一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法和系统与流程

1.本发明属于直流配电网技术领域，具体涉及一种抑制直流配电网故障电 流的一次回路配置方法和系统。


背景技术：

2.直流配电网相比交流配电网，可实现分布式新能源、直流负荷、变频负 荷的高效、灵活接入，显著提升配电侧运行控制的灵活性。相比交流电网故 障，直流配电网阻尼小，故障电流上升速度快，并且由于直流无自然过零点， 对直流配电网的保护技术提出了较高要求。
3.为抑制直流配电网故障电流的快速上升，保障直流配电网关键设备的安 全性，增加故障回路的电抗值和电阻值是必要手段。目前对于直流配电网故 障电流抑制的一次回路配置，主要局限于限流电抗器和超导限流器的限流作 用，一方面未考虑全桥mmc(模块化多电平换流器)、半桥mmc、直流变 压器对限流一次设备的需求差异性，另一方面未考虑限流设备与直流断路器 的成本整体优化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在解决目前对于直流配电网故障电流抑制的一次回 路配置未考虑全桥mmc(模块化多电平换流器)、半桥mmc、直流变压器 对限流一次设备的需求差异性以及未考虑限流设备与直流断路器的成本整体 优化的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置 方法，适用于包含全桥mmc换流站、半桥mmc换流站和直流变压器的任意 多端直流配电网，包括如下步骤：
7.获取直流配电网拓扑、换流站参数和线路参数；
8.基于配置原则对直流配电网拓扑进行一次回路设备配置，配置原则包括 在全桥mmc换流站节点处配置第一限流电抗器，在半桥mmc换流站节点处 配置第二限流电抗器和超导限流器，在直流变压器节点处配置第三限流电抗 器和电容分离开关；还包括在半桥mmc换流站节点处配置直流断路器，其 中各节点处限流电抗器电感值下限、超导限流器失超电阻值下限、电容分离 开关的耐压值以及直流断路器的耐压值根据换流站参数和线路参数确定；
9.根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本函数，基于成本函数求取 同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平，根据最优短路电流水平 确定直流配电网的一次回路配置。
10.进一步地，第一限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0011][0012]
式中，τ1为mmc电容放电电流衰减时间常数，u
dc
为故障前直流电压，c0为子模块电容值，n为桥臂子模块数量，l
bridge
为桥臂电抗器电感值，lr为限 流电抗器电感值，ω为放电电流震荡角频率，i0为故障前瞬间mmc输出直流 电流，i
c_mmc
为全桥mmc换流站闭锁前短路故障电流，i
max1
为闭锁前故障电 流允许上限。
[0013]
进一步地，超导限流器失超电阻值下限根据如下公式确定：
[0014][0015]
式中，i
0_mmc
为半桥mmc换流站闭锁时刻桥臂电流，l
bridge
为桥臂电感， r
l
为放电回路电阻值，r
sr
为超导限流器失超电阻，i
mmc_bridge
为半桥mmc换流 站桥臂续流电流，i
max2
为直流断路器最大开断电流。
[0016]
进一步地，第三限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0017][0018]
式中，τ2为直流变压器电容放电电流衰减时间常熟，u
dc
为故障前直流电 压，ωd为直流变压器电容放电电流震荡角频率，ls为放电回路等效电感值，lr为限流电抗器电感值，i
c_dct
为直流变压器电容放电电流，t1为换流器闭锁 时刻，i
max3
为阻断电流前故障电流允许上限。
[0019]
进一步地，根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本函数，基于成 本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平，具体包括：
[0020]
分别建立限流设备和直流断路器与短路电流水平的成本函数，记为f(ik) 和g(ik)，其中f(
·
)为限流设备成本，g(
·
)为直流断路器成本，ik为短路电流水 平，限流设备包括限流电抗器和超导限流器；
[0021]
求取i
