TWBS-HVDC直流短路故障电流计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TWBS‑HVDC的直流短路故障电流计算方法，所述方法包括以下步骤：以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类，将所有直流故障分类为单回路类故障、双回路类故障和多回路类故障；将支路电感电流与电容电压作为状态变量，分别列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流状态方程，进而得到直流侧短路故障发生时TWBS‑HVDC的状态空间描述；分别求解3类故障状态方程系数矩阵的特征根和特征向量并代入状态变量初始条件，最终求得直流线路故障电流的解析表达式及解析解。

Calculation Method of DC Short Circuit Fault Current in TWBS-HVDC

【技术实现步骤摘要】
TWBS-HVDC直流短路故障电流计算方法
本专利技术涉及电力系统领域，尤其涉及一种基于TWBS-HVDC(threewiresbipolestructurebasedhighvoltagedirectcurrent，三线双极结构的高压直流输电)系统直流短路故障电流计算方法。
技术介绍
基于模块化多电平换流器的高压直流输电(modularmultilevelconverterbasedhighvoltagedirectcurrent，MMC-HVDC)系统因其运行方式灵活、谐波含量低和占地面积小等优点已成为解决大规模新能源并网和输电走廊利用紧张等问题的关键技术之一。根据主接线形式，MMC-HVDC又可分为：单极接线MMC-HVDC、伪双极接线MMC-HVDC及双极接线MMC-HVDC，而TWBS-HVDC作为一种新的三极接线系统，可以更好地利用现有的三相交流线路，以节省在直流线路上的基础配置投资，实现输电线路增容改造00。目前国内外对TWBS-HVDC的研究主要聚焦于TWBS-HVDC运行特性与控制策略等方面，处于初步探索阶段，而对TWBS-HVDC的直流故障特性分析甚少。典型的直流故障特性分析方法主要为：离散化求解法和状态方程求解法。离散化求解法通过建立直流系统离散化模型求取故障电流数值解，但该方法建模过程复杂且仿真规模具有局限性，故该方法普适性不强；状态方程求解法通过建立系统直流侧故障状态方程继而求得故障电流解析解。文献0推导了MMC端口短路的等效暂态模型，为直流系统故障机理分析提供了理论依据。文献0建立了伪双极直流系统故障暂态等效模型，并提出一种计算单极故障电流的方法。文献0进一步提出了直流系统双极短路故障的通用建模方法，并利用状态方程法求得故障电流解析解。而针对TWBS-HVDC直流故障特性分析方面的研究较少，深入分析其故障机理和暂态特性对工程参数设定与继电保护时间整定计算具有重要的作用，且有利于实际工程中TWBS-HVDC运行方式的制定和限流措施的选择，改善输因规划裕度导致的输电线路的利用率，提高输电系统供电的安全性、可靠性、速动性和灵敏性等。故有必要开展进一步的研究。
技术实现思路
本专利技术提供了一种TWBS-HVDC直流短路故障电流计算方法，本专利技术探究TWBS-HVDC直流侧短路故障机理，为直流线路保护与直流断路器动作定值计算和系统主电路参数设定提供了科学依据，为故障抑制提供了较为准确的参考依据，详见下文描述：一种基于TWBS-HVDC的直流短路故障电流计算方法，所述方法包括以下步骤：以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类，将所有直流故障分类为单回路类故障、双回路类故障和多回路类故障；将支路电感电流与电容电压作为状态变量，分别列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流状态方程，并整理成标准状态方程，进而得到直流侧短路故障发生时TWBS-HVDC的状态空间描述；分别求解3类故障状态方程系数矩阵的特征根和特征向量并代入状态变量初始条件，最终求得直流线路故障电流的解析表达式及解析解。所述列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流方程，并整理成标准状态方程，具体为：其中，L为暂态等效电路的电感矩阵；R为暂态等效电路的电阻矩阵；B为电流-电压关联矩阵；C为暂态等效电路的电容矩阵；P为节点支路关联矩阵；i为支路电流列向量；u为等效电容电压列向量；a11、a12….a35均为A矩阵前三行元素；Cm为MMC等效电容。支路电流初始值i(0)和电容电压初始值um(0)分别为：其中，k为调制极与正极线路等效电阻比；Im为调制极电流；Udc为MMC的额定直流电压；T为转置。所述直流线路故障电流的解析表达式及解析解具体为：其中，ci为任意常数；λi为关联矩阵A的特征值；ni为特征值λi所对应的的特征向量。