MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法技术方案

本发明专利技术公开了MMC‑MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，包括步骤：建立基于MMC换流器的MTDC系统的简化计算模型；根据所述简化计算模型，建立MMC‑MTDC系统的故障前状态方程；线路故障后，根据线路故障对故障前状态方程中的状态变量和系数矩阵进行修改，得到MMC‑MTDC输电系统的故障后状态空间描述；根据故障后状态空间描述，求解线路故障电流。本发明专利技术能够实现MMC‑MTDC系统单极接地故障电流的准确计算，能较好地反映线路故障电流暂态特性，在多端直流系统的故障计算中有较好的可行性和适用性。

Calculation Method of Single Pole Grounding Fault Current in MMC-MTDC Transmission System

The invention discloses a method for calculating the single-pole grounding fault current of MMC MTDC transmission system, including steps: establishing a simplified calculation model of MTDC system based on MMC converter; establishing the pre-fault state equation of MMC MTDC system according to the simplified calculation model; modifying the state variables and coefficient matrix of the pre-fault state equation according to the line fault after the line fault, and obtaining the pre-fault state equation. The fault state space of MMC MTDC transmission system is described, and the fault current of transmission line is solved according to the fault state space description. The invention can realize the accurate calculation of single-pole grounding fault current in MMC MTDC system, can better reflect the transient characteristics of line fault current, and has better feasibility and applicability in fault calculation of multi-terminal DC system.

