一种混合多端直流系统的直流故障检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种混合多端直流系统的直流故障检测方法，包括步骤：S1、建立用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型；S2、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，导出初始直流故障电流的时域解析表达式；S3、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型和步骤S2中初始直流故障电流的时域解析表达式，并通过计算直流电抗器电压在指定时间段T内的平均值，从而检测出混合多端直流系统的直流故障。本发明专利技术通过基于混合多端直流系统直流故障分析简化模型导出了该系统的初始直流故障电流的时域解析表达式，该方法无需高的采样频率，就能够快速准确判断混合多端直流系统的直流故障。流故障。流故障。

【技术实现步骤摘要】
一种混合多端直流系统的直流故障检测方法


[0001]本专利技术涉及电力
，具体涉及一种混合多端直流系统的直流故障检测方法。

技术介绍

[0002]随着新能源的大规模接入以及柔性直流输电技术(VSC
‑
HVDC)的快速发展，柔性直流输电技术越来越多的集中在多端成网上。相比交流联网，直流联网有诸多优势：1)风、光等可再生新能源大多可通过直流升压的方式直接并网，提高了新能源的发电利用率；2)直流电网内部没有频率、功角稳定性等问题；3)可实现快速灵活的潮流控制，做到广域的功率调节互济。
[0003]但是在我国电力系统实现新能源多端直流馈入，交直流互联带来巨大经济利益的同时；联合电网的运行方式变化较大，交直流混连结构复杂，给多端直流系统的故障检测带来了新的挑战。例如，缺乏有效的适用于多端直流故障检测的新方法。现有的多端直流保护大都采用高速行波保护，通过检测故障线路的电流和电压变化率来实现快速故障隔离。但该方法需要极高的采样频率，容错能力较差，其耐过度电阻能力也有限。因此，针对多端直流系统的故障特征，设计适用于多端直流故障检测的新方法是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了克服以上技术的不足，提供了一种混合多端直流系统的直流故障检测方法。
[0005]术语解释：
[0006]1、HVDC：High Voltage DirectCurrent，高压直流电。
[0007]2、MTDC：multi
‑
terminal HVDC，混合多端直流系统。
[0008]3、LCC：Line Commutated Converter，电网换相换流器。
[0009]4、MMC：Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器。
[0010]本专利技术克服其技术问题所采用的技术方案是：
[0011]一种混合多端直流系统的直流故障检测方法，包括如下步骤：
[0012]S1、建立用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型；
[0013]S2、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，导出初始直流故障电流的时域解析表达式；
[0014]S3、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型和步骤S2中的初始直流故障电流的时域表达式，并通过计算直流电抗器电压在指定时间段T内的平均值，从而检测出混合多端直流系统的直流故障。
[0015]进一步地，用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型具体由以下方程描述：
[0016][0017][0018]式(1)表示LCC模型的方程式，式(2)表示MMC模型的方程式；
[0019]式(1)中，i
d
和u
d
分别为直流母线电流和电压；Δ表示与平衡的一般偏差；Δi
d
和Δu
d
分别表示直流母线电流和直流母线电压在故障时与平衡态时相比的变化量；s为拉普拉斯变换的复频率；L
d
为平波电抗器的电感；d
γ
为等效换流电阻，其中，d
γ
＝3ω
s
L
γ
/π，ω
s
为系统的角频率，L
γ
为LCC与其连接的交流电源之间的等效电感；k
α
为相关系数；α为LCC的触发角；和分别为LCC恒流控制的比例增益和积分增益；Vo为LCC的理想空载电压，其中E为交流电源的均方根线路电压；R
L
和C
L
分别为考虑控制效果的基于LCC的整流器的等效电阻和电容；α0和α1分别表示触发角的初始稳态和故障后稳态；
[0020]式(2)中，R
M
、L
M
、C
M
分别为考虑控制效果的基于MMC的整流器的等效电阻、等效电感和等效电容；C
sm
为每个MMC子模块的等效电容；N为MMC子模块的个数；R
arm
和L
arm
分别为等效臂电阻和等效臂电感；∑R
on
为每个桥臂的绝缘栅双极晶体管的导通电阻的和。
[0021]进一步地，式(1)中，具体由以下方程式联立化简得到：
[0022]LCC模型的动力学方程描述如下：
[0023][0024]LCC换流器型电源的恒流控制方程为：
[0025][0026]式(1
‑
2)中，为参考直流母线电流；
[0027]在[α0,α1]的特定区间内利用cosα的泰勒展开，得到如下表达式：
[0028][0029]基于式(1
‑
1)、式(1
‑
2)、式(1
‑
3)，联立化简得到用于直流故障分析的LCC换流器简化模型：
