一种多端柔性直流电网故障限流方法及装置与流程

本公开涉及直流电网故障限流技术领域，尤其涉及一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流方法及装置。

背景技术：

多端柔性直流电网中直流侧发生短路故障时，由于直流系统的低惯性、弱阻尼特性，换流站中的电容放电迅速，导致故障电流上升迅速且峰值极高。目前，多端柔性直流电网中直流侧故障电流的清除方法大体可分为三类：利用交流侧的断路器切除故障；换流器中增设故障旁路或采用有限流功能的换流器；直流侧安装故障限流器同时配置直流断路器。

对于前两类故障清除方法，若直流系统中任一处发生故障需要将整个直流系统切除，因此，故障引起的停电范围广且停电时间长，严重降低了直流系统的供电可靠性。对于第三类方法，利用直流断路器仅切除故障线路，非故障部分可以正常运行，因此具有更高的供电可靠性，是一种认可度较高的故障清除方法。由于换流站中的半导体器件较为脆弱，易被过电流损坏，因此，对故障电流进行有效限制，在防止半导体器件损坏，及避免换流站闭锁等方面具有重要意义。

现有技术通过串联限流电感来限制多端柔性直流系统中的短路电流。然而，限流电感的接入会显著增加保护装置的步长和投资成本，而且会降低直流系统中电压的稳定性，因此取值不能过大；此外，由于柔性直流电网中的故障电流主要为直流和低频成分，限流电感虽能限制故障电流的上升率，但对故障电流最大值的抑制作用有限，并不能防止换流站闭锁。

发明人在研发过程中发现，现有技术方案还存在以下问题：

(1)现有技术要求保护、限流电感和直流断路器相互配合，尽可能在故障电流达到最大值前切除故障。然而对保护的故障识别速度提出了极高的要求，导致保护所采用的数据窗非常短，进而降低了保护的可靠性。

(2)现有技术通过超导技术实现正常情况下将限流器置于超导状态，而故障后使限流器处于失超状态以对故障电流进行限制，然而超导限流的空间需求大、成本高，目前难以推广应用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流方法及装置，能够避免换流站闭锁，以保证高供电可靠性。

本公开一方面提供的一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流装置的技术方案是：

一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流装置，该限流装置包括第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和储能电容支路；所述第一支路的一端与第三支路的一端连接，作为限流装置的一端；所述第三支路的另一端与第四支路和储能电容支路的一端连接，所述第二支路的一端与第一支路和储能电容支路的另一端连接；所述第二支路的另一端与第四支路的另一端连接，作为限流装置的另一端。

进一步的，所述第一支路上有串联有主限流电阻和第一晶闸管；所述第二支路上串联有辅助限流电阻和第二晶闸管；所述第四支路上串联有第四晶闸管，且并联有二极管；所述储能电容支路上串联有储能电容。

本公开一方面提供的一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流方法的技术方案是：

一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流方法，该方法包括以下步骤：

搭建如上所述的限流装置的拓扑结构；

确定限流装置在储能电容放电阶段和限流电阻投入阶段的电流；

设置限流装置的投入判据；

选取限流装置的关键参数；

当柔性直流系统的直流侧发生故障时，控制限流装置中晶闸管的导通或关断，将限流电阻串入故障回路，实现故障限流。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开在发生短路故障时，借助储能电容进行换相，将限流电阻投入故障回路，对故障电流进行有效限制；

(2)本公开设置了限流装置的投入判据，选择了限流装置的各个参数，保证发生故障时能够将限流装置快速投入；

(3)本公开可以有效降低直流侧电流，易于直流故障电流的切除。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1为实施例一限流装置的拓扑结构图；

图2为实施例二限流方法的流程图；

图3为储能电容放电电路；

图4为t4关断后的放电电路；

图5为复频域的运算电路；

图6为短路瞬间放电电路；

图7为限流电阻取值估计电路；

图8为四端柔性直流电网模型的单线图；

图9为仿真波形与理论分析波形的对比图；

图10为限流装置中第三支路、第四支路的仿真波形图；

图11为无限流装置时的仿真波形图；

图12为投入限流装置时的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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申请的示例性实施方式。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。