【技术实现步骤摘要】
MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法
本专利技术属于电力线路故障分析
，特别是涉及MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法。
技术介绍
直流线路单极接地故障是基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)的多端直流(multi-terminalhighvoltagedirectcurrent，MTDC)输电系统最常见的故障类型，分析其故障电流暂态特性对于故障类型的判断、保护配置的设计、系统参数的优化具有较大的工程意义。典型直流故障主要有双极短路故障、单极接地故障及断线故障。其中单极接地故障是直流系统最常见的故障类型，目前国内外文献关于单极接地故障的研究主要包括故障暂态特性的定性分析、控制保护策略、接地参数对故障特性的影响等；但考虑到线路故障传播延时及故障检测等问题，故障时刻桥臂子模块实际投入个数不易获得；并且故障暂态过程中任意时刻的三相上(下)桥臂子模块投入个数不相等，进而等效电容也不相同，现有方法无法得出桥臂等效电容表达式。在现有技术中多是关于多端直流单极接地故障电流暂态特性的研究大部分为定性分析，并没有提出过准确的故障电流计算方法。在MMC-MTDC系统中研究单极接地故障时，即使换流站参数相同，故障点处于线路中点，由于参与放电的换流站不止两个，以及各条输电线路参数不同，故障通路不可能完全对称，非故障极线路上的故障电流不能等效为零，需要将其考虑进故障电流分析中；因此在故障电流分析过程中故障电流的计算有着重要的意义。并且，由于MMC换流器采用了大量的非线性开关元件和复杂的控制系统，故障发生后的暂态过程具有极强的非线性特征。如果对换流站进行详细的数学建模，求解故障暂态过程将十分复杂，不易实现。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，能够实现MMC-MTDC系统单极接地故障电流的准确计算，能较好地反映线路故障电流暂态特性，在多端直流系统的故障计算中有较好的可行性和适用性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，包括步骤：S100建立基于MMC换流器的MTDC系统的简化计算模型；S200根据所述简化计算模型，建立MMC-MTDC系统的故障前状态方程；S300线路故障后，根据线路故障对故障前状态方程中的状态变量和系数矩阵进行修改，得到MMC-MTDC输电系统的故障后状态空间描述；S400根据故障后状态空间描述，求解线路故障电流。进一步的是，在所述MMC-MTDC输电系统中，对单个MMC换流器进行简化等效，进而将MTDC系统简化为RLC等效电路，从而建立简化计算模型。进一步的是，在建立所述简化计算模型时，基于能量平衡理论，使MMC-MTDC系统在正常运行过程中每个时刻的MMC换流器输入能量和输出能量相等，故而使得MMC换流器三相桥臂电容总的能量保持不变；线路故障后，三相桥臂电容能量的释放产生了故障电流；由于不同故障时刻桥臂电容总的能量相同，考虑到系统中三相桥臂子模块的均压策略及快速投切，线路故障电流特性也相同；由于系统中桥臂子模块电容的等效与故障时刻无关，故而将三相桥臂子模块捆绑起来等效成三个N/2个子模块并联，等效电容为6C0/N；在放电过程三相上桥臂子模块等效为两组等效电容并联放电，总等效电容表示为12C0/N；C0是子模块电容，N是单相桥臂子模块总数。进一步的是，为保证系统正常运行，必须维持直流母线电压对称；在所述MMC-MTDC输电系统中交流侧接地方式为换流变阀侧交流母线接星形电抗经电阻接地；所述简化计算模型中单个MMC换流器包括第一支路、第二支路和第三支路构成的Y型结构，所述第一支路包括电感L0和电阻R0串联构成，所述第二支路和第三支路的结构相同均包括电感Li、电容Ci和电阻Ri串联构成；第二支路的电阻Ri、第三支路的电阻Ri和电感L0连接汇合至统一节点，所述第一支路的电阻R0端接地；其中R0＝Ra，Larm是换流器桥臂电感，RON是子模块中IGBT及二极管的导通电阻，C0是子模块电容，N是单相桥臂子模块总数，Ra是交流侧接地极电阻，La是交流侧接地极电感。进一步的是，由于故障点发生变化需要重新构建计算故障电流的状态方程，为了避免这个问题，提高计算方法的可扩展性；根据简化计算模型的支路电流和电容电压，通过基尔霍夫定律推导出MMC-MTDC输电系统的故障前状态方程。进一步的是，在步骤S200中建立MMC-MTDC输电系统的故障前状态方程包括步骤：S201选定支路电流i和桥臂电容电压u为系统的状态变量，状态向量为X＝[iu]T；定义中间变量桥臂电流为ic；桥臂电流ic与支路电流i的关系为ic＝P·i；S202为了符合电压电流参考方向，定义一个l×l系数矩阵M，M的非对角线元素为零，对角线元素mkk(k＝1,2…l)定义为：定义一个l×l系数矩阵B，B＝M·P，P是节点关联矩阵；l个支路电流微分方程中消去桥臂电流ic，相应的电容电压u与支路电流i之间的l个KVL方程表示矩阵形式：式中R、L为两个对偶的l×l矩阵；S203定义一个2m×2m系数矩阵T，T的非对角线元素为零，对角线元素tii(i＝1,2,…2m)定义为：电容放电时，电容电压du/dt与桥臂电流ic的关系为：用支路电流表示桥臂电流得到：系数矩阵C为各桥臂电容；联立支路电流和电容电压进行矩阵计算，得到MMC-MTDC输电系统的故障前状态方程：进一步的是，在步骤S300中故障后状态空间描述用微分方程数值解的方法求解故障后状态方程，得到线路故障电流。进一步的是，在步骤S300中得到故障后状态空间描述的过程包括步骤：S301，线路bij发生单极接地故障后，支路bij变成bi0和bj0两条故障支路，线路参数Rij、Lij分别变成Ri0、Rj0及Li0、Lj0，电容电压u及桥臂电流ic不变，支路电流i增加一行，故障发生后的支路电流修改为i′；S302，将关联矩阵P变为2m×(l+1)矩阵P′；系数矩阵M相应增加一行一列，变为(l+1)×(l+1)矩阵M′；B变为B′，B′＝M′·P′；支路电流与桥臂电流的关系表示为：ic＝P′·i′；S303，系数矩阵R、L中的l行l列对应的都是l条支路；故障支路的出现，R、L会相应增加一行一列，变成R′、L′；R′、L′与R、L相比，除故障支路对应的行列元素外，其他元素不变，故障支路对应的两行元素根据列写故障支路方程得到，故障支路对应的两列元素根据电流参考方向修改得到；S304，故障后电容放电微分方程不变，将得到：S305，将状态变量及系数矩阵修改后，得到故障后系统的状态方程为：S306，设状态向量X′为X′＝[i′u]T；由于系统无输入变量，系统的状态空间描述为：进一步的是，在步骤S400中根据故障后状态空间描述，求解线路故障电流，包括步骤：S401，计算状态方程的初始条件为：由于故障通路中大部分电感来自接地极中的星型电感，接地极中的电感流过的接地电流远小于线路正常运行时的稳态电流，故而式中故障电流i′的初始稳态值设定为0。系统稳定运行时，i换流站直流母线电压为±Udci/2；S402，单极接地故障发生后，直流线路实际故障电流i″为子模块放电电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.MMC‑MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，包括步骤：S100建立基于MMC换流器的MTDC系统的简化计算模型；S200根据所述简化计算模型，建立MMC‑MTDC系统的故障前状态方程；S300线路故障后，根据线路故障对故障前状态方程中的状态变量和系数矩阵进行修改，得到MMC‑MTDC输电系统的故障后状态空间描述；S400根据故障后状态空间描述，求解线路故障电流。