k0
，使得f
′
(i
k0
)+g
′
(i
k0
)＝0，其中f
′
(
·
)和g
′
(
·
)为设备成本对短路电流水 平求导，i
k0
为同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平。
[0022]
第二方面，本发明提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置 系统，适用于包含全桥mmc换流站、半桥mmc换流站和直流变压器的任意 多端直流配电网，包括：
[0023]
参数获取单元，用于获取直流配电网拓扑、换流站参数和线路参数；
[0024]
设备配置单元，用于基于配置原则对直流配电网拓扑进行一次回路设备 配置，配置原则包括在全桥mmc换流站节点处配置第一限流电抗器，在半 桥mmc换流站节点处配置第二限流电抗器和超导限流器，在直流变压器节 点处配置第三限流电抗器和电容分离开关；还包括在半桥mmc换流站节点 处配置直流断路器，其中各节点处限流电抗器电感值下
限、超导限流器失超 电阻值下限、电容分离开关的耐压值以及直流断路器的耐压值根据换流站参 数和线路参数确定；
[0025]
配置优化单元，用于根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本函数， 基于成本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平，根据 最优短路电流水平确定直流配电网的一次回路配置。
[0026]
进一步地，第一限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0027][0028]
式中，τ1为mmc电容放电电流衰减时间常数，u
dc
为故障前直流电压，c0为子模块电容值，n为桥臂子模块数量，l
bridge
为桥臂电抗器电感值，lr为限 流电抗器电感值，ω为放电电流震荡角频率，i0为故障前瞬间mmc输出直流 电流，i
c_mmc
为全桥mmc换流站闭锁前短路故障电流，i
max1
为闭锁前故障电 流允许上限。
[0029]
进一步地，超导限流器失超电阻值下限根据如下公式确定：
[0030][0031]
式中，i
0_mmc
为半桥mmc换流站闭锁时刻桥臂电流，l
bridge
为桥臂电感， r
l
为放电回路电阻值，r
sr
为超导限流器失超电阻，i
mmc_bridge
为半桥mmc换流 站桥臂续流电流，i
max2
为直流断路器最大开断电流。
[0032]
进一步地，第三限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0033][0034]
式中，τ2为直流变压器电容放电电流衰减时间常熟，u
dc
为故障前直流电 压，ωd为直流变压器电容放电电流震荡角频率，ls为放电回路等效电感值， lr为限流电抗器电感值，i
c_dct
为直流变压器电容放电电流，t1为换流器闭锁 时刻，i
max3
为阻断电流前故障电流允许上限。
[0035]
进一步地，配置优化单元根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本 函数，基于成本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平， 具体包括：
[0036]
分别建立限流设备和直流断路器与短路电流水平的成本函数，记为f(ik) 和g(ik)，其中f(
·
)为限流设备成本，g(
·
)为直流断路器成本，ik为短路电流水 平，限流设备包括限流电抗器和超导限流器；
[0037]
求取i
k0
，使得f
′
(i
k0
)+g
′
(i
k0
)＝0，其中f
′
(
·
)和g
′
(
·
)为设备成本对短路电流水 平求导，i
k0
为同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平。
[0038]
综上，本发明提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法 和系统，
其中本发明的方法包括在直流配电网中的全桥mmc换流站节点处、 半桥mmc换流站节点处和直流变压器节点处配置配置限流电抗器，半桥 mmc换流站节点处还配置超导限流器，直流变压器节点处还配置电容分离开 关；还包括在半桥mmc换流站节点处配置直流断路器，各设备的参数由换 流站参数和线路参数确定；根据各设备和短路电流水平的成本函数求取同时 满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平，从而确定直流配电网的一次 回路配置。本发明通过对配电网不同节点处配置相应的限流设备，考虑了对 各种限流设备的差异化需求且优化了一次回路设备配置，使其满足直流配电 网建设运行的经济性与安全性。