实施例一

请参阅附图1，本实施例提供一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流装置，该限流装置包含5条支路，分别为第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和储能电容支路；第一支路的一端与第三支路的一端连接，作为限流装置的a端；第三支路的另一端与第四支路和储能电容支路的一端连接，所述第二支路的一端与第一支路和储能电容支路的另一端连接；所述第二支路的另一端与第四支路的另一端连接，作为限流装置的b端。

所述第一支路上有串联有主限流电阻r1和晶闸管t1；第二支路上串联有辅助限流电阻r2和晶闸管t2；第四支路上串联有晶闸管t4，并联有二极管d4，储能电容支路上串联有储能电容c。

当柔性直流系统的直流侧发生故障时，控制限流装置中晶闸管的导通或关断，将限流电阻串入故障回路，实现故障限流。

实施例二

本实施例提供一种基于限流电阻的多端柔性直流电网故障限流方法，借助电容换相将限流电阻投入故障回路，与串联限流电感相比，可以有效防止换流站闭锁；与超导限流相比，所需技术难度低、投资少、易实现。

请参阅附图2，所述多端柔性直流电网故障限流方法包括以下步骤：

s101，搭建限流装置拓扑结构。

在本实施例中，所设计的限流装置的拓扑结构如图1所示，当柔性直流系统的直流侧发生故障时，通过控制限流装置中电力电子器件的导通或关断，将限流电阻串入故障回路，进而实现故障限流目的。

如图1所示，所述限流装置共包含5条支路，分别为第一支路、第二支路、第三支路、第四支路和储能电容支路；第一支路的一端与第三支路的一端连接，作为限流装置的a端；第三支路的另一端与第四支路和储能电容支路的一端连接，所述第二支路的一端与第一支路和储能电容支路的另一端连接；所述第二支路的另一端与第四支路的另一端连接，作为限流装置的b端。

所述第一支路上有串联有主限流电阻r1和晶闸管t1；第二支路上串联有辅助限流电阻r2和晶闸管t2；第四支路上串联有晶闸管t4，并联有二极管d4，储能电容支路上串联有储能电容c。

令第一支路、第二支路、第三支路和第四支路上的电流分别为电流i1、i2、i3和i4，储能电容支路的电流为ic。限流装置动作前，储能电容c上预充电压值为uc的电压，方向如图2所示；主限流电阻r1的阻值可以取得较大，如几十欧姆；辅助限流电阻r2的取值较小，仅为几欧姆。配置辅助限流电阻r2的主要作用是限制储能电容放电时可能引起的过电流，其次，将辅助限流电阻r2串入故障回路可进一步限制短路电流。与igbt相比，晶闸管的通流能力更强，因此，该限流装置选用晶闸管。鉴于晶闸管不具备自关断功能，发生短路故障时，需要借助辅助设备将其关断，进而将限流电阻投入故障回路。正常运行时，晶闸管t4导通，为负荷电流提供通路，晶闸管t1和t2均闭锁，限流电阻不投入，不会产生有功损耗。

将限流装置连接到线路端口时，a端与换流站连接，b端与直流线路端口连接。由于只是用来限制直流侧短路故障引起的过电流，因此该限流装置不需要具有双向限流作用。如果与a端相连的是整流站，则晶闸管t4导通，负荷电流流经晶闸管t4，其余晶闸管均处于关断状态；如果与a端相连的是逆变站，则二极管d4导通，负荷电流流经二极管d4。

s102，分析限流装置投入过程，包括储能电容放电阶段和限流电阻投入阶段。

限流装置投入过程中各阶段的具体分析如下：

(1)储能电容放电阶段。

晶闸管t2被触发后，储能电容c迅速放电。流经储能电容c的两条放电路径，分别如图3中回路i和回路ii所示。图3中ls、rs和cs分别为故障瞬间换流站的等效电感、等效电阻和等效电容。为了防止储能电容瞬间放电引起的冲击电流危及半导体器件的安全，电阻r2被串接到晶闸管t2回路中对冲击电流的峰值进行限制。由于回路ii的阻抗远远大于回路i，因此，此阶段储能电容主要通过回路i放电。令放电回路i中的电流为ic，则根据基尔霍夫电压定律可得：

