基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，属于柔性直流输电技术领域。在换流站闭锁前柔性直流电网单极接地故障和双极短路故障两种故障情况下的单端换流站等效方法，提出了电流回路的选取方法、完成了回路电流的建模与表达式的计算，并最终建立了任意一条直流线路短路电流的表达式，完成了整个直流电网短路电流的计算过程。可以应用于N端柔性直流电网的短路电流计算，用于揭示故障电流的变化规律，有助于更好地解决故障保护问题，无论是对于直流断路器技术指标的校验还是对于故障自清除能力子模块的阻断能力的研究都具有重大实用价值和意义。

Short-circuit Current Calculation Method of DC Power Network Based on Loop Current Method

The invention relates to a method for calculating short-circuit current of DC power grid based on loop current method, which belongs to the technical field of flexible DC transmission. Equivalent method of single-ended converter station under two kinds of faults of single-pole grounding fault and double-pole short-circuit fault in flexible DC power grid before closure of converter station is presented. Selection method of current loop is put forward. Modeling and expression calculation of circuit current are completed. Finally, expression of short-circuit current of any DC line is established. It becomes the calculation process of the short-circuit current of the whole DC power grid. It can be applied to the calculation of short-circuit current in N-terminal flexible DC power grid to reveal the changing law of fault current and help to better solve the problem of fault protection. It is of great practical value and significance to verify the technical specifications of DC circuit breakers and to study the blocking ability of fault self-clearance sub-modules. Righteousness.

【技术实现步骤摘要】
基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法
本专利技术涉及柔性直流输电
，特别涉及一种涉及柔性直流电网短路电流计算方法，尤指一种基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法。
技术介绍
2001年，德国学者R.Marquardt和A.Lesnicar提出模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)，推动了高压直流输电(highvoltagedirectcurrenttransmission，HVDC)技术的发展。迄今为止，国内已投运的MMC-HVDC工程有：上海南汇示范工程、南澳工程、舟山工程和厦门工程等。这些工程都采用电缆输电，但与架空线相比，电缆造价高，故障多为永久性，不便于检修和维护。所以，将柔性直流输电技术扩展到架空线输电场合是电网未来发展的一个趋势。此外，新能源电力需求不断增长，真双极结构的MMC-HVDC系统在高电压、大容量的输电场合发挥了较大的优势。目前，正在建设的张北500kV柔直工程便采用架空线输电，其换流站拓扑为真双极结构。相对于电缆而言，架空线发生短路故障的机率较大，因此，故障清除和故障保护问题尤为重要。现有的故障清除方式中，直流断路器能够在很短的时间内切断故障电流，但在实际情况中，故障电流往往很大，而由于技术的限制，直流断路器开断电流的能力又有限。此外，由于采用了大量的电力电子器件，导致直流断路器成本很高。另一种方式是采用带有故障自清除能力的子模块，如全桥型子模块、箝位双子模块等。这类子模块能够通过自身产生一个反向电压，在短时间内阻断故障电流。但与半桥型子模块相比，这类子模块的电力电子器件数量和损耗均有所增加，经济性很大程度上限制了它们在实际工程中的应用。到目前为止，主要采用的是半桥型子模块与交流断路器配合的方式。此外，目前的短路故障研究主要针对两端柔性直流输电系统，并未对多端柔性直流系统组成的柔性直流电网进行短路电流的计算。研究直流电网的故障特性，能够揭示故障电流的变化规律，有助于更好地解决故障保护问题，无论是对于直流断路器技术指标的校验还是对于故障自清除能力子模块的阻断能力的研究都具有重大的意义，但此前并未形成完整的理论方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，解决了现有技术存在的上述问题，填补行业空白。本专利技术分别提出了在换流站闭锁前柔性直流电网单极接地故障和双极短路故障两种故障情况下的单端换流站等效方法，并且以四端柔性直流电网为例介绍了直流电网短路电流的计算方法。此外，将本专利技术计算方法向N端换流站进行了扩展，最终提出了一套完成的短路电流计算方法，本专利技术方法可以应用于N端柔性直流电网的短路电流计算。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，包括以下步骤：(1)单端换流站的等效；(2)柔性直流电网等效电路的形成；(3)电流回路的选取；(4)回路电流的建模与计算；(5)直流线路短路电流的计算。步骤(1)所述的单端换流站的等效，包含如下两种短路故障下真双极结构柔性直流电网单端换流站的等效方法：(1.1)真双极结构柔性直流电网单极接地短路故障情况下单端换流站等效方法，是将单端换流站等效成电阻、电感和电容相互串联的形式，等效电阻为2R0/3、等效电感为2L0/3、等效电容为6C0/N；(1.2)真双极结构柔性直流电网双极短路故障情况下单端换流站等效方法，同样是将单端换流站等效成电阻、电感和电容相互串联的形式，等效电阻为4R0/3、等效电感为4L0/3、等效电容为3C0/N；其中，2R0/3是真双极结构柔性直流电网单极接地短路故障情况下单端换流站的等效电阻，R0、L0为换流站的单个桥臂的桥臂电抗器对应的电阻值、电感值，C0为换流站子模块电容值，N为不考虑冗余情况下换流站单个桥臂的子模块个数。步骤(2)所述的柔性直流电网等效电路的形成，步骤如下：(2.1)依据换流站主电路参数，分别建立各个换流站的等效电路；(2.2)依据直流电网系统拓扑图及线路参数，分别建立各个换流站之间的线路等效电路；(2.3)依据直流电网系统拓扑图，将各个换流站的等效电路和线路等效电路相互连接组成直流电网等效电路。步骤(3)所述的电流回路的选取，是选择如下两种回路：(3.1)直流电网等效电路中从每一个换流站流向短路点的回路；(3.2)流经全部线路但不流经换流站的回路。步骤(4)所述的回路电流的建模与计算，采用微分方程建模，包括如下步骤：(4.1)依据选取的电流回路，建立二阶零输入状态电路模型；(4.2)依据二阶零输入状态电路模型，建立二阶微分方程；(4.3)对建立的二阶微分方程进行求解，得到回路电流的表达式。步骤(5)所述的直流线路短路电流的计算，包括如下步骤：(5.1)针对一条待求的直流线路短路电流，参照直流电网等效电路及电流回路的选取，与此直流线路电流参考方向相同的回路电流取正值，与此直流线路电流参考方向相反的回路电流取负值；(5.2)直流线路短路电流是回路电流的叠加，将回路电流相加，便可以得到此直流线路短路电流与回路电流的关系式；(5.3)依据回路电流的表达式及直流线路电流与回路电流的关系式，确定此条线路短路电流的表达式。本专利技术的有益效果在于：本专利技术首次提出直流电网短路电流计算方法。近年来直流输电的发展趋势是由点对点式的直流输电线路向直流电网发展，于是过去也仅存在单端换流站和双端换流站下的直流线路短路电流计算方法，尚未进行多端换流站扩展，并未构成真正意义上的直流电网。本专利技术提出的直流电网短路电流计算方法有助于解决直流电网故障保护问题，无论是对于直流断路器技术指标校验还是对于故障自清除能力子模块的阻断能力研究都具有重大实用价值和意义。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术的方法流程图；图2本专利技术的换流站真双极结构图；图3为本专利技术的单相接地故障单端换流站直流侧等值电路图；图4为本专利技术的极间短路故障单端换流站直流侧等值电路图；图5为本专利技术的四端真双极柔性直流系统短路故障示意图；图6为本专利技术的直流侧短路故障网络等值电路图；图7为本专利技术的N端多边形真双极MMC系统图；图8为本专利技术的N端直流电网直流侧短路故障网络等值电路图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术的详细内容及其具体实施方式。参见图1至图8所示，本专利技术的基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，首先分别提出了在换流站闭锁前柔性直流电网单极接地故障和双极短路故障两种故障情况下的单端换流站等效方法，并以四端柔性直流电网为例建立了完整的柔性直流电网短路故障等效电路，提出了电流回路的选取方法、完成了回路电流的建模与表达式的计算，并最终建立了任意一条直流线路短路电流的表达式，完成了整个直流电网短路电流的计算过程。此外，将此计算方法由四端柔性直流电网向N端柔性直流电网进行了扩展，最终提出了一套完成的短路电流计算方法，此方法可以应用于N端柔性直流电网的短路电流计算，用于揭示故障电流的变化规律，有助于更好地解决故障保护问题，无论是对于直流断路器技术指标校验还是对于故障自清除能力子模块的阻断能力研究都具有重大实用价值和意义。包括以下步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)单端换流站的等效；(2)柔性直流电网等效电路的形成；(3)电流回路的选取；(4)回路电流的建模与计算；(5)直流线路短路电流的计算。