附图说明
[0039]
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 施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0040]
图1为本发明实施例提供的一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配 置方法的流程示意图；
[0041]
图2为本发明实施例提供的典型直流配电网示意图；
[0042]
图3为本发明实施例提供的抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方 法的流程简图。
具体实施方式
[0043]
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实 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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
直流配电网相比交流配电网，可实现分布式新能源、直流负荷、变频负 荷的高效、灵活接入，显著提升配电侧运行控制的灵活性。相比交流电网故 障，直流配电网阻尼小，故障电流上升速度快，并且由于直流无自然过零点， 对直流配电网的保护技术提出了较高要求。
[0045]
为抑制直流配电网故障电流的快速上升，保障直流配电网关键设备的安 全性，增加故障回路的电抗值和电阻值是必要手段。目前对于直流配电网故 障电流抑制的一次回路配置，主要局限于限流电抗器和超导限流器的限流作 用，一方面未考虑全桥mmc(模块化多电平换流器)、半桥mmc、直流变压器 对限流一次设备的需求差异性，另一方面未考虑限流设备与直流断路器的成 本整体优化。
[0046]
基于此，本发明提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方 法及系统。
[0047]
以下对本发明的一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法进行 详细的介绍。
[0048]
请参阅图1，本实施例提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配 置方
法，该方法适用于包含全桥mmc换流站、半桥mmc换流站和直流变压器 的任意多端直流配电网。包括如下步骤：
[0049]
s100：获取直流配电网拓扑、换流站参数和线路参数。
[0050]
首先应获取目标直流配电网的基本情况，包括直流配电网拓扑结构、换 流站参数(全桥mmc/半桥mmc)、线路参数，应确定参数包括额定直流电 压、桥臂子模块数量、mmc子模块电容值、桥臂电抗器电感值、联接变压器 电感值。其中，直流配电网拓扑参数表示了半桥mmc、全桥mmc、直流变 压器的数量和互联关系，一方面用于明确有哪些站点需要进行限流装置配置， 另一方面，故障前瞬时电流i0(故障前瞬间mmc输出直流电流)和i
0_mmc
(换 流站闭锁时刻桥臂电流)也受到拓扑结构影响。
[0051]
s200：基于配置原则对直流配电网拓扑进行一次回路设备配置，配置原 则包括在全桥mmc换流站节点处配置第一限流电抗器，在半桥mmc换流站 节点处配置第二限流电抗器和超导限流器，在直流变压器节点处配置第三限 流电抗器和电容分离开关；还包括在半桥mmc换流站节点处配置直流断路 器，其中各节点处限流电抗器电感值下限、超导限流器失超电阻值下限、电 容分离开关的耐压值以及直流断路器的耐压值根据换流站参数和线路参数确 定。
[0052]
请参阅图2，以图2所示的典型直流配电网拓扑为例对一次回路设备配置 进行说明。其中，节点1为半桥mmc换流站节点，节点2为直流变压器节 点，节点3为全桥mmc换流站节点。所装设的限流设备包括限流电抗器、 超导限流器和电容分离开关。
[0053]
对于全桥mmc换流站，由于换流站闭锁后即可隔离直流故障，因此只 需配置如图2中节点3的限流电抗器降低闭锁前故障电流上升速率即可。全 桥mmc换流站闭锁前短路故障电流计算公式为：
[0054]
