面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法及系统与流程

本发明属于电力系统保护与控制，更具体地，涉及面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法及系统。

背景技术：

1、随着大规模风电基地，特别是海上风电场的大量开发，风电场经交流母线汇集并升压后，通过柔性直流输电线路接入电网已成为风电场并网的主流方式。其中，采用模块化多电平换流器的直流输电线路具有输出电压谐波小、功率器件开关频率低、无换相失败问题等优点，已成为风电场经柔性直流输电并网的首选。

2、在风电低电压穿越要求下，电网故障期间风电场保持并网运行并通过转子励磁控制输出无功功率以支撑电网电压，因而无论是送端交流电网故障还是直流线路故障都会通过模块化多电平换流器的暂态响应改变柔性直流系统交流侧输出，同时电源侧风电的转子励磁控制器响应接入点交流电压的波动会进一步造成定子侧输出的变化，使得风电和柔性直流系统的暂态过程相互耦合，系统的故障特性变得更为复杂。

3、目前，针对柔性直流输电系统故障特性已有一定的研究。但现有技术均未计及电源侧馈入电气量对柔性直流输电系统的暂态响应的影响，也尚无法掌握风电场低电压穿越控制投切与柔性直流输电系统的相互作用，也难以计算并网整体系统的故障短路电流大小及变化情况，同时传统故障电流估计算法一定程度依赖于关键节点参数获取、计算复杂度处理等方面存在不足。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法及系统，建立风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的全过程电流解析计算式，解决目前传统柔性直流双极短路故障分析方法尚未考虑电源侧风电暂态过程而导致计算结果存在较大误差的问题。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明的第一方面提供了一种面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法，包括以下步骤：

4、s100：获取双馈风电场系统参数，包括定转子参数、风电变流器参数、低电压穿越控制参数；获取模块化多电平换流器型高压直流输电送出系统参数，包括直流线路参数、直流线路电容电感参数、桥臂子模块参数；

5、s200：根据柔性直流系统双极短路故障暂态发展过程，计及柔性直流闭锁和双馈风电机组低电压控制的响应时间的特征，选择故障发展过程中的关键时间节点；

6、s300：根据柔性直流系统双极短路故障换流器闭锁前后电流路径，并根据s100中的模块化多电平换流器型高压直流输电送出系统参数建立柔性直流闭锁时刻t1前、后短路故障电流解析计算式；

7、s400：根据s100中的双馈风电场系统定转子参数、低电压穿越控制参数，建立双馈风电场在“故障后—直流闭锁启动—低电压穿越控制启动”系列过程的三个不同阶段的短路故障电流解析计算式；

8、s500：计及电源侧双馈风电场馈入电气量对柔性直流送出系统双极短路故障暂态响应的影响，基于s300和s400的故障电流解析式和s100的风电变流器参数建立风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的全过程电流解析计算式，并将计算出的故障电流用于保护整定。

