低频输电系统故障电流简化解析方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种低频输电系统故障电流简化解析方法及系统，所述故障电流为三相接地故障电流，属于电力系统故障保护技术领域。包括以下步骤：对正常运行的系统进行检测，获取系统的元件固有参数和正常运行参数；将故障电流的演化过程分为三个阶段：换流器闭锁前电容器充电、换流器闭锁前电容器放电和换流器闭锁后电容器充电；分别将三个阶段的故障回路等效为RLC等值电路，由RLC等值电路推导出故障电流解析式，并合成得到故障电流解析式。本发明专利技术方法不需要进行复杂的建模仿真，即可实现基于M3C的低频输电系统三相接地故障电流简化解析计算，可为继电保护整定计算、电气设备选择校验提供依据，计算时间短，适用性广泛。适用性广泛。适用性广泛。

【技术实现步骤摘要】
低频输电系统故障电流简化解析方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力系统故障保护
，尤其涉及一种低频输电系统故障电流简化解析方法及系统，其中故障电流为三相接地故障电流。

技术介绍

[0002]低频输电是一种输送频率低于工频(50/60Hz)的交流输电方式，具备线路输电能力强、电流过零开断、易组网的优势，应用于中远距离的海上风电中具有独特优势。低频输电的一个关键环节是利用交交变频换流器进行低频系统与工频系统之间的异频能量交互，模块化多电平矩阵换流器(M3C)是目前较适用于低频输电技术的交交换流器，采用全桥子模块级联技术实现无直流环节的直接型交交换流，在换流站发生三相接地故障后，流经子模块的电流峰值远高于稳态值，严重威胁整个系统的安全稳定运行。
[0003]M3C在2001年提出，经过20年来的研究和改进，其理论已趋于成熟。针对M3C的装置级控制策略已开展了较多研究，主要围绕子模块电容电压平衡控制、电网电压不平衡工况下的控制、柔性启停策略等，但针对故障后M3C的电磁暂态过程研究涉及较少。需要对故障电流通路和变化规律进行全面分析，推导换流器闭锁前和闭锁后桥臂故障电流解析式，分析影响子模块过电流和过电压的关键因素，为电力系统规划设计、继电保护整定计算、电气设备选择校验提供参考。
[0004]M3C故障后的暂态行为研究方法可以借鉴基于模块化多电平变流器(MMC)的柔性直流输电系统，国内外学者对其在交直流侧下的接地故障进行了大量研究，包括故障时子模块放电机制、短路路径、桥臂电流变化的研究，并推导了相应的故障电流解析式。
[0005]中国专利技术专利申请公开说明书CN 103825267 A于2014年5月28日公开的《一种MMC
‑
MTDC直流侧短路电流的计算方法》，把计算所得的稳态运行电流作为短路电流的稳态分量；根据MMC等效无源电路，直流输电线路以及故障点的直流电压源等效计算网络，求解短路电流的故障分量；最后把稳态分量与故障分量相加，得到最终短路电流计算结果，可以大大简化系统模型，显著提高计算效率。
[0006]中国专利技术专利申请公开说明书CN 106407494 A于2017年2月15日公开的《基于MMC的HVDC系统的双极短路故障电流计算方法》，根据故障电流分量和放电电流产生机理，把放电过程进行等值，引入调节因子来拟合放电电流的曲线，获得最终放电电流计算公式。
[0007]目前所见故障电流解析方法主要针对MMC
‑
HVDC系统的故障电流解析，但M3C在拓扑结构和运行状态上与MMC不同，故障后换流器的运行特性发生较大的变化，换流器内各桥臂导通的全桥子模块数量不是定值，发生三相接地故障后电磁暂态过程复杂，故障电流越限有可能造成换流器内部电力电子器件损坏，因此需要针对基于M3C的低频输电系统故障后的故障电流进行解析计算，进而采取针对性的故障限流措施。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题是简化M3C换流器故障后复杂的电磁暂态过程，克服现
有故障电流解析方法无法适用于求解新型低频输电系统故障电流的缺陷，从而提供了一种低频输电系统故障电流简化解析方法及系统，通过解析计算故障回路的RLC等值电路，快速表征故障发生后一段时间内故障电流的变化趋势。
[0009]本专利技术的目的是这样实现的，本专利技术提供了一种低频输电系统故障电流简化解析方法，所述故障电流为三相接地故障电流，所述简化解析方法包括以下步骤：
[0010]通过采样得到M3C换流器三相输出电压的峰值U
s
，角频率ω，s为相序，s＝a，b，c；
[0011]按照故障发生时所述M3C换流器的状态将故障电流的演化过程中的故障回路等效为前充电RLC等值电路、放电RLC等值电路和后充电RLC等值电路，根据峰值U
s
、角频率ω和三个RLC等值电路建立三个故障电流解析式，并计算得到前充电阶段的故障电流i
f1
、放电阶段的故障电流i
f2
和后充电阶段的故障电流i
f3
；
[0012]根据前充电阶段的故障电流i
f1
、放电阶段的故障电流i
f2
和后充电阶段的故障电流i
f3
得到故障后任意故障发生时刻t的故障电流i
f
。
[0013]优选地，所述故障后任意故障发生时刻t的故障电流i
f
的解析式如下：
[0014][0015]其中，t0为前充电阶段开始时刻，t1为放电阶段开始时刻，t2为后充电阶段开始时刻，t3为后充电阶段结束时刻。
[0016]优选地，所述前充电阶段的故障电流i
f1
的求解过程如下：
[0017]所述前充电RLC等值电路为一个由交流电源u
s
、低频输电系统中的限流电阻R、第一等值电容C
e
和等值电感L
e
组成的回路，其中，第一等值电容C
e
的正极接交流电源u
