一种基于限流贡献度的自适应故障限流方法

本发明涉及柔性直流系统故障领域，具体涉及一种基于限流贡献度的自适应故障限流方法。

背景技术：

1、柔性直流输电技术具有直流电压灵活可控、无换相失败、电能质量高等优点，在弱系统或孤岛供电、可再生能源并网及城市电网供电等领域具有广阔的应用前景。模块化多电平换流器(modular multilevel converters,mmc)使柔性直流输电朝着高电压大容量方向发展并得到广泛运用。但mmc-hvdc(基于mmc的柔性直流输电技术)具有“弱阻尼”、“低惯性”的特征，故障电流上升速度快、电流大。为避免直流侧故障导致换流站闭锁，进而导致故障影响范围扩大，对mmc-hvdc保护方案的设计提出了很高的要求。

2、目前工程上主要应用直流断路器(dc circuit breaker,dccb)可靠分断故障电流。但是，相应的高速大容量dccb十分昂贵，严重影响了直流电网的经济性。因此采用直故障限流的主要目的为降低dccb成本同时避免mmc过电流闭锁。目前主要通过改变换流器拓扑、加装限流电抗器等方法实现故障限流。但上述方法需要额外增加限流装置或者改造换流器拓扑，增加了直流电网的建设成本。

3、基于改变mmc投入子模块总数，从而快速降低换流器直流侧出口电压的策略，已被证明可以显著抑制故障电流。并且与改变换流器拓扑和加装直流限流器的方法相比，该方法通过改变控制策略进行限流，无需加入或改造设备，在成本方面具有一定优势。其中，mmc故障等效rlc模型，是分析故障后瞬时电流电压变化的重要工具。目前，对于柔性直流输电系统直流侧故障后的故障电流分析，均采用等效rlc模型，其在故障后10ms内具有较高精度。除此，由于直流故障发展速度快，故障电流大，传统的直流保护系统难以精确反应故障发生时刻及预测故障电流发展趋势。在无法获得精确故障位置与过渡电阻的情况下，柔性直流系统的故障严重程度估计结果也将难以保证准确，进而难以根据故障严重程度自适应地限制故障电流至限流目标。

4、因此，怎样精确评估故障严重程度，并依据故障信息自适应地计算换流器调压系数，达到限流目的，成为目前柔性直流输电系统故障分析时亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于限流贡献度的自适应故障限流方法，可以精确评估故障严重程度，并依据故障信息自适应地计算换流器调压系数，达到限流目的。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种基于限流贡献度的自适应故障限流方法，包括以下步骤：

4、s1，基于半桥型mmc换流器在直流侧故障后初始阶段电流变化，结合mmc调压控制原理，仅考虑故障初期故障电流动态变化的拟合且故障后mmc不采取特殊控制使igbt闭锁，将mmc换流站的放电模型等效为rlc放电模型，作为mmc等效模型；

5、s2，根据数据窗口内的电流采样数据，判断是否达到预设的保护启动条件，若达到则启动故障后的保护，并在启动保护后继续对采样窗口内的采样点进行数据采集，得到保护采样信息；基于保护采样信息获得还原后的故障初期故障电流曲线，定位故障发生时刻；

6、s3，根据s2拟合的故障电流曲线及基尔霍夫定律，计算故障点与母线的距离d及考虑虚拟对端mmc2耦合影响的过渡电阻rg；

7、s4，结合s2拟合出的故障电流曲线，以及指定的限流目标，获得理想抑制后的故障电流；并用相同的方法获得对端mmc2的理想抑制后故障电流；

8、s5，将理想抑制后的故障电流代入限流磁链方程，得到将故障电流抑制到目标值ig时mmc调压控制需要产生的限流磁通λde；

9、s6，将s5的计算结果代入mmc调压控制实际产生限流磁通公式，求得mmc调压系数；

10、s7，基于mmc的内部igbt过流能力，获取防止mmc闭锁的调压系数下限值，并以此对s6得到的调制系数进行整定，获得最终输出的mmc调压系数；

11、s8、根据s7得到的最终输出的mmc调压系数，减小mmc子模块电容的投入数量，自适应地进行故障限流。

12、优选地，s1中，mmc等效模型中，mmc换电站的等效电阻r1、等效电感l1和等效电容c1的值分别为：

13、

14、

15、

16、其中，nsm为每个桥臂的子模块个数，∑ron为导通的开关器件的电阻之和，r0为桥臂电阻、l0为桥臂电感、c0为子模块电容；考虑mmc调压控制后，则等效电容值乘以对应的调压系数。