【技术特征摘要】
1.一种基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)单端换流站的等效；(2)柔性直流电网等效电路的形成；(3)电流回路的选取；(4)回路电流的建模与计算；(5)直流线路短路电流的计算。2.根据权利要求1所述的基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，其特征在于：步骤(1)所述的单端换流站的等效，包含如下两种短路故障下真双极结构柔性直流电网单端换流站的等效方法：(1.1)真双极结构柔性直流电网单极接地短路故障情况下单端换流站等效方法，是将单端换流站等效成电阻、电感和电容相互串联的形式，等效电阻为2R0/3、等效电感为2L0/3、等效电容为6C0/N；(1.2)真双极结构柔性直流电网双极短路故障情况下单端换流站等效方法，同样是将单端换流站等效成电阻、电感和电容相互串联的形式，等效电阻为4R0/3、等效电感为4L0/3、等效电容为3C0/N；其中，2R0/3是真双极结构柔性直流电网单极接地短路故障情况下单端换流站的等效电阻，R0、L0为换流站的单个桥臂的桥臂电抗器对应的电阻值、电感值，C0为换流站子模块电容值，N为不考虑冗余情况下换流站单个桥臂的子模块个数。3.根据权利要求1所述的基于回路电流法的直流电网短路电流计算方法，其特征在于：步骤(2)所述的柔性直流电网等效电路的形成，步骤如下：(2.1)依据换流站主电路参数，分别建立各个换流站的等效电路；(2.2)依据直流电网系统拓...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛业春，李国庆，王振浩，王拓，江守其，王朝斌，王威儒，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22