9、优选地，步骤s200中，选择故障发展过程中的三个关键时间节点，包括故障发生时刻t0、柔性直流闭锁时刻t1、双馈风电场低电压穿越控制启动时刻t2。

10、优选地，步骤s300中，柔性直流闭锁时刻t1前短路故障电流以如下公式表示，

11、

12、式中：

13、ib1为发生双极短路故障后柔性直流闭锁前的短路故障电流瞬时值；

14、isa为发生双极短路故障后双馈风电场提供的短路故障电流；

15、n为模块化多电平换流器型高压直流输电送出系统上下桥臂投入的子模块数目；

16、c0、lb为桥臂电容和电抗值；

17、r0为放电回路的等效电阻值；

18、udc为直流电压幅值；

19、τc为电容放电电流衰减时间常数；

20、ωc为振荡放电电流的角频率；

21、β为故障瞬间放电电流的初相角；

22、il0为故障瞬间的电感续流初值。

23、优选地，步骤s300中，柔性直流闭锁时刻t1前、后短路故障电流以如下公式表示，

24、

25、式中：

26、ib2为发生双极短路故障后柔性直流闭锁后的短路故障电流瞬时值；

27、isa为发生双极短路故障后双馈风电场提供的短路故障电流；

28、lb为桥臂电抗值；

29、r0为放电回路的等效电阻值；

30、udc为直流电压幅值；

31、τl为电感续流电流的衰减时间常数；

32、ic0为故障瞬间的电容电流初值。

33、优选地，步骤s400中，双馈风电场在故障后—直流闭锁启动阶段的短路故障电流以如下公式表示，

34、

35、

36、式中：

37、是双馈风电场在发生双极短路故障后到直流闭锁前的短路故障电流相量；

38、分别是双极短路故障前后风电场的机端电压相量；

39、um0为正常运行时的机端电压幅值；

40、μ为故障后电压与故障前电压的幅值比；

41、ηdc、ηfr为风电场故障短路电流的直流暂态分量系数和初始暂态分量系数；

42、为风电机组的定子暂态时间常数；

43、ωs为同步角频率；

44、为双馈风电场在双极短路故障前瞬间的转子电流；

45、为双馈风电场在双极短路故障后的转子电流控制指令值。

46、优选地，步骤s400中，双馈风电场在直流闭锁启动—低电压穿越控制启动阶段的短路故障电流以如下公式表示，

47、

48、式中：

49、分别是双馈风电场在发生双极短路故障后到直流闭锁前，直流闭锁启动到双馈风电场低电压穿越控制启动前的短路故障电流相量。

50、优选地，步骤s400中，双馈风电场在低电压穿越控制启动之后的短路故障电流以如下公式表示，

51、

52、式中：

53、是双馈风电场低电压穿越控制启动之后的短路故障电流相量；

54、是双极短路故障后风电场的机端电压相量，为风电机组低电压穿越控制启动后的机端电压相量；

55、ηdc、ηfr为风电场故障短路电流的直流暂态分量系数和初始暂态分量系数；

56、为风电机组的定子暂态时间常数；

57、ωs为同步角频率；

58、为低电压穿越控制启动瞬间的转子电流；

59、为低电压穿越控制启动后的转子电流控制指令值。

60、优选地，步骤s500中，风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的t0～t1期间电流以如下公式表示，

61、

62、式中：

63、是双极短路故障后直流桥臂在t0～t1期间的电流瞬间值；

64、α1、α2、α3、β分别表示双馈风电场电源馈入影响直流桥臂短路电流的工频系数、暂态直流系数、自由分量系数、电容放电系数；

65、ξ表示风电变流器控制参数系数；

66、为双馈风电场在双极短路故障后转子电流控制d轴和q轴指令值。

67、优选地，步骤s500中，风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的t1～t2期间电流以如下公式表示，

68、

69、式中：

70、是双极短路故障后直流桥臂在t1～t2期间的电流瞬间值；

71、α1、α2、α3分别表示双馈风电场电源馈入影响直流桥臂短路电流的工频系数、暂态直流系数、自由分量系数；

72、ξ表示风电变流器控制参数系数；

73、为双馈风电场在双极短路故障后转子电流控制d轴和q轴指令值。

74、优选地，步骤s500中，风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的t2之后时间段的电流以如下公式表示，

75、

76、式中：

77、是双极短路故障后直流桥臂t2之后的电流瞬间值；

78、α1、α2、α3分别表示双馈风电场电源馈入影响直流桥臂短路电流的工频系数、暂态直流系数、自由分量系数；

79、表示风电变流器控制参数系数；

80、为双馈风电场在低电压穿越控制启动后的转子电流控制d轴和q轴指令值。

81、本发明的第二方面提供了一种面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算系统，运行所述的一种面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法，包括：

82、参数采集模块，用于获取双馈风电场系统参数，包括定转子参数、风电变流器参数、低电压穿越控制参数；获取模块化多电平换流器型高压直流输电送出系统参数，包括直流线路参数、直流线路电容电感参数、桥臂子模块参数；

83、节点划分模块，用于确定故障发展过程中的关键时间节点并将故障过程分为不同阶段；

84、解析计算模块，用于根据采集参数生成柔性直流闭锁时刻前后短路故障电流解析计算式、各阶段的短路故障电流解析计算式、风电场经柔性直流并网系统发生双极短路故障的全过程电流解析计算式；

85、结果输出模块，用于输出计算出的故障电流到保护整定计算。

86、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

87、1、本发明所公开的面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法，充分考虑电源侧双馈风电场馈入电气量对柔性直流送出系统双极短路故障暂态响应的影响，能够全面刻画双极短路故障过程，为风电直流系统的电气设备及电力电子器件选型、继电保护配置以及低电压穿越提供技术参考。

88、2、本发明所公开的面向保护整定的风电并网双极短路故障电流计算方法，整体参数设定架构简单快速易于实现，利用的基础数据在工程现场中易于获得，计算中避免了需依靠迭代算法的节点电压网络方程的求解，计算量小，具有较好优势，是传统风电直流并网故障分析技术的有效补充。