[0030][0031]进一步地，步骤S2中，初始直流故障电流的时域解析表达式可由以下方程描述：
[0032][0033][0034]式(3)表示不带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式，式(4)表示带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式；
[0035]上式中，故障点处参数下标记为0；故障线路rt处参数下标记为rt；pt和qt线路参数下标记为pt和qt；i
r0
为端口r流入故障点0的电流；i
pt
为线路pt流出的端口电流；u0为故障点发生故障前电压；
[0036]τ
r
、τ
p
分别为用于简化公式的常量；R
br0
、L
br0
分别为端口r和故障点之间的支路电阻、支路电感；R
bpt
、L
bpt
分别为线路pt的支路电阻和支路电感；L
bqt
为线路qt的支路电感；R
lt0
、L
lt0
为线路lt到故障点0之间的等效电阻、等效电感；k
rt
表示i
r0
与i
t0
的比值，其中i
t0
表示从线路lt流入故障点的电流；R
f
为故障电阻。
[0037]进一步地，式(3)具体由以下方程式联立化简得到：
[0038]根据故障点左侧电路直接计算出故障线路电流：
[0039][0040]式(3
‑
1)中，C
r
表示端口r的支路电容；
[0041]定义pt和qt线路的分支阻抗为：
[0042][0043]式(3
‑
2)中，Z
bpt
、Z
bqt
分别为线路pt和线路qt的支路阻抗；C
p
表示端口p的支路电
容；R
bqt
表示线路qt的支路电阻；C
q...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合多端直流系统的直流故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型；S2、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型，导出初始直流故障电流的时域解析表达式；S3、基于步骤S1中建立的用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型和步骤S2中的初始直流故障电流的时域表达式，并通过计算直流电抗器电压在指定时间段T内的平均值，从而检测出混合多端直流系统的直流故障。2.根据权利要求1所述的混合多端直流系统的直流故障检测方法，其特征在于，步骤S1中，用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型具体由以下方程描述：中，用于直流故障分析的混合多端直流系统简化模型具体由以下方程描述：式(1)表示LCC模型的方程式，式(2)表示MMC模型的方程式；式(1)中，i
d
和u
d
分别为直流母线电流和电压；Δ表示与平衡的一般偏差；Δi
d
和Δu
d
分别表示直流母线电流和直流母线电压在故障时与平衡态时相比的变化量；s为拉普拉斯变换的复频率；L
d
为平波电抗器的电感；d
γ
为等效换流电阻，其中，d
γ
＝3ω
s
L
γ
/π，ω
s
为系统的角频率，L
γ
为LCC与其连接的交流电源之间的等效电感；k
α
为相关系数；α为LCC的触发角；和分别为LCC恒流控制的比例增益和积分增益；Vo为LCC的理想空载电压，其中E为交流电源的均方根线路电压；R
L
和C
L
分别为考虑控制效果的基于LCC的整流器的等效电阻和电容；α0和α1分别表示触发角的初始稳态和故障后稳态；式(2)中，R
M
、L
M
、C
M
分别为考虑控制效果的基于MMC的整流器的等效电阻、等效电感和等效电容；C
sm
为每个MMC子模块的等效电容；N为MMC子模块的个数；R
arm
和L
arm
分别为等效臂电阻和等效臂电感；∑R
on
为每个桥臂的绝缘栅双极晶体管的导通电阻的和。3.根据权利要求2所述的混合多端直流系统的直流故障检测方法，其特征在于，式(1)中，具体由以下方程式联立化简得到：LCC模型的动力学方程描述如下：LCC换流器型电源的恒流控制方程为：
式(1
‑
2)中，为参考直流母线电流；在[α0,α1]的特定区间内利用cosα的泰勒展开，得到如下表达式：基于式(1
‑
1)、式(1
‑
2)、式(1
‑
3)，联立化简得到用于直流故障分析的LCC换流器简化模型：4.根据权利要求1所述的混合多端直流系统的直流故障检测方法，其特征在于，步骤S2中，初始直流故障电流的时域解析表达式可由以下方程描述：中，初始直流故障电流的时域解析表达式可由以下方程描述：式(3)表示不带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式，式(4)表示带有故障电阻的初始直流故障电流的时域解析表达式；上式中，故障点处参数下标记为0；故障线路rt处参数下标记为rt；pt和qt线路参数下标记为pt和qt；i
r0
为端口r流入故障点0的电流；i
pt
为线路pt流出的端口电流；u0为故障点发生故障前电压；τ
r
、τ
p
分别为用于简化公式的常量；R
br0
、L
br0
分别为端口r和故障点之间的支路电阻、支路电感；R
bpt
、L
bpt
分别为线路pt的支路电阻和支路电感；L
bqt
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐越飞，吴小欢，许琴，顾承天，邓小电，陈世喆，俞斯昌，刘菁锐，李佳朋，李宇骏，
申请(专利权)人：杭州电力设备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：