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、短路电流计算在电力系统的设计与运行过程中均起着至关重要的作用，本专利技术针对国内外对TWBS-HVDC暂态特性开展研究较少的现状，以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类列写，并求解每类故障发生时的状态方程进而得到故障电流的解析表达式与解析解，深刻地揭示了TWBS-HVDC直流短路故障机理，提高了相关一次设备的检测精度，以便于实际工程中TWBS-HVDC运行方式的制定和限流措施的选择，快速限制短路电流以减少因直流故障而带来的损失，改善输电线路的利用率，提高输电系统供电的安全性、可靠性、速动性和灵敏性等。2、继电保护装置是关系到电网安全稳定运行的重要设备，是电网的第三道防线，对保证电力系统的安全经济运行和防止事故发生和扩大起到关键性的决定作用。本专利技术可以较准确地描述系统的暂态特性，既为系统各主电路参数选取提供了参考，又为直流断路器动作时间整定提供了科学依据。附图说明图1为一种TWBS-HVDC直流短路故障电流计算方法的流程图；图2为TWBS-HVDC结构示意图；图3为TWBS-HVDC三极电流运行特性图；图4为TWBS-HVDC暂态等效模型图；图5为单回路类短路故障暂态等效电路图；图6为双回路类短路故障暂态等效电路图；图7为多回路类短路故障暂态等效电路图；图8为单回路类故障解电流析解与仿真结果图；其中，(a)为故障位置位于线路首端的负极短路故障电流解析解与仿真结果；(b)为故障位置位于线路中点的负极短路故障电流解析解与仿真结果。图9为双回路类故障电流解析与仿真结果图；其中，(a)为故障位置位于线路首端的正极-调制极双极短路故障电流解析解与仿真结果；(b)为故障位置位于线路中点的正极-调制极双极短路故障电流解析解与仿真结果。图10为多回路类故障电流解析与仿真结果图。其中，(a)为故障位置位于线路首端的正极短路故障电流解析解与仿真结果；(b)为故障位置位于线路中点的正极短路故障电流解析解与仿真结果；(c)为故障位置位于线路首端的调制极短路故障电流解析解与仿真结果；(d)为故障位置位于线路中点的调制极短路故障电流解析解与仿真结果。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。为了解决
技术介绍
中对TWBS-HVDC的直流故障特性分析甚少的现状，本专利技术实施例以暂态等效电路中回路数与动态元件阶数相等为原则将所有直流侧短路故障归纳并划分为3类故障，建立每类故障发生时的暂态等效电路模型，基于状态方程法求解各类故障的故障电流解析解。实施例1一种基于TWBS-HVDC的直流短路故障电流计算方法，参见图1，该方法包括以下步骤：101：建立不同直流侧短路故障下的TWBS-HVDC暂态等效模型；其中，以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类，将所有直流故障进行重新归纳分类为单回路类故障、双回路类故障和多回路类故障3种类型。102：将支路电感电流与电容电压作为状态变量，分别列写3类故障等效电路中支路电感电流的KVL(基尔霍夫电压方程)方程和电容电压的KCL(基尔霍夫电流方程)方程，进而得到直流侧短路故障发生时TWBS-HVDC的状态空间描述；103：分别求解3类故障状态方程系数矩阵的特征根和特征向量并代入状态变量初始条件，最终求得直流线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TWBS‑HVDC的直流短路故障电流计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类，将所有直流故障分类为单回路类故障、双回路类故障和多回路类故障；将支路电感电流与电容电压作为状态变量，分别列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流状态方程，并整理成标准状态方程，进而得到直流侧短路故障发生时TWBS‑HVDC的状态空间描述；分别求解3类故障状态方程系数矩阵的特征根和特征向量并代入状态变量初始条件，最终求得直流线路故障电流的解析表达式及解析解。

【技术特征摘要】
1.一种基于TWBS-HVDC的直流短路故障电流计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：以暂态等效电路中独立回路数和动态元件阶数为标准进行故障分类，将所有直流故障分类为单回路类故障、双回路类故障和多回路类故障；将支路电感电流与电容电压作为状态变量，分别列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流状态方程，并整理成标准状态方程，进而得到直流侧短路故障发生时TWBS-HVDC的状态空间描述；分别求解3类故障状态方程系数矩阵的特征根和特征向量并代入状态变量初始条件，最终求得直流线路故障电流的解析表达式及解析解。2.根据权利要求1所述的一种基于TWBS-HVDC的直流短路故障电流计算方法，其特征在于，所述列写3类故障等效电路中支路电感电流的基尔霍夫电压方程、电容电压的基尔霍夫电流方程，并整理成标...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵩，刘先超，李国庆，姜涛，辛业春，李卫国，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22