【技术特征摘要】
1.MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，包括步骤：S100建立基于MMC换流器的MTDC系统的简化计算模型；S200根据所述简化计算模型，建立MMC-MTDC系统的故障前状态方程；S300线路故障后，根据线路故障对故障前状态方程中的状态变量和系数矩阵进行修改，得到MMC-MTDC输电系统的故障后状态空间描述；S400根据故障后状态空间描述，求解线路故障电流。2.根据权利要求1所述的MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，在所述MMC-MTDC输电系统中，对单个MMC换流器进行简化等效，进而将MTDC系统简化为RLC等效电路，从而建立简化计算模型。3.根据权利要求2所述的MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，在建立所述简化计算模型时，基于能量平衡理论，使MMC-MTDC系统在正常运行过程中每个时刻的MMC换流器输入能量和输出能量相等，故而使得MMC换流器三相桥臂电容总的能量保持不变；线路故障后，三相桥臂电容能量的释放产生了故障电流；由于不同故障时刻桥臂电容总的能量相同，考虑到系统中三相桥臂子模块的均压策略及快速投切，线路故障电流特性也相同；由于系统中桥臂子模块电容的等效与故障时刻无关，故而将三相桥臂子模块捆绑起来等效成三个N/2个子模块并联，等效电容为6C0/N；在放电过程三相上桥臂子模块等效为两组等效电容并联放电，总等效电容表示为12C0/N；C0是子模块电容，N是单相桥臂子模块总数。4.根据权利要求3所述的MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，在所述MMC-MTDC输电系统中交流侧接地方式为换流变阀侧交流母线接星形电抗经电阻接地；所述简化计算模型中单个MMC换流器包括第一支路、第二支路和第三支路构成的Y型结构，所述第一支路包括电感L0和电阻R0串联构成，所述第二支路和第三支路的结构相同均包括电感Li、电容Ci和电阻Ri串联构成；第二支路的电阻Ri、第三支路的电阻Ri和电感L0连接汇合至统一节点，所述第一支路的电阻R0端接地；其中R0＝Ra，Larm是换流器桥臂电感，RON是子模块中IGBT及二极管的导通电阻，C0是子模块电容，N是单相桥臂子模块总数，Ra是交流侧接地极电阻，La是交流侧接地极电感。5.根据权利要求4所述的MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，根据简化计算模型的支路电流和电容电压，通过基尔霍夫定律推导出MMC-MTDC输电系统的故障前状态方程。6.根据权利要求5所述的MMC-MTDC输电系统单极接地故障电流计算方法，其特征在于，在步骤S200中建立MMC-MTDC输电系统的故障前状态方程包括步骤：S201选定支路电流i和桥臂电容电压u为系统的状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：张英敏，曾琦，李俊松，陈浩，王耀升，陈可，田洪江，张明奇，周保坤，赵俊，彭宇锋，刘麒麟，陈若尘，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51