其中τ1为mmc电容放 电电流衰减时间常数，u
dc
为故障前直流电压，c0为子模块电容值，n为桥臂 子模块数量，l
bridge
为桥臂电抗器电感值，lr为限流电抗器电感值，ω为放电 电流震荡角频率，i0为故障前瞬间mmc输出直流电流。
[0055]
为保障全桥mmc换流器设备安全，闭锁前故障电流不允许超过安全允 许上限，因此有i
c_mmc
(t1)＜i
max1
，其中t1为换流器闭锁时刻，i
max1
为闭锁前故障 电流允许上限。该公式即决定了限流电抗器电感值下限l
r_min
。
[0056]
对于半桥mmc换流站，换流站闭锁后仍会有交流侧馈入电流和桥臂续 流电流导致直流故障无法隔离，因此需要按照节点1所示配置限流电抗器和 超导限流器，既降低闭锁前短路故障电流上升速率，也降低闭锁后的故障过 流水平。该步骤中限流电抗器的配置方法与s1中相同。超导限流器主要考虑 限制桥臂续流电流，其计算公式为：
[0057]
其中i
0_mmc
为换流站闭锁时刻桥臂电流， l
bridge
为桥臂电感，r
l
为放电回路电阻值，r
sr
为超导限流器失超 电阻。
[0058]
超导限流器的作用是保障半桥mmc换流器在直流断路器断开前，故障 电流小于直流断路器最大开断电流，因此有i
0_mmc
＜i
max2
，i
max2
为直流断路器最 大开断电流。因此可以
求出超导限流器失超电阻值下线r
sr_min
。
[0059]
对于直流变压器，换流器闭锁无法阻断电容放电，因此需要装设电容分 离开关阻断电容放电，并且装设限流电抗器降低电容分离前的电流上升速率。 直流变压器电容放电电流计算公式为：
[0060]
其中τ2为直流变压器电容放电电流衰减时间 常熟，u
dc
为故障前直流电压，ωd为直流变压器电容放电电流震荡角频率，ls为放电回路等效电感值，lr为限流电抗器电感值。
[0061]
为保障全桥mmc换流器设备安全，闭锁前故障电流不允许超过安全允 许上限，因此有i
c_dct
(t1)＜i
max3
，其中t1为换流器闭锁时刻，i
max3
为阻断电流前 故障电流允许上限。该公式即决定了限流电抗器电感值下限l
r_min
。
[0062]
对于电容分离开关，其耐压通流水平应能大于承受电容器从电路中切除 前后最大电压和最大电流。
[0063]
上述设计为本实施例针对直流配电网一次回路的限流设备配置原则，除 此之外，直流配电网还设置有保护设备。具体地，对于如图2所示的直流配 电网，由于全桥mmc和直流变压器均具有直流故障阻断能力，因此仅需在 半桥mmc接入点安装直流断路器(如图2中节点1)，直流断路器的耐压通 流水平应结合当前制造水平和限流后的短路电流水平进行确定。
[0064]
s300：根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本函数，基于成本函 数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平，根据最优短路电 流水平确定直流配电网的一次回路配置。
[0065]
根据前述步骤，可以对直流配电网短路电流进行有效限制，投入限流设 备成本与短路电流水平呈负相关关系，用成本函数表示为f(ik)，其中f(
·
)为限 流设备成本，ik为短路电流水平。但直流断路器的设备成本与短路电流水平 呈正相关关系，用成本函数表示为g(ik)，其中g(
·
)为直流断路器成本。因此直 流配网保护一次回路保护设备的配置成本为f(ik)+g(ik)。求取i
k0
，使得 f
′
(i
k0
)+g
′
(i
k0
)＝0，其中f
′
(
·
)和g
′
(
·
)为设备成本对短路电流水平求导。因此可得 到同时满足经济性与安全性的短路电流水平，进而可确定限流电抗器、超导 限流器、断路器的配置。即根据最优短路电流水平i
k0
求取各限流设备和保护 设备的投入成本，根据投入成本进行一次回路的具体配置。可以理解的是， 成本函数的建立应根据实际直流配电网拓扑进行，其应满足与短路电流水平 的相关关系，具体函数形式在此不做限制。
[0066]
基于上述步骤，得到抑制直流配电网故障电流的一次回路配置流程如图3 所示。
[0067]