17、优选地，s2中，所述保护启动条件为：故障电流的变化率k超过了预设的变化率阈值；

18、所述故障电流的变化率k的计算式为：

19、

20、式中，ij为第j个采样点的电流数据，δt为采样间隔，n为采样数据窗口内的采样数据个数。

21、优选地，s2中，所述定位故障发生时刻的过程包括：通过保护采样信息，获得故障后的二阶微分值；基于直流电网故障短时间内故障电流的二阶微分值不变的假设，通过该该二阶微分值拟合有效采样点前的故障电流变化，得到故障电流曲线，并将拟合得到的故障电流曲线和故障前的电流幅值的相交点，作为故障发生时刻。

22、优选地，s3中，故障点与母线的距离d的计算过程包括：

23、计算故障点至母线的线路电阻r10及线路电感l10：

24、

25、式中，r为输电线路的单位长度电阻，l为输电线路的单位长度电感；

26、将r10及l10代入直流电网故障后瞬间等效电路，通过故障回路的kvl实现故障测距，得到故障点距离母线的距离d：

27、

28、其中，uc1(t)表示换流站等效电容电压，ldc表示clr的电抗值；r1、l1分别表示mmc换流站的等效电阻和电感，i1(t)表示故障电流幅值。

29、优选地，s3中，所述过渡电阻rg的计算过程包括：

30、利用s2得到的故障电流曲线，计算出故障发生瞬间的故障电流变化率；

31、忽略远端馈流部分，并用虚拟的对端mmc2代替所有通过线路对端mmc2向故障点馈入故障电流的直流电网部分；在假设过渡电阻为零的基础上计算对端mmc2故障电流i2v(t)，再将对端mmc2故障电流i2v(t)代入本端mmc1的kvl中计算过渡电阻rg：

32、

33、式中，i10(t)表示故障点近端电流幅值。

34、优选地，s4中，所述指定的限流目标包括，直流断路器分断电流时间为t2时刻的故障电流目标值ig，其中，t2时刻为故障切除时刻；

35、获得理想抑制后的故障电流iid10(t)的过程包括：利用s2拟合出的故障电流曲线，计算经过固定计算时延后的故障电流幅值，获得故障电流-时间平面上的初始控制点[t1,ip1(t1)]，其中，t1表示初始控制时间点；再结合直流断路器分断电流时间为t2时刻的故障电流目标值ig，获得目标控制点[t2,ig]；之后，将初始控制点[t1,ip1(t1)]与目标控制点[t2,ig]相连，获得本端mmc1的理想抑制后的故障电流iid10(t)；

36、并用相同的方法，根据对端mmc2故障电流i2v(t)计算得到对端mmc2的理想抑制后故障电流iidv20(t)。

37、优选地，s5中，将故障电流抑制到目标值ig时mmc调压控制需要产生的限流磁通λde的计算式为：

38、λde＝λc-λr-λl；

39、

40、式中，λde为在t1这个控制时序下，将故障电流抑制到ig时mmc调压控制需要产生的限流磁通；λc为本端mmc1产生的磁通；λr为r∑和过渡电阻rg产生的磁通；λl为l∑产生的磁通；c1表示mmc换电站的等效电容、l∑和r∑分别表示故障回路中所有电感与所有电阻之和。