储能电容的初始电压为uc，则由式(1)可得放电电流表达式为：

(2)限流电阻投入阶段

储能电容放电导致晶闸管t4关断后，故障电流开始流经储能电容和第一支路，放电回路如图4中点划线所示。忽略储能电容上的残压和晶闸管的导通阻抗。令第一支路导通瞬间ls的初始电流为i(0)，cs的初始电压为u(0)。则图4在复频域的运算电路如图5所示。

根据基尔霍夫电压定律，由图4可得电流i2在复频域的表达式为：

式中s为复数。

第一支路的电流和储能电容支路的电流在复频域的表达式i1(s)和ic(s)分别为：

ic(s)＝i2(s)-i1(s)(5)。

s103，设置限流装置的投入判据。

流经mmc中桥臂的瞬时电流ib为：

其中，idc和iac分别为直流侧和交流侧的瞬时电流。

正常运行工况下，桥臂电流峰值ib可以表述为：

其中，idc为直流侧额定电流，iac为交流侧相电流的有效值。

为了保证换流站中半导体器件的安全和换流站的连续运行，此处将桥臂中igbt器件所容许流过电流的额定值设定为ib。要保证换流站不闭锁，桥臂电流ib不能超过2倍额定电流，也就是需要满足式(8)要求，如下所示：

ib<2ib(8)。

综合式公(6)、(7)和(8)可得式(9)，如下所示：

由式(9)可知，直流侧电流在达到2倍额定电流时，桥臂电流还远没有达到闭锁电流。因此，本实施例将限流装置的投入条件设定为：直流侧故障电流达到2倍额定电流时，立即给限流装置发送触发信号，将限流电阻投入故障回路，此时桥臂子模块中的igbt不会闭锁。

s104，选取限流装置关键参数。

在所述步骤104中，所选取的限流装置关键参数包括储能电容、充电电压、辅助限流电阻r2取值、主限流电阻r1取值以及各支路晶闸管承受的电压和电流。

具体地，所述步骤104中，选取限流装置关键参数的具体方法为：

(1)选取储能电容、充电电压及r2取值。

以最为严重的换流站出口处发生金属性短路故障为例进行分析。发生短路故障瞬间，放电回路如图6所示。由图6可知，短路故障瞬间，换流站等效电容电压u和故障电流if满足式(10)和(11)，如下所示：

令u和if的初始值分别为u(0)、if(0)，则由公式(10)和(11)可得if的表达式为：

if(t)＝e^αt[αβcsu(0)sin(βt)+if(0)cos(βt)](12)

式中，α和β满足式(13)，如下所示：

若直流侧额定电流为idc，要求限流装置在直流侧故障电流达到2.0倍idc时动作。令晶闸管关断所需时间为toff(一般为几百μs)，为了保证能够将t4关断，储能电容提供反向电流ic的时间长度至少为toff，也就是需要满足式(14)，其中ic(t)的表达式如式(2)所示。但是，uc不能取得太高，以防引起冲击电流危及t2和d4的安全，因此，式(14)应该尽量取等，如下所示：

ic(toff)≥if(toff)(14)。

r2的主要作用是用来限制储能电容放电引起的冲击电流，若r2过大，则需要给储能电容施加更高的电压才能达到所需的反向电流，因此，r2的取值不宜过大(几欧姆左右)。

(2)选取主限流电阻r1取值。

发生短路故障瞬间，交流侧电流波形还未开始变化。限流装置投入后，由于对直流侧电流的限制，交流侧电流可以保持更长时间的正常运行状态。因此，在分析桥臂电流时，可以只讨论直流侧的短路电流，而将交流侧电流以额定值考虑。