本实施例提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法，包 括在直流配电网中的全桥mmc换流站节点处、半桥mmc换流站节点处和直 流变压器节点处配置配置限流电抗器，半桥mmc换流站节点处还配置超导 限流器，直流变压器节点处还配置电容分离开关；还包括在半桥mmc换流 站节点处配置直流断路器，各设备的参数由换流站参数和线路参数确定；根 据各设备和短路电流水平的成本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最 优短路电流水平，从而确定直流配电网的一次回路配置。本实施例通过对配 电网不同节点处配置相应的限流设备，考虑了对各种限流设备的差异化需求 且优化了一次
回路设备配置，使其满足直流配电网建设运行的经济性与安全 性。
[0068]
以上是对本发明的一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置方法的 实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种抑制直流配电网故障电流的 一次回路配置系统的实施例进行详细的介绍。
[0069]
本实施例提供了一种抑制直流配电网故障电流的一次回路配置系统，适 用于包含全桥mmc换流站、半桥mmc换流站和直流变压器的任意多端直流 配电网，包括：参数获取单元、设备配置单元和配置优化单元。
[0070]
在本实施例中，参数获取单元用于获取直流配电网拓扑、换流站参数和 线路参数。
[0071]
在本实施例中，设备配置单元用于基于配置原则对直流配电网拓扑进行 一次回路设备配置，配置原则包括在全桥mmc换流站节点处配置第一限流 电抗器，在半桥mmc换流站节点处配置第二限流电抗器和超导限流器，在 直流变压器节点处配置第三限流电抗器和电容分离开关；还包括在半桥mmc 换流站节点处配置直流断路器，其中各节点处限流电抗器电感值下限、超导 限流器失超电阻值下限、电容分离开关的耐压值以及直流断路器的耐压值根 据换流站参数和线路参数确定。
[0072]
其中，第一限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0073][0074]
式中，τ1为mmc电容放电电流衰减时间常数，u
dc
为故障前直流电压，c0为子模块电容值，n为桥臂子模块数量，l
bridge
为桥臂电抗器电感值，lr为限 流电抗器电感值，ω为放电电流震荡角频率，i0为故障前瞬间mmc输出直流 电流，i
c_mmc
为全桥mmc换流站闭锁前短路故障电流，i
max1
为闭锁前故障电 流允许上限。
[0075]
超导限流器失超电阻值下限根据如下公式确定：
[0076][0077]
式中，i
0_mmc
为半桥mmc换流站闭锁时刻桥臂电流，l
bridge
为桥臂电感， r
l
为放电回路电阻值，r
sr
为超导限流器失超电阻，i
mmc_bridge
为半桥mmc换流 站桥臂续流电流，i
max2
为直流断路器最大开断电流。
[0078]
第三限流电抗器电感值下限根据如下公式确定：
[0079][0080]
式中，τ2为直流变压器电容放电电流衰减时间常熟，u
dc
为故障前直流电 压，ωd为直流变压器电容放电电流震荡角频率，ls为放电回路等效电感值， lr为限流电抗器电感值，ic_dct
为直流变压器电容放电电流，t1为换流器闭锁 时刻，i
max3
为阻断电流前故障电流允许上限。
[0081]
在本实施例中，配置优化单元用于根据各种设备和短路电流水平的关系 确定成本函数，基于成本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路 电流水平，根据最优短路电流水平确定直流配电网的一次回路配置。
[0082]
具体地，配置优化单元根据各种设备和短路电流水平的关系确定成本函 数，基于成本函数求取同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平， 具体包括：
[0083]
分别建立限流设备和直流断路器与短路电流水平的成本函数，记为f(ik) 和g(ik)，其中f(
·
)为限流设备成本，g(
·
)为直流断路器成本，ik为短路电流水 平，限流设备包括限流电抗器和超导限流器；
[0084]
求取i
k0
，使得f
′
(i
k0
)+g
′
(i
k0
)＝0，其中f
′
(
·
)和g
′
(
·
)为设备成本对短路电流水 平求导，i
k0
为同时满足经济性与安全性要求的最优短路电流水平。
[0085]
需要说明的是，本实施例提供的一次回路配置系统用于实现前述实施例 的一次回路配置方法，各单元的具体设置均以完整实现该方法为准，在此不 在赘述。
[0086]
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。