41、优选地，s6中，将s5得到的本端mmc1的限流磁通带入mmc调压控制实际产生限流磁通公式：

42、

43、得到本端mmc1的调压系数ks1：

44、

45、式中λde1表示本端mmc1调压控制需要产生的限流磁通；

46、通过如下的计算方式，得到对端mmc2的调压系数ks2：

47、

48、式中λde2为对端mmc2调压控制需要产生的限流磁通；c2为对端mmc2等效电容；uc2为对端mmc2等效电容电压。

49、优选地，s7中，防止mmc闭锁的调压系数下限值的获取过程包括：

50、计算无限流措施下的交流基频分量im,ac：

51、

52、式中，p为稳态工作下的系统传输的有功功率、q为稳态工作下的系统传输的无功功率、un为交流额定电压；

53、并计算本端mmc1故障切除时刻交流电流增量

54、

55、其中，

56、并用相同的方法，计算对端mmc2故障切除时刻交流电流增量δim2,ac,t2：

57、

58、其中，

59、式中，δum1表示本端mmc1降低桥臂电压引起的交流出口电压跌落幅值，δum2表示对端mmc2降低桥臂电压引起的交流出口电压跌落幅值，udc表示直流侧出口电压；m表示换流器调制比；r0为桥臂电阻，l0为桥臂电感；rac为交流等效电阻，lac为交流等效电感；ω为电流角频率；t2为故障切除时刻；t为公频周期；km为冲击系数，且1.8≤km≤1.9；

60、之后，计算t2时刻本端mmc1交流电流最大值iac1,max：

61、

62、以及t2时刻对端mmc2交流电流最大值iac2,max：

63、

64、然后，基于在故障切除时间内子模块电容放电时间较短且电压的变化幅度不大，设等效电容电压u10(0)为恒定电压源，得到在源网配合限流下，本端mmc1在t2时刻故障电流i10(t2)：

65、

66、式中，τdc＝lσ/r∑，i10(0)为系统稳态的直流电流，u10(0)为系统稳态的直流电压；

67、并按照相同的方式，求得对端mmc2在t2时刻故障电流i20(t2)；

68、最后，计算t2时刻本端mmc1桥臂电流最大值iarm1,max：

69、

70、并结合保证igbt器件安全时清除故障期间本端mmc1不闭锁条件iarm1,max≤2in，计算本端mmc1的调压系数的下限值；其中，in为igbt额定电流值；

71、并用相同的方法，计算对端mmc2的调压系数的下限值。

72、名词说明：

73、本端mmc1，指距离故障点最近的mmc换流器侧。

74、对端mmc2，指通过输电线路与本端mmc1相连的远端mmc换流器侧。

75、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

76、1、为了解决现有技术中难以精确预测故障发生时刻及故障电流发展趋势，难以准确估计系统的故障严重程度，难以自适应地限制故障电流至限流目标的问题。本发明基于半桥型mmc换流器在直流侧故障后初始阶段的电流变化，结合mmc调压控制原理，仅考虑故障初期故障电流动态变化的拟合且故障后mmc不采取特殊控制使igbt闭锁，将mmc换流站的放电模型等效为rlc放电模型，作为mmc等效模型。

77、考虑了换流站子模块投切数量改变的情况下，等效电容电压依据调压系数进行相应改变的影响规律。本发明使用柔性直流换流站故障简化模型对直流侧故障电流进行分析，由于考虑了换流站等效电容电压的动态变化，为后续的降压限流方法提供基础，提升了故障电流计算分析模型的准确性。

78、综上，本发明可以精确评估故障严重程度，并依据故障信息自适应地计算换流器调压系数，达到自适应限流目的。

79、2、本发明在计算换流站调压控制系数的过程中，使用了限流贡献度的方法将不同故障严重程度下的限流需求进行量化处理，以此建立满足限流目标的限流贡献度等式。根据换流器不闭锁原理，提前计算调压系数的下限值，防止换流器内部igbt过流。根据限流贡献度的方法，能够精确计算出不同故障情况下换流站需要调整的调压系数。

80、3本发明解决了柔性直流系统直流故障自适应限流的问题，对应用于柔性直流系统直流侧故障自适应限流方面具有较高的实用价值。