为了简化计算，以下粗略计算短路后直流侧的最大短路电流。因为储能电容瞬间放电，使得t4立即关断，进而r1和r2立即投入故障回路。因此，此处可以认为r1和r2同时投入放电回路，进而可以方便对r1的取值进行选择。考虑到电感对最值的到达时间影响较大，而对最值的取值影响较小，因此，此处忽略桥臂电感。主限流电阻r1取值估计电路如图7所示。

令req＝rs+r1+r2，则图7中电流i的表达式为：

其中，udc为电容cs的初始电压。则直流侧电流i的最大值idc_max为udc/req，桥臂电流的最大值表达式为：

由式(8)可知，发生短路故障时，为了防止换流站闭锁，桥臂电流的峰值ib_max应当满足表达式为：

ib_max<2ib(17)。

由式(16)和(17)可得限流电阻req的取值为：

进而可得r1的取值为：

其中，udc为电容cs的初始电压；ib为额定电流；iac为交流侧相电流的有效值；rs为等效电阻；r2为辅助限流电阻。

(3)选取各支路晶闸管承受的电压及电流。

a.第一支路。

在限流装置未投入时，由于储能电容带有幅值为uc的初始电压，该电压会反向施加在晶闸管t1上。因此，晶闸管t1需要承受反向电压uc，但是t1不需要承受正向电压。

在主限流电阻r1投入故障回路后，晶闸管t1开始承受正向电流，所承受的正向电流为i1，其在复频域的表达式如式(4)所示。

b.第二支路。

限流装置未投入时，晶闸管t2需要承受幅值为uc的正向电压，但是t2无需承受反向电压。

t2在储能电容c放电阶段需要承受的电流为ic，其表达式如(2)所示。在限流电阻r1和r2投入故障回路后，所要承受的电流为i2，其在复频域的表达式如(3)所示。

c.第四支路。

限流装置投入后，第四支路中的晶闸管t4需要承受的正向电压在复频域的表达式为：

uab＝i1(s)r1+i2(s)r2(19)。

在限流装置未投入时，晶闸管t4承受的电流为直流侧额定电流。由于限流装置在直流侧故障电流达到2倍额定电流时投入，因此，故障后晶闸管t4所要承受的最大电流为2倍的直流侧额定电流。

s105，当柔性直流系统的直流侧发生故障时，控制限流装置中晶闸管的导通或关断，将限流电阻串入故障回路，实现故障限流。

直流侧发生短路故障瞬间，换流站可等效为电容、电感与电阻的串联组合。以最为严重的线路端口处发生金属性短路故障为例。发生短路故障后，子模块电容放电会导致故障电流迅速增加，因此，必须在子模块电容开始放电时立即将限流装置投入。

投入限流装置，给晶闸管t1和t2发送触发信号，储能电容c通过由r2和t2组成的第二支路迅速放电，导致晶闸管t4所在支路电流降为零，进而晶闸管t4被关断。晶闸管t1在正向电压的作用下导通，故障电流流通路径变为晶闸管t1和晶闸管t2所在的第一和第二支路。从而电阻r1和r2被投入故障回路，起到限制故障电流的作用。

下面对本实施例提出的多端柔性直流电网故障限流方法进行仿真分析。其具体实现过程如下：

(1)搭建张北四端直流电网仿真模型和限流装置。

表1张北四端直流电网仿真模型参数

以中国在建的张北四端柔性直流电网为例，在pscad/emtdc中搭建模型仿真验证本实施例提出的多端柔性直流电网故障限流方法的正确性，同时测试该限流装置在多端柔性直流电网中的限流效果。张北柔性直流输电工程采用对称双极结构，换流站采用mmc技术，其单线图如图8所示。各换流站名称、线路名称及长度已在图中标出。换流站其他参数如表1所示。不失一般性，设置故障点f位于线路iv上靠近换流站3的端口处。令换流站1–4出口处的直流侧电流分别为ii–iiv，直流线路端口处的电流为imn(m,n＝1,2,3,4)，正方向如图8所示。

