进行扫描仿真，能够显著提高计算效率，减少 校核伪双极MMC-HVDC中性点接地电阻性能要求所花费的时间，缩短工程设计周期，具有重 要的工程实用价值。
[0064]本发明的实施例还提供一种接地电阻的最大稳态损耗的计算设备，用于执行上述 接地电阻的最大稳态损耗的计算方法，计算伪双极MMC-HVDC输电系统的中性点接地电阻的 最大稳态损耗。参照图5所示，计算设备50包括：
[0065] 运行方式选择单元501，用于确定目标运行方式。目标运行方式为伪双极MMC-HVDC 输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式。
[0066]中性点接地电阻的稳态损耗是由流过中性点接地电阻的稳态零序电流造成的。由 于不同运行方式下，换流器的电路结构不相同，电流通路也不相同，因此运行方式选择单元 501可以通过计算不同运行方式下的稳态零序电流，从中选择稳态零序电流最大时所对应 的运行方式，作为目标运行方式。在一种具体的实施方式中，运行方式包括功率传输运行方 式、静止同步补偿器运行方式以及不控整流运行方式，运行方式选择单元501通过比较三种 运行方式下的稳态零序电流，确定目标运行方式具体为不控整流运行方式。
[0067]运行工况选择单元502，用于根据目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工 况。目标运行工况为接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况。
[0068] 不控整流运行方式下，当两侧交流系统存在相位差时，两侧之间会出现电流通路， 以补偿换流器闭锁状态下自身的损耗。在一种具体的实施方式中，运行工况选择单元502通 过比较在各种可能存在的相位差下，换流器的损耗，从中确定出接地电阻产生最大稳态损 耗的运行工况，作为目标运行工况。
[0069] 处理单元503，用于根据能量守恒，计算得到目标运行工况下伪双极MMC-HVDC输电 系统内接地电阻的稳态损耗。
[0070] 可选的，处理单元503,具体用于根据目标运行工况下的目标输入功率和目标输出 功率，计算得到目标运行工况下伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗。其中，目 标输入功率为输入MMC-HVDC输电系统内换流器的有功功率，目标输出功率为MMC-HVDC输电 系统内换流器消耗的有功功率。处理单元503具可以根据图2对应的方法实施例中的式 (11 )，计算得到伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的最大稳态损耗。计算公式的具体推 导过程见方法实施例，此处不再赘述。
[0071] 本发明的实施例所提供的MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算设备，首先确 定伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式，然后进一步确定在 该运行方式下接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况，最后根据能量守恒，计算得到该工 况下接地电阻的稳态损耗，即为伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗，能够显 著提高计算效率，减少校核伪双极MMC-HVDC中性点接地电阻性能要求所花费的时间，缩短 工程设计周期，具有重要的工程实用价值。
[0072] 以上，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，例如 对双极MMC-HVDC输电系统中变压器的各种替换等等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种模块化多电平换流器-高压直流MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算方 法，用于计算伪双极MMC-HVDC输电系统的中性点接地电阻的最大稳态损耗，其特征在于，所 述计算方法包括： 确定目标运行方式;所述目标运行方式为所述伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产 生最大稳态损耗的运行方式； 根据所述目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工况;所述目标运行工况为所述 接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况； 根据能量守恒，计算得到所述目标运行工况下所述伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电 阻的稳态损耗。2. 根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于， 所述目标运行方式具体为不控整流运行方式。3. 根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述伪双极MMC-HVDC输电系统包括两 侧，分别为送电侧和受电侧，所述送电侧和所述受电侧各连接有一个联结变压器； 所述目标运行工况为不控整流运行方式下，所述伪双极MMC-HVDC输电系统内两个联结 变压器的换流器侧绕组电压存在60°相位差时的工况。4. 根据权利要求1-3任一项所述的计算方法，其特征在于，所述根据能量守恒，计算得 到所述目标运行工况下所述伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗，包括： 根据所述目标运行工况下的目标输入功率和目标输出功率，计算得到所述目标运行工 况下所述伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗； 其中，所述目标输入功率为输入所述匪C-HVDC输电系统内换流器的有功功率，所述目 标输出功率为所述MMC-HVDC输电系统内换流器消耗的有功功率。5. -种模块化多电平换流器-高压直流MMC-HVDC接地电阻的最大稳态损耗的计算设 备，用于计算伪双极MMC-HVDC输电系统的中性点接地电阻的最大稳态损耗，其特征在于，所 述计算设备包括： 运行方式选择单元，用于确定目标运行方式；所述目标运行方式为所述伪双极MMC-HVDC输电系统的接地电阻产生最大稳态损耗的运行方式； 运行工况选择单元，用于根据所述目标运行方式下的电流通路，确定目标运行工况;所 述目标运行工况为所述接地电阻产生最大稳态损耗的运行工况； 处理单元，用于根据能量守恒，计算得到所述目标运行工况下所述伪双极MMC-HVDC输 电系统内接地电阻的稳态损耗。6. 根据权利要求5所述的计算设备，其特征在于， 所述处理单元，具体用于根据所述目标运行工况下的目标输入功率和目标输出功率， 计算得到所述目标运行工况下所述伪双极MMC-HVDC输电系统内接地电阻的稳态损耗； 其中，所述目标输入功率为输入所述匪C-HVDC输电系统内换流器的有功功率，所述目 标输出功率为所述MMC-HVDC输电系统内换流器消耗的有功功率。
【文档编号】G01R27/20GK105929244SQ201610271832
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】黄伟煌, 饶宏, 黄莹, 李明, 李岩, 刘涛, 李婧靓, 钟澎
【申请人】南方电网科学研究院有限责任公司, 中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心