s
，第一等值电容C
e
的负极接等值电感L
e
，等值电感L
e
的另一端接限流电阻R，限流电阻R的另一端接交流电源u
s
，该回路上通过的电流为前充电阶段的故障电流i
f1
；记所述限流电阻R的电阻值为R
eq
；
[0018]所述前充电阶段的故障电流解析式为：
[0019][0020]其中，γ1为前充电阶段的故障电流的附加相位，Z1为前充电RLC等值电路的阻抗，其计算式分别为：
[0021][0022][0023]式中，C
eq
为第一等值电容C
e
的电容值，C
eq
＝9C0/N，L
eq
为等值电感L
e
的电感值，L
eq
＝L
arm
/3+L
k
，N为M3C换流器中单个桥臂中全桥子模块的数量，C0为M3C换流器中储能电容C的电容值，L
arm
为M3C换流器中桥臂电感L1的电感值，L
k
为低频输电系统中线路电感L2的电感值。
[0024]优选地，所述放电阶段的故障电流i
f2
的求解过程如下：
[0025]所述放电阶段的故障电流i
f2
由电容放电电流i
c
和交流侧短路电流i
s
合成得到，其
表达式为：
[0026]i
f2
＝i
C
+1
s
[0027]所述放电RLC等值电路包括电容放电RLC等值电路和交流短路RLC等值电路；
[0028]所述电容放电RLC等值电路为一个由低频输电系统中的限流电阻R、第一等值电容C
e
和等值电感L
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低频输电系统故障电流简化解析方法，所述故障电流为三相接地故障电流，其特征在于，所述简化解析方法包括以下步骤：通过采样得到M3C换流器三相输出电压的峰值U
s
，角频率ω，s为相序，s＝a，b，c；按照故障发生时所述M3C换流器的状态将故障电流的演化过程中的故障回路等效为前充电RLC等值电路、放电RLC等值电路和后充电RLC等值电路，根据峰值U
s
、角频率ω和三个RLC等值电路建立三个故障电流解析式，并计算得到前充电阶段的故障电流i
f1
、放电阶段的故障电流i
f2
和后充电阶段的故障电流i
f3
；根据前充电阶段的故障电流i
f1
、放电阶段的故障电流i
f2
和后充电阶段的故障电流i
f3
得到故障后任意故障发生时刻t的故障电流i
f
。2.根据权利要求1所述的低频输电系统故障电流简化解析方法，其特征在于，所述故障后任意故障发生时刻t的故障电流i
f
的解析式如下：其中，t0为前充电阶段开始时刻，t1为放电阶段开始时刻，t2为后充电阶段开始时刻，t3为后充电阶段结束时刻。3.根据权利要求1所述的低频输电系统故障电流简化解析方法，其特征在于，所述前充电阶段的故障电流i
f1
的求解过程如下：所述前充电RLC等值电路为一个由交流电源u
s
、低频输电系统中的限流电阻R、第一等值电容C
e
和等值电感L
e
组成的回路，其中，第一等值电容C
e
的正极接交流电源u
s
，第一等值电容C
e
的负极接等值电感L
e
，等值电感L
e
的另一端接限流电阻R，限流电阻R的另一端接交流电源u
s
，该回路上通过的电流为前充电阶段的故障电流i
f1
；记所述限流电阻R的电阻值为R
eq
；所述前充电阶段的故障电流解析式为：其中，γ1为前充电阶段的故障电流的附加相位，Z1为前充电RLC等值电路的阻抗，其计算式分别为：算式分别为：式中，C
eq
为第一等值电容C
e
的电容值，C
eq
＝9C0/N，L
eq
为等值电感L
e
的电感值，L
eq
＝L
arm
/3+L
k
，N为M3C换流器中单个桥臂中全桥子模块的数量，C0为M3C换流器中储能电容C的电容值，L
arm
为M3C换流器中桥臂电感L1的电感值，L
k
为低频输电系统中线路电感L2的电感值。4.根据权利要求1所述的低频输电系统故障电流简化解析方法，其特征在于，所述放电阶段的故障电流i
f2
的求解过程如下：所述放电阶段的故障电流i
f2
由电容放电电流i
c
和交流侧短路电流i
s
合成得到，其表达式为：
i
f2
＝i
C
+i
s
所述放电RLC等值电路包括电容放电RLC等值电路和交流短路RLC等值电路；所述电容放电RLC等值电路为一个由低频输电系统中的限流电阻R、第一等值电容C
e
和等值电感L
e
组成的回路，其中，第一等值电容C
e
的正极接等值电感L
e
，等值电感L
e
的另一端接限流电阻R，限流电阻R的另一端接第一等值电容C
e
的负极，该回路上通过的电流为电容放电电流i
C
；记所述限流电阻R的电阻值为R
eq
；所述交流短路RLC等值电路为一个由交流电源u
s
、低频输电系统中的限流电阻R和等值电感L
e
组成的回路，其中，等值电感L
e
的一端接交流电源u
s
。另一端接限流电阻R，限流电阻R的另一端接交流电源u
s
，该回路上通过的电流为交流侧短路电流i
s
；所述放电阶段的故障电流解析式为：其中，C
eq
为第一等值电容C
e
的电容值，C
eq
＝9C0/N，N为M3C换流器中单个桥臂中全桥子模块的数量，C0为M3C换流器中储能电容C的电容值；T为时间常数，A为常系数，ω
i
为电容放电电流的角频率，θ为电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：向念文，叶寿洪，王书来，陆翌，裘鹏，林进钿，韩彬，赵国亮，乔光尧，赵泽昕，倪晓军，丁超，倪嘉伟，柯一帆，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司电力科学研究院中国电力科学研究院有限公司国网智能电网研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：