在每个换流站出口处的正、负极上都串接一台限流装置，换流站1–4出口处的限流装置分别为fcli–iv，如图8所示。根据上述实施例提出的限流装置中的参数选取方法以及表1中的模型参数，计算得出的fcli–iv的具体参数如表2所示。直流侧发生短路故障后，如果直流侧故障电流超过门槛值(2倍额定电流)，则限流装置立即投入，对短路电流进行限制。

表2限流装置参数

(2)理论分析验证。

以f处发生正极接地故障，fcliii为例仿真验证理论分析的正确性。将初始电流i(0)取为6.0ka，而初始电压u(0)取为500kv。将各参数具体数值带入式(3)、(4)和(5)中，并进行拉普拉斯反变换，可以得到i1(s)、i2(s)和ic(s)的时域解i1、i2和ic，其表达式分别如式(21)、(22)和(23)所示，其中t0为故障发生时刻。限流装置两端电压uab的表达式如式(24)所示。

uab＝i1r1+i2r2(23)。

利用(20)–(23)可得i1、i2、ic及uab的解析波形，与仿真波形的对比关系如图9所示。由图9可见，本实施例所做理论解析可以正确反映限流装置中第一支路、第二支路与电容支路的电流以及限流装置两端电压的最大值。

限流装置中第三支路、和第四支路、的电流波形如图10所示。限流装置投入前，i3与i4相等且均为换流站3出口处的直流电流。直流侧故障电流达到2倍额定电流时(6ka)，给t2发送触发信号，储能电容迅速放电，i4迅速降低为零，t4关断。由于换流站中的子模块电容向故障点放电，储能电容被反向充电，此时i3与电容支路电流ic相同。充电结束后，i3降为零。t4关断后，t1和t2承受正向电压而导通，流过故障电流，因此，i1和i2由零开始上升。

fcliii中t1所要承受的反向电压uc为40kv，所要流过的电流i1如图9中(a)所示，其峰值为9.0ka。t2所要承受的正向电压亦为uc，所要流过的电流i2如图9中(b)所示，其峰值为15.2ka。t4所要承受的正向电压uab如图9中(d)所示，峰值为712.0kv；所要流过的电流最大值为2倍额定电流，即6.0ka。

(3)限流效果仿真。

3.0s时f处发生金属性正极接地故障，系统中不配置限流装置时，交流侧电流、桥臂电流及直流侧故障电流仿真波形如图11所示。直流侧发生短路故障时，交流侧相当于发生三相短路，由图11中的(a)可见，故障后交流侧电流幅值远远高于额定值。由图11中(b)(c)可见，桥臂电流上升迅速，达到闭锁电流仅需0.5ms。由图11中(d)可知，直流侧电流上升速度及峰值都很高，故障后仅5ms达到78ka，如果没有限流装置，该故障电流难以切除。

故障后投入限流装置，交流侧电流、桥臂电流及直流侧故障电流波形如图12所示。对比图11和12中的(a)图可见，投入限流装置后，交流侧电流可以更长时间地保持为正常运行状态，因此，该限流方法可以有效防止交流侧保护误动作。对比图11和12中的(b)、(c)可见，该限流方法可以将桥臂电流限制在换流站闭锁门槛值以下，保证换流站的连续运行。对比图11和12中的(d)，投入限流装置后直流侧电流得到有效限制，可以有效降低直流故障电流的切除难度。

本实施例提出的多端柔性直流电网故障限流方法，正常运行时，系统电流流经晶闸管；当直流侧发生短路故障时，利用储能电容进行换相，将限流电阻串入故障回路，对故障电流进行有效限制。本实施例详细介绍了所设计限流装置的换相过程及工作原理，分析了限流装置中各参数的选取方法以及限流装置的投入判据。本实施例所构建的限流装置与超导限流相比，所需技术难度低、投资少、易实现；该限流装置可以有效抑制换流站的闭锁，为多端柔性直流电网的保护系统争取更多的时间，有利于提高保护的可靠性；该限流装置可以降低直流侧电流，易于直流故